Assessing Applicability of SWAT Calibrated at Multiple Spatial Scales from Field to Stream

조재필,허용구,보쉬 데이비드,Cho, Jaepil,Her, Younggu,Bosch, David The Korean Society of Agricultural Engineers 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.3

유역 내부의 수문과정에 대한 관측치를 이용한 모형의 보정은 분산형 수문수질 모형의 적용성을 높이는 방법으로 권장되지만, 관측치가 충분하지 않은 경우가 많아 적용사례가 드문 실정이다. 본 연구는 경지에서 유역의 출구까지 여러 단계의 수문과정을 고려하여 분산형 수문수질모형을 보정하는 방법을 제시하고, 이와 같은 방법으로 보정된 모형의 적용성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 본 연구는 SWAT 모형을 이용하여 미국 조지아의 South Atlantic Coastal Plain에 있는 한 농업유역의 수문과정을 모의하였다. 또한, 유사와 영양물질의 구체적인 하천운송과정을 모의하기 위해 SWAT모형의 QUAL2E 모듈을 이용하였다. 모형보정은 유역의 유출량 및 유사와 영양물질의 양 뿐만 아니라 경지에서 관측된 바이오매스, 토양 침식량 및 영양물질 발생량, 수변지역 (riparian buffer)에서 발생하는 유사와 영양물질 감소, 하천운송과정 등을 고려하여 수행되었다. 모형의 보정 및 검증기간은 자료기간과 토양보전농법의 시행기간을 고려하여 선정되었으며, 보정된 모형의 적용성은 복수의 통계치 (NSE, RE, RSR 등)를 이용하여 분석되었다. 보정된 모형은 유역의 출구에서 하천유량과 총질소량을 각각 NSE 0.93 및 0.59의 정확도로 모의하였다. 그러나 유사 (NSE: 0.40)와 총인량 (NSE: 0.45)모의에서는 상대적으로 낮은 정확도를 보였다. SWAT의 QUAL2E 모듈을 이용하여 하천에서의 유사 및 영양물질 운송과정을 고려하는 것은 총인과 총질소 모의결과의 정확도를 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서 다단계 수문과정을 고려하여 보정된 SWAT모형은 유역 내부에서 발생하는 수문과정을 모의하는데 적용성이 있는 것으로 나타났다. 하지만, 계측방법 및 계측된 자료의 분석방법의 변화에 따른 오차와 토지이용의 시공간적 변화를 모의에서 고려하지 못해서 발생한 오차를 감안하더라도, 보정된 모형은 유역출구에서 관측되는 유사와 영양물질 양을 정확하게 모의하는데 실패 (NSE < 0.5)하였다고 평가할 수 있으며, 이는 SWAT 모형의 보정에서 다단계 또는 유역내부의 수문과정을 고려하는 것이 유역출구에서 높은 모의 정확도를 얻는데 기여하지 못할 수도 있음을 보여주었다.

SWAT모형과 CMIP5 자료를 이용한 기후변화에 따른 농업용 저수지 기후변화 영향 평가

조재필,황세운,고광돈,김광용,김정대,Cho, Jaepil,Hwang, Syewoon,Go, Gwangdon,Kim, Kwang-Young,Kim, Jeongdae 한국농공학회 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.5

The study aimed to project inflows and demmands for the agricultural reservoir watersheds in South Korea considering a variety of regional characteristics and the uncertainty of future climate information. The study bias-corrected and spatially downscaled retrospective daily Global Climate Model (GCM) outputs under Representative Concentration Pathways (RCP) 4.5 and 8.5 emission scenarios using non-parametric quantile mapping method to force Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model. Using the historical simulation, the skills of un-calibrated SWAT model (without calibration process) was evaluated for 5 reservoir watersheds (selected as well-monitored representatives). The study then, evaluated the performance of 9 GCMs in reproducing historical upstream inflow and irrigation demand at the five representative reservoirs. Finally future inflows and demands for 58 watersheds were projected using 9 GCMs projections under the two RCP scenarios. We demonstrated that (1) un-calibrated SWAT model is likely applicable to agricultural watershed, (2) the uncertainty of future climate information from different GCMs is significant, (3) multi-model ensemble (MME) shows comparatively resonable skills in reproducing water balances over the study area. The results of projection under the RCP 4.5 and RCP 8.5 scenario generally showed the increase of inflow by 9.4% and 10.8% and demand by 1.4% and 1.7%, respectively. More importantly, the results for different seasons and reservoirs varied considerably in the impacts of climate change.

기후변화 적응을 위한 사용자 중심의 기후서비스체계 제안 및 사용자인터페이스 플랫폼 개발

조재필(Cho, Jaepil),정임국(Jung, Imgook),조원일(Cho, Wonil),이은정(Lee, Eun-Jeong),강대인(Kang, Daein),이준혁(Lee, Junhyuk) 한국기후변화학회 2018 한국기후변화학회지 Vol.9 No.1

사용자 중심의 기후변화 시나리오 상세화 기법 개발 및 한반도 적용

조재필(Cho, Jaepil),정임국(Jung, Imgook),조원일(Cho, Wonil),황세운(Hwang, Syewoon) 한국기후변화학회 2018 한국기후변화학회지 Vol.9 No.1

농업 가뭄 사전대응을 위한 계절예측 자료의 적용성 평가

조재필 ( Jaepil Cho ),강민구 ( Mingoo Kang ),노재경 ( Jaekyoung Noh ),김광용 ( Kwangyoung Kim ),김정대 ( Jeongdae Kim ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

최근 기후변화로 인하여 극심한 가뭄 및 홍수 등 빈도가 증가하고 있으며 농업용 저수지의 경우 소규모 특성으로 인하여 다목적 댐과 비교할 때 가뭄에 보다 취약한 특성을 갖고 있다. 농어촌공사에서는 관측자료를 기반으로 평년강수량의 70%를 가정하여 봄철 농업가뭄에 대응하고 있다. 2000년대에 들어 역학적 기후예측모형 기반의 예측 결과 및 전지구기후인자와 지역 수문 사이의 원격상관 기반의 통계적 예측 방법들을 이용한 수자원 분야의 장기예측 연구가 활발히 시도되고 있다. APEC 기후센터(APCC)에서는 16개 국제적인 연구기관으로부터 제공 받는 기후예측정보를 다중모형앙상블(Multi-Model Ensemble, MME)기법을 이용하여 개별 기후모델이 지닌 불확실성을 최소화한 후 3~6개월 선행기간의 계절예측 정보를 제공하고 있다. 본 연구에서는 관측자료 기반의 Climate Index Regression (CIR) 및 기후예측모형의 예측자료를 사용하는 Moving Window Regression (MWR) 방법을 병합하여 사용하는 Integrated Time Regression (ITR) 방법을 이용하여 한반도 월별 강수량 및 기온을 예측한 후 저수지 물수지 모델링을 통하여 저수율을 예측하였다. 예측에는 캐나다의 MSC_CANCM3 및 MSC_CANCM4 모형, 미국의 NASA 및 NCEP 모형, 호주의 POAMA 모형, 한국의 PNU 모형을 포함한 총 6개 기후예측모형이 사용되었다. 예측시점은 봄철 저수지운영계획 수립을 목적으로 3월로 선정하였고 향후 6개월(4월~9월)에 대하여 시·공간적으로 상세화된 계절예측 정보를 생산하였다. 계절예측 자료의 예측성 평가를 위해서 방류량 자료가 존재하며 경기도 화성시에 위치한 기천저수지를 대상유역으로 선정하여 2년(1996~1997) 기간에 대한 유입량, 방류량, 저수위를 서로 다른 3개의 저수지 물수지 모형을 이용하여 예측하였다. 저수지 물수지 분석 모형으로는 HOMWRS, 수정 DIROM, DAWAST 모형을 선정하였다. 강수량 예측의 경우 개별 기후예측모형들 사이의 불확실성 범위는 크게 나타나 관측자료를 사용한 경우와 비교하여 모형별 저수지 물수지 분석의 예측성에 있어서 큰 차이를 보였다. 반면에 개별모형의 산술평균인 MME 결과는 개별모형 기반의 예측결과와 비교하여 안정적인 예측성능을 보여 향후 계절예측 자료의 활용에 있어서 불확실성을 고려할 수 있는 방법으로 제시되었다.

기후변화 시나리오 불확실성을 고려한 농업용 저수지 물수지 영향 분석

조재필 ( Jaepil Cho ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

최근 극심한 기상이변으로 홍수와 가뭄으로 인한 사회경제적 피해가 증가하고 있다. 극한 가뭄은 농업용수 공급량의 감소뿐만 아니라 작물의 필요수량의 증가 등으로 인하여 농업 생산성에 큰 경제적 피해를 줄 수 있다. 2011년 기준국내 농업용수 공급시설물로는 저수지, 양배수장, 취입보, 집수암거 등이 있으며, 저수지의 경우 전체 69,568개소 중 17,505개로 25%를 차지하고 있으나 관개면적으로는 전체 772,108ha 중 449,105ha를 관개하여 전체 농업용수의 58%를 관개하고 있는 실정이다. 따라서 국내 농업용수의 주요 공급원인 저수지의 기후변화에 따른 거동을 살펴보는 것은 중요한 일이다. 따라서 본 연구는 기후변화에 따른 농업용저수지의 공급량, 관개지구 용수수요량 및 이에 따른 저수지의 저수율 변화에 미치는 영향을 농업용저수지의 특성을 고려하여 분석 및 평가하는데 있다. 본 연구에서는 기후변화에 따른 수자원 변동성을 평가하기 위하여 CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)를 통하여 제공되고 있는 다양한 전지구모형의 대표농도경로 (RCP ; Representative Concentration Pathways) 전망 자료를 이용하였다. 기후변화 시나리오 자료를 사용하기 위하여 기상청에서 제공하는 12.5km의 국가 표준 시나리오 자료를 포함하여 6개 기상변수 (강수량, 최고기온, 최저기온, 상대습도, 풍속, 일사량)에 대한 일별 자료가 존재하는 5개의 전지구모형의 자료를 사용하였다. 비모수적 분위사상법 (Non-parameteric Quantile Mapping) 방법을 활용하여 과거기간 동안에 변수 별 관측자료와 기후변화 시나리오 자료와의 차이를 이용하여 미래 기간에 대한 계통오차를 보정하한 후 기후변화 시나리오를 농업용 저수지 유역에 대한 기상자료로 활용하였다. 유역 유출량의 변동성을 산정하기 위해서 미국 농무성에서 개발하여 전 세계적으로 보편적으로 사용되고 있는 SWAT모형을 농업용 저수지 유역에 적용함으로서 상류유입량, 증발산량에 의한 필요수량, 저수량의 예측에서 발생할 수 있는 불확실성을 분석하였다. 본 연구는 농업용 저수지의 물수지 분석에 있어서 다양한 기후변화 시나리오 자료에 의한 불확실성을 고려함으로써 기상ㆍ기후 분야 및 수자원분야의 융합연구에 기여하리라 판단된다.

CMIP5 GCMs의 근 미래 한반도 극치강수 불확실성 전망 및 빈도분석

윤선권,조재필,Yoon, Sun-kwon,Cho, Jaepil 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.10

본 연구에서는 기후변화 시나리오의 미래 전망 불확실성 요소를 감안한 근 미래(2011~2040년) 극치 강수전망과 빈도분석을 CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 9개 GCMs (General Circulation Models)를 사용하여 수행하였다. 또한, 기후자료의 유역규모 비모수적 상세화 및 편이보정 기법을 적용하여, 다중 모델 앙상블(MME)을 통한 불확실성 분석을 수행하였다. 분석결과, RCP4.5와 RCP8.5 시나리오 모두 한반도 근 미래 극치 강수특성인자의 연간 변동성과 불확실성이 커지는 것으로 분석되었으며, 강우빈도해석 결과 2040년까지 50년과 100년 빈도 확률강수량이 최대 4.2~10.9% 증가할 것으로 분석되었다. 본 연구 결과는 다중모델 앙상블 GCMs의 불확실성을 고려한 국가수자원 장기종합개발계획과 기후변화 적응대책 마련 등 기후변화 방재관련 정책결정 및 의사결정 지원 자료로 활용이 가능할 것이다. This study performed prediction of extreme rainfall uncertainty and its frequency analysis based on climate change scenarios by Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) for the selected nine-General Circulation Models (GCMs) in the near future (2011-2040) over the Korean Peninsula (KP). We analysed uncertainty of scenarios by multiple model ensemble (MME) technique using non-parametric quantile mapping method and bias correction method in the basin scale of the KP. During the near future, the extreme rainfall shows a significant gradually increasing tendency with the annual variability and uncertainty of extreme ainfall in the RCP4.5, and RCP8.5 scenarios. In addition to the probability rainfall frequency (such as 50 and 100-year return periods) has increased by 4.2% to 10.9% during the near future in 2040. Therefore, in the longer-term water resources master plan, based on the various climate change scenarios (such as CMIP5 GCMs) and its uncertainty can be considered for utilizing of the support tool for decision-makers in water-related disasters management.

CMIP5 GCMs과 추정 방법에 따른 우리나라 기준증발산량 평가

박지훈,조재필,이은정,정임국,Park, Jihoon,Cho, Jaepil,Lee, Eun-Jeong,Jung, Imgook 한국농촌계획학회 2017 농촌계획 Vol.23 No.4

The main objective of this study was to assess reference evapotranspiration based on multiple GCMs (General Circulation Models) and estimation methods. In this study, 10 GCMs based on the RCP (Representative Concentration Pathway) 4.5 scenario were used to estimate reference evapotranspiration. 54 ASOS (Automated Synoptic Observing System) data were constructed by statistical downscaling techniques. The meteorological variables of precipitation, maximum temperature and minimum temperature, relative humidity, wind speed, and solar radiation were produced using GCMs. For the past and future periods, we estimated reference evapotranspiration by GCMs and analyzed the statistical characteristics and analyzed its uncertainty. Five methods (BC: Blaney-Criddle, HS: Hargreaves-Samani, MK: Makkink, MS: Matt-Shuttleworth, and PM: Penman-Monteith) were selected to analyze the uncertainty by reference evapotranspiration estimation methods. We compared the uncertainty of reference evapotranspiration method by the variable expansion and analyzed which variables greatly influence reference evapotranspiration estimation. The posterior probabilities of five methods were estimated as BC: 0.1792, HS: 0.1775, MK: 0.2361, MS: 0.2054, and PM: 0.2018. The posterior probability indicated how well reference evapotranspiration estimated with 10 GCMs for five methods reflected the estimated reference evapotranspiration using the observed data. Through this study, we analyzed the overall characteristics of reference evapotranspiration according to GCMs and reference evapotranspiration estimation methods The results of this study might be used as a basic data for preparing the standard method of reference evapotranspiration to derive the water management method under climate change.

유효가뭄지수(EDI)를 이용한 한반도 미래 가뭄 특성 전망

곽용석(Gwak, Yongseok),조재필(Cho, Jaepil),정임국(Jung, Imgook),김도우(Kim, Dowoo),장상민(Jang, Sangmin) 한국기후변화학회 2018 한국기후변화학회지 Vol.9 No.1

기후학적 물수지를 적용한 기후변화에 따른 농업기상지표 변동예측의 불확실성

남원호,홍은미,최진용,조재필,Nam, Won-Ho,Hong, Eun-Mi,Choi, Jin-Yong,Cho, Jaepil,Hayes, Michael J. 한국농공학회 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.2

The Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), coordinated by the World Climate Research Programme in support of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) AR5, is the most recent, provides projections of future climate change using various global climate models under four major greenhouse gas emission scenarios. There is a wide selection of climate models available to provide projections of future climate change. These provide for a wide range of possible outcomes when trying to inform managers about possible climate changes. Hence, future agrometeorological indicators estimation will be much impacted by which global climate model and climate change scenarios are used. Decision makers are increasingly expected to use climate information, but the uncertainties associated with global climate models pose substantial hurdles for agricultural resources planning. Although it is the most reasonable that quantifying of the future uncertainty using climate change scenarios, preliminary analysis using reasonable factors for selecting a subset for decision making are needed. In order to narrow the projections to a handful of models that could be used in a climate change impact study, we could provide effective information for selecting climate model and scenarios for climate change impact assessment using maximum/minimum temperature, precipitation, reference evapotranspiration, and moisture index of nine Representative Concentration Pathways (RCP) scenarios.