가뭄 빈도해석 기반의 가뭄상황 수문 시나리오
산정 기술 개발

가뭄상황 수문시나리오라 함은 강수 부족으로 인한 기상학적 가뭄의 규모를 정의하고 해당 규모의 가뭄에 따른 강수량과 유역의 자연유량 등 수문자료를 시나리오 형태로 구축한 자료를 의미한다. 최종적으로 유량을 산정하기 위한 강수량, 온도, 증발산량 산정 과정을 포함한다. 즉 가뭄 빈도해석을 통한 가뭄 규모 측정 결과를 가뭄으로 인한 유량 시나리오까지 연계하는 것이다. 결과적으로 가뭄 규모에 따른 표준유역별(공간해상도) 일단위(시간해상도) 유량 자료를 제공함으로써 미계측 유역을 포함한 전 유역의 가뭄취약도 분석 및 물수급 모의를 위한 핵심 기초자료를 제시하고자 한다. 본 연구의 최종 목적은 가뭄 빈도해석을 통해 도출된 다양한 규모의 가뭄 상황을 설정하고, 이에 대응하는 유량 시나리오를 산정하는 체계적인 프로세스를 개발하는 것이다. 연구의 세부 단계는 다음과 같다.

본 연구에서는 지속기간과 심도를 동시에 고려하는 이변량 가뭄 빈도해석 기법을 적용하였다. 가뭄 규모 산정을 위해 유역 평균 월강수량 자료를 구축하고, 과거 기간의 평균 월강수량과 6개월 누적 평균 강수량의 차이를 이용하여 월강수량 anomaly를 산정하였다. 산정된 월강수량 anomaly를 기준으로 가뭄 변량(지속기간, 심도)을 산정하고, Copula 함수를 활용한 이변량 빈도해석을 수행하였다. Copula 기반 분석은 두 변량 간의 상관구조를 효과적으로 반영할 수 있어, 가뭄 특성의 상호의존성을 정량적으로 평가하는 데 적합하다. 이러한 과정을 통해 특정 재현기간에 대응하는 가뭄 지속기간–심도 조합을 도출하고, 이를 바탕으로 가뭄상황 연강수량을 산정하였다.

NHMM은 관측되지 않는 은닉상태에 의해 확률적으로 발생한다는 가정에 기반을 두며, 전이확률과 출력확률의 추정을 통해 강수 발생 특성을 재현한다. 특히 전이확률을 산정하는 과정에서 직전 상태뿐만 아니라 월강수량과 같은 예측인자를 함께 고려함으로써 비정상성 특성을 반영할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 활용하여 과거 유역 월강수량과 지점 일강수량 자료의 관계를 우선 학습하고, 이후 가뭄 빈도해석을 통해 도출된 월강수량 시나리오의 anomaly를 입력자료로 활용하여 지점별 일강수량 시나리오를 생성하였다. 상세화 과정에서는 은닉상태 개수의 최적화와 모형 매개변수 추정을 수행하고, 관측자료와의 비교 검증을 통해 모의 결과의 신뢰성을 확보한다.

가뭄상황 수문 시나리오를 실제 유량 모의에 활용하기 위해서는 강수량뿐 아니라 기온 자료 역시 필수적으로 고려되어야 한다. 기온은 증발산량 산정과 유출 반응에 직접적인 영향을 미치는 핵심 수문기상 변수이다. 가뭄 빈도해석과 시공간적 상세화 과정을 통해 구축된 일강수량 시나리오와 연계하여, 가뭄상황에 부합하는 기온 시나리오를 함께 구축하였다. 이를 위해 과거 관측된 일단위 평균기온, 최고기온, 최저기온 자료를 기반으로 강수 발생 여부와 기온 간의 통계적 관계를 분석하였다. 생성된 기온 시나리오는 이후 증발산량 산정과 강우–유출 모의의 중요한 입력자료로 활용된다.

본 연구에서는 H–S(Hargreaves–Samani) 공식을 통해 증발산량을 산정하였다. H–S 방법은 최고기온, 최저기온, 평균기온 및 외기복사량을 이용하여 증발산량을 산정하는 경험식이다. H-S 방법은 비교적 단순한 입력자료만으로도 증발산량 산정이 가능하다는 장점이 있으며, 강수-기온 연계 모의를 통해 구축된 기온 시나리오와 연계하여 활용되었다. FAO-56 Penman-Monteith 방법으로 산정된 증발산량과 관측된 기온 자료를 바탕으로 H–S 공식의 매개변수를 추정하였다. 매개변수 추정 과정에서는 전국 기상청 ASOS 관측지점을 대상으로 매개변수를 추정하고, 각 지점의 기온 자료와 결합하여 증발산량을 산정하였다. 이렇게 구축된 증발산량 자료는 강우–유출 모형의 입력자료로 활용되어, 현실적인 유량 시나리오 산정에 기여한다.