가뭄재해는 다른 재해와 다르게 광범위한 공간에 걸쳐서 충분한 강우가 발생하기 전까지 오랜 기간 동안 발생되는 특성이 있다. 위성 영상은 시공간적으로 지속적인 강수량 관측을 제공할 수 있다. 본 연구는 위성 영상 기반의 강수자료를 활용하여 기상학적 가뭄 전망 모형을 개발하였다. PERSIANN_CDR, TRMM 3B42와 GPM IMERG 영상을 활용하여 강수 자료를 구축한 뒤, 표준강수지수(SPI)를 기반으로 기상학적 가뭄을 정의 하였다. 과거의 가뭄 정보와 물리적 예측 모형 기반의 가뭄 예측 결과를 결합할 수 있는 베이지안 네트워크 기반 가뭄 예측 기법을 이용하여 확률론적 가뭄 예측 결과를 생산하였으며, 가뭄 예측결과를 가뭄 전망 의사결정 모형에 적용하여 가뭄 전망 결과를 도출하였다. 가뭄 전망 정보는 가뭄 발생, 지속, 종결, 가뭄 없음의 4단계로 구분하였다. 본 연구의 가뭄 전망 결과는 ROC 분석을 통하여 물리적 예측 모형인 다중모형 앙상블(MME)을 활용한 가뭄 전망 결과와 전망 성능을 비교하였다. 그 결과, 2∼3개월 가뭄 전망에 대한 가뭄 발생 및 지속의 단계에서는 MME 모형보다 높은 전망 성능을 보여주었다.

최근 우리나라에서 빈번하게 발생되는 가뭄으로 인하여 많은 피해가 발생하고 있으며, 이에 대한 사전대응의 필요성이 커지고 있다. 가뭄에 대한 효과적인 사전대응을 위해서는 신뢰성 있는 가뭄 예측 정보가 필수적이다. 본 연구에서는 수문학적 가뭄에 대한 확률론적 예측을 수행하기 위하여 가뭄의 전이현상을 베이지안 네트워크 모형에 반영하였다. 가뭄의 전이현상을 고려한 베이지안 네트워크 기반의 가뭄 예측 모형(PBNDF)은 과거, 현재, 미래에 대한 다중 모형 앙상블 예측결과와 가뭄전이 관계를 결합하여 새로운 수문학적 가뭄 예측 결과를 생산하도록 구축되었다. 본 연구에서 PBNDF 모형은 파머수문학적 가뭄지수를 활용하여 낙동강 유역의 10개 지점을 대상으로 가뭄을 확률적으로 예측하는데 적용되었다. PBNDF 모형의 ROC 분석 결과 ROC 점수가 0.5 이상의 유의한 결과를 나타내 실제 예측 모형으로 활용가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기존에 개발된 모형(지속성 예측, 베이지안 네트워크 예측 모형)과 평균제곱오차의 제곱근(RMSE), 기술 점수(SS)를 활용하여 비교를 수행하였으며, 그 결과 PBNDF 모형의 RMSE는 상대적으로 낮은 값을 가지며, SS는 약 0.1~0.15 정도 높은 것으로 나타나 예측성능이 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 금강유역에 대한 지역홍수빈도분석을 실시하고 재현기간에 따른 홍수량을 추정하는 관계식을 제안하였다. 유역 내 유량자료의 수문학적 독립성과 동질성에 대한 검증을 위하여 Lag-1 자기상관성 분석, 동질성 검정, 이상치 검정, 불일치척도 검정을 수행하였다. 검정 결과, 금 강유역의 대상 관측소들은 시간에 대하여 독립적이고 동질적 모집단에 속하며 이상치는 없었다. 일반 극치 분포(GEV), 3변수 대수정규 분포(LN- Ⅲ), 피어슨-III 분포(P-Ⅲ), 일반 로지스틱 분포(GLO), 일반 파레토 분포(GPA) 등 5개의 3변수 확률분포함수에 대한 L-모멘트비도와 평균가중거 리(AWD), 그리고 ZDIST 적합도 산정 결과, GLO 분포함수가 금강유역의 최적 확률분포형으로 선정되었다. GLO 분포를 바탕으로 지역홍수빈도를 추정하는 회귀모형을 제안하였고, 강경 관측소의 관측 유량을 이용하여 회귀모형의 적용성을 검증하였다.

홍수량을 산정하여 홍수를 예측하는 것은 재해 예방과 피해 감소를 위해 매우 중요하다. 홍수 예측을 위해서는 정확한 유출량 분석이 필요하지만 우리나라의 유출량 자료는 매우 한정적이다. 유출량 정보를 보여주는 유량-지속시간 곡선은 미계측 유역 또는 수문학적 정보가 부족한 유역의 수문학적 예측을 위한 도구로써 사용할 수 있다. 확정론적 모형과 지역화 기법 등의 연구가 유량-지속시간 곡선의 추정을 위해 진행되었으나 까다로운 계산 과정과 복잡한 매개변수의 사용으로 인해 예측 효율이 떨어지는 실정이다. 본 연구에서는 계산과정이 간단한 공간보간법으로 확장역거리가중법(Extended Inverse Distance Weighting: EIDW)을 적용하였다. 먼저 계측 유역의 유량-지속시간 곡선을 작성하고, 작성된 유량-지속시간 곡선을 이용하여 미계측 유역의 유량백분율을 산정하였다. 이 기법은 기존의 역거리가중법(IDW)과 다르게 관측 지점의 지리적 요소뿐만 아니라 지형적 특성을 고려하는 것이 특징이다. 유출량에 영향을 주는 지형요소를 가중치 산정에 추가하기 위해 거리가중치, 유역면적가중치, 지형가중치를 혼합하여 총 3개의 모형이 사용되었다. 최적의 모형 선정을 위해 가중치의 주요 변수인 거리감쇠상수(C)와 예측 효율과의 관계를 비교하였다. 한강유역의 9개 지역을 대상으로 계측지점 중 일부를 미계측 지역으로 가정하여 EIDW 기법을 검증하였다. RMSE(Root Mean Square Error)를 바탕으로 예측의 정확성을 분석한 결과, EIDW 모형이 IDW와 크리깅 방법보다 적은 오차를 가지는 것으로 나타났다.

단기간에 발생하는 홍수와 달리 가뭄은 긴 시간 동안 큰 피해를 발생시키기 때문에 가뭄을 효과적인 예측하는 것은 매우 중요하다. 현재까지 제안된 여러 가뭄지수들은 사전에 정의된 등급을 이용하기 때문에 대상자료 자체에 내재된 불확실성을 고려하지 못하고 있다. 본 연구에서는 월 강우량 자료를 이용하여 내재되어 있는 불확실성을 고려할 수 있는 은닉 마코프 모형(Hidden Markov Model, HMM)을 이용하여 기상학적 가뭄을 확률론적으로 평가하였다. 기상청에서 제공하는 1973년부터 2012년까지의 일 강우량 자료와 기후변화정보센터(Climate Change Information Center)에서 제공하는 2013년부터 2100년까지의 기후변화 시나리오(RCP 8.5) 기반 월강우량 자료를 대상으로 총 128년간의 강우량 자료에 HMM에 적용하고 가뭄현상을 분석하였다. 본 연구에서 제안된 은닉 마코프 가뭄지수(Hidden Markov based Drought Index, HMDI)는 자료에 내재된 불확실성을 이용하여 가뭄의 상태를 분류할 수 있으며, 이는 SPI와 같은 기존의 가뭄지수와 달리 특정 시점에서 각 은닉상태들이 나타날 확률로 표현되었다. 또한 HMDI를 이용하여 미래 기상학적 가뭄의 계절·기간별 발생특성과 가뭄위험도를 분석하였다.

2011년에 발생한 동일본 대지진 이후 우리나라에서도 지진 및 지진해일에 대한 관심이 높아졌다. 본 연구에서는 가능최대지진해일에 의한 지진해일의 침수피해특성을 분석하기 위한 방법을 제시하였다. 분석 대상지역은 2012여수세계박람회가 개최되었던 여수시의 여수신항과 여수구항의 항만권역으로 설정하였으며, 지진원 설정은 대상지역에 가장 영향을 크게 미칠 것이라 판단되는 류큐 트렌치로 하였다. 류큐 트렌치에서 발생 가능한 가능최대지진해일을 산정하기 위하여 역사지진자료와 가상지진자료를 활용하였다. 역사지진자료를 이용해 Tapered G-R 기법을 적용하여 회귀식을 산정하고 가능최대지진해일을 발생시키는 지진을 도출하였으며, 이를 바탕으로 가상지진자료를 구성하고 타당성을 검토하였다. 최종 산정된 가능최대지진해일을 수치모의 하여 대상지역의 침수영역 및 침수심을 산정하였다. 또한, 지진해일로 발생하는 해안지역의 침수피해액 산정을 위하여 다차원침수피해액 산정방법을 기반으로 하는 침수피해액 산정방법을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 침수면적, 침수심, 침수피해액간의 관계를 바탕으로 해당 지역의 침수특성을 비롯하여 해안지역의 지진해일로 인한 침수특성을 도출하고자 한다.

본 연구는 도시지역의 내수침수 특성을 고려한 내수침수위험도 산정방법을 제시하였다. 의사결정과정에서 발생할 수 있는 불확실성을 정량적으로 반영하기 위하여 Fuzzy AHP 기법을 활용하였다. 내수침수 위험도의 평가기준으로는 물리적 지표, 사회적 지표, 그리고 내수침수 시나리오 결과 등 세 가지로 구성하였다. 각각의 평가기준은 3개의 세부평가항목을 가지고 있어 총 9가지의 평가항목을 바탕으로 내수침수 위험도 분석을 수행하였다. 또한, 행정구역 단위가 아닌 배수시스템의 노드(맨홀)를 기준으로 침수위험도를 분석하여 침수위험도가 높은 지점을 상세하게 표현할 수 있었다. 본 연구의 대상지역인 부산시 거제지구에 Fuzzy AHP 기법을 적용한 결과, 온천천 거제천 합류부 저지대의 침수위험도가 크게 나타났으며, 이는 과거 피해이력과 일치하는 것이다. Fuzzy AHP 기법을 적용한 본 연구결과는 내수침수 위험도 산정 및 고위험도 지역의 내수침수 저감계획 수립을 위한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

본 연구에서는 선형시스템 가정에 근거하여 하도구간에 대한 Muskingum 하도추적모형의 매개변수 결정방법을 제안하였다. 제안된 모형은 충주댐 유역에 적용되어 검토되었다. 추가적으로 영춘-충주댐 유역에 대해 총 7개의 호우사상을 대상으로 유출해석을 실시하고 그 결과를 검토하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다. 먼저, 유역분할에 의해 발생하는 하도의 집중시간 및 저류상수는 상류 분할유역과 상류 분할유역을 포함한 하류 유역의 집중시간 및 저류상수의 차로써 표현 가능하다. 이와 같은 방법으로 산정된 하도구간에서의 저류상수는 Muskingum 하도추적모형의 저류상수와 동일하며, 가중인자 역시 집중시간과 저류상수와의 비를 이용하여 간단히 산정할 수 있다. 둘째, Russel 계수와 Muskingum 모형의 가중인자는 서로 반비례 관계에 있으며 일반적으로 적용되고 있는 Russel 계수의 범위에 해당하는 가중인자의 범위는 0.4166-0.625이다. 마지막으로, 영춘-충주댐 구간을 대상으로 한 적용에서는 관측자료의 불확실성과 같은 한계에도 불구하고 제안된 방법의 유효성을 확인할 수 있었다.

본 연구는 우리나라 전역에 대하여 제작된 Modified Bartlett-Lewis Rectangular Pulse(MBLRP) 강우생성 모형의 모수지도의 적용성을 홍수 재현의 관점에서 평가하였다. MBLRP 모형을 통해 생성된 가상 강우시계열을 사용하여 산정된 확률강우량은 관측치를 사용하여 산정된 확률강우량 보다 약 5%에서 40% 정도 작았고, 확률강우량의 재현기간이 클수록 과소산정의 정도가 크게 나타났다. 가상의 도시 유역에 MBLRP 모형을 적용하여 산정한 확률홍수량은 관측치를 사용하여 산정한 확률홍수량 보다 약 20%에서 45% 정도 작게 나타났고, 확률홍수량의 재현기간이 클수록, 그리고 유역의 불투수성이 작을수록 과소산정의 정도가 크게 나타났다.

본 연구에서는 가뭄빈도해석을 위해 이변량 확률분포함수를 적용하였으며, 가뭄 특성(가뭄 지속기간과 심도)의 상호 관계를 고려하여 지역적 가뭄특성을 종합적으로 판단하였다. 또한 단변량 가뭄해석의 한계점을 극복하기 위한 방안으로 이변량 가뭄해석을 수행하였으며, 이를 위해 코플라 함수를 적용하였다. 가뭄 발생의 확률 및 경향성을 종합적으로 나타내어 줄 수 있는 결합 확률밀도함수를 추정한 후, 지점별 가뭄빈도해석 및 과거 최대가뭄사상에 대한 단변량 및 이변량 재현기간을 산정하여 비교·분석하였다. 또한, 우리나라의 과거 최대가뭄사상에 대한 가뭄위험도분석을 위해, 연속되는 50년과 100년 동안 최소 한번 발생하는 확률(과거 최대가뭄사상 크기의 가뭄)을 강우관측지점별로 계산하여 가뭄위험지역을 예상하였다. 그러나 우리나라와 같이 강수자료의 기록연한이 짧은 경우에는 이변량 가뭄빈도해석을 수행하는 데 큰 불확실성을 야기할 가능성이 있다. 그러므로 가뭄해석 결과의 불확실성을 정량화시키기 위한 방안으로 강수모의기법을 활용하였으며, 그 결과 관측된 가뭄사상으로 추정된 이변량 가뭄빈도곡선에 대한 5%, 25%, 50%, 75%, 그리고 95%의 신뢰구간을 제시할 수 있었다. 또한 가뭄 지속기간과 심도의 95% 신뢰수준에 대한 이변량 가뭄재현기간의 경계값(상한값 및 하한값)을 추정하였다. 그 결과 불확실성의 원인은 가뭄빈도해석 시 고려되었던 두 변량에 대한 낮은 상관성으로 인해, 확률적인 방법으로 결합분포모형을 추정하는 데 있어 발생한 불확실성인 것으로 확인되었다.

본 연구에서는 유역 집중시간과 저류상수의 이론적 배경을 바탕으로 적절한 경험식의 형태를 제시하고 기존의 경험식의 형태와 비교·평가하였다. 추가로, 제시된 경험식의 형태를 이용하여 충주댐 유역의 집중시간 및 저류상수의 경험식을 유도하고, 유도된 경험식과 기존의 경험식들을 비교하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다. (1) 유역의 집중시간에 대한 경험공식의 형태는 유로연장의 제곱에 비례하고 유로경사에 반비례하는 형태로 나타난다. (2) 저류상수는 집중시간에 비례하는 형태로 나타난다. (3) 기존 매개변수에 관한 경험식을 검토한 결과, 집중시간의 경우에는 Kirpich 공식, Kraven (I) 공식, Kraven (II) 공식, California DoT 공식, Kerby 공식, SCS 공식 및 Morgali and Linsley 공식 등이 이러한 이론적 배경을 잘 따르고 있는 것으로 나타난다. 저류상수의 경우, Clark 공식, Russell 공식, Sabol 공식 및 정성원 공식 등이 본 저류상수와 집중시간의 비례관계를 매우 잘 만족하는 것으로 나타난다. (4) 기존의 경험식을 충주댐 유역에 적용한 결과, 집중시간의 경험식 중 정성원 공식, 윤태훈 등 공식, Kraven (I) 공식 및 Kraven (II) 공식은 추정한 집중시간과 비교적 유사한 결과를 보였으나, Rziha 공식은 비정상적인 결과를 나타내는 것으로 나타났다. 저류상수의 경우에는 윤석영과 홍일표 공식, 정성원 공식, 이정식 등 공식 및 윤태훈 등 공식이 어느 정도 합리적인 결과를 보인 반면, Sabol 공식의 경우에는 비정상적인 결과가 유도되었다. 결론적으로 국내의 집중시간 및 저류상수에 대한 경험공식이 국내 유역의 특성을 잘 반영하는 것으로 나타났다.

최근 들어 기후변화로 인해 물과 에너지 순환에 관한 정확한 이해가 요구되고 있다. 현재 미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 수문학적, 생태학적 분석에 있어서 주춧돌역할을 하고 있다. 하지만 플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정은 여러 가정사항에 따른 시스템적 오류를 내포하고 있고 이에 따라 과소평가된 잠열 플럭스 원시자료의 보정이 필요하다. 몇몇의 보정방법 중 보엔비를 활용한 방법이 가장 유용한 방법 중 하나로서 여기에는 플럭스타워에서 측정한 순 복사에너지 및 기타 플럭스(현열, 지열) 등이 요구되며 이러한 자료에 대한 정확한 측정 및 검증이 필요하다. 본 연구에서는 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지를 검증하기 위해 두 가지 형태의 이론적으로 계산된 순 복사에너지와의 비교검증을 실시하였다-(1) FAO 56 기반의 일평균 순 복사에너지 (2) Bastiaansen (1995)가 제안한 순간 순 복사에너지. 본 연구의 결과는 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지는 이론적으로 계산된 순 복사에너지와 상당히 비슷한 경향성을 보인다는 것을 제시했다. 또한, 측정된 순 복사에너지를 이용하여 관측된 잠열플럭스를 보엔비 보정방법에 적용시킨 결과 에너지수지에 더욱 부합하는 것을 알 수 있었다.

본 연구에서는 1777년부터 1910년까지의 측우기 자료와 1961년부터 2010년까지의 근대 자료를 이용하여 연최대치 독립 호우사상 계열을 작성하고, 그 특성을 비교해 보았다. 먼저, 각각의 강우자료로부터 독립 호우사상을 추출하기 위해 2시간 간격의 강우자료를 구성하고, 2 mm 의 임계값을 동일하게 적용하였다. 이와 같은 방법으로 추출된 독립 호우사상들을 대상으로 Freund 이변량 지수분포를 적용하여 연최대치 독립 호우사상 계열을 작성하고, 이변량 로지스틱 모형을 적용하여 이변량 빈도해석을 수행하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다. 1. 측우기 자료와 근대 자료로부터 추출된 독립 호우사상의 특성들은 서로 유사하게 나타남을 확인하였으며, 2. 근대 자료로부터 결정된 연최대치 독립 호우사상 및 특정 재현기간 별 호우사상의 총 강우량은 측우기 자료에 대한 결과보다 다소 크게 나타났지만, 지난 200년 동안 강우의 특성들에 큰 변화가 있었다고 판단하기에는 어려움이 있는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 국내 여러 유역에 대해 유역 집중시간 및 저류상수를 결정하고, 유역 지역특성이 유역 집중시간 및 저류상수에 미치는 영향을 분석해 보았다. 먼저, 각 유역의 강우-유출 자료를 이용하여 유역 집중시간 및 저류상수를 결정하였다. 국내 유역 전반에 일괄적으로 적용 가능한 유역 집중시간 및 저류상수 경험식을 유도하기 위해, 각 유역마다 유역특성인자와 집중시간 및 저류상수 간의 관계를 분석하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다. 1. 유로경사, 유역면적, 유로연장, 형상계수 등 유역특성인자와 유역 집중시간 및 저류상수 간의 상관관계를 확인할 수 있었으며, 2. 특히, 유로경사의 경우, 특정 값을 경계로 집중시간 및 저류상수의 특성이 다르게 나타나므로, 유로경사의 범위에 따라 경험식을 달리 적용한다면 일관된 경험식의 비상식적인 매개변수의 추정문제를 어느 정도 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

수공구조물의 설계기준인 확률강우량은 정상성(stationary)라는 가정 아래 산정되어 적용되고 있다. 하지만 기후변화의 영향으로 우리나라에서 평균 강수량이 증가하는 모습을 보이고 있으며, 최근 일어난 국지성 호우는 설계빈도를 크게 벗어나면서 도심지역의 침수를 발생시키고 있다. 본 연구에서는 최근에 관측되는 강우량의 경향성을 반영하기 위하여 GEV 모수의 비선형성을 고려한 비정상성 강우빈도해석법을 제안하고 이를 관측강우량을 이용하여 적용성을 검토하였다. 30년 이상의 지점 일강우량을 보유한 관측지점을 이용하여 행정구역별 일강우량을 산정하고 연최대일강우량 자료를 구축한 뒤, Mann-Kendall Test와 Regression Test를 통하여 경향성을 가진 24개 지역을 선정하였다. 경향성을 가지고 있는 지역을 대상으로 이동평균방법을 이용하여 강우량의 평균, 분산, 왜곡도를 산정하였으며, GEV 확률분포함수의 모수를 추정하여 이들의 상관성을 파악하였다. 이를 바탕으로 비선형 회귀모형을 이용하여 GEV 함수의 모수를 추정하였으며, 이를 바탕으로 행정구역의 확률강우량을 산정하였다. 이러한 결과는 최근 도입된 행정구역별 방재성능목표 강우량 산정에 도움이 될 것으로 판단된다.