• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.50 no.11
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• pp.745-758
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• 2017

The copula-based models have been successfully applied to hydrological modeling including drought frequency analysis and time series modeling. However, uncertainty estimation associated with the parameters of these model is not often properly addressed. In these context, the main purposes of this study are to develop the Bayesian inference scheme for bivariate copula functions. The main applications considered are two-fold: First, this study developed and tested an approach to copula model parameter estimation within a Bayesian framework for drought frequency analysis. The proposed modeling scheme was shown to correctly estimate model parameters and detect the underlying dependence structure of the assumed copula functions in the synthetic dataset. The model was then used to estimate the joint return period of the recent 2013~2015 drought events in the Han River watershed. The joint return period of the drought duration and drought severity was above 100 years for many of stations. The results obtained in the validation process showed that the proposed model could effectively reproduce the underlying distribution of observed extreme rainfalls as well as explicitly account for parameter uncertainty in the bivariate drought frequency analysis.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.351-351
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• 2017

2014-2015년 우리나라 강수량이 평년에 비해 절반수준에 미치지 못해 극심한 가뭄을 일으켰으며, 이는 댐 용량 부족, 지하수 고갈 등 다양한 피해를 발생시켰다. 특히 소양강댐의 경우 1978년 이루 두 번째로 낮은 수위를 기록한바 있다. 우리나라의 경우 가뭄은 약 2-3냔 주기로 발생하고 있으며, 특히 2015년에 겪었던 가뭄은 물 용수공금 측면에서 막대한 영향을 미친 것으로 평가되어 신뢰성 있는 가뭄 분석이 중요한 요소로 대두되고 있다. 또한 지구온난화로 인해 기후변화의 영향으로 강수량의 증가가 일반적으로 전망되지만, 상대적으로 증가된 강우변동성으로 인해 가뭄 발생 빈도 및 강도도 동시에 증가할 것으로 전망되고 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 현재 가뭄을 신뢰성있게 평가하기 위해 Trivariate Copula 함수를 활용하여 가뭄분석을 수행하였다. 기존연구에서는 가뭄 지속시간(drought duration), 가뭄 심도(drought severity)를 활용한 이변량 가뭄 빈도 해석을 수행하였지만, 이는 다소 과소 추정 될 개연성이 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 가뭄강도(drought intensity) 변량을 추가로 분석하여 Trivariate frequency analysis 기법을 개발하였으며, 서울 관측소를 대상으로 분석하였다. 분석 결과 현재 가뭄은 역대 발생했던 가뭄 중 가장 큰 빈도를 기록하여 이에 대한 효과적인 가뭄 관리체계를 마련하기 위한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존 Bivariate 빈도해석의 경우 Trivariate 빈도해석 보다 가뭄위험도를 다소 과소추정하는 것으로 나타나 Trivariate 해석이 다소 현실적인 접근 방법이라 사료된다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.49 no.4
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• pp.275-282
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• 2016

The objective of this study is to propose a new method to determine the drought event and the design drought severity. In order to define a drought event from precipitation data, theory of run was applied with the cumulative rainfall deficit. When we have a large amount of rainfall over the threshold level, in this study, we compare with the previous cumulative rainfall deficit to determine whether the drought is relieved or not. The recurrence characteristics of the drought severity on the specific duration was analyzed by the conditional bivariate copula function and confidence intervals were estimated to quantify uncertainties. The methodology was applied to Seoul station with the historical dataset (1909~2015). It was observed that the past droughts considered as extreme hydrological events had from 10 to 50 years of return period. On the other hand, the current on-going drought event started from 2013 showed the significantly higher return period. It is expected that the result of this study may be utilized as the reliable criteria based on the concept of return period for the drought contingency plan.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.38 no.3
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• pp.387-393
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• 2018

Considering the effect of climate change, a quantitative analysis of extreme drought is needed to reduce the damage from extreme droughts. Therefore, in this study, a quantitative risk analysis of extreme drought was conducted. The threshold level method was applied to define a drought event using Cheugugi rainfall data in past, gauged rainfall data in present, and climate change scenario rainfall data in future. A bivariate drought frequency analysis was performed using the copula function to simultaneously consider two major drought characteristics such as duration and severity. Based on the bivariate drought frequency curves, the risks for the past, present and future were calculated and the risks for future extreme drought were analyzed comparing with the past and present. As a result, the mean drought duration of the future was shorter than that of past and present, however, the mean drought severity was much larger. Therefore short term and severe droughts were expected to occur in the future. In addition, the analysis of the maximum drought risk indicated that the future maximum drought risk was 1.39~1.94 times and 1.33~1.81 times higher than the past and present. Finally, the risk of extreme drought over past and present maximum drought in the future was very high, ranging from 0.989 to 1.0, and the occurrence probability of extreme drought was high in the future.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.43 no.3
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• pp.309-319
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• 2023

Recently, the frequency and intensity of meteorological disasters have increased due to climate change. In South Korea, there are regional differences in vulnerability and response capability to cope with climate change because of regional climate characteristics. In particular, drought results from various factors and is linked to extensive meteorological, hydrological, and agricultural impacts. Therefore, in order to effectively cope with drought, it is necessary to use a composite drought index that can take into account various factors, and to evaluate future droughts comprehensively considering climate change. This study evaluated hydrologic risk(${\bar{R}}$) of future drought in the Nakdong River basin based on the Dynamic Naive Bayesian Classification (DNBC)-based composite drought index, which was calculated by applying Standardized Precipitation Index (SPI), Streamflow Drought Index (SDI), Evaporate Stress Index (ESI) and Water Supply Capacity Index (WSCI) to the DNBC. The indices used in the DNBC were calculated using observation data and climate scenario data. A bivariate frequency analysis was performed for the severity and duration of the composite drought. Then using the estimated bivariate return periods, hydrologic risks of drought were calculated for observation and future periods. The overall results indicated that there were the highest risks during the future period (2021-2040) (${\bar{R}}$=0.572), and Miryang River (#2021) had the highest risk (${\bar{R}}$=0.940) on average. The hydrologic risk of the Nakdong River basin will increase highly in the near future (2021-2040). During the far future (2041-2099), the hydrologic risk decreased in the northern basins, and increased in the southern basins.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.199-199
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• 2023

최근 기후변화의 영향으로 가뭄, 홍수 등 재해의 발생 빈도 및 강도가 증가하고 있다. 미래에는 온실가스 배출량의 증가로 극한 기상현상은 더욱 심화될 전망이다. 이러한 위험에 효율적으로 대비하기 위해 기후변화 시나리오를 고려하여 미래를 전망하는 것은 매우 중요하며, 최근 연구자들은 불확실성을 고려하기 위해 다양한 시나리오를 적용하고 있는 추세이다. 다만, 기후변화 시나리오를 입력자료로 하여 분석을 수행하는 경우, 새로운 기후변화 시나리오가 생성될 때 기존 기후변화 영향 평가는 무의미해지며, 기존 결과의 신뢰도 또한 감소하게 된다. 지금까지 사용된 시나리오 기반 접근법의 한계를 보완하여 시나리오 중립(Scenario Neutral, SN) 접근법이 개발되었고, 이는 다양한 기후변화 시나리오에 대한 시스템의 반응을 평가하는데 유용하다. 본 연구에서는 시나리오 중립 접근법을 활용하여 가뭄 위험도를 분석하였으며, 이를 위해 금강 유역 내 용담댐 유역을 대상으로 분석을 수행하였다. 입력자료로는 용담댐 유역의 1966~2020년 일단위 강수량 자료를 사용하였고, 문헌 조사를 통해 미래 기후변화에 따른 강수량 변화 추이를 파악하였다. 연평균 강수량의 증가와 여름 강수량의 증가를 기준으로 삼아 증가 비율에 따른 노출 공간을 생성했으며, 목표 변화에 따른 교란된 시계열을 도출해냈다. 이후, 각각의 시계열에 대한 이변량 가뭄빈도분석을 수행하여 재현기간을 산정한 뒤, 목표 변화에 따른 위험도를 비교하였다. 그 결과, 연평균 강수량과 여름 강수량이 현재와 유사한 경우 100년 빈도 가뭄이 발생할 확률은 0.84, 연평균 강수량의 증가가 110%, 여름 강수량의 증가가 115%일 경우 100년 빈도 가뭄이 발생할 확률은 0.79이었다. 추후 실제 미래 기후변화 시나리오를 적용하여 기준치에 따른 만족도를 분석한다면, 가뭄 대응에 유용한 의사결정 도구로 활용될 수 있을 것이다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.47 no.12
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• pp.1199-1212
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• 2014

This study proposes an evaluation method of water supply capacity of a dam, which uses the concept of return period by conducting bivariate frequency analysis of dam storage capacity. The proposed method was applied to the Daecheong Dam for the evaluation. Additionally, the return periods of Daecheong Dam were estimated for the representative drought events in Korea, whose results were also reviewed. Summarizing the results is as follows. First, this study evaluated several climatological factors related to the water supply capacity of dams in Korea to conduct the bivariate frequency analysis and selected the storage on May and the storage difference between June and October as variables for analysis. Second, as an evaluation result of the water supply capacity of the Daecheong Dam, it was found that the Daecheong Dam secures the water supply capacity under 20 years of return period. Finally, it was also confirmed that the proposed method in this study is valid to analyze and estimate the return period of representative drought events occurred in the Korean peninsula.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.52 no.8
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• pp.545-554
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• 2019

The most drought assessments are based on a drought index, which depends on univariate variables such as precipitation and soil moisture. However, there is a limitation in representing the drought conditions with single variables due to their complexity. It has been acknowledged that a multivariate drought index can more effectively describe the complex drought state. In this context, this study propose a Copula-based drought index that can jointly consider precipitation and soil moisture. Unlike precipitation data, long-term soil moisture data is not readily available so that this study utilized a Gaussian Mixture Non-Homogeneous Hidden Markov chain Model (GM-NHMM) model to simulate the soil moisture using the observed precipitation and temperature ranging from 1973 to 2014. The GM-NHMM model showed a better performance in terms of reproducing key statistics of soil moisture, compared to a multiple regression model. Finally, a bivariate frequency analysis was performed for the drought duration and severity, and it was confirmed that the recent droughts over Jeollabuk-do in 2015 have a 20-year return period.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.5-5
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• 2020

가뭄은 일반적으로 기상학적, 수문학적, 농업적 및 사회·경제적 가뭄으로 분류된다. 그 중 강수량 부족으로 인해 야기되는 기상학적 가뭄은 지역 사회에 직접적인 피해를 유발하는 도화선이 된다. 그러나 강우량 부족이 경제적, 사회적 피해로 전파되는 과정은 단순하지 않으며, 정량화가 어려운 실정이다. 가뭄 위험도는 수문기상학적 요인뿐만 아니라 자연재해에 대한 지역의 취약성의 맥락에서 파악되어야하므로, 가뭄 위험도 평가 방안은 위험도와 지역사회 사이의 관계를 규명하는 과정을 포함해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가뭄 취약성(vulnerability)과 노출성(hazard)을 정량화하여 나타내는 지표를 적용한 가뭄 위험도 분석 방법이 주로 사용된다. 일반적으로 수용되는 취약성 개념은 개인 또는 그룹이 자연재해의 영향에 대처하고 이에 저항할 수 있는 능력을 의미하며, 노출성은 자연적 또는 인간이 유발할 수 있는 물리적 사건의 가능성을 나타낸다. 따라서 취약성은 지역의 문화적, 사회적 및 경제적 인자를 이용하여 정의된다. 반면 노출성은 주어진 시간 또는 영역 내에서의 특정 현상의 발생 확률에 따라 결정된다. 본 연구에서는 가뭄 취약성 지수 (Drought Vulnerability Index, DVI)와 가뭄 노출성 지수(Drought Hazard Index, DHI)를 이용하여 지역 가뭄 위험도를 평가하였다. 취약성 및 노출성 지수를 활용한 선행연구에서의 주요 쟁점은 연구자의 주관성을 배제하고 지역의 상황을 반영할 수 있도록 (1) 객관적이고 합리적인 변수의 선택과 (2) 각 인자들의 관계를 규정하는 가중치 정의 방법이다. 본 연구에서는 확률론적 접근방법을 적용한 위험도 평가 방안을 제시하고자 하였다. DVI를 산정 시 지역에서 지배적인 사회경제적 인자를 선택하기 위해 주성분분석(PCA) 기법을 활용하였으며, DHI는 이변량 가뭄 빈도 분석에 의해 산정된 특정 가뭄사상의 발생 확률로 정의되었다. 본 연구에서는 국내에서 가뭄 위험도가 가장 높은 것으로 평가되는 충청북도 및 충청남도를 대상지역으로 선정하고 지역 위험도를 평가하였다. 그 결과 가장 가뭄 위험도가 높은 지역은 충청북도에서는 청주시, 충청남도에서는 공주시로 분석되었다. 특히 청주시는 DVI가 매우 높지만 DHI는 상대적으로 작게 나타났으며, 반면 공주시는 DHI와 DVI가 지역 내에서 가장 높게 산정되었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.303-303
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• 2022

기후변화로 인해 기상이변 현상의 발생 빈도가 잦아지며 가뭄 방생 빈도 또한 증가하는 추세이다. 이에 따라 가뭄 피해를 경감하는 선제적 가뭄대응체계 구축과 가뭄이 발생한 이후에 피해를 최소화하기 위한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 가뭄피해 여부를 이진분류 방법으로 접근하여 예측 가능성을 검토하였다. 가뭄피해 여부는 비상급수(제한급수,운반급수) 자료를 이용하여 비상급수가 시행된 경우를 가뭄피해 발생으로 보고, 비상급수가 시행되지 않은 경우를 피해 없는 사례로 구분하였다. 기상 상황 변수로는 강수량, 기온, 상대습도 등을 이용하였다. 또한 지역별 연간 총 급수량 대비 저수량을 이용하여 지역별 현 상황을 고려하고자 하였다. 의사결정나무를 이용하여 분석한 결과 불균형 클래스 문제의 정확도에 주로 이용되는 오차행렬의 정확도가 0.95 이상으로 나타났으며, F1-Score는 약 0.5 로 나타났다. 이는 예측 결과 전체를 대상으로 했을 경우 95 %의 확률로 가뭄피해 여부를 구분할 수 있는 것을 나타내며, 가뭄 피해만을 대상으로 했을 경우 50 %의 정확도를 타나낸다. 그러나 본 연구에서는 비상급수를 유발하는 충분한 환경적 변수를 고려하지 않았고, 다양한 딥러닝 모형을 분석하지 않았다. 따라서 비상급수를 유발하는 요인을 충분히 고려하고 딥러닝 기법을 고도화 한다면 모형의 정확도 개선을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.