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은닉 마코프 모형을 이용한 한강유역 수문학적 가뭄의 확률론적 평가
박예준,유지영,권현한,김태웅 한국수자원학회 2014 한국수자원학회논문집 Vol.47 No.5
지금까지 많은 연구를 통하여 제안된 다양한 가뭄지수들은 사전에 정의된 등급을 통하여 가뭄을 평가하기 때문에 가뭄현상에 내재된 불확실성을 고려하지 못하고 있다. 본 연구에서는 월 유출량 자료에 내재되어 있는 불확실성을 고려하기 위해 은닉 마코프 모형(HMM) 기반의 가뭄지수(HMDI)를 제안하고, 이를 이용하여 수문학적 가뭄에 대한 확률론적 평가를 수행하였다. WAMIS에서 제공하는 한강유역의 평창강과 남한강상류의 월평균 유출량 자료(1966∼2009)를 이용하여 3, 6, 12개월씩 누적시킨 후, HMM에 적용하여 은닉상태의 사후확률을 계산하였다. 연구방법의 검증을 위해 HMM을 이용하여 추정된 각 은닉상태 별 사후확률(HMDI)과 기준값에 의해 가뭄을 평가하는 방법 중 하나인 표준유출지수(SSI)와 비교를 하였다. 분석결과, 기존 가뭄지수(SSI)를 사용하였을 때는 하나의 지수로 특정 시점에서의 가뭄 상태를 판단하였지만, HMDI는 자료에 내재된 불확실성을 이용하여 가뭄의 상태를 분류하였고, 이는 특정 시점에서 가뭄 상태들이 나타날 확률로 표현되었다. 또한, 실제 가뭄사례와의 비교를 통해서 HMDI가 SSI에 비하여 가뭄에 대한 재현능력이 우수한 것으로 나타났다. Various drought indices developed from previous studies can not consider the inherent uncertainty of drought because they assess droughts using a pre-defined threshold. In this study, to consider inherent uncertainty embedded in monthly streamflow data, Hidden Markov Model(HMM) based drought index (HMDI) was proposed and then probabilistic assessment of hydrologic drought was performed using HMDI instead of using pre-defined threshold. Using monthly streamflow data(1966~2009) of Pyeongchang river and Upper Namhan river provided by Water Management Information System(WAMIS), applying the HMM after moving-averaging the data with 3, 6, 12 month windows, this study calculated the posterior probability of hidden state that becomes the HMDI. For verifying the method, this study compared the HMDI and Standardized Streamflow Index(SSI) which is one of drought indices using a pre-defined threshold. When using the SSI, only one value can be used as a criterion to determine the drought severity. However, the HMDI can classify the drought condition considering inherent uncertainty in observations and show the probability of each drought condition at a particular point in time. In addition, the comparison results based on actual drought events occurred near the basin indicated that the HMDI outperformed the SSI to represent the drought events.
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연최대치계열과 비연초과치계열으로부터 산정한 확률강우량의 비교·분석
박예준,권현한,정은성,김태웅,Park, Yei Jun,Kwon, Hyun-Han,Chung, Eun Sung,Kim, Tae-Woong 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.2
확률수문량을 산정하기 위해서 실무에서 많이 사용하는 연최대치 계열은 자료의 구축이 간편한 장점이 있지만, 우리나라에서 연최대치 계열을 이용하기에는 자료의 수가 매우 제한적이다. 특히, 적은 관측자료를 바탕으로 확률강우량 또는 설계홍수량을 추정할 경우 과다산정을 할 가능성이 매우 높다. 본 연구에서는 기상청에서 제공하는 1973년부터 2012년까지 총 40년간의 관측자료를 대상으로 독립호우사상을 구분하고, 연최대치 계열과 비연초과치 계열을 구성한 후, 연최대치 계열과 비연초과치 계열로부터 산정된 확률강우량의 상관성을 분석하고, 적은 관측자료를 가지고 지점빈도해석을 수행하여 확률강우량을 추정할 수 있는 방법을 제안하였다. The annual maximum series (AMS) is usually used to estimate hydrological quantiles in practice because it is simple to construct and straightforward to probabilistic interpretation. However, it is limited to use the AMS in Korea due to the lack of reliable observed data which leads to the overestimation of design rainfall and/or flood. Using the 40-year observations of rainfall provided by the Korea Meteorological Administration, this study constructed the AMS and non-annual exceedance series (NAES) after identifying the independent storm event, analyzed the correlation between design rainfalls estimated from the AMS and NAES, and proposed a new method of point frequency analysis to estimate design rainfalls from the small number of observations.
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은닉 마코프 모형을 활용한 RCP 8.5 시나리오에 따른 기상학적 가뭄의 확률론적 평가
박예준,신지예,유지영,권현한,김태웅 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-
단기간에 발생하는 홍수와 달리 가뭄은 긴 시간 동안 큰 피해를 발생시키기 때문에 가뭄을 효과적인 예측하는 것은 매우 중요하다. 현재까지 제안된 여러 가뭄지수들은 사전에 정의된 등급을 이용하기 때문에 대상자료 자체에 내재된 불확실성을 고려하지 못하고 있다. 본 연구에서는 월 강우량 자료를 이용하여 내재되어 있는 불확실성을 고려할 수 있는 은닉 마코프 모형(Hidden Markov Model, HMM)을 이용하여 기상학적 가뭄을 확률론적으로 평가하였다. 기상청에서 제공하는 1973년부터 2012년까지의 일 강우량 자료와 기후변화정보센터(Climate Change Information Center)에서 제공하는 2013년부터 2100년까지의 기후변화 시나리오(RCP 8.5) 기반 월강우량 자료를 대상으로 총 128년간의 강우량 자료에 HMM에 적용하고 가뭄현상을 분석하였다. 본 연구에서 제안된 은닉 마코프 가뭄지수(Hidden Markov based Drought Index, HMDI)는 자료에 내재된 불확실성을 이용하여 가뭄의 상태를 분류할 수 있으며, 이는 SPI와 같은 기존의 가뭄지수와 달리 특정 시점에서 각 은닉상태들이 나타날 확률로 표현되었다. 또한 HMDI를 이용하여 미래 기상학적 가뭄의 계절·기간별 발생특성과 가뭄위험도를 분석하였다.
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은닉 마코프 모형을 이용한 수문학적 가뭄의 확률론적 평가
김태웅,박예준,유지영,권현한 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-
현재 국내·외에서 다양한 방법을 통해 가뭄을 평가하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 방법들은 가뭄지수를 이용하여 가뭄을 정량적으로 표현하고 있다. 다양한 관점에서 다양한 가뭄지수가 제안되고 있지만, 대부분의 가뭄지수는 가뭄을 사전에 정의된 등급을 통해 가뭄을 평가하기 때문에 수문자료에 내재된 불확실성을 고려하지 못하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 은닉 마코프 모형(Hidden Markov Model, HMM)을 이용하여 월 유출량 자료에 내재되어 있는 수문학적 가뭄상태를 확률론적으로 평가하는 방법을 제안하였다. 한강유역의 최상류 유역에 해당하는 평창강 유역과 남한강상류 유역을 대상으로 WAMIS에서 제공하는 1966년부터 2009년까지 기록된 월평균 유출량 자료를 이용하였다. 본 연구는 HMM을 이용하는 확률론적으로 가뭄평가 방법을 표준유출지수(Standardized Streamflow Index, SSI)를 이용하는 등급기반 가뭄평가 방법과 비교분석을 통해서 HMM을 이용하는 확률론적으로 가뭄평가 방법이 가뭄의 상태를 다양한 상태들의 발생확률로 표현할 수 있으며, 이러한 상태들의 천이확률을 통해서 가뭄의 지속성을 더 잘 표현할 수 있음을 보여준다.
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Fuzzy AHP 기법을 이용한 도시지역의 내수침수위험도 평가
신지예,박예준,김태웅 한국수자원학회 2014 한국수자원학회논문집 Vol.47 No.9
본 연구는 도시지역의 내수침수 특성을 고려한 내수침수위험도 산정방법을 제시하였다. 의사결정과정에서 발생할 수 있는 불확실성을 정량적으로 반영하기 위하여 Fuzzy AHP 기법을 활용하였다. 내수침수 위험도의 평가기준으로는 물리적 지표, 사회적 지표, 그리고 내수침수 시나리오 결과 등 세 가지로 구성하였다. 각각의 평가기준은 3개의 세부평가항목을 가지고 있어 총 9가지의 평가항목을 바탕으로 내수침수 위험도 분석을 수행하였다. 또한, 행정구역 단위가 아닌 배수시스템의 노드(맨홀)를 기준으로 침수위험도를 분석하여 침수위험도가 높은 지점을 상세하게 표현할 수 있었다. 본 연구의 대상지역인 부산시 거제지구에 Fuzzy AHP 기법을 적용한 결과, 온천천 거제천 합류부 저지대의 침수위험도가 크게 나타났으며, 이는 과거 피해이력과 일치하는 것이다. Fuzzy AHP 기법을 적용한 본 연구결과는 내수침수 위험도 산정 및 고위험도 지역의 내수침수 저감계획 수립을 위한 자료로 활용될 수 있을 것이다. This study presented how to evaluate the inland inundation risk considering the characteristics of inland flood. Fuzzy AHP (Analytic Hierarchy Process), which can deal with the uncertainty or ambiguousness of the decision-making process, was used to estimate the inundation risk. The criteria used for inland inundation risk include the physical index, social index and inland flood. Each index contains three detailed indicators then total nine indicators were employed in this study. The inundation risk evaluation was carried out for each node (manhole) within the drainage system, not to the administrative extent, which enabled us to point out nodes with high risk. The proposed Fuzzy AHP was applied to Geoje district in Busan. The results indicated that the junction of Oncheoncheon and Geojecheon has high risk which is consistent with the fact that this junction has already experienced floods in the past. The proposed method can be used for evaluating inland inundation risk and preparing flood prevention plans in inland flood-prone urban areas.
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