Water Engineering

JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. April 2020. 135-143
https://doi.org/10.12652/Ksce.2020.40.2.0135


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 분석자료 및 연구방법

  •   2.1 분석자료

  •   2.2 연구방법

  • 3. 3차원 시공간적 가뭄 전이 특성 분석

  •   3.1 3차원 개념의 가뭄사상 결정 및 특성

  •   3.2 기상학적 가뭄에서 수문학적 가뭄으로의 시공간적 전이 분석

  • 4. 토의 및 결론

1. 서 론

우리나라는 강수량이 지역별로 편중되면서 국지적 가뭄이 빈번히 발생하고 있다. 특히 지형적 특성으로 충남 서부, 경기 남부, 전라 등 일부 상습가뭄지역의 피해가 확대되고, 이에 따라 국가적인 차원에서는 통합물관리를 통한 물 확보, 물 활용 및 가뭄예방을 위해 가뭄대응 종합대책을 마련하기 위한 노력을 계속하고 있다. 그럼에도 불구하고 최근인 2000년, 2001년, 2008~2009년, 2012년, 그리고 2014~2015년은 심각한 가뭄이 발생한 해로 기록되었다. Lee et al.(2016)은 기후변화 시나리오를 활용한 미래의 가뭄 분석을 통해 미래 우리나라는 건조기(10월에서 다음 해 5월까지) 동안 가뭄의 발생빈도 및 심도가 현재보다 6 % 정도 증가할 가능성이 있다는 것을 보여주었다. 이처럼 최근들어 기후변화로 인한 강수패턴의 변화와 도시의 인구증가로 인한 각종 용수에 대한 수요-공급의 지역적 불균형 등으로 물문제가 심각해지고 있으며, 이에 대한 대책 마련이 지속적으로 요구되고 있다.

일반적으로 가뭄이 발생하면 시간 및 공간적으로 영향이 확장되는 특징이 있고, 이는 농업적 피해와 수문학적 피해를 순차적으로 발생시킨다. 우리나라는 계절적 특성상 건조기에 발생한 가뭄(6월 이전에 발생한 가뭄)은 6월 말부터 시작되는 장마와 8~9월의 태풍 기간에 충분한 강수량이 내리고 나면 대체로 해소된다. 하지만, 장마가 지연되거나 마른장마 또는 태풍으로 인한 강수량이 충분하지 않을 경우, 수자원 확보에 차질이 생겨 극심한 가뭄으로 확대될 가능성이 있다. 따라서 가뭄확대에 따른 시기적절한 대응을 위해서는 기상학적 가뭄에서 농업적 혹은 수문학적 가뭄으로 발달하는 가뭄의 전이 현상을 해석할 필요가 있다.

가뭄 전이라는 개념은 다양한 수문변량의 평균에 대한 차이를 비교하면서 제시되었으며(Changnon, 1987; Eltahir and Yeh, 1999), 가뭄이 발생하는 계절 및 원인에 따라 전이 특성이 다르게 나타난다(Peters, 2003). Van Loon(2013)은 관측 강우량과 온도 자료 그리고 HBV(Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning)모형을 통해 모의된 유출량을 이용하여 기상학적 및 수문학적 가뭄에 대한 전이 특성을 분석하였다. Van Loon(2015)는 시계열 변화에 따른 가뭄 전이를 4가지(풀링(pooling), 감쇠(attenuation), 지체(lag), 연장(lengthen)) 특성을 이용하여 구분하였다.

최근 우리나라에서도 가뭄 전이와 관련한 연구가 진행된 바 있으나, 대부분은 지체 특성에 초점을 맞춰 연구가 진행되었다. Shin et al.(2017)은 기상학적 가뭄과 수문학적 가뭄과의 전이 해석을 통해 지체 특성을 파악한 후, 이를 가뭄 전망을 위한 예측 변량으로 활용하였다. Yu et al.(2018)은 우리나라의 가뭄 전이 발생 여부와 패턴을 검토하기 위해, 기상학적 가뭄에서 농업적 가뭄으로의 전이 관계를 분석하였다. 그 결과, 홍수기 또는 태풍의 영향에 따른 강수량 부족으로 인해 기상학적 가뭄이 발생한다면, 그 후 1개월 후에는 농업적 가뭄으로 전이되었다. Sattar(2019)는 지역별 가뭄 완화 대책을 위해서는 우리나라의 기상 및 수문학적 가뭄의 시공간적 특성에 관련 연구가 필요하다는 것을 강조하며, 두 가뭄 유형간의 전이 특성 중 지체시간을 활용하여 확률론적 관계를 분석하였다. 그 결과, 우리나라는 연평균 강수량의 변동성 및 유출량의 계절적 분포에 따라 지역별로 가뭄 전이의 지체시간 및 발생확률이 공간적으로 다르게 나타나는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 기상학적 원인으로 발생하는 가뭄은 시간과 공간에서 동시에 진화한다는 것을 고려하였다. 가뭄의 시공간적 특성을 분석하기 위해서 Yoo et al.(2020)은 3차원(경도, 위도, 시간) 가뭄 지도를 개발한 바 있다. 본 연구는 Yoo et al.(2020)과 같이 가뭄사상을 3차원으로 정의하고, 가뭄의 전이 특성을 시공간적으로 분석하고자 하였다. 즉, 기상학적 및 수문학적 가뭄 사이의 연관성을 분석하기 위하여 가뭄사상을 3차원적 관점에서 평가하는 것이 주된 목적이다. 이를 위해서는 (i) Yoo et al.(2020)의 연구방법을 적용하여 가뭄사상을 3차원(경도, 위도 및 시간)의 연속체로 간주하여 기상학적 및 수문학적 가뭄사상을 추출하고, (ii) Liu et al.(2019)이 제안한 방법을 활용하여 기상학적 및 수문학적 가뭄 사이의 연계성을 파악하였으며, (iii) 우리나라의 수문학적 가뭄에 영향을 미치는 기상학적 가뭄의 시공간적 전이 특성을 분석하였다.

2. 분석자료 및 연구방법

2.1 분석자료

본 연구에서는 우리나라 112개 중권역(제주도와 울릉도를 제외)의 1983년부터 2014년까지의 3개월 누적 강수량과 유출량 자료를 이용하여 표준강수지수(Standardized Precipitation Index, SPI)와 표준유출지수(Standardized Runoff Index, SRI)를 산정하였다. 중권역별 강수량은 기상청의 (유인)종관기상관측장비(Automated Synoptic Observing System, ASOS) 및 자동기상관측장비(Automatic Weather Station, AWS)로 관측된 지점 강수자료를 이용하여 Thiessen의 가중법에 의해 산정한 유역 평균 강수량이다. 중권역별 유출량은 유역 평균 강수량을 집중형 강우-유출모형인 Tank 모형에 적용하여 산정한 것으로 2000년, 2006년 및 2011년 수자원장기종합계획 수립 및 보완/수립 과정에 적용된 것이다.

2.2 연구방법

일반적으로 기온 증가 및 강수량 부족으로 인해 기상학적 가뭄이 발생하고, 기상학적 가뭄이 지속되면 토양수분량이 부족해지고 유출량 감소로 인해 수문학적 가뭄이 발생한다. 따라서 이러한 가뭄을 효과적으로 해석하기 위해서는 기상학적 및 수문학적 가뭄의 발생에 관한 시간적 순서를 감안하여 가뭄간의 상호 연계과정을 분석할 수 있는 방법이 필요하다. 본 연구에서는 Yoo et al.(2020)에서 적용한 3차원(위도, 경도, 시간) 개념을 바탕으로 두 가뭄 유형에 해당하는 가뭄사상을 추출한 후, Liu et al.(2019)이 제안한 기상학적 가뭄과 수문학적 가뭄의 시공간적 연계방법을 활용하였다. 즉 수문학적 가뭄이 발생한 지속기간 내에 중첩적으로 발생한 기상학적 가뭄의 발생여부를 판단하기 위하여 Eq. (1)을 이용하여 수문학적 가뭄과 기상학적 가뭄의 시간적 중복(overlap time) 여부를 검토하였다.

$$Overlap_{time}\left\{\begin{array}{l}>0\;\;if\;\left\{\begin{array}{l}MBT_i\leq HBT_j\;\mathrm{and}\\(MBT_i,\;MET_i)\left|(HBT_j,HET_j)>0\right.\;\\\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;or\\\begin{array}{l}MBT_i>HBT_j\;\mathrm{and}\\(MBT_i,\;MET_i)\left|(HBT_j,HET_j)\geq\alpha\right.\;\end{array}\end{array}\right.\\=0\;if\;\;\left\{\begin{array}{l}\begin{array}{l}MBT_i\leq HBT_j\;\mathrm{and}\\(MBT_i,\;MET_i)\left|(HBT_j,HET_j)<\alpha\right.\;\\\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;or\end{array}\\(MBT_i,\;MET_i)\left|(HBT_j,HET_j)=0\right.\end{array}\right.\end{array}\right.$$ (1)

여기서 α는 min (DMi/3, DHj/3)이며, DM (duration of meteorological drought) 및 DH (duration of hydrological drought)는 기상학적 및 수문학적 가뭄사상의 지속기간을 나타내며, MBTi와 METi는 각각 i번째 기상학적 가뭄사상이 시작되고 끝나는 시간이며, HBTj와 HETj는 j번째 수문학적 가뭄사상이 시작되고 끝나는 시간을 나타낸다. 예를 들어, 수문학적 가뭄이 시작하기 이전 시점에 기상학적 가뭄이 먼저 시작하고, 이때의 수문학적 가뭄의 발생기간(시작 및 끝나는 기간 사이) 내에 기상학적 가뭄의 발생기간이 시간적으로 중복될 경우에는 두 가뭄 유형간의 시간적인 중복이 있다고 해석한다. 또한, 수문학적 가뭄이 시작하고 난 후에 기상학적 가뭄이 시작하고, 이때의 수문학적 가뭄의 발생기간 내에 기상학적 가뭄의 발생기간이 임계값(α) 이상의 값을 나타낼 경우에는 두 가뭄 유형간의 시간적인 중복이 있다고 해석한다.

3차원 개념에서는 연관된 기상학적 및 수문학적 가뭄사상은 시간의 중복과 더불어 가뭄지역의 공간적 중복 또한 검토해야 한다. 따라서 앞서 기상학적 및 수문학적 가뭄사상 사이의 시간적 중복성이 존재한다고 판단되는 경우에 한하여, Eq. (2)를 이용하여 공간적 중복(overlap space) 여부를 검토하였다.

$$Overlap_{space}\left\{\begin{array}{l}>0\;\;\mathrm{if}\;\;(AM_{t\;}\left|\;AH_j)\geq\beta\right.\\=0\;\;\mathrm{if}\;\;(AM_{t\;}\left|\;AH_j)<\beta\right.\end{array}\right.$$ (2)

여기서 β는 중복면적의 임계값이며, AMi와 AHj는 각각 기상학적 및 수문학적 가뭄사상의 가뭄 지역을 나타낸다. 본 연구에서는 Wang et al.(2011)이 제안한 방법을 활용하여 전체 면적의 1.5 %로 β를 설정하였다. 위의 두 단계를 통해 중복되는 시간과 공간 값이 모두 0 보다 큰 값일 경우에는 기상학적 및 수문학적 가뭄사상 사이에 연계성이 존재한다고 가정한다. 이처럼 연결된 기상학적 및 수문학적 가뭄사상을 통합함으로써 두 가뭄 유형간의 관계는 3가지(단일(single), 단순(simple), 복합(complex))의 연계 범주로 분류가 가능하다(Fig. 1 참고).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-02/N0110400201/images/Figure_KSCE_40_02_01_F1.jpg
Fig. 1.

Classification of Paired Drought Events for Single, Simple, and Complex Interrelationship Categories, and Grid Points Marked with the Same Number Belonging to one Pairing Category (Liu et al., 2019)

예를 들어, Fig. 1에서 행 번호 17인 기상학적 가뭄사상은 열 번호 12인 수문학적 가뭄사상과의 전이 특성이 한 쌍의 단일(single) 연계를 통해 영향을 받는 관계로 구분된다. 반면 행 번호 21인 기상학적 가뭄사상은 두 개의 수문학적 가뭄사상(열 번호: 16-17)과 모두 중첩된다. 이러한 경우에는 하나의 기상학적 가뭄사상이 다른 지역에 위치한 두 개의 수문학적 가뭄사상에 광범위한 영향을 미친 경우로써, 두 가뭄 유형은 단순(simple) 연계로 전이되며, 단일 연계 보다는 다소 복잡한 영향관계를 갖는다. 마지막으로 열 번호 19-30의 연속된 여러 개의 수문학적 가뭄사상은 연속된 여러 개의 기상학적 가뭄사상(행 번호: 24-31)과 모두 중첩되었다. 이러한 경우에는 복합(complexity) 연계로 구분된다. 즉, 두 가뭄 유형간의 전이 특성이 매우 복잡한 영향관계를 내포한다.

3. 3차원 시공간적 가뭄 전이 특성 분석

3.1 3차원 개념의 가뭄사상 결정 및 특성

본 연구에서는 우리나라 중권역의 월 단위 강수량 및 유출량 자료를 이용하여 가뭄은 3차원(경도, 위도 및 시간)의 연속체로 간주하여 다음과 같은 순서로 두 가지 가뭄 유형에 대하여 가뭄사상을 각각 결정하였다. 첫 번째 단계는 월 단위 시간 간격마다 가뭄지수의 값이 임계수준(-1.0) 이하인 지역은 “가뭄”으로 간주하였다. 그 후 인접한 지역이 가뭄일 경우 하나의 패치로 결합되는 공간 연속성의 원리를 바탕으로, 3차원적 가뭄사상을 정의하였다(Yoo et al., 2020). 따라서 1983년부터 2014년까지의 3개월 누적 강수량과 유출량을 이용하여 추출된 우리나라의 기상학적 및 수문학적 가뭄사상의 개별적인 특성은 Tables 1 and 2와 같다.

Table 1. Meteorological Drought Events Identified by SPI3

No Begin time End time Duration (month) Severity (-) Area (%)
Year Month Year Month
1 1983 12 1984 3 4 602.23 78.78
2 1985 7 1985 8 2 33.09 16.64
3 1986 3 1986 4 2 85.65 33.08
4 1987 11 1988 6 8 913.99 70.95
5 1988 8 1988 12 5 730.33 69.20
6 1989 5 1989 8 4 175.45 34.16
7 1991 8 1991 10 3 75.19 25.50
8 1992 6 1992 9 4 417.48 60.00
9 1993 4 1993 5 2 69.31 19.26
10 1993 9 1993 11 3 60.18 18.83
11 1994 3 1994 5 3 247.00 48.59
12 1994 7 1994 10 4 561.41 61.26
13 1995 1 1995 2 2 62.15 35.07
14 1995 5 1995 7 3 253.72 56.87
15 1995 11 1996 2 4 610.02 93.99
16 1996 8 1996 11 4 448.87 58.65
17 1997 3 1997 4 2 105.44 41.75
18 1997 8 1997 10 3 167.91 40.34
19 1999 1 1999 2 2 279.12 92.03
20 2000 1 2000 7 7 711.08 52.55
21 2001 4 2001 5 2 491.64 92.29
22 2001 8 2001 10 3 166.17 31.86
23 2005 6 2005 8 3 101.04 18.82
24 2005 12 2006 1 2 85.38 37.29
25 2006 2 2006 3 2 16.14 9.66
26 2006 10 2006 11 2 174.38 58.60
27 2007 1 2007 2 2 44.63 23.55
28 2007 6 2007 8 3 77.88 17.69
29 2008 8 2009 1 6 492.28 49.46
30 2009 10 2009 11 2 229.59 69.01
31 2010 12 2011 1 2 170.48 60.74
32 2012 6 2012 7 2 46.98 16.60
33 2013 7 2013 9 3 92.63 18.02
34 2014 5 2014 10 6 486.22 52.76

Table 2. Hydrological Drought Events Identified by SRI3

No Begin time End time Duration (month) Severity (-) Area (%)
Year Month Year Month
1 1983 3 1983 4 2 12.77 6.03
2 1983 7 1983 9 3 105.04 25.29
3 1983 12 1984 7 8 363.37 33.00
4 1985 2 1985 4 3 22.36 4.60
5 1985 7 1985 9 3 75.24 22.13
6 1986 4 1986 6 3 96.58 30.01
7 1986 9 1986 10 2 22.24 6.42
8 1987 12 1989 2 15 1113.75 44.18
9 1989 7 1989 8 2 17.83 7.99
10 1990 9 1990 10 2 11.73 3.52
11 1991 9 1991 10 2 16.13 10.08
12 1991 12 1992 3 4 43.26 7.11
13 1992 6 1992 9 4 272.88 47.50
14 1993 9 1994 1 5 51.43 10.69
15 1994 3 1996 2 24 1866.40 40.86
16 1996 4 1996 5 2 33.84 12.67
17 1996 8 1997 5 10 653.57 38.97
18 1997 9 1997 11 3 138.29 35.99
19 1999 1 1999 4 4 108.59 14.84
20 2000 2 2000 8 7 431.28 34.65
21 2001 4 2002 4 13 600.13 30.63
22 2002 12 2003 3 4 45.47 11.49
23 2004 3 2004 4 2 12.61 3.53
24 2004 12 2005 3 4 44.92 8.86
25 2005 4 2005 8 5 50.95 6.47
26 2005 12 2006 3 4 58.52 9.20
27 2006 10 2007 3 6 224.77 27.89
28 2007 5 2007 8 4 111.75 13.67
29 2008 3 2008 7 5 180.77 27.52
30 2008 8 2009 6 11 777.92 40.85
31 2009 10 2010 1 4 259.45 41.42
32 2010 7 2010 8 2 44.22 20.18
33 2011 1 2011 2 2 66.01 22.70
34 2012 3 2012 7 5 91.95 9.61
35 2013 3 2013 6 4 42.24 4.36
36 2013 8 2013 10 3 82.41 16.78
37 2014 5 2014 10 6 371.92 43.56

본 연구에서는 추출된 기상학적 가뭄사상은 총 34개이며, 이 중 가장 큰 최대 심도를 갖는 것은 1987년 11월부터 발생하여 1988년 6월까지 8개월 동안 지속했던 가뭄사상이다. 이때 우리나라 전체 누적 가뭄 심도는 약 –914로 나타났다. 이는 112개 유역에서 8개월 동안 누적된 가뭄 심도로써, 가뭄 지속기간(8개월) 내내 112개 모든 유역에서 –1.02 정도의 가뭄(SPI 판단기준: 보통가뭄)이 지속된 것이다(Table 1 참고). 국가가뭄정보분석센터에서 제공하는 우리나라 과거 가뭄 사례에 따르면(National Drought Information Analysis Center, 2015), 1988년은 전국 평균 강수량 보다 부족한 수준의 강수량으로 인해 6월 저수율은 약 34 % 수준이었다. 특히 중부지방에 가뭄이 심하게 발생했으며, 농업피해가 크게 나타난 것으로 기록되었다. 또한 가뭄 지속기간 내 매월 최대 심도를 나타내는 지역(가뭄 중심)은 가뭄발생 초반(1987년 11월-1988년 2월)에는 남부지역이었으나, 점차 가뭄이 진행되면서 중북부 지역으로 가뭄의 중심이 이동하는 것이 확인되었다.

두 번째로 큰 최대 심도를 갖는 기상학적 가뭄사상은 1988년 8월부터 발생하여 1988년 12월까지 5개월 지속했던 가뭄사상이다. 이때 우리나라 전체 누적 가뭄 심도는 약 –730로 나타났다. 이는 112개 유역에서 5개월 동안 누적된 가뭄 심도로써, 우리나라 전체 면적의 약 70 % 범위가 가뭄인 상태로 나타났다. 여기서 주목해야 할 점은 1988년 7월 여름철 지역별로 발생한 강수량으로 인해 이전에 발생한 기상학적 가뭄이 해갈된 듯 보인다. 그러나 실질적으로는 1988년 8월부터 시작된 가뭄은 이전의 가뭄과 긴밀하게 연계될 가능성이 있다. 즉, 수문학적 가뭄으로의 전이를 통해 장기적인 측면에서는 유출에 영향을 미칠 가능성이 있었다는 것을 추론할 수 있다(Fig. 2 참고).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-02/N0110400201/images/Figure_KSCE_40_02_01_F2.jpg
Fig. 2.

Spatio-Temporal Characteristics of Drought Event Ranked by the Severity of SPI3

Table 2에 나타난 바와 같이, 수문학적 가뭄사상은 총 37개이다. Fig. 3(a)은 수문학적 가뭄사상 중 가장 큰 최대 누적 가뭄 심도(-1866)를 갖는 가뭄이 발생한 기간(1994년 3월부터 1996년 2월, 총 24개월) 동안의 가뭄사상이다. 해당 가뭄 기간에는 특히 중남부 지역에서 가뭄 중심이 자주 발견되며, 해당 지역에는 가뭄 지속기간 동안 누적된 지역별 가뭄심도 또한 큰 값으로 나타났다. 국가가뭄정보분석센터에 따르면, 1994년 6월부터 1995년 7월까지의 지속한 가뭄 기간 동안 전국 평균 강우량은 예년 평균의 76.4 %이며, 소양강댐과 충주댐 등 9개 다목적 댐 저수율은 30 % 수준(예년 대비 70 %)이었고, 용수 전용댐 저수율은 25 % 수준(예년 대비 41 %)이었다(National Drought Information Analysis Center, 2015). 해당 가뭄으로 영호남 지방의 피해가 극심했다고 알려져 있다. Fig. 3(a)에서도 처음 가뭄 발생의 중심(1994년 3월)은 영산강 남해 유역 부근에서 시작되었으나, 국가가뭄정보분석센터에서 제시하는 가뭄발생 기간(1994년 6월~1995년 7월) 동안에는 가뭄이 시공간적 변화에 따라 가뭄 중심의 위치가 점차적으로 영호남 지방으로 이동한 것으로 확인되었다. 두 번째로 큰 최대 누적 가뭄 심도(-1114)를 갖는 수문학적 가뭄사상은 1987년 12월부터 발생하여 1989년 2월까지 15개월 지속했던 장기 가뭄이다(Fig. 3(b) 참고). 해당 가뭄 기간은 이전의 기상학적 가뭄의 최대 심도를 갖는 가뭄사상의 발생 시점과 일치하는 것으로 확인되었다. 즉, 해당 기간에는 기상학적 가뭄과 더불어 수문학적 가뭄이 우리나라에서 공통으로 발생한 극한 가뭄기록 순위로 확인되었다.

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Fig. 3.

Spatio-Temporal Characteristics of Drought Event Ranked by the Severity of SRI3

Fig. 4는 가뭄 유형별 가뭄특성의 공간분포를 나타내고 있으며, 두 가뭄 유형을 비교해 보면 기상학적 가뭄이 수문학적 가뭄보다 가뭄의 발생빈도가 높은 것으로 나타난다. 가뭄의 지속기간은 수문학적 가뭄이 기상학적 가뭄보다는 크게 나타난 지역은 한강 수계의 달천 중권역, 금강 내 미호천 중권역, 임하댐 중권역 등의 일부 지역에서 다소 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 반면 기상학적 가뭄의 심도는 수문학적 가뭄보다 전반적으로 한강유역에서 상대적으로 큰 것으로 확인되었다.

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Fig. 4.

Spatio-Temporal Patterns of Drought Characteristics for SPI and SRI

3.2 기상학적 가뭄에서 수문학적 가뭄으로의 시공간적 전이 분석

본 연구에서는 기상학적 가뭄과 수문학적 가뭄의 연계성을 고려하여 두 가뭄 유형 간의 발생 시간적 순서에 따른 상호 전이과정에 대한 분석을 수행하였다. 그 결과 전체 수문학적 가뭄사상 총 37개 중에서 기상학적 가뭄사상에 영향을 받은 것은 총 22개(59.5 %)이며, 영향을 받지 않았다고 분석되는 사상은 15개(40.5 %)이었다. 앞 장에서 언급한 가뭄 전이의 3가지(단일, 단순, 복합)의 연계 특성 중에서 단일 연계로 나타난 가뭄 쌍은 총 17개(77 % 비율)로 확인되었으며, 한 개 이상의 기상학적 가뭄사상이 수문학적 가뭄사상에 영향을 미치는 경우인 단순 연계로 나타난 가뭄 쌍은 총 5개(23 % 비율)로 나타났고, 복합 연계로 구분된 가뭄 쌍은 없는 것으로 확인되었다. Fig. 5는 단일 연계로 구분된 가뭄사상 중 2000년과 2014년의 결과를 도시한 결과이다. Fig. 6은 단순 연계로 구분된 가뭄사상 중 2001년의 가뭄 결과를 도시한 것이다.

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Fig. 5.

Spatio-Temporal Drought Propagation of Single Category

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Fig. 6.

Spatio-Temporal Drought Propagation of Simple Category

Fig. 5(a)는 2000년 가뭄사상을 나타내며, 해당 가뭄사상은 이전 년도 겨울부터 당해 봄까지 지속되었던 것으로 확인된다. 해당 기간 내 수문학적 가뭄사상은 2000년 2월에 시작하여 7개월이 지속되었고, 이때 동일시기에 발생한 기상학적 가뭄사상에 의한 시공간적 영향이 있음을 확인할 수 있다. 또한, 가뭄지도에 따르면 두 종류의 가뭄 모두 발생 초기에는 남부지역에서 최대 심도를 나타내는 가뭄의 중심이 발견되었고, 가뭄이 진행하면서 북부지역으로 최대 심도(가뭄의 중심)의 발생 위치가 이동하는 것이 확인되었다. 다만, 2000년 6월 가뭄의 중심(남부지역)과 2000년 7월 가뭄의 중심(북부지역)의 위치는 공간적 멀리 떨어져 있다는 점을 감안하면 2000년 7월에는 2000년 6월의 가뭄이 공간적으로 전이된 것이 아니라, 북부지역에서 강수부족으로 새로운 기상학적 가뭄이 발생하여 최대 가뭄 심도가 북부지역에서 발견되는 것으로 해석된다.

Fig. 5(b)는 가장 최근에 발생했던 가뭄기간의 결과이며, 두 종류의 가뭄 모두가 2014년 5월에서 10월 기간 내 발생하는 공통점을 갖고 있다. 이중 기상학적 가뭄으로 6개월 지속기간 동안 우리나라 면적의 52.76 %를 차지하였고, 수문학적 가뭄은 43.56 %를 차지하였다. 또한, 전체 가뭄발생 기간 동안 누적된 가뭄심도를 살펴보면, 기상학적 가뭄은 한강유역 최상단 지역에서 시작되어 낙동강 남해지역을 거쳐 2014년 8월부터는 한강유역 내 북부지역으로 최대 가뭄심도의 중심이 이동하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 수문학적 가뭄은 2014년 5월 초부터 2014년 10월까지 한강유역 중북부 지역에서 상대적으로 높은 가뭄 심도를 가지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6은 단순 연계로 구분된 가뭄사상의 시공간적 전이를 보여주는 것이다. 맨 오른쪽 그림은 2001년 4월부터 13개월 지속된 수문학적 가뭄을 보여주고 있으며, 이 때의 가뭄 심도는 약 -600이다. 이 수문학적 가뭄과 연관된 기상학적 가뭄은 총 2개로 확인되었다. 이 중 하나는 2001년 4월부터 5월까지 2개월이 지속되어 –491의 심도 값을 갖는 가뭄사상이다(Fig. 6의 왼쪽 그림). 다른 하나는 2001년 8월부터 10월까지 3개월 지속되어 –166의 심도 값을 갖는 가뭄사상이다(Fig. 6의 가운데 그림). 이는 2001년의 봄철 강수량 부족과 장마철 강수량 부족으로 발생한 두 개의 기상학적 가뭄사상이 시공간적으로 전이된 것이 2001년 4월에서 시작하여 13개월 지속된 수문학적 가뭄의 발생 원인일 가능성을 나타낸 것이다.

4. 토의 및 결론

본 연구에서는 기상학적 가뭄과 수문학적 가뭄 사이의 시공간적 전이 특성을 분석하기 위해 기상학적 가뭄지수인 SPI3과 수문학적 가뭄지수인 SRI3을 이용하여 가뭄사상의 시공간적 이동 특성을 분석하였다. 3차원 가뭄사상의 시공간적인 변화에 따라 가뭄의 연속성에 판단하여 가뭄 지속기간을 결정한 후, 가뭄 특성인자(가뭄 심도, 면적, 최대 심도 등)를 정의하였다. 더불어 본 연구에서는 기상 및 수문학적 가뭄을 연결하는 새로운 접근법을 적용하여 수문학적 가뭄의 발생 원인에 대한 기상학적 가뭄의 전이 특성을 시공간적으로 분석하였다.

두 가지 유형의 가뭄사상의 발생 순서에 따른 상호 연계과정을 검토한 결과, 우리나라는 수문학적 가뭄사상 중 기상학적 가뭄에 시공간적으로 영향을 받은 경우는 약 60 % 정도로 확인되었다. 다만, 현재 연구에서는 관측 강수량과 모의 유량 기반으로 산정한 가뭄지수를 바탕으로 상호관계를 해석했을 뿐 인간의 영향 및 개입과 같은 요소(댐, 저수지 운영 유무 등)에 따른 유출의 영향은 반영되지 않았다.

또한 두 가지 유형에 따른 시공간적 가뭄사상을 추출하여 가뭄의 전이 특성을 검토한 결과, 가뭄 전이의 3가지(단일, 단순, 복합)의 연계 특성 중에서 우리나라는 수문학적 가뭄이 발생하는 데 있어 기상학적 가뭄이 단일 및 단순 연계로 영향을 미치고 있으며, 이 중에서 단일 사상 간의 관계로 시공간적 가뭄이 전이되는 경우가 77 % 비율로 확인되었다. 반면 수문학적 가뭄이 발생하는 데 있어 한 개 이상의 기상학적 가뭄이 영향을 미치는 경우도 23 % 비율을 차지하였다. 지난 1994-1995년의 수문학적 가뭄의 경우에는 장기간의 강수량 부족으로 인한 총 4개의 기상학적 가뭄이 전이된 것으로 확인되며, 2001년의 여름철 강수부족으로 인한 가뭄이 2002년 4월까지 수문학적 봄 가뭄으로 장기 지속된 것으로 판단된다.

이처럼 가뭄은 강수량의 부족 및 기후의 건조로 인한 자연적인 기상학적 가뭄의 발생으로 시작되어 점차적으로 농업적 가뭄, 수문학적 가뭄으로 전이되는 복잡한 시공간적 특성을 지니고 있다. 따라서 국지적으로 빈번히 발생하는 가뭄에 대한 효율적인 대응방안을 마련하기 위해서는 시공간적 가뭄 전이 특성의 분석을 통하여 상습가뭄지역에 대한 물 확보 및 활용 그리고 가뭄예방에 실질적으로 활용가능한 연구를 지속할 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 환경부의 물관리연구사업(79616)에서 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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