Estimation of hydrometeorological disaster risks under different climate and adaptive scenarios : crop yield and forest fire of South Korea

국문 초록 (Abstract)

자연 재해의 빈도와 강도는 산업혁명 이후 지난 수십 년 동안 세계적으로 증가했으며 기후변화의 불확실성과 변동성에 의해 재해를 분석하고 예측하는 것은 더욱 복잡해졌다. 지난 수십 년 동안 한국의 극한 기상현상은 증가해왔고, 이는 향후 자연 재해의 증가로 이어질 가능성이 큰 것을 보여준다. 노출된 시스템의 다양한 측면을 반영하는 다양한 측면의 재해 위험이 증가함에 따라 효과적인 적응 전략이 중요해지고 있다. 지속가능성을 위해서는 수문기상재해 위험에 대한 기후변화와 관련된 적응능력의 영향을 정량적으로 평가하고 분석하는 것이 중요하다.
본 연구는 위해, 노출, 취약성으로 구성된 위험(risk) 개념에 근거하여 작물 생산량과 물 공급량 간의 관계, 그리고 국내 산불 발생에 영향을 미치는 요인에 대해 중점적으로 다루었다. 기후변화가 과거인 1990년대와 가까운 미래인 2040년대, 먼 미래인 2080년대의 작물 생산량과 산불에 미치는 영향을 알아보기 위해, RCP 기후 시나리오와 본 연구에서 정의한 적응 시나리오 하에서 한국의 주요 작물인 옥수수, 보리, 논벼의 향후 수확량과 순관개용수량을 AquaCropR 모형으로 추정하였고, Random Forest 모형을 이용하여 향후 산불 발생과 산불에 미치는 적응능력의 영향을 공간적으로 예측 및 분석하였다. 분석은 1 km의 해상도로 수행되었다.
작물 수확량 분석을 통해 2040년대와 2080년대의 옥수수와 논벼 수확량이 1990년대 RCP 8.5 시나리오에 비해 상당히 감소할 것으로 예상되었다. 순관개용수량이 공급되었을 때는 수확량이 상당히 증가하였다. 이는 미래에 부정적인 기후변화 영향이 있을 경우, 추가적인 관리 없이는 옥수수와 논벼 수확량이 수요에 비해 매우 부족할 것이라는 것을 나타냈다. 그러나 보리는 옥수수나 논벼에 비해 가뭄에 강한 작물이기 때문에 미래 기후의 영향을 특별히 받지 않았다. 그러나 관개에 의한 충분한 물 공급이 있을 때에는 모든 기간과 모든 작물에서 경작면적 당 수확량이 더 높았다. 이에 더해, 한국은 경작면적의 감수 추세가 나타나고 있으므로 작물의 총 수확량에도 영향을 미칠 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 충분한 물을 필요로 하는 작물의 생산량 감소 위험을 줄이고 미래 한국의 식량 안보를 확보하기 위해서는 적절한 관개 관리와 농지의 안정적인 확보가 필수적인 것으로 사료되었다.
우리나라의 산불은 대부분 인간의 부주의로 발생하지만 산불의 발화, 연소, 확산과 관련이 있는 기후와 환경 조건을 고려해야 한다. 본 연구의 분석 결과, 한국의 산불 발생은 표준강수증발지수(SPEI), 표준강수지수(SPI), Canadian forest fire weather index(FWI) 등 기후변수와 지형습윤지수(TWI), 고도 등 환경변수, 국립공원 탐방객수, 인구밀도 등 사회경제적 변수와의 상관관계가 큰 것으로 나타났다. 고도, 국립공원 탐방객수, 인구밀도와 같은 예측 변수들은 인간의 활동과 연관 있는 것으로 사료되었는데, 그 이유는 낮은 고도와 높은 인구 집중도는 인간 활동이 높은 것으로 판단할 수 있기 때문이다. 이처럼 기후, 환경, 사회경제적 변수들이 모두 산불 발생과 관련이 있기 때문에, 이러한 예측 변수들의 다양한 측면을 설명하는 적응능력을 향상시키는 것이 중요하다.
자연 재해의 적응능력은 재난 대비 및 대응과 관련된 정책의 입법과 이행을 보장하는 것을 의미하므로, 기후 정책과 상당히 관련이 있다. 이는 적응능력이 사회경제적 요인과 상당한 연관성을 가지고 있음을 나타낸다. 환경 연구에 사회경제적 요인을 포함시킴으로써, 지역사회의 적응능력을 분석할 수 있고 복잡한 시스템을 더 잘 이해하고 다룰 수 있었다. 또한, 결과를 통해 재해 위험을 예측할 때, 능동적이고 예방적인 적응 전략을 도출하고 대응하는 적응능력을 동원하기 위해, 적응능력은 시공간적으로 분석되어야 하며, 적절한 규모 및 단위(scale)로 분석되어야 한다는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 기후변화와 자연재해의 규모가 월경적(transboundary)이더라도 적응 정책은 행정적으로 계획되는 경우가 많으므로 적절한 규모 및 단위의 적응능력은 지역(regional) 또는 지방(local)의 수준에서 결정되어야 한다고 사료되었다.
국제사회는 기후변화 적응(CCA)이 재난위험경감(DRR) 개념과 서로 부합해야 하는 것을 확인하였다. DRR은 지속가능한 발전의 넓은 문맥 안에서 정책 및 전략을 개발하고 실질적인 이행으로 적용함으로써 위해를 다루고 취약성과 재난위험을 최소화하는 것에 초점을 둔다. 또한, DRR의 개념이 점점 더 포괄적이고 학제간적으로 발전함에 따라 사회경제적 측면을 포함한 다양한 재난위험 조치와 활동을 포함하게 되었다. 기후변화 적응 전략과 DRR이 통합될 경우, 두 개념은 모든 기후적, 물리적, 환경적, 사회경제적, 기반시설적, 제도적 측면이 고려됨으로써 재난위험을 감소하는데 있어 여러 방면으로 상호 보완될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Natural disasters worldwide have increased in frequency and severity over the past few decades. Additionally, they have become more complex, as well as complicated to analyze and project, owing to the uncertainty and variability of climate change. The number of extreme weather events in South Korea has increased in the past few decades, which has the possibility of a growing number of natural disasters in the future. The increasing risk of multifaceted disasters requires adoption of effective strategies to secure food harvests. To ensure crop sustainability, it is important to quantitatively assess and analyze the impacts of climate change and the associated adaptive capacity on these hydrometeorological disaster risks.

This dissertation focuses on the relationship between crop yield and water supply, and on the relationship between the factors that influence the occurrence of forest fires in South Korea, based on the risk concept comprising hazard, exposure, and vulnerability. The future yields of major crops including maize, barley, and paddy rice and the net irrigation amount were estimated using the AquaCropR model and forest fire occurrence and the effect of adaptive capacity were spatially projected using the Random Forest model for the 2040s and the 2080s using Representative Concentration Pathway (RCP) climate scenarios and adaptive scenarios defined in this dissertation. The assessments were performed at a 1 km resolution.

The analysis on crop yields demonstrate that maize and paddy rice yields during the 2040s and the 2080s are expected to decline considerably compared with the 1990s results under the RCP 8.5 scenario, and the applied net irrigation considerably increase the yields. These results demonstrate that without additional management, the negative effects of climate change would severely compromise the yields of these crops. Barley was not affected by the future climate because it is tolerant of insufficient water. However, a sufficient water supply by irrigation increased the yield for all periods and all crops. A diminishing water trend was identified in the harvest area, which also affected the total production of crops. The results indicate that adequate irrigational management and agricultural land security are vital for reducing the risk of low yield for crops requiring sufficient water and for securing food security for the future in South Korea.

Forest fires in South Korea are mostly ignited owing to human activity by accident; however, climatic and environmental conditions should not be disregarded, as they relate to the ignition, combustion, and spread of forest fires. The result of the analysis identified that forest fire occurrences in South Korea have a significant correlation with climatic variables including the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI), standardized precipitation index (SPI), and Canadian forest fire weather index (FWI); with environmental variables including topographic wetness index (TWI) and elevation; and with socio-economic variables including visitors to national parks and population density. Some of the predictors such as elevation, visitors to national parks, and population density are considered related to human activities because a lower elevation and higher population concentration can indicate a higher presence of human activities. As climatic, environmental, and socio-economic variables all relate to the occurrence of forest fires, it was concluded that it is critical to improve adaptive capacity that accounts for various aspects of these predictors.

The adaptive capacity of communities and governments to deal with natural disasters is considerably relevant to climate policy because it ensures legislation and implementation of political actions related to disaster preparedness and responses. This indicates that adaptive capacity has a significant interlinkage with socio-economic factors. The inclusion of the socio-economic factors into environmental studies led to a successful analysis of the state of the adaptive capacity of a community and facilitated the better understanding and addressing of complex systems. They also indicated that when projecting disaster risks, adaptive capacity should be analyzed both temporally and spatially and at the appropriate scale, in order to derive a proactive and precautionary adaptation strategy and mobilize reactive adaptive capacity. The results suggest that the proper scales for adaptive capacity are at the regional or local level although the scale of climate change and natural disasters is generally transboundary because adaptation policies are planned on an administrative basis.

Furthermore, international societies recognize that the climate change adaptation (CCA) should be in accordance with the disaster risk reduction (DRR) concept, and vice versa. The focus of DRR is to deal with hazards and to minimize vulnerabilities and disaster risks by developing and applying policies, strategies, and practices, within the broad context of sustainable development. As the concept of DRR is becoming more comprehensive and interdisciplinary, it has started to include diverse features of disaster risk actions and activities including the socio-economic aspect. If CCA strategies and DRR are integrated, these can be mutually supplemented in many ways for reducing disaster risks by considering all climatic, physical, environmental, socio-economic, infrastructural, and institutional aspects.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• 국문 요약 4
• Table of Contents 8
• List of Tables 11
• List of Figures 13
• Chapter 1. Introduction 19
• 1.1 Background and Motivation 19
• 1.2 Objectives and Scope of the Dissertation 26
• 1.3 Structure of the Dissertation 27
• Chapter 2. Theoretical Perspectives and Research Concept 30
• 2.1 Risk Concept 30
• 2.2 Climate Change and Natural Disasters 38
• 2.3 Hydrometeorological Disasters Relevant to Agriculture and Forests 42
• 2.3.1 Global Disasters Related to Drought 42
• 2.3.2 Current Drought State in South Korea 45
• 2.4 Disaster Risk Reduction (DRR) 49
• 2.5 Importance of Socio-Economic Factors in Environmental Research 53
• 2.6 Research Area and Climate Scenarios 54
• Chapter 3. Estimation of Crop Yield Based on Climate and Adaptive Scenarios 59
• 3.1 Introduction 59
• 3.2 Data and Methods 61
• 3.2.1 AquaCropR Model 62
• 3.2.2 Meteorological Data and CO2 Level 65
• 3.2.3 Crop Data 67
• 3.2.4 Soil Data 68
• 3.2.5 Irrigation Management 69
• 3.2.6 Scenarios 70
• 3.2.7 Harvested Area of Crop Production 72
• 3.2.8 Model Validation 75
• 3.3 Results 75
• 3.3.1 Crop Yield 75
• 3.3.2 Net Irrigation Amount for Increased Crop Yield 95
• 3.3.3 Model Validation 97
• 3.4 Discussion 102
• 3.4.1 Effects of Climate Change on Crop Yield 102
• 3.4.2 Future Changes in Irrigation Amount 106
• 3.5 Conclusion 110
• Chapter 4. Estimation of Forest Fire Occurrence Based on Climate and Adaptive Scenarios 112
• 4.1 Introduction 112
• 4.2 Data and Methods 116
• 4.2.1 Forest Fire Occurrence Data 117
• 4.2.2 Explanatory Variables 119
• 4.2.3 Random Forest Model 128
• 4.2.4 Analysis of Forest Fire Occurrence Risk 129
• 4.3 Results 130
• 4.3.1 Forest Fire Occurrence Probability in South Korea 130
• 4.3.2 Validation and Model Performance 133
• 4.3.3 Importance of Factors and Response Curves 135
• 4.3.4 Forest Fire Occurrence Risk Map of South Korea 141
• 4.3.5 Effect of Additional Adaptation 145
• 4.4 Discussion 150
• 4.4.1 Forest Fire Risk in South Korea 150
• 4.4.2 Effect of Adaptive Capacity to Forest Fires in South Korea 153
• 4.5 Conclusion 156
• Chapter 5. General Discussion 159
• 5.1 Linkage between Crop Yield and Forest Fire of South Korea 159
• 5.2 Limitations 161
• 5.3 Recommendations for Further Work 163
• 5.3.1 Adoption of the Nexus Approach and Improvement of Models and Data 163
• 5.3.2 Integration of Disaster Risk Reduction (DRR) and Climate Change Adaptation (CCA) 164
• Chapter 6. Conclusion 169
• References 172
• Appendix 229