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J. Korean Soc. Hazard Mitig.Vol. 14, No. 3 (Jun. 2014), pp. 127~131http://dx.doi.org/10.9798/KOSHAM.2014.14.3.127

ISSN 1738-2424(Print)ISSN 2287-6723(Online)

인공위성 가뭄지수를 활용한 한반도 가뭄 평가; 2013년 남부지방

가뭄을 대상으로

Drought Assessments Using Satellite-based Drought Index in Korea; Southern Region Case in 2013

서찬양*·김경준**·최우정**·심재현***·최민하****

Sur, Chanyang*, Kim, Kyungjun**, Choi, Woojung**, Shim, Jaehyun***, and Choi, Minha****

1. 서 론

가뭄은 자연재난 중 다른 재난에 비해서 영향면적이 넓으며,

시간적으로도 장기간에 걸쳐 느린 속도로 영향을 미치게 된

다. 홍수, 산사태, 강풍 피해 등 단기간에 집중적으로 영향을

미치는 경우와 달리 가뭄의 전조를 감지하고 진행되는 영향

범위를 파악하는 것은 매우 어려운 과정이라 할 수 있다. 이

상고온현상의 지속, 강우의 부족 등의 이상 기후 현상은 최근

들어 광범위하게 발생하고 있으며, 기후변화로 인해 전망되는

다양한 예측치들은 가뭄 재해에 악영향을 미칠 것으로 파악

된다(IPCC, 2007). 국립기상연구소의 기후변화 시나리오 보

고서(2011)에 따르면 우리나라를 포함한 동아시아 지역은 기

후변화로 인한 강수량 증가가 예상된다. 이러한 강우의 평균

적인 증가는 기후변화에서 흔히 예측되는 시나리오이지만, 이

Abstract

The objective of this study is to derive and evaluate the drought index by using satellite data. The satellite-based drought index was

spatially assessed at Southern part of Korean peninsula in 2013. We estimated hydrometeorological parameter-based drought index

(Evaporative Stress Index, ESI) by using various products of multispectral sensor, MODerate resoultion Imaging Spectroradiometer

(MODIS). The ESI analyzed other spatial distribution of drought indices provided by drought information system from related orga-

nizations. Regional capability of ESI through time series analysis compared with PDSI(Palmer Drought Severity Index) and SPI(Stan-

dardized Precipitation Index) was assessed. Based on the results in this study, it can be concluded that the derived ESI showed better

regional capability than the other drought indices.

Key words : Drought assessment, MODIS, ESI, Drought monitoring

요 지

본 연구의 목적은 인공위성 자료를 활용한 가뭄지수를 산정하고 이를 통해 2013년 발생한 남부지방의 가뭄을 평가하는데 있다. 다중

분광센서인 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) 센서의 다양한 산출물을 통해 수문기상인자 기반의 가뭄지수

(Evaporative Stress Index, ESI)를 산정하고 이를 유관기관의 가뭄 정보 시스템의 가뭄 모니터링 결과와 비교 분석하였다. 또한 국내에

서 널리 이용되고 있는 PDSI(Palmer Drought Severity Index), SPI(Standardized Precipitation Index)와 ESI의 시계열 분석을 통해 ESI

의 국내 적용성을 판단하고자 하였다. 각 가뭄지수들의 시공간 비교를 통해 ESI의 국내 적용성이 높음을 확인할 수 있다.

핵심용어 : 가뭄 평가, MODIS, ESI, 가뭄 모니터링

기상방재

****한양대학교 건설환경공학과 박사수료(E-mail: cysur@hanyang.ac.kr)****Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University

****국립재난안전연구원 방재연구실****Disaster Prevention Research Division, National Disaster Management Institute

****국립재난안전연구원 방재연구실장****Disaster Prevention Research Division, National Disaster Management Institute

****교신저자. 정회원. 성균관대학교 수자원대학원 수자원학과 부교수(Tel: +82-31-290-7527, Fax: +82-31 290 7549, E-mail: mhchoi@skku.edu)****Corresponding Author. Member. Dept. of Water Resources, Graduate School of Water Resources, Sungkyunkwan University

128 한국방재학회논문집, 제14권 3호 2014년 6월

와 수반하여 분산과 같은 2차 모멘트의 증가는 확률론적으로

물 관리를 어렵게 하는 가중요인으로 작용하기 때문이다.

광역적인 피해를 주는 가뭄은 시작과 끝을 정확히 알기 어

렵고 진행방향을 예측하기 힘들기 때문에 이에 대한 피해상

황이나 피해대책을 강구하는 것이 쉽지 않다. 이에 따라, 전

세계적으로 다양한 가뭄지수가 개발되어 심도(severity)를 정

량화하여 분석하는 연구가 진행되어 왔다(DuPisani et al.,

1998; Heim, 2002; Keyantash and Dracup, 2002). 많은 연구

에서 널리 적용되고 있는 대표적인 가뭄지수는 PDSI(Palmer

Drought Severity Index, Palmer, 1965), SPI(Standardized

Precipitation Index, McKee, 1993) 등이 있으며, 이 지수들은

적용 대상 지역의 지형 및 기상 특성, 자료수집의 제한성, 수

자원 공급 시설 현황 등을 고려하여 적절한 지수를 이용하고

있다.

국내의 경우 가뭄상황을 모니터링하기 위하여 다양한 유관

기간에서 가뭄지수를 공간지도 형태로 제공하고 있다. 대표적

으로 기상청, 수자원공사, 농어촌공사 등에서 여러 가뭄지수

들의 공간 지도를 실시간으로 제공을 하고 있으며, 이 지수들

은 적용 대상 지역의 수문기상학적 특징과 수자원 공급 시설

및 용수 공급 판단기준 등을 고려하여 적절한 지수를 이용하

고 있다. 하지만 제공되고 있는 가뭄지수의 공간분포는 지점

자료를 기반으로 하여 내삽기법을 통해 재산정된 지도들로

공간 해상도 측면에서 조악한 해상도를 가지고 있는 한계점

을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 인공위성을 활용한 가뭄

지수 공간 분포 지도 제작에 대한 필요성이 대두되었고 이미

국외에서는 다양한 연구들이 수행되어 왔다(Anderson et al.,

2007; 2011; 2013).

Anderson et al.(2007, 2011, 2013)에서는 잠재 증발산과 실

제 증발산의 비를 이용한 새로운 가뭄지수인 Evaporative

Stress Index(ESI)를 개발하여 미국 전역의 가뭄지도를 제작

하였고 개발된 ESI를 이용하여 기존의 가뭄지수인 SPI, PDSI

등과 비교하였을 때, 세분화 된 가뭄 분석의 측면에서 더 나

은 적용성을 보임을 확인하였다. 또한, Choi et al.(2013)은 기

존의 가뭄지수와 토양수분, 유출량을 이용하여 산정한 인공위

성 기반의 가뭄지수를 비교 분석하였다. ESI, PDSI, vegetation

health index(VHI), AMSR-E 위성의 산출물인 토양수분, 지

점 토양수분, 유출량을 2000년부터 2009년까지 10년간 시계

열 분석을 통해 위성기반 가뭄지수의 지역적인 적용성을 검

증하였다.

이에 본 연구에서는 증발산량을 활용한 새로운 개념의 가뭄

지수인 ESI의 공간분포를 산정하였다. MODerate resolution

Imaging Spectroradiometer(MODIS) 위성영상을 활용하여

ESI의 공간분포를 산정하였으며 유관기관에서 제공하는 가뭄

지도와의 비교를 통해 ESI의 적용성을 파악하고자 하였다. 특

히 2013년 여름에 발생한 남부지역의 가뭄상황을 다양한 가

뭄지수의 공간 분포를 통해 평가하고 행정단위별 가뭄 피해

에 대한 방재 대책에 대한 방안을 제시하고자 한다.

2. 연구 방법

2.1 유관기관별 정보시스템을 활용한 가뭄분석

여러 국가기관에서는 다양한 가뭄지수들을 가뭄정보 시스

템을 통해 공간 지도로 제공하고 있다. 기상청에서는 장?단기

기상예보 및 가뭄정보를 제공하고 있고, 농어촌공사의 농촌용

수종합정보시스템(RAWRIS)에서는 저수지 저수율 및 수로

공급율을 실시간으로 제공하며, 수자원공사의 가뭄정보 시스

템에서는 다양한 가뭄지수들의 공간분포를 제공하고 있다. 특

히 수자원공사의 가뭄정보 시스템에서는 SPI(Standardized

Precipitation Index), PDSI(Palmer Drought Severity Index,

PDSI) 등을 제공하고 있다. SPI는 기상학적 가뭄지수로, 가뭄

은 상대적으로 물의 수요에 비해 물의 부족을 유발하는 강수

량의 감소에 의해 시작된다는 것에 착안하여 개발된 지수이

다(Mckee et al., 1993). PDSI는 가뭄의 기간을 특정지역에서

실제의 수분공급량이 기후학적으로 예상되거나 적절하다고

판단되는 수분공급량에 비해 부족한 월 또는 년 시간단위의

지속기간 이라고 정의 하여 이를 토대로 가뭄의 정도를 판단

하는 지수이다(Palmer, 1965).

각 기관별로 현재 운영되는 정보시스템은 기상청, 국토해양

부, 농림부 등 수자원관련 다양한 정보들이 잘 구축되어 제공

되고 있으나, 각종 용수 수요공급의 이수상황 등이 일목요연

하게 정리되지 않아 효율적인 가뭄관리를 위한 분석 및 평가

를 수행하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 각 기관에서 제공하

는 가뭄지수의 공간 지도는 지점 관측 자료를 기반으로 한 내

삽 결과이기 때문에 정확한 가뭄 정보를 제공하는데 있어 한

계점을 가지고 있다. 보다 효과적이고 현실적인 가뭄분석을

위해서는 위성을 이용한 각종 수문인자 및 농업용저수지, 토

양수분자료 등을 적용한 고해상도의 장기적이고 정교한 가뭄

지수를 산정하여 기존의 가뭄지수와 같이 가뭄 정보시스템에

서 제공하여 시/군/구 또는 동 단위의 행정구역별 가뭄 방재

재해 대책을 세울 수 있는 시스템을 갖춰야 될 것이다. 본 연

구에서는 이와 같은 유관기관의 가뭄 정보시스템에서 제공받

은 가뭄지수들의 공간 분포와 위성영상을 활용한 ESI의 공간

분포를 서로 비교해 봄으로써 새로운 가뭄 방재 대책에 대한

방안을 제시하고자 한다. 특히, 2013년 여름철에 발생한 가뭄

상황을 지역별로 분석하여 기존의 가뭄 정보 시스템의 한계

점을 지적하고 이를 개선시킬 수 있는 방안에 대하여 고찰해

보고자 한다.

2.2 인공위성을 활용한 가뭄분석

위성영상을 활용하여 가뭄분석을 하는 연구는 지점관측자

료 기반의 가뭄 지수를 이용한 가뭄연구에 비해 더 나은 지역

적 적용성을 보인다고 할 수 있다. 하지만, 식생인자만을 이용

인공위성 가뭄지수를 활용한 한반도 가뭄 평가; 2013년 남부지방 가뭄을 대상으로 129

한 가뭄분석의 한계점 때문에 가뭄을 유발하는 다양한 인자

들을 고려한 가뭄지수 산정에 대한 많은 연구들이 수행되고

있다. 기존의 가뭄지수처럼 단순한 입력 자료를 이용하여 산

정하는 방법이 아닌 가뭄에 영향을 미치는 다양한 인자들을

이용하여 가뭄지수를 새롭게 산정하는 방법 등의 연구가 활

발히 이뤄지고 있다(Anderson et al., 2007; 2011; 2013). 다

양한 수문기상인자들(대기온도, 대기압, 태양복사량, 식생활

동)의 기작으로 발생하는 실제증발산과 잠재 증발산을 이용

하여 지표면과 대기 사이에서의 수분공급을 지수화 하여 표

현함으로써 새로운 하나의 가뭄현상을 분석하는 지표로써 사

용할 수 있게 하였다. 선행 연구들에서도 기후변화로 인해 기

온이 상승하여 증발산량의 증가로 인한 가뭄발생의 심각성을

경고하였다(Sheffield and Wood, 2008; Dubrovsky et al.,

2008). 증발산을 이용한 이 가뭄지수의 명칭은 Evaporative

Stress Index(ESI)로서 아래의 식 (1)로 산정할 수 있다.

(1)

식 (1)에서 AET(Actual EvapoTranspiration)는 실제 증발

산을 의미하며, PET(Potential EvapoTranspiration)는 잠재 증

발산을 의미한다.

미 농무성의 수문원격탐사 연구실에서는 산정된 ESI를 미

국 전역의 가뭄지도로 제작하였고 이를 기존의 가뭄지수인

SPI, PDSI 등과 비교하였을 때 더 나은 적용성을 보임을 확인

하였다(Anderson et al., 2013). Choi et al.(2013)은 기존의

가뭄지수와 토양수분, 유출량을 이용하여 산정한 인공위성 기

반의 가뭄지수를 비교 분석하였다. ESI, PDSI, vegetation

health index(VHI), AMSR-E 센서의 산출물인 토양수분, 지

점 토양수분, 유출량을 2000년부터 2009년까지 10년간 시계

열 분석을 통해 위성기반 가뭄지수의 지역적인 적용성을 검

증하였다. 두 연구에서의 결과를 보았을 때 ESI가 다른 가뭄

지수들에 비해 더 높은 적용성을 보임을 확인하였다. 본 연구

에서는 Terra 위성의 MODerate resolution Imaging Spectro-

radiometer(MODIS) 센서 자료를 활용하여 ESI를 산정하고

이를 공간 지도로 제작하였다. 위성 데이터를 활용하여 산정

된 ESI의 시간 간격을 일주일 또는 월별 단위로 누적시켜 일/

주/월/연별 ESI를 산정할 수 있게 된다. 다양한 가뭄분석 연구

에서 많이 적용하는 시간 간격은 월별 단위이기 때문에 본 연

구에서도 월별 ESI를 산정하여 가뭄 분석을 시행하였다.

3. 연구 결과

3.1 2013년 여름철 남부지역의 극심한 가뭄상황

2013년 7월부터 8월까지 전국적으로 평년대비 강수량이 부

족한 상황에서 제주도 및 전남 지역을 중심으로 극심한 가뭄

상황이 발생하였다. 특히 8월 강우량은 평년대비 10%이내에

머물러 있는 상황으로 극심한 강수부족인 상황이 발생하였다.

2013년의 경우, 전국적으로 평년대비 강수량 부족인 상황에

서 제주, 전남 지역을 중심으로 극심한 가뭄상황이 발생하였

다. 이들 지역의 7월 강우량은 18~180 mm로 평년대비 10~

50% 수준이다. 8월 강우량은 10% 이내에 머물러 있는 상황

으로 극심한 강수부족 상황이었다. 이에 제주 및 전남 지역에

서는 제한급수 및 농작물 피해 등이 발생하였다. 전국의 평균

저수율은 64%(예년 평균 약 80%), 경남/전남 지역은 평균 저

수율 50%를 기록하였다(소방방재청 재난관리 종합상황

(8.21)). 전국에 걸쳐 발생한 극심한 가뭄상황을 다양한 가뭄

정보 시스템에서 제공하는 가뭄 공간분포를 통해 비교 분석

해 봄으로써 가뭄의 심도가 높은 지역을 찾고 해당 지역의 용

수 공급 등의 방재 대책에 대한 방안을 찾아보고자 한다.

3.2 가뭄지수 공간 분포 지도의 비교 및 분석

현재 가뭄과 관련된 여러 유관기관에서 가뭄지수에 대한 공

간분포 지도를 제공하고 있다. 수자원공사의 가뭄정보시스템

에서 제공하는 SPI, PDSI, 수문학적 가뭄지수인 MSWRI와

ESI의 공간 변동성을 비교해보았다. 특히 2013년의 가뭄상황

을 비교하기에 앞서 가뭄상황이 극심하였던 2012년의 가뭄지

수 지도를 비교해 봄으로써 산정된 ESI 가뭄지도의 우리나라

에서의 적용성을 먼저 파악해보고자 하였다. Fig. 1은 극심한

가뭄이 발생하였던 2012년 5월의 한반도의 다양한 가뭄지수

공간지도이다. 현재 국내에서 널리 적용되고 있는 SPI의 공간

분포와 비교해 보았을 때, ESI의 공간 분포도 비슷한 경향을

나타내고 있음을 확인할 수 있다. SPI, MSWSI, PDSI는 지점

관측 자료를 기반으로 각 지점의 값을 내삽 시켜서 만든 공간

지도이므로 공간적인 정확성이 떨어지는 반면, ESI는 1 km의

공간 해상도를 나타내므로 더 정확한 가뭄의 분포를 확인할

수 있다는 장점이 있다.

SPI는 산정방법이 단순하고, 강우량만을 이용하여 산정되

는 가뭄지수이기 때문에, 다양한 기관에서 널리 적용이 되고

있고 현재까지 통용되고 있는 가뭄지수들 중 적용성이 가장

높다고 다양한 연구결과에서 확인하였다. 하지만 Fig. 1의

ESI 공간지도와의 비교를 통해 한계점을 확인할 수 있었다.

SPI의 공간 분포는 시/군/구 단위의 소단위 행정단위의 가뭄

분석을 할 수 없다. 이는 가뭄에 대한 재해의 방재 대책을 세

우는 데에 있어서는 무리가 따를 것이라 사료된다. ESI 공간

분포의 경우 1 km의 공간 해상도를 가지고 있고 1 km의 해상

도는 시/군/구 단위의 가뭄에 대한 분포를 확인할 수 있기에

향후 방재 대책을 세우는데 있어 하나의 방안을 제시할 수 있

을 것이다.

Fig. 2는 2013년 7월, 8월의 ESI 공간지도로써 가뭄피해상

황의 공간 분포 변화 양상을 보여준다. 7월에는 내륙을 포함

한 전국적인 가뭄피해가 심각하였으나 8월에는 국지적인 강

수 및 태풍의 영향으로 인해 7월에 비해 가뭄이 다소 해소되

ESIAET

PET-----------=

130 한국방재학회논문집, 제14권 3호 2014년 6월

었음을 확인할 수 있다. 7월에 비해 가뭄이 다소 해소는 되었

지만 8월의 피해상황은 평년대비 높은 고온현상으로 인해 해

안가 지역 위주로(동해안, 남해안 및 제주도) 가뭄상황이 지

속되었다. 특히, 경상도 지역의 경우, 8월에 울산, 대구 등 경

북지역에 제한 급수 및 농작물 피해와 같은 가뭄피해가 발생

하였다.

Fig. 1과 2를 통해 인공위성 자료 기반의 ESI가 우리나라에

서 공간적으로 적용성이 높음을 확인해 볼 수 있었다. 특히,

울릉도나 제주도, 대마도 및 강원 영동지방과 같은 도서 산간

지역은 기존의 가뭄 정보 시스템에서 제공하는 가뭄지수 공

간 지도로는 가뭄의 심도를 파악할 수 없었다. 하지만, ESI의

경우 가뭄의 심도를 정확히 표현해 낼 수 있고 이는 해당 지

역의 가뭄 피해에 대한 방재 대책을 세우는데 있어서 많은 도

움이 되리라 사료된다.

4. 결 론

기존의 유관기관에서 제공하는 가뭄지수 공간지도는 지점

에서 관측한 자료를 기반으로 공간적으로 내삽 기법을 통해

산정되고 시간해상도는 대부분의 기관에서 월별로 만들어진

지도를 제공한다. 단기간을 놓고 봤을 때에는 해당하는 월의

공간 지도만 보며 단편적인 가뭄의 정도만을 파악할 수 있지

만 장기적인 관점에서는, 시/군/구와 같은 행정구역별로 가뭄

의 정도를 파악하기에는 한계가 있음을 알 수 있다. MODIS

산출물을 통해 산정되는 ESI는 1 km의 공간해상도를 갖는 가

뭄지수로써 수문학적 가뭄 뿐만 아니라 농업적 가뭄까지 파

악할 수 있다.

2013년 여름철의 ESI 공간지도를 통해 7월에는 내륙을 포

함한 전국적인 가뭄피해가 심각하였으나 8월에는 국지적인

강수 및 태풍의 영향으로 인해 7월에 비해 가뭄이 다소 해소

되었음을 확인할 수 있었다. 이처럼 인공위성을 활용한 가뭄

지도의 개발은 일별/주별/월별/연별 등 사용자의 요구에 맞게

재산정하여 집중적인 농업적 가뭄을 파악할 수 있는 장점이

있으며, 기존의 가뭄 정보 시스템에서 제공하지 못하는 울릉

도나 제주도, 대마도 및 강원 영동지방과 같은 도서 및 산간

지역에 대해 가뭄의 심도를 정확히 표현할 수 있는 장점을 가

Fig. 1. Spatial Mapping of Various Drought Indices.

Fig. 2. Spatial Distributions of ESI at July and August in 2013.

인공위성 가뭄지수를 활용한 한반도 가뭄 평가; 2013년 남부지방 가뭄을 대상으로 131

지고 있다. 이처럼 유역단위 또는 행정구역 단위별로 가뭄을

분석할 수 있는 고해상도의 인공위성 기반의 가뭄지수 공간

지도를 활용하여 향후 해당 지역의 가뭄 피해에 대한 정확하

고 신속한 방재 대책을 세울 수 있을 것이다.

감사의 글

본 연구는 안전행정부 국립재난안전연구원의 지원(“재난

위험도 평가 및 대응 기반기술 구축(I)”)에 의해 수행되었습니

다.

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Received April 15, 2014

Revised May 29, 2014

Accepted June 9, 2014