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위성영상 토양수분 기반 FDII를 활용한 돌발가뭄의 메커니즘 분석
이희진,남원호,서찬양,Jason A. Otkin,Yafang Zhong,Mark D. Svoboda 한국농공학회 2023 한국농공학회논문집 Vol.65 No.3
A flash drought is a rapid-onset drought that develops over a short period of time as weather and environmental factors change rapidly, unlike generaldroughts, due to meteorological abnormalities. Abnormally high evapotranspiration rates and rapid declines in soil moisture increase vegetation stress. In addition, crop yields may decrease due to flash droughts during crop growth and may damage agricultural and economic ecosystems. In this study,Flash Drought Intensity Index (FDII) based on soil moisture data from Gravity Recovery Climate Experiment (GRACE) was used to analyze flashdrought. FDII, which is calculated using soil moisture percentile, is expressed by multiplying two factors: the rate of intensification and the droughtseverity. FDII was developed for domestic flash drought events from 2014 to 2018. The flash drought that occurred in 2018, Chungcheongbuk-doshowed the highest FDII. FDII was higher in heat wave flash drought than in precipitation deficit flash drought. The results of this study show thatFDII is reliable flash drought analysis tool and can be applied to quantitatively analyze the characteristics of flash drought in South Korea.
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이희진(Hee-Jin Lee),남원호(Won-Ho Nam),윤동현(Dong-Hyun Yoon),마크 소보다(Mark D. Svoboda ),브라이언 월로우(Brian D. Wardlow ),제이슨 옥킨(Jason A. Otkin ) 한국방재학회 2022 한국방재학회논문집 Vol.22 No.3
돌발가뭄(Flash Drought)은 기후변화에 따른 기상 이상으로 인하여 기상 및 환경요인의 변화가 급격하게 나타나면서 단기간에 급속하게 발생하는(rapid-onset) 가뭄이다. 장기간 사전징후로 발생하는 일반적인 가뭄과 다르게 비교적 짧은 기간에 가뭄상황 및 피해가 발생하며, 식생에 대한 극심한 스트레스 유발로 인해 작물 손실 및 용수공급 감소 등에 대한 피해를 야기할 수 있기 때문에 이에 대한 모니터링이 요구된다. 본 연구에서는 증발산 기반 가뭄지수 증발스트레스지수(ESI), 증발수요가뭄지수(EDDI)를 활용하여 단기 가뭄 및 돌발가뭄을 평가하고, 우리나라에서 발생한 돌발가뭄 메커니즘에 대하여 분석하고자 한다. 2017년 발생한 극심한 봄 가뭄을 대상으로 ESI 및 EDDI를 분석하였으며, 기상학적 가뭄지수인 표준강수지수(SPI)보다 가뭄상황에 빠른 반응을 보이면서 가뭄 판단 능력을 확인하였다. 미국 가뭄 모니터링(USDM)에서 활용하는 가뭄단계를 기준으로 우리나라 돌발가뭄 감지 조건을 제시하고 평가하였으며, 2014년부터 2018년까지 5년 동안 7회의 돌발가뭄을 감지하였다. 수문기상학적 요소 중 토양수분 및 최고기온과 돌발가뭄에 대한 상관계수가 0.9 (-0.9) 수준의 강한 양(음)의 상관관계를 나타내었으며, 총일차생산량(GPP)을 활용한 탄소 변화 양상은 2018년 돌발가뭄이 발생한 지역에서 -60% 수준의 평균 대비 GPP 감소율을 나타내면서 다른 지역과의 큰 차이를 보였다. 본 연구의 결과는 두 가지 증발산 기반의 가뭄지수를 활용하여 국내 발생했던 돌발가뭄의 메커니즘을 분석하고 적용성을 평가하였으며, 향후 국내 돌발가뭄의 모니터링을 위한 지표로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다. A flash drought is a drought that occurs rapidly within a short period of time, owing to changes in weather and environmental factors that occur rapidly due to extreme weather caused by climate change. Drought damage occurs within a relatively short period of time, and extreme vegetation stress can damage crops due to reduced water supply. Thus, different monitoring methods are required for different drought types. In this study, ESI (Evaporative Stress Index) and EDDI (Evaporative Demand Drought Index) were calculated to evaluate the short-term drought and determine the mechanism that causes flash droughts. The ESI and EDDI both indicates faster responses to the 2017 spring drought event than the SPI (Standardized Precipitation Index), confirming their sensitive drought assessment abilities. A flash drought detection standard was established based on the drought category used in USDM (United States Drought Monitor), and seven flash drought events were detected in South Korea over 5 years (2014-2018). A correlation analysis indicates that, among the hydrometeorological factors, the correlation coefficients between soil moisture/maximum temperature and flash drought occurrence exhibited strong positive (negative) correlations (0.9 and -0.9, respectively). The carbon change pattern obtained using GPP (Gross Primary Productivity) differed, exhibiting a -60% average GPP reduction rate compared to three other regions (JB, CN, and CB) where flash droughts occurred in 2018. We focus our discussion on opportunities to extend flash drought detection and mechanism determination using two drought indices that must be addressed to improve flash drought monitoring in South Korea.
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이희진 ( Hee-jin Lee ),남원호 ( Won-ho Nam ),( Jason A. Otkin ),( Yafang Zhong ),( Mark D. Svoboda ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-
최근 기후변화에 따른 기상이상으로 미국에서는 일반적인 가뭄과 다르게 단기간 급속하게 발생하는(rapid-onset) 가뭄인 Flash Drought를 정의하였다. 국내에서는 ‘돌발가뭄’또는‘급성가뭄’이라는 용어로 정의하고 있으며, 토양수분 및 증발산량을 활용한 가뭄지표를 이용하여 돌발가뭄에 대한 분석을 수행하고 있다. 돌발홍수처럼 기습적으로 발생하여 며칠 또는 몇 주 만에 토양을 메마르게 만드는 돌발가뭄은 짧은 기간에 토양수분의 급격한 감소, 비정상적으로 높은 증발산 비율, 식생에 대한 극심한 스트레스 유발 등 복합적인 원인으로 인해 작물 손실 및 용수공급 감소 등에 대한 피해를 야기한다. 또한, 폭염이나 강수 부족이 선행 원인으로 작물생산량의 감소 및 생태계 변화를 초래하여 영농활동에 큰 영향을 미치고 돌발가뭄 발생 원인이 농업가뭄의 범주에 속하기 때문에 작물 생장 및 영농기 활동을 위하여 돌발가뭄의 모니터링이 필수적이다. 최근에 개발된 FDII(Flash Drought Intensity Index, 2022)는 돌발가뭄 발생만을 고려하는 기존 방식과 다르게 돌발가뭄의 강도를 분석하여 돌발가뭄의 특징을 분석할 수 있도록 계산된 가뭄지표이다. 백분위수(Percentile) 개념을 활용하여 0~40cm 사이의 토양층 기준 토양수분 자료를 바탕으로 가뭄의 평균 심각도와 최대 강도에 대하여 산정한다. 본 연구에서는 국내 돌발가뭄의 발생 원인, 발생 시기 등을 유형화하기 위하여 기존 국내 돌발가뭄 관련 연구를 기준으로 2014년부터 2018년까지 5년간 시도 단위 기준으로 7회 발생한 돌발가뭄에 대하여 FDII를 적용하고자 하며, 지역 및 시기별로 다르게 발생한 7회의 돌발가뭄을 대상으로 FDII를 적용하여 돌발가뭄의 공간적 범위와 강도에 대한 지역적인 변동성을 분석하고자 한다.
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위성영상 기반 토양수분을 활용한 국내 돌발가뭄 유형 분석
이희진 ( Hee-jin Lee ),남원호 ( Won-ho Nam ),( Jason A. Otkin ),( Yafang Zhong ),( Xiang Zhang ),( Mark D. Svoboda ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0
일반적으로 장기간 느리게 발생하는 가뭄과 다르게 돌발가뭄(Flash drought)은 비교적 짧은 기간에 가뭄 피해가 발생하면서 과도한 증발 수요 및 급격한 토양수분의 감소를 야기한다. 또한, 식생에 대한 스트레스 유발을 통해 작물손실 및 용수공급 감소 등에 대한 피해가 발생하면서 농업 생태계에 변화를 초래하여 영농활동에 큰 영향을 미친다. 돌발가뭄은 최근 기후변화에 따른 기상이상으로 인하여 발생빈도가 증가하고 있으며, 국외에서는 폭염 및 강수부족 등에 대한 기상학적 요소를 선행 원인으로 제시하고 있다. 돌발가뭄의 발생 원인과 이에 따른 피해는 농업가뭄의 범주에 속하며, 작물 생장 및 영농기 활동을 위하여 돌발가뭄의 모니터링은 필수적이다. 최근 개발된 FDII (Flash Drought Intensity Index)는 토양수분 백분위수(Percentile) 개념을 활용하여 0~40cm 사이의 토양층 기준 토양수분 자료를 활용하여 가뭄의 평균 심각도와 최대 강도에 대하여 산정한다. 본 연구에서는 위성영상 기반의 근역층 토양수분 자료를 활용하였으며, 2009년부터 2018년까지 10년간 FDII를 적용하여 시도 단위 기준 돌발가뭄이 발생한 시기 및 지역에 대한 유형을 분석하였다. 시기 및 지역별로 다르게 발생한 돌발가뭄이 폭염 및 강수부족 등 선행 원인에 대한 유형 분류를 통해 장기적인 관점에서 돌발가뭄의 시공간적 특성 분석 및 모니터링 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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