用水供給을 考慮한 가뭄監視 및 氣象學的 가뭄展望 = Drought observation method considering water supply and meteorological drought outlook

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To efficiently manage droughts, a rapid change in crisis management is required from rehabilitation to preparedness. The objectives of this study are to analyze drought characteristics by investigating the trends of droughts and to develop a drought monitoring method which also takes into consideration water supply systems of study area through water management organizations. Additionally, a drought outlook method has been developed which calculates SPI and PDSI as a meteorological drought index, taking advantage of an ensemble of techniques in climate models using mid and long-term weather forecasting dataacquired from APCC. Through the development of a drought monitoring and drought outlook method, damages due to droughts can be reduced and disasters can be prevented.
Using monthly SPI data from the period of 1980∼2009, annual, seasonal, and monthly trends have been estimated by applying the Mann-Kendall method to the Han River, Geum River, Nakdong River, Youngsan River and Sumjin River Basins. With the results from SPI(3), SPI(6) and a trend analysis, drought characteristics of river basins can be understood.
This study also evaluates droughts using SPI, PDSI, and MSWSI, which are used worldwide, referring specifically to 1994, 1995 and 2001 drought damage surveys. In conclusion, the SPI and PSDI methods do not consider water supplies through water supply infrastructures such as dams and reservoirs. Though the MSWSI method considers water supply infrastructure, this method is difficult to apply in real drought situation because of its lack of accuracy and complexity in calculating rainfall, reservoir storage, stream flow and groundwater levels.
This study established the importance of a drought index which can be used in real drought disaster situations and the study also emphases ways to find drought threshold factors depending on each region and area under consideration.
Finally, this study developed a concept of drought monitoring in which the region is divided into areas with municipal water supply, areas with agriculture water supply, areas with groundwater effects, areas with stream flow effects and areas with no effects. This study also suggests the use of an appropriate drought index according to the classification of the region. This drought monitoring method makes use of information obtained through TM from measurement stations like multipurpose-dams, agricultural dams, weather stations, rainfall stations, groundwater stations and water level stations. From now on, it is possible to accurately predict droughts by specifying trigger levels at monitoring points through continuous monitoring.
For predicting droughts, it is important to acquire reliable weather forecasting data to ensure better and more accurate drought analyses. According to similar studies, drought forecasting used past weather data, scenario assumptions, El-Nino, etc., to predict droughts. At present, most climate prediction models do not have good predictive capabilities for abnormal weather phenomena such as floods and droughts. So, establishment of reliable weather prediction techniques and drought outlook methods is imperative.
When dam operators make plans for dam operations and countermeasures for droughts, they take into consideration the average precipitation by frequency and inflow. But the use of past recurring data might not be reliable because of climate changes and abnormal weather events which could have different patterns in the future. A Drought Outlook Map, therefore, with meteorological drought prospects was made by analyzing SPI and PDSI through the acquisition of downscaled weather data at observatory points, which is used for generating mid and long-term data (1∼3 months) by APCC.
Drought monitoring and outlook techniques used in this study are more sophisticated drought evaluation techniques. But we need more detailed information and analysis that is reliable and accurate in real situations for disaster management of problems such as droughts. In the future, it is important to prepare for droughtsby developing a rainfall runoff watershed model which considers a drought information system.

국문 초록 (Abstract)

효율적인 가뭄관리를 하기 위해서는 사후복구차원의 위기관리(Crisis management)에서 사전예방차원의 위험관리(Risk management)로 전환이 시급한 상황이다. 본 논문에서는 우리나라 가뭄의 경향성을 파악하여 가뭄특성을 분석하였으며, 물관리 전문기관에서 사용할 수 있는 실질적인 용수공급을 고려한 가뭄감시기법을 개발하였다, 또한 APCC 중장기 기상전망자료(1~3개월)의 수집 및 모델간 앙상블 기법을 이용하여 SPI와 PDSI를 산정하여, 기상학적으로 가뭄을 전망하는 방법을 개발하였다. 이런 가뭄감시 및 가뭄전망기법의 개발을 통하여 가뭄재난을 예방하고 피해를 경감할 수 있도록 하였다.
(1) 1980년～2009년까지 30년간의 월별 SPI를 이용하여 한강, 금강, 낙동강, 영산강, 섬진강 유역을 대상으로 Mann-Kendall 검정을 실시하여 연평균, 계절별, 월별 경향성을 분석하였다. SPI(3)과 SPI(6)의 가뭄경향성 산정결과, 지속기간에 따른 유역별 가뭄경향 특성을 파악할 수 있었다.
또한 현재 국내․외에서 가장 많이 가뭄모니터링에 활용되고 있는 SPI, PDSI, MSWSI를 이용하여, 가뭄 연도별 가뭄 피해지역이 정확하게 조사된 1994, 1995, 2001년 기준의 가뭄을 평가하였고, 기존의 가뭄지수를 이용한 가뭄모니터링 및 평가방법에 대해서 검토하였다. 검토결과, SPI와 PDSI는 수리시설물로 인한 가뭄의 극복에 대한 직접적인 고려가 어려움을 알 수 있었고, MSWSI는 수리시설물이 고려되지만 수문인자에 대한 가중치를 부여하여 다양한 수문인자를 복합적으로 사용하여 산정함으로 지수의 정확도가 결여되어 재난으로써 가뭄의 모니터링 및 관리에 대한 효과적인 대응이 어려움을 알 수 있었다.
(2) 이와 같은 문제점으로 인하여 실제 재난 개념에서의 활용이 가능한 가뭄지수가 필요하며, 이를 위하여 실제 지역에서 가장 가뭄이라고 느낄 수 있는 가뭄요소을 찾아내는 것이 중요하였다. 따라서 생공용수가 공급되는 지역, 농업용수가 공급되는 지역, 지하수가 공급되는 지역, 하천수의 영향을 받는 지역, 용수공급의 영향이 미미하여 기상학적으로 고려해야 하는 지역 등으로 지역을 분류하여 특성에 맞는 가뭄지수를 제시하는 것이, 가장 국민들이 느끼는 재난의 대비를 위한 가뭄모니터링 체계로 적합하다고 생각되었다.
따라서 현재 전국의 실시간으로 취득 가능한 다목적댐, 용수댐, 농업용저수지, 기상관측소, 강우관측소, 지하수위관측소, 수위-유량관측소 등을 최대한 반영하여, 실질적인 수리시설물의 용수공급능력을 고려한 통합가뭄지수 IDI(Intergrated Drought Index)를 개발하였다. 실제 모니터링되고 있는 자료와 관측된 자료가 영향을 미치는 지역에 대해서 표현하게 함으로써, 실시간으로 취득 가능한 자료로써 최대한 표현할 수 있는 가뭄을 표현하고자 하였다는 장점이 있으나, 향후 지속적인 모니터링을 통하여 모니터링 지점별 가뭄에 대한 Trigger Level을 지정해 줌으로써 좀 더 정확한 가뭄모니터링이 가능할 것으로 생각된다.
(3) 가뭄의 경우에 현재의 기상 예측 자료만을 이용하여 예측하는 것이 불가능하며, 가뭄을 전망하기 위해서는 여러 가지 형태의 기상자료와 함께 가뭄지수가 동시에 예측되어야만 가능하기 때문에, 상당한 불확실성을 내포하게 된다. 기존의 가뭄전망 연구들이 단순히 강수량을 가정하거나 시나리오를 기반으로 가뭄을 전망하는데 그치고 있으며, 수문 및 기상자료의 예측을 이용한 연구 보다는 대부분이 가뭄주기 및 엘리뇨 현상을 이용한 가뭄의 예측이 주를 이루고 있다. 현재 대부분의 기후예측모델은 예측성이 낮아 홍수와 가뭄 등 이상기후 현상에 대한 대처 능력이 부족한 실정이며, 이에 따른 기후예측 기술개발이 요구되고 있는 상황이며 이를 활용한 가뭄전망기법의 구축이 시급한 실정으로 검토되었다.
또한 기존에는 댐운영계획 및 가뭄대처 계획수립시 예년평균 강수량, 빈도별 강수량 및 유입량을 고려하였으나, 기후변화와 이상기후로 인하여 과거의 재현사상의 반영은 신뢰도가 많이 결여된다고 할 수 있다. 따라서 APCC에서 제공하는 강수와 온도의 중장기 기상전망자료(1~3개월)를 이용한 기상관측소 지점의 Downscaling을 통한 물리적 기반의 기상자료를 취득하고, 이를 통하여 SPI와 PDSI를 산정하여 기상학적 가뭄전망과 가뭄전망도(Drought Outlook Map)을 작성하였다.
현재 본 연구를 통한 가뭄의 모니터링 및 전망은 매우 높은 수준이라고 할 수 있다. 그러나 가뭄으로써 재난의 관리를 위하여 좀 더 상세한 정보와 현실에 가까운 분석이 필요하며, 이를 위해서는 유출모델을 활용한 관측이 되지 못하는 지점에 대한 추정과 향후 강수전망기능을 활용한 유출 전망도를 추가함으로써 실제 물순환을 구현하고, 가뭄에 완벽하게 대비할 수 있는 체계를 갖출 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 3
• 1.3 연구범위 4
• 1.4 연구내용 5
• 제 2 장 국내외 연구동향 7
• 2.1 가뭄 정량화 연구동향 7
• 2.2 가뭄 전망 연구동향 12
• 제 3 장 기존 가뭄지수에 의한 가뭄분석 14
• 3.1 가뭄지수의 분류 14
• 3.2 가뭄피해지역 분석 19
• 3.3 가뭄지수(SPI, PDSI, MSWSI)의 적용 35
• 3.4 가뭄지수(SPI, PDSI, MSWSI)의 적용결과 분석 47
• 3.5 가뭄의 경향성 분석 75
• 제 4 장 용수공급을 고려한 가뭄감시기법 개발 88
• 4.1 기존 가뭄감시의 한계성 및 개선방안 도출 88
• 4.2 수자원 공급원을 고려한 가뭄지수와 가뭄의 표현 89
• 4.3 통합가뭄지수 개발 90
• 제 5 장 APCC 모델간 앙상블 기법을 이용한 기상학적 가뭄전망 134
• 5.1 APCC 계절예측 자료의 수집 및 모델간 앙상블 기법 134
• 5.2 한반도 지역 지역상세화 기법적용 138
• 5.3 Quantile Mapping에 의한 기상전망 결과의 보정 144
• 5.4 중장기 가뭄전망 149
• 제 6 장 결론 163
• 참고문헌 166
• ABSTRACT 173
• 부 록 177
• 감사의 글 187