Multiplicative Random Cascade 모형을 이용한 예보강수의 시간분해

김대하 ( Daeha Kim ),윤선권 ( Sunkwon Yoon ),조재필 ( Jaepil Cho ),이경도 ( Kyongdo Lee ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

지구온난화와 기후변화에 의해 홍수위험 지역에 빈번한 극한 강우사상이 나타날 것으로 예상되고 있으며 따라서 이에 대한 적응대책의 마련이 세계적으로 요구되는 시점이다. 우리나라 또한 기상관측자료 및 대기순환모형(General Circulation Models; GCMs)에서 강우 강도가 점점 증가할 것으로 예상되고 있고 기후변화로 인해 도시지역의 홍수 위험도가 커질 가능성이 큰 것으로 알려져 있다. 농경지역 또한 홍수 위험의 사각지대가 아니며 침수 피해를 줄이기 위한 충분한 수문기상학적 대응이 요구된다. 홍수예측은 관측강우나 예측강우를 기반으로 이루어지는데 관측강우를 이용할 경우 유역의 반응시간이 짧은 경우에는 홍수에 대비하기 위한 시간을 충분히 확보하기 어렵고, 이에 반해 예보강우의 경우에는 예측성이 확보되지 않을 경우 실무적인 문제가 동반되는 위험성을 가지고 있다. 두 방법을 적절히 혼합해 활용하는 것이 실무적으로 도움이 될 가능성이 크지만 예보강수는 통상 시간단위가 3시간 이상으로 1시간 이하의 강수량이 요구되는 홍수모형에 적합하지 않다. 이에 본 연구에서는 신뢰성 높은 강우시간분해를 위해 프랙탈 이론을 기반으로 하는 Multiplicative Random Cascade 모형을 기상청 종관관측소 60개 지점의 시강우자료에 적용하였다. 기상청 6시간 동네예보자료를 시간분해하기 위해 1시간 강수량을 6시간 강수량으로 집성하였고 집성된 강수로부터 프랙탈 특성을 추출해 6시간 강수를 1시간 강수로 분해하는 알고리즘을 개발하였다. 각 지점별로 100회 모의강수를 생산하였으며 관측 1시간 강우강도의 확률분포와 비교하여 우수한 재생산성을 확인하였다. 본 강우시간 분해 기법은 6시간 단위 기상청 동네예보자료에 적용하여 농경지 홍수 취약지역의 홍수예측에 사용될 예정이다.

우리나라 극치 강우사상의 빈도 및 시간 분포의 변화

김대하 ( Daeha Kim ),윤선권 ( Sunkwon Yoon ),조재필 ( Jaepil Cho ),이경도 ( Kyongdo Lee ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

수공구조물 설계, 하천 기본계획 수립, 홍수 위험 분석 등에서 가장 중요한 부분 중 하나는 홍수의 확률적 특성을 분석하는 것이다. 이를 위한 가장 기본적인 방법으로 전통적인 홍수빈도해석을 들 수 있는데 이는 충분한 기간의 연최대치 홍수량 계열을 확률밀도함수에 적합시켜 재현기간에 해당하는 분위를 읽어내 홍수량을 산정하는 방법이다. 하지만 우리나라의 경우 충분한 길이의 연최대 홍수량 계열을 구하는 것이 쉽지 않아 상대적으로 자료의 관측기간이 긴 강우자료를 이용해 빈도해석을 실시하고 이를 강우-유출모형에 적용하는 방법이 일반적으로 적용된다. 따라서 우리나라의 확률 홍수량은 극치 강우의 확률적 발생특성과 지속특성에 크게 의존될 수밖에 없어 누적 관측 자료를 고려해 강우 빈도해석 결과를 수시로 보완하는 것은 필수적인 일이다. 커져가는 기후변화에 대한 우려를 고려할 때 최근에 발생했던 극치 강우사상을 포함해 강우빈도해석을 수행하는 것은 이상기후를 대비하기 위해 더더욱 필요한 일이라 할 수 있다. 본 연구에서는 먼저 2010년 말까지 자료로 작성된 현재의 전국 확률강우량도를 최근 자료를 포함해 보완하였다. 이를 위해 기상청관할 전국 67개소 ASOS(Automated Synoptic Observing System) 관측지점에 대해 관측개시일부터 2014년까지 시단위 강우량 자료를 이용하여 연최대치계열을 작성하고 이를 Extreme Value Distribution Type I (Gumbel) 분포에 적합하여 지점별 강우강도-지속시간-빈도(Intensity-Duration-Frequency, IDF) 곡선을 제시하였다. 아울러 관측개시일부터 2014년까지의 강우사상을 분석하여 확률강우량의 시간분포에 사용되는 Huff 4분위법의 무차원 누가강우량도를 지점별로 제시하였다. 2000년 이후 발생한 여러 극치 강우 사상의 영향 정도를 파악하기 위해 2000년 이전 자료만을 사용하였을 때의 결과와 전 기간을 사용하였을 때의 결과를 비교하였고 2000년 전후의 강우사상의 시간적 특성비교를 수행하였다. 본 연구는 우리나라 남서부 지역 농경지 침수 해석과 홍수 위험도 해석을 위한 시작점으로 추후 강우-유출 모형 및 하천 수리모형에 적용될 예정이다.

고강도 철강소재 및 이종재료 접합용 마찰교반용접툴의 개발

김대하(DaeHa Kim),황금철(KeumCheol Hwang),이원혁(WonHyuk Rhee),윤진영(JinYoung Yoon),김철희(Cheolhee Kim) 한국자동차공학회 2017 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2017 No.5

직접분사식 가솔린엔진 배출가스 중 비열플라즈마와 촉매시스템을 이용한 NOx 저감에 관한 실험적 연구

김대하(Daeha Kim),이형상(Hyeong-sang Lee),전광민(Kwang Min Chun) 한국자동차공학회 2003 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.- No.-

NOx reduction by a non-thermal plasma and catalyst system was tested with the exhaust gas of a single-cylinder gasoline direct injection engine operating at stratified charge condition Ag/Al₂O₃(2.5wt%) was used for NOx abatement in lean condition, and a conventional three-way catalyst were connected next to it NOx reduction efficiency of Ag/Al₂O₃ catalyst was about 45% when used alone at 1500rpm, bmep 4bar condition Non-thermal plasma was only slightly effective in its assistant role to increase the activity of the catalysts. Three-way catalyst reduced CO and THC efficiently, and about 10% more NOx reduction was achieved than Ag/Al₂O₃ only. NOx reduction efficiency was strongly affected by the temperature of the catalyst and reached to 70% when the Ag/Al₂O₃~ catalyst temperature was around 400˚c.<br/>

단순 유출모형과 추계학적 강우발생기법을 이용한 Scenario-neutral 홍수위험 영향평가

김대하 ( Daeha Kim ),전종안 ( Jong Ahn Chun ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

지속적으로 증가하고 있는 대기온실가스 농도의 증가에 따른 기후변화는 홍수위험을 점점 키우는 것으로 알려져 있고 이에 따른 적응대책의 마련이 요구되고 있다. 한국에서도 기상관측자료 및 대기순환모형 (GCM; General Circulation Models)에 의하면 강우 강도와 변동성이 점점 증가할 것으로 알려져 있고 불투수지역이 많은 도시지역이나 토양의 침수능이 낮은 농경지역의 침수위험이 함께 증가할 것으로 예상되고 있다. 본 연구에서는 기후변화가 홍수위험에 미치는 영향을 간단한 강우-유출 모형과 추계학적 발생기법을 이용해 기후변화 시나리오에 중립적인 위험도 함수를 구하고 다수의 GCM 기후프로젝션이 가지고 있는 홍수위험도를 이 함수를 이용해 산정하는 방법을 제시한다. 이 Scenario-neutral 기후변화 영향평가는 일단 위험도 함수를 구하고 나면 많은 GCM을 적용하는 데 계산상에 무리가 없어 GCM에 내재되어 있는 불확실성을 의사결정에 고려할 수 있게 한다. 본 연구는 강우-유출해석에 사용되는 시간스케일에 따라 홍수위험도 함수가 어떻게 달라지고 미래 홍수위험도가 얼마나 커지는 가에 대해 논한다.

A decision-centric flood-risk assessment for a mesoscale river basin under climate change

Daeha Kim(김대하),Jong Ahn Chun 한국기상학회 2019 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2019 No.05

전 지구 농업가뭄 발생특성 및 곡물가격과의 상관성 분석

김대하,이현주,Kim, Daeha,Lee, Hyun-Ju 한국수자원학회 2023 한국수자원학회논문집 Vol.56 No.12

While South Korea's dependence on imported grains is very high, droughts impacts from exporting countries have been overlooked. Using the Evaporative Stress Index (ESI), this study globally analyzed frequency, extent, and long-term trends of agricultural droughts and their relation to natural oscillations and global crop prices. Results showed that global-scale correlations were found between ESI and soil moisture anomalies, and they were particularly strong in crop cultivation areas. The high correlations in crop cultivation areas imply a strong land-atmosphere coupling, which can lead to relatively large yield losses with a minor soil moisture deficits. ESI showed a clear decreasing trend in crop cultivation areas from 1991 to 2022, and this trend may continue due to global warming. The sharp increases in the grain prices in 2012 and 2022 were likely related to increased drought areas in major grain-exporting countries, and they seemed to elevate South Korea's producer price index. This study suggests the need for drought risk management for grain-exporting countries to reduce socioeconomic impacts in South Korea. 2020년 기준 한국의 곡물자급률은 20.2%에 불과하지만 곡물수출국에서 발생하는 가뭄이 국내에 미치는 영향은 아직 면밀히 분석되지 않았다. 본 연구에서는 증발산 기반 가뭄지수인 Evaporative Stress Index (ESI)를 이용해 세계 주요 곡물생산지역의 농업가뭄의 발생빈도, 장기추세, 자연진동과의 상관성을 분석하였다. 또한 국제 곡물거래가격과 작물생산지역의 가뭄면적을 비교하여 해외에서 발생한 가뭄이 한국 경제에 미치는 영향을 정성적으로 평가하였다. ERA5 기후재분석자료로 산정된 ESI는 전지구적으로 토양수분과 강한 상관성을 보였으며 특히 작물재배 지역에서의 둘의 상관성이 매우 강하게 나타났다. 작물재배지역에서의 높은 상관성은 강한 지면-대기결합을 의미하며, 이 때문에 작은 토양수분 부족이 상대적으로 큰 수확량 손실로 연결될 가능성이 크다. 1991-2022 기간 작물재배지역에서 ESI는 뚜렷한 감소추세를 보였으며 지구온난화와 함께 가뭄면적이 증가할 가능성이 있다. 2012년과 2022년에 급격히 상승한 국제곡물가격은 수출국에서 발생한 대규모 가뭄과 밀접한 관계가 있는 것으로 분석되었으며 한국의 생산자물가지수를 상승시킨 주요 원인 중 하나로 판단된다. 본 연구는 해외지역에서 일어나는 가뭄의 영향을 줄이기 위해 감시와 위험관리 전략이 필요함을 시사한다.

단변량 기후반응함수를 이용한 금강수계 이수안전도 평가: 하천유지유량 관리 변화를 고려한 사례연구

김대하,최시중,장수형,강대후,Kim, Daeha,Choi, Si Jung,Jang, Su Hyung,Kang, Dae Hu 한국수자원학회 2023 한국수자원학회논문집 Vol.56 No.12

대기온실가스 증가로 전지구 평균기온은 산업화 이전 대비 1.1℃ 상승했고 수자원시스템의 공급능력에 상당한 변화가 예상된다. 본 연구에서는 금강수계 내 여러 중권역의 이수안전도와 기후조건의 관계(기후반응함수)를 단변량 함수로 나타내 기후민감도를 동시에 평가할 수 있는 방법을 제안하였다. 사례연구를 위해 GR6J 모형으로 중권역별 자연유출을 모의했고 이를 Water Evaluation And Planning (WEAP) 최적모형에 입력해 2030년 수요전망에 대한 공급신뢰도를 평가하였다. 여러 중권역의 이수안전도를 동시에 비교하기 위해 평균 강수량과 잠재증발산량의 비율을 독립변수 사용하여 단변량 기후민감도 함수를 개발하였다. 사례연구 결과, 1991-2020 자연유출을 이용해 수계전체 물부족을 최소화시키는 운영을 가정했을 때 공급신뢰도는 19개 중권역 중 보청천유역에서 가장 낮았다. 하천유지유량의 우선순위를 농업용수와 생공용수과 동일하게 조정한 시나리오에서는 보청천유역, 초강유역, 논산천유역의 이수안전도가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 보청천유역, 초강유역, 논산천유역의 이수안전도는 모든 기후스트레스 테스테에서 크게 감소한 반면, 미호강유역, 금강공주유역, 금강하구유역은 아주 건조한 기후조건에서만 이수안전도가 감소했다. 대규모 인프라에서의 공급이 원활한 중권역의 기후민감도는 크게 변하지 않았다. 2021-2050 기후전망을 민감도함수에 적용했을 때 금강수계의 공급신뢰도는 대체로 좋아질 가능성이 높지만 하천유지유량 우선순위를 높이게 되면 지형적, 인위적으로 고립된 중권역에서 물부족은 심해질 것으로 분석되었다. 2021-2050기간 금강수계의 이수안전도는 기후스트레스 보다 하천관리정책의 변화에 더 큰 영향을 받을 것으로 판단된다. Due to the increasing greenhouse gas emissions, the global mean temperature has risen by 1.1℃ compared to pre-industrial levels, and significant changes are expected in functioning of water supply systems. In this study, we assessed impacts of climate change and instreamflow management on water supply reliability in the Geum River basin, Korea. We proposed univariate climate response functions, where mean precipitation and potential evaporation were coupled as an explanatory variable, to assess impacts of climate stress on multiple water supply reliabilities. To this end, natural streamflows were generated in the 19 sub-basins with the conceptual GR6J model. Then, the simulated streamflows were input into the Water Evaluation And Planning (WEAP) model. The dynamic optimization by WEAP allowed us to assess water supply reliability against the 2020 water demand projections. Results showed that when minimizing the water shortage of the entire river basin under the 1991-2020 climate, water supply reliability was lowest in the Bocheongcheon among the sub-basins. In a scenario where the priority of instreamflow maintenance is adjusted to be the same as municipal and industrial water use, water supply reliability in the Bocheongcheon, Chogang, and Nonsancheon sub-basins significantly decreased. The stress tests with 325 sets of climate perturbations showed that water supply reliability in the three sub-basins considerably decreased under all the climate stresses, while the sub-basins connected to large infrastructures did not change significantly. When using the 2021-2050 climate projections with the stress test results, water supply reliability in the Geum River basin was expected to generally improve, but if the priority of instreamflow maintenance is increased, water shortage is expected to worsen in geographically isolated sub-basins. Here, we suggest that the climate response function can be established by a single explanatory variable to assess climate change impacts of many sub-basin's performance simultaneously.

예보강우 시간분해를 위한 Multiplicative Cascade 모형의 적용성 평가

김대하,윤선권,강문성,이경도,Kim, Daeha,Yoon, Sun-Kwon,Kang, Moon Seong,Lee, Kyung-do 한국농공학회 2016 한국농공학회논문집 Vol.58 No.5

High resolution rainfall data at 1-hour or a finer scale are essential for reliable flood analysis and forecasting; nevertheless, many observations, forecasts, and climate projections are still given at coarse temporal resolutions. This study aims to evaluate a chaotic method for disaggregation of 6-hour rainfall data sets so as to apply operational 6-hour rainfall forecasts of the Korean Meteorological Association to flood models. We computed parameters of a state-of-the-art multiplicative random cascade model with two combinations of cascades, namely uniform splitting and diversion, using rainfall observations at Seoul station, and compared statistical performance. We additionally disaggregated 6-hour rainfall time series at 58 stations with the uniform splitting and evaluated temporal transferability of the parameters and changes in multifractal properties. Results showed that the uniform splitting outperformed the diversion in reproduction of observed statistics, and hence is better to be used for disaggregation of 6-hour rainfall forecasts. We also found that multifractal properties of rainfall observations has adequate temporal consistency with an indication of gradually increasing rainfall intensity across South Korea.

GRACE 관측 TWSA와 TWSC를 활용한 Noah 지면모형기반 토양수분 평가

전종안,김선태,이우섭,김대하,Chun, Jong Ahn,Kim, Seon Tae,Lee, Woo-Seop,Kim, Daeha 한국수자원학회 2020 한국수자원학회논문집 Vol.53 No.4

이 연구에서는 Noah 3.3 지면모형을 이용하여 표층과 근역층(root-zone)의 토양함수비를 추정하고, 이를 위성기반 및 재분석 토양수분자료와 비교·검증하였다. 먼저, Noah 3.3 지면모형으로부터 추정한 4개 토양층 중 지면에 가까운 3개층(즉, 표층으로부터 1 m 깊이까지) 토양함수비를 이용하여 3개층의 깊이 가중평균값을 근역층 토양 함수비로 정의하였다. 이렇게 Noah 3.3 지면모형으로 추정한 토양함수비를 위성기반 표층 토양 함수비(European Space Agency Climate Change Initiatives Soil Moisture Product v04.4, ESA CCI SM v04.4)와 ERA-interim 재분석 표층 및 근역층 토양함수비와 비교·검증하였다. 또한, 전지구의 주요 5개 유역(Yangtze, Mekong, Mississippi, Murray-Darling, Amazon)에 대해 Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) 관측 Total Water Storage Anomaly (TWSA) 와 TWS Change (TWSC)를 이용하여 비교·검증하였다. Noah 3.3 지면모형으로 산정한 토양수분 자료는 동아시아 지역과 남아시아 지역, 호주, 북미와 남미 등 대부분의 아시아·태평양지역에서 높은 아노말리 상관관계를 보였으며, 5개 유역에서 호주의 머레이-달링(Murray-Darling)유역에서 다소 낮은 상관관계를 보였으나, 나머지 4개 유역에서는 대체로 높은 상관성을 보였다. Noah 3.3 지면모형은 준실시간 토양수분 모의가 가능하기 때문에 이에 기반한 가뭄감시가 가능하며, 선제적 가뭄 대응 대책 마련에 활용성이 클 것으로 기대된다.