가뭄은 여러 가지 요인에 의해 복합적으로 발생하는 현상으로 자연적 원인과 인위적 원인으로 구분할 수 있다. 우리나라는 기후학적 특성상 여름철에 태평양 고기압의 발달 시기가 빠르거나 평년보다 강하면 장마 기간이 짧아져 자연적인 원인에 의해 가뭄이 발생한다. 가뭄은 발생과정과 피해 영향에 따라 기상학적, 농업적, 수문학적, 사회경제적 가뭄으로 구분할 수 있으며 직 ․ 간접적으로 다른 가뭄에 영향을 미친다. 가뭄의 종류가 기상학적 가뭄에서 농업적 가뭄 혹은 기상학적 가뭄에서 수문학적 가뭄으로 변화되는 현상을 가뭄 전이라 한다. 본 연구에서는 국내의 가뭄 전이 발생여부와 발생 패턴을 검토하기 위해 수문기상 정보를 이용하여 기상학적 가뭄에서 농업적 가뭄으로의 전이 관계를 분석하였다. 가뭄 전이 발생 현황 및 특성 분석을 위해 가뭄 발생의 유형을 5가지로 구분하였으며, 유형에 따라 가뭄 전이가 발생하지 않거나 최대 3개월까지 지체되는 것을 확인하였다. 향후 더 많은 가뭄 지표들과의 분석을 통해 가뭄 전이 관계를 일반화한다면 기상학적 가뭄 발생 시 농업적 가뭄 예측을 위한 인자로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

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.

NRCS-CN 방법을 이용해서 유출량을 결정하는 과정에 가장 큰 영향을 주는 변수는 유출곡선지수와 초기손실률이다. 수자원 실무에서 유출곡선 지수와 초기손실률은 대부분 미국 National Engineering Handbook의 지침에 따라 결정하지만, 우리나라 유역의 토양 및 수문학적 특성은 미국과 다르기 때문에 유출량을 과대 또는 과소 산정하게 된다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 유역특성에 적합한 유효우량을 산정하기 위하여 점근유 출곡선지수법을 이용하여 총 8개의 유효우량 산정 모형(M1~M8)을 제시하였다. RSR (RMSE-observations standard deviation ratio)과 NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency)의 두 가지 지표를 이용하여 모형을 평가하였으며, 그 결과 계측 유역에서는 M6 (평균 RSR: 0.76, 평균 NSE: 0.39), 미계측 유역에서는 M7 (평균 RSR: 0.82, 평균 NSE: 0.31)이 최적의 모형으로 선정되었다. 또한 대부분의 유역에서 기존에 사용되고 있던 초기손 실률 0.20보다 더 작은 값(0.01-0.10)을 적용할 때 더 좋은 결과를 나타내는 것을 확인하였다.

설계홍수량 산정을 위한 유효우량은 대부분 미국에서 개발된 SCS-CN 방법으로 계산된다. 이때 사용되는 토지이용상태에 따른 유출곡선지수 또한 미국의 기준을 토대로 결정된 것이다. 그러나 미국과 우리나라의 토지이용상태는 많은 차이가 있다. 특히 미국의 기준에는 우리나라의 면적의 70%를 차지하고 있는 산림(forest)과 담수재배하는 논에 대한 명확한 기준이 없다. 논의 경우, 이전의 연구결과를 바탕으로 논이 홍수기에 담수 상태인 것을 고려하여 토양형에 관계없이 CN값을 79로 사용하고 있다. 산림의 경우 미국 SCS의 목적이 농작물 증산에 있었기 때문에 SCS의 분류 기준은 조성림에 해당하는 수림(woods)에 대한 기준만 제시하였다. 따라서 수자원 실무에서 산림에 대한 유출곡선지수를 결정하기 위해서 미국 산림청에서 개발한 방법을 이용하고 있다. 이것은 수문학적 조건 등급을 고려하여 결정하는 대안적인 방법이다. 본 연구에서는 굴운, 방림, 왕성동 지역의 실측된 강우-유출 자료를 이용하여 산림의 유출곡선 변화를 살펴보았다. 연구결과, 산림의 CN값은 HC=1의 등급이 적당하며, 그때의 유출 곡선지수는 AMC-Ⅱ 기준으로 수문학적 토양군 A는 54와 55가 적당한 것으로 나타났다.

최근 기후변화에 효과적으로 대응하기 위해서 신뢰성 높은 설계홍수량을 산정할 필요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 홍수빈도해석법과 설계 강우-유출 관계 분석법으로 산정되는 확률홍수량의 차이를 분석하였다. 우리나라의 경우 관측유량 자료가 부족하여 설계홍수량을 결정할 때 설계 강우-유출 관계 분석법으로 산정된 확률홍수량을 이용하고 있다. 관측 유량 자료를 활용한 홍수빈도해석법의 결과를 참값으로 가정하여 분석한 결 과, 설계강우-유출 관계 분석법으로 산정된 확률홍수량은 홍수빈도해석법으로 산정된 확률홍수량에 비해 약 79% 과대 산정되는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 설계강우-유출 관계 분석법으로 산정된 확률홍수량을 보정하는 회귀곡선식을 개발하였다. 이를 위해 우리나라 8개 댐 유역의 강우와 유량자료를 획득한 후, 비선형 회귀분석을 통하여 보정식을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 보정식을 적용할 경우, 설계강우-유출 관계 분석법으로 산정된 확률홍수량보다 평균적으로 정확도가 약 65.0% 향상되었다. 또한, 유역의 크기를 고려하면, 유역의 크기를 고려하지 않았을 때보다 평균적으로 정확도가 약 2.1%p 증가하였다.

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.

가뭄의 피해를 줄이기 위해서는 시기적절한 용수관리와 지역주민의 절수 유도가 필요하며, 이를 위해서는 가뭄의 현황 및 전망에 대한 정보가 무 엇보다 중요하다. 특히 생·공용수를 공급하는 다목적댐의 경우 저수량에 대한 향후 전망은 용수관리를 위한 가장 중요한 정보이다. 이에 본 연구에 서는 핵밀도함수를 활용하여 유입량의 불확실성을 고려한 확률론적 저수량 예측 모형을 구축하고, 그 적용성과 활용성을 분석하였다. 확률론적 저 수량 예측 모형은 현재의 저수량을 기준으로 시간의 변화에 따른 저수량을 확률적으로 예측할 수 있다. 이를 통해 현재의 가뭄상황에서 향후 저수 량의 변화 양상을 파악하여 중장기적인 대응이 가능하고 특정시점의 목표 저수량을 달성하기 위한 용수 비축량을 산정할 수 있어 용수관리에 관한 의사결정을 위한 도구로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

우리나라에서 유효우량을 구하는 방법은 미국의 NRCS-CN 방법을 채택하여 사용하고 있으나, 70%가 산악지역인 우리나라의 지형적인 특성과 담수재배를 하는 논의 유출특성이 반영되지 않고 있다. 이러한 문제점으로 인해 NRCS-CN 방법으로 유효우량을 산정하는 경우 실제의 강우-유출 특성을 정확히 반영하지 못하고 있다. 정확한 실험과 연구를 통하여 우리나라의 토지이용 분류기준에 따른 유출곡선지수를 산정해야 하지만 현실 적으로 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 대상지역을 선정하고 유출분석을 실시하여 대상지역의 유출곡선지수를 재산정하였다. 이를 위하여 먼저 유전자 알고리즘을 적용하여 토양형 A에 대한 유출곡선지수를 산정하고, 토양형 A의 유출곡선지수를 CN aligner 공식에 적용하여 나머지 토양형 B, C, D에 대한 유출곡선지수를 추정하였다. 초기 유출곡선지수와 계산된 유출곡선지수를 비교한 결과, 천왕은 0, 춘양은 –1, 장기는 –3의 차이를 보였다. 위와 같은 과정을 통하여 실제 강우-유출을 반영할 수 있는 토지이용 분류기준에 따른 유출곡선지수를 제시하였다.

본 연구에서는 가뭄사상과 확률 가뭄심도를 결정하는 새로운 방법을 제안하였다. 강우자료로부터 가뭄사상을 추출하기 위해 연속이론과 누적 강우부족량을 동시에 고려하였다. 절단수준 이상의 강우사상이 발생할 경우, 그 때까지의 누적 강우부족량을 해갈할 수 있을 만큼의 강우량이 발 생하였는가를 확인하여 가뭄사상의 종료여부를 최종 결정하였다. 이와 같이 추출된 가뭄사상의 지속기간과 심도의 상호 의존성 구조를 파악하여 결합분포함수를 추정하기 위해 코플라 함수를 적용하였다. 또한 이변량 코플라 함수의 조건부 함수를 이용하여 가뭄의 특정 지속기간에 대한 가뭄 심도의 재현특성을 분석하였으며, 신뢰구간을 추정하여 이변량 빈도해석의 불확실성을 정량화하였다. 서울지점의 1909∼2015년 강수자료에 적용한 결과 과거 극한가뭄으로 판단되었던 가뭄사상은 대부분 최소 10년에서 최대 50년 정도의 재현기간을 갖는 반면 2013년 발생하여 현재까 지 지속되고 있는 2015년 가뭄은 현저히 높은 재현기간을 가지고 있는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과는 향후 가뭄대책을 마련하는 데 있어 빈도개념을 바탕으로 하는 신뢰성 있는 기준으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다

본 연구에서는 일강수량의 누적 패턴을 고려하여 새로운 가뭄지수(RADI)를 개발하였다. RADI는 누적 강수량의 장기간의 평균과 특정 기간에 관 측된 누적 강수량을 비교하여 일단위로 가뭄지수를 간단히 산정할 수 있도록 개발되었다. 우리나라의 대표적인 가뭄기간 동안의 RADI의 시·공간 적 변동성과 재현 주기를 살펴봄으로써 장·단기 가뭄의 감시에 대한 RADI의 적용성을 평가하였다. SPI의 경우, 장·단기 가뭄을 표현하기 위해서는 여러 가지 지속기간을 가지는 SPI를 사용해야 하지만, RADI는 하나의 지수로 단기 및 장기가뭄을 표현하고 모니터링 할 수 있다. RADI의 전국 평 균값을 살펴본 결과, 우리나라에서 20년 주기로 가뭄이 발생하고 있다는 사실을 확인하였다. 또한 RADI의 발생확률 및 통계 분석을 통해 5단계의 가뭄 등급을 제안하였으며, 이는 가뭄 예보와 대응을 위한 기준으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 표준강수지수(SPI)를 이용하여 우리나라의 과거 가뭄사상을 규모적 관점에서 정량적 평가를 실시하였다. 이를 위하여, 5대강 권역에 대한 가뭄사상의 지속기간, 규모, 평균심도를 연속이론을 바탕으로 산정하였다. 또한 과거 가뭄사상의 재현기간을 추정하고 가뭄 평균심도-지속기간-빈도 곡선을 작성하기 위하여 가뭄빈도분석을 실시하였다. 분석결과, 우리나라에 발생했던 심한 가뭄의 재현기간은 대부분 30∼50년으로 분석되었으며, 가뭄규모로 평가할 때 가장 가뭄이 심했던 해는 1988년과 1994년으로 나타났다. 특히, 1994년과 1995년에서는 2년 연속 가뭄이 발생하여 가장 극심했던 장기가뭄으로 분석되었다. 또한 2014년의 가뭄은 한강 권역을 중심으로 발생하였으며 가뭄의 규모와 평균심도 면에서 볼 때 우리나라 역사상 가장 극심했던 가뭄으로 평가되었다.

본 연구는 NRCS-CN 방법이 산정하는 유출량의 정확성을 향상시키기 위하여 강우량과 최대잠재보유수량을 초기손실량 계산과정의 주요 기여인자로 고려하였으며, 우리나라 15개 유역에서 관측된 658개의 강우량과 유출량 자료를 이용하여 초기손실량의 수정모형을 제안하였다. 유효우량을 산정하는 방법으로는 NRCS-CN 방법(M1), NRCS-CN 방법에서 초기손실량계수를 감소시킨 방법(M2), 관측 강우-유출 관계를 바탕으로 본 연구에서 제안하는 방법(M3)을 적용하였다. 또한 USDA에서 제시하는 CN값(CNT), 관측자료로부터 계산된 CN값(CNC) 그리고 최소자승법으로 추정한 CN값(CNLSF)을 각각의 방법에 적용하였다. 적용 결과는 RRMSE, NSE 그리고 PBIAS 등을 이용하여 평가되었다. 그 결과 CNT를 M1, M2, M3에 적용한 경우 각 유역에서 평균적으로 [RMSE (23.60, 18.12, 16.04), NSE (0.54, 0.73, 0.79), PBIAS (36.54, 20.25, 12.00)]로 나타났다. 이와 비슷하게 CNC를 M1과 M2에 적용하고, CNLSF를 M3에 적용하였을 경우 각 유역에서 평균적으로 [RMSE (17.17, 15.88, 13.82), NSE (0.76, 0.80, 0.85), PBIAS (3.06, 4.47, 0.11)]로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제안된 M3 방법을 사용하여 추정한 유효우량이 관측된 직접유출량과 통계학적으로 가장 가까운 값을 제공하는 것으로 나타났다.

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.

강우-유출 모형을 이용하여 직접유출량을 산정할 경우, 유역의 유효우량을 산정하기 위하여 NRCS-CN 방법을 주로 사용한다. 유출곡선지수(CN)을 이용하여 유역의 유효우량을 산정하는 대표적인 방법은 유역의 평균 CN값을 산정하고 유효우량을 산정하는 방법으로 가중평균 CN 방법이라 한다. 하지만, 이 방법은 유효우량을 과다 또는 과소 산정하게 된다. 본 연구에서는 NRCS-CN 방법을 통하여 우리나라 유역 특성에 적절한 유효우량 산정방법을 제시하기 위하여 유역의 경사효과를 고려한 CN값을 적용하여 유효우량을 산정하였으며, 유역의 유효우량을 산정하기 위한 2가지의 가중평균방법(가중평균 CN 방법, 가중평균 유효우량 방법)을 적용하였다. 강우-유출의 관측사상에 대한 자료를 이용하여 관측 직접유출량을 추정하고, 통계학적 오차분석 및 Skill Score 분석을 통하여 여러 가지 수문조건 및 지형특성에 대한 유출곡선지수 및 유효우량을 비교·분석하였다. 본 연구 결과, 경사도를 고려하여 CN값을 보정할 경우 유효우량이 전반적으로 크게 산정되었으며, 가중평균 유효우량 방법은 가중평균 CN 방법보다 유역의 유효우량을 전반적으로 크게 산정하는 것을 확인하였다. 통계학적 오차 분석을 수행한 결과, 전체적으로 수문조건 및 지형특성을 고려하였을 경우 경사도로 보정한 CN값을 적용한 가중평균 유효우량 산정방법이 관측 직접유출량과 높은 정확성을 가지는 것으로 나타났다. 또한, Skill Score 분석에 의하면, 유역경사로 보정한 CN값을 이용한 가중평균 유효우량 방법이 기존의 방법(가중평균 CN 방법)에 비해 상대적으로 관측값에 가까운 값을 제공하는 것으로 나타났다.

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 연구에서는 멀티프랙탈 이론을 기반으로 시·공간 격자강우장 생산 모형을 충주댐 상류유역에 발생한 9개의 홍수 사상에 대하여 검증하였다. 이를 위하여 기상청의 레이더 강우자료에 대한 시공간 멀티프랙탈 특성을 분석하였으며, 로그 포아송 분포와 3차원 웨이브렛 함수 기반의 시·공간 격자 강우생산 모형을 활용하여 관측강우의 멀티프랙탈 특성을 재현하는 시·공간 가상강우장을 생산하였다. 생성된 가상강우장을 S-RAT 분포형 수문모형에 입력값으로 적용하여 유역출구에서의 반응을 관측강우 및 시공간적으로 균등한 분포를 가진 강우장에 대하여 산출된 유역출구에서의 반응과 비교하였다. 관측 강우장과 가상강우장, 관측 강우장과 저해상도 강우장에 대하여 RMSE, RRMSE, MAE, SS, 그리고 NPE, PTE 등을 이용하여 오차분석을 수행한 결과, 평균적으로 첨두홍수량은 20.03% 증가하였고, 첨두시간은 0.81% 감소하였다.

지금까지 많은 연구를 통하여 제안된 다양한 가뭄지수들은 사전에 정의된 등급을 통하여 가뭄을 평가하기 때문에 가뭄현상에 내재된 불확실성을 고려하지 못하고 있다. 본 연구에서는 월 유출량 자료에 내재되어 있는 불확실성을 고려하기 위해 은닉 마코프 모형(HMM) 기반의 가뭄지수(HMDI)를 제안하고, 이를 이용하여 수문학적 가뭄에 대한 확률론적 평가를 수행하였다. WAMIS에서 제공하는 한강유역의 평창강과 남한강상류의 월평균 유출량 자료(1966∼2009)를 이용하여 3, 6, 12개월씩 누적시킨 후, HMM에 적용하여 은닉상태의 사후확률을 계산하였다. 연구방법의 검증을 위해 HMM을 이용하여 추정된 각 은닉상태 별 사후확률(HMDI)과 기준값에 의해 가뭄을 평가하는 방법 중 하나인 표준유출지수(SSI)와 비교를 하였다. 분석결과, 기존 가뭄지수(SSI)를 사용하였을 때는 하나의 지수로 특정 시점에서의 가뭄 상태를 판단하였지만, HMDI는 자료에 내재된 불확실성을 이용하여 가뭄의 상태를 분류하였고, 이는 특정 시점에서 가뭄 상태들이 나타날 확률로 표현되었다. 또한, 실제 가뭄사례와의 비교를 통해서 HMDI가 SSI에 비하여 가뭄에 대한 재현능력이 우수한 것으로 나타났다.

현재 국내·외에서 다양한 방법을 통해 가뭄을 평가하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 방법들은 가뭄지수를 이용하여 가뭄을 정량적으로 표현하고 있다. 다양한 관점에서 다양한 가뭄지수가 제안되고 있지만, 대부분의 가뭄지수는 가뭄을 사전에 정의된 등급을 통해 가뭄을 평가하기 때문에 수문자료에 내재된 불확실성을 고려하지 못하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 은닉 마코프 모형(Hidden Markov Model, HMM)을 이용하여 월 유출량 자료에 내재되어 있는 수문학적 가뭄상태를 확률론적으로 평가하는 방법을 제안하였다. 한강유역의 최상류 유역에 해당하는 평창강 유역과 남한강상류 유역을 대상으로 WAMIS에서 제공하는 1966년부터 2009년까지 기록된 월평균 유출량 자료를 이용하였다. 본 연구는 HMM을 이용하는 확률론적으로 가뭄평가 방법을 표준유출지수(Standardized Streamflow Index, SSI)를 이용하는 등급기반 가뭄평가 방법과 비교분석을 통해서 HMM을 이용하는 확률론적으로 가뭄평가 방법이 가뭄의 상태를 다양한 상태들의 발생확률로 표현할 수 있으며, 이러한 상태들의 천이확률을 통해서 가뭄의 지속성을 더 잘 표현할 수 있음을 보여준다.

본 연구에서는 가뭄분석 시 사용되는 월단위 강수자료를 모의발생하기 위해, 두 가지 강수모의기법을 적용하였으며, 이 중 반-비모수 방법을 활용하여 모의강수자료를 구축한 후, 이변량 가뭄빈도해석을 수행하였다. 이를 위해 가뭄 지속기간과 심도의 상호 의존구조를 충분히 반영하여 해석할 수 있는 코플라 함수를 적용하였다. 그 결과, 앞서 관측된 가뭄사상으로 추정된 이변량 가뭄빈도곡선에 대한 95%, 90%, 75%, 50%의 신뢰구간을 제시할 수 있었다. 또한 가뭄 지속기간(2개월∼8개월)과 심도에 해당하는 95% 신뢰구간의 이변량 가뭄재현기간의 경계값(상한값 및 하한값)을 추정하여 불확실성의 원인을 해석하였다. 또한, 미래 기후변화에 의한 가뭄의 불확실성을 추정하기 위해, 기상청에서 제공한 기후변화 시나리오(RCP4.5)를 이용한 가뭄특성분석을 수행하였다. 그 결과 미래 2011년∼2040년은 우리나라의 낙동강 유역의 일부와 강원도 산간 지역에 가뭄위험이 크게 나타나는 반면, 미래 2041년∼2070년은 한강 유역의 대부분과 영산강 유역에 가뭄위험이 클 것으로 예상되었다. 미래 2071년∼2100년에는 우리나라의 남부 지역에서 가뭄위험이 상대적으로 클 것으로 예상되었다. 이러한 결과는 지역적으로 장기적인 가뭄대비계획을 수립하는데 중요한 참고자료가 될 것으로 기대된다.