동질성 Hidden Markov Chain 모형을 이용한 일강수량 모의기법 개발

권현한,김태정,황석환,김태웅,Kwon, Hyun-Han,Kim, Tae Jeong,Hwang, Seok-Hwan,Kim, Tae-Woong 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.5

최근 기후변화 영향으로 인해 수문변동성이 크게 증가되고 있으며 이러한 변동성을 고려하기 위한 방안으로서 강수량 모의발생 기법에 대한 중요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 복잡한 강수발생 패턴을 인지하고 강수량의 다양한 분포특성을 고려할 수 있는 혼합분포를 이용한 동질성 Hidden Markov Chain(HMM) 모형을 제안하였다. HMM 모형의 개선효과를 검증하기 위해서 기존 Markov Chain 모형과 비교 하였으며 서울관측소 및 전주관측소를 대상으로 연구를 진행하였다. 계절강수량 및 일강수량 등 다양한 시간규모에서 모형의 적합성을 평가하기 위해서 천이확률, 평균, 분산, 왜곡도 및 첨예도 등을 비교하였으며 HMM 모형이 기존 Markov Chain 모형에 비해서 개선된 모의능력을 확인할 수 있었다. 특히, HMM 모형은 극치강수량을 재현하는데 있어서 기존 Markov Chain 모형에 비해서 월등한 모의능력을 보여주었다. 이러한 점에서 장기유출량 및 확률홍수량 등을 산정하기 위한 입력자료로 활용이 충분히 가능할 것으로 판단된다. A climate change-driven increased hydrological variability has been widely acknowledged over the past decades. In this regards, rainfall simulation techniques are being applied in many countries to consider the increased variability. This study proposed a Homogeneous Hidden Markov Chain(HMM) designed to recognize rather complex patterns of rainfall with discrete hidden states and underlying distribution characteristics via mixture probability density function. The proposed approach was applied to Seoul and Jeonju station to verify model's performance. Statistical moments(e.g. mean, variance, skewness and kurtosis) derived by daily and seasonal rainfall were compared with observation. It was found that the proposed HMM showed better performance in terms of reproducing underlying distribution characteristics. Especially, the HMM was much better than the existing Markov Chain model in reproducing extremes. In this regard, the proposed HMM could be used to evaluate a long-term runoff and design flood as inputs.

기상인자와 비정상성 빈도해석 모형을 이용한 낙동강유역의 계절강수량 전망

권현한,이정주 한국수자원학회 2011 한국수자원학회논문집 Vol.44 No.5

본 연구에서는 Bayesian 통계기법을 이용한 비정상성 빈도해석모형을 토대로 외부 기상인자에 의한 변동성을 고려할 수 있는 계절강수량 예측모형을 구축하였으며, 낙동강유역내의 10개 관측소에서 관측된 37년간의 강수량 자료를 이용하여 연도별 여름강수량을 추출하고 이들 관측소의 여름강수량에 물리적인 영향을 미치는 기상인자로서 SST(sea surface temperature)와 OLR(outgoing longwave radiation)을 공간상관성을 검토 This study developed a climate informed Bayesian nonstationary frequency model which allows us to forecast seasonal summer rainfall at Nakdong River. We constructed a 37-year summer rainfall data set from 10 weather stations within Nakdong river basin, an

Wavelet Transform 방법과 SVM 모형을 활용한 상수도 수요량 예측기법 개발

권현한,김민지,김운기,Kwon, Hyun-Han,Kim, Min-Ji,Kim, Oon Gi 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.11

본 연구에서는 Wavelet Transform과 Support Vector Machine (SVM)을 결합한 Hybrid 상수도 수요량 예측 모형을 개발하였다. Wavelet Transform 방법을 활용하여 다양한 스케일이 존재하는 상수도 수요량 시계열을 분해하여 단순한 형태의 시계열로 변환하는데 이용하였으며, 비선형 예측모형인 SVM은 이들 단순화된 시계열을 예측하는데 활용하여 예측성능을 극대화시키는 방안을 수립하였다. 본 연구에서는 상수도 수요량 자료에서 내재되어 있는 주기의 특성과 비선형 예측모형의 장점을 서로 연계한 해석이 가능하였으며 시각적인 검토 및 모든 통계지표에서 개선된 예측결과를 확인할 수 있었다. 특히, 기존 ARIMA 모형 계열에서 나타나는 자기예측문제를 상당부분 개선한 결과를 보여줌으로서 실질적인 수요량 예측모형으로서 활용이 가능할 것으로 판단된다. A hybrid forecasting scheme based on wavelet decomposition coupled to a support vector machine model is presented for water demand series that exhibit nonlinear behavior. The use of wavelet transform followed by the SVM model of each leading component is explored as a model for water demand data. The proposed forecasting model yields better results than a traditional ARIMA time series forecasting model in terms of self-prediction problem as well as reproducing the properties of the observed water demand data by making use of the advantages of wavelet transform and SVM model. The proposed model can be used to substantially and significantly improve the water demand forecasting and utilized in a real operation.

Wavelet Transform을 이용한 수문시계열 분석

권현한,문영일,Kwon, Hyun-Han,Moon, Young-Il 한국수자원학회 2005 한국수자원학회논문집 Vol.38 No.6

본 논문은 수문시계열에서 나타나는 주기성 및 경향성 등을 평가하기 위한 방법으로 Fourier Transform을 개선한 Wavelet Transform방법을 제시하고 이에 대한 타당성 및 적용성을 월강수량 및 연강수량 자료와 대표적인 기상인자인 남방진동지수(SOI)와 해수면온도(SST)를 대상으로 평가해 보았다. Fourier Transform은 시간적인 특성을 파악하지 못하는 반면에 Wavelet Transform은 수문시계열이 갖는 시간적인 특성을 유지하면서 빈도에 대한 스펙트럼을 보다 효율적으로 평가할 수 있었다. Wavelet Transform을 이용하여 분석한 결과 국내 월강수량은 1년을 중심으로 강한 스펙트럼을 나타내고 있으며 연강수량은 2-8년 주기에서 통계적으로 유의한 주기를 확인할 수 있었다. SOI와 SST에서는 2-8년 주기가 지배적임을 확인할 수 있었다. This paper introduces the wavelet transform that was improved by the fourier transform to assess periodicities and trends, we assessed propriety with examples of two monthly precipitation data, annual precipitation, SOI index and SST index. The wavelet transform can effectively assess the power spectrum corresponding to frequency as maintaining chronological characteristics. The results of the analysis using the wavelet transform showed that the monthly precipitation have the strongest power spectrum near that of 1 year, and the annual precipitation represent the dominated spectrum in the band of 2-8 years. Also, the SOI index and SST index indicate the strongest power spectrum in the band of 2-8 years.

수리학적 추적 방법을 이용한 자연하천의 강우유출 해석

권현한,문영일,Kwon, Hyun-Han,Moon, Young-Il 한국수자원학회 2005 한국수자원학회논문집 Vol.38 No.7

본 논문에서는 매개변수의 의존도가 상대적으로 적은 수리학적 모형으로 강우-유출 모형을 구성하였다. 미계측 유역에 대해서 지형도나 유역 특성 자료로부터 매개변수를 추정하고 지표류는 운동파 방법을 하도추적은 Dynamic Wave 추적기법을 적용하여 대표적인 자연하천 유역인 소양강 유역과 위천 유역에 대해서 적용성을 검토해 보았다. 모형의 효율성을 평가하기 위해서 소양강댐 유역을 대상으로 HEC-1 모형과 본 연구에서 제시한 모형을 비교한 결과 HEC-1 모형에 부합되는 유출해석이 가능하였으며 모형의 효율성 및 타당성을 확인할 수 있었다. 낙동강 위천 유역에서도 도시적 해석 및 통계적 지표에서 모두 실측치와 근접한 해석이 가능하였다. 따라서 기존에 많이 사용되는 일반적인 방법론을 이용한 간단한 모형이지만 자연하천에 적용이 가능하리라 사료된다. 그러나 여전히 조도계수의 추정 및 유역폭의 산정 등에 있어서 어려움이 있으며 이에 대한 보완이 필요하다 하겠다. In this study, a simple rainfall-runoff model was proposed by using the hydraulic routing model that requires relatively few parameters. The parameters of this model were estimated by the watershed characteristics data, and were applied to the Soyang watershed and Ui stream watershed by using the kinematic wave for overland flow and dynamic wave routing for channel routing. In order to demonstrate validity, the proposed approach was compared to the HEC-1 model for the Soyang watershed. As the results of modeling have shown, the hydraulic model shows reasonable results similar to that of the HEC-1 model. This model also represents good results for the Ui stream watershed. Hence, even if this model is a simple rainfall-runoff model using general methodology, it is competitive to the natural watershed. However, it is still difficult to estimate the roughness coefficient and the catchment width, and therefore this model is in need of such supplements.

Nino3.4지역 SST 및 여름강수량의 독립성분분석

권현한,문영일,Kwon Hyun-Han,Moon Young-Il 한국수자원학회 2005 한국수자원학회논문집 Vol.38 No.12

We examined problems of the principal component analysis(PCA), which is able to analyze at the low dimensionality as a methodologv to assess hydrologic time series, and introduced the theory and characteristics of independent component analysis(ICA) that can supplement problems of principal component analysis. We also applied the global sea surface temperature(SST) of the Nino region and assessed the correlation between El $\tilde{n}ino$-Southern Oscillation(ENSO) and SST. The results of examining separation-ability of principal components using mixed signals indicate that the independent component analysis is statistically superior compared to that of the principal component analysis. Finally, we assessed correlation between ENSO and global anomaly SST. The independent component analysis was applied to the $5^{\circ}{\times}5^{\circ}$(latitude and longitude) global anomaly SST in the Nino+3.4 region that is the El $\tilde{n}ino$ observation section. We assessed the correlation with the ENSO years. These results of the analysis show that only one independent component($86\%$) was able to represent the entire behavior and was consistent with the main ENSO years. Finally, we carried out independent component analysis for summer seasonal rainfalls at nine stations and could extract ICs to reflect geographical characteristics. The increasing trend has been shown at IC-1 and IC-2 since 1970s. 수문시계열을 분석하기 위한 방법으로 낮은 차원에서 해석이 가능한 주성분분석 방법의 문제점을 검토하고 이를 보완할 수 있는 독립성분분석의 이론과 특성을 검토하였고 수문기상자료인 Nino지역의 해수면온도에 적용하여 El $\tilde{n}ino$-Southern Oscillation(ENSO) 사상과의 상관성을 평가하였다. 혼합자료를 사용하여 독립성분분석 방법의 주성분 분리 능력을 검토한 결과 독립성분분석이 기존 주성분분석에 비해 통계적으로 우수한 결과를 나타내었다. El $\tilde{n}ino$의 감시구역인 Nino+3.4지역의 $5^{\circ}{\times}5^{\circ}$(위도와 경도)의 총 20개 Global Anomaly SST 격자자료를 대상으로 분석을 실시하여 El $\tilde{n}ino$-Southern Oscillation(ENSO)사상의 발생시기와의 상관관계를 평가하였으며 한 개의 독립성분($86\%$)만으로 SST의 전체적인 거동을 표현할 수 있었으며 주요 ENSO 발생시기와 일치하는 결과를 나타내었다. 또한 국내 주요지점의 여름 강수량을 대상으로 독립성분분석을 적용한 결과 지역적인 특성을 고려하여 비교적 합리적으로 독립성분을 추출할 수 있었으며 IC-1과 IC-2에서 1970년대 이후로 여름강수량의 증가를 확인할 수 있었다.

하천의 어제, 오늘 그리고 내일 1 - 기후변화에 따른 전주천 치수 특성 평가

권현한,김장경,Gwon, Hyeon-Han,Kim, Jang-Gyeong 한국하천협회 2014 하천과 문화 Vol.10 No.3

누적평균과 이동평균을 이용한 비정상성 빈도 해석결과 비교

권현한,소병진,윤필용,김태웅,황석환 한국방재학회 2011 한국방재학회논문집 Vol.11 No.6

This study employed a nonstationary frequency analysis to consider a trend with successive average and moving average method that are used to derive a relationship between mean of annual maximum rainfall(MAMR) and Gumbel parameters. The Mann-Kendall test is applied to determine the changing trend of the successive and moving average method based MAMR for 62 weather stations. Mann-Kendall test of trend shows an increasing and decreasing trend (p-value<0.1) of MAMR for Gwangju and Miryang station, while no significant trend is observed for Goheung station, and theses three stations were used to assess performance of the proposed model. This study confirmed variability of design rainfalls according to the identified trends for all the cases. The successive average method was overall insensitive to short-term variability because of accumulating the MAMR. The moving average method showed better performance in terms of recognizing short-term variability. There are advantages to have more strong relationship between MAMR and Gumbel parameters compared to the successive average method based MAMR. On the other hand,the moving average method is more or less sensitive to the extremes so that the estimated results can be unreliable for limited-size data sets. This study finally evaluated changes in 100-year design rainfall for the year 2030. The design rainfalls based on the successive average and the moving average method are expected to increase by about 8% and 18% across Korea, respectively. 본 연구에서는 경향성을 고려한 비정상성 빈도해석을 수행하였으며 연최대강수량과 Gumbel 분포 매개변수의 관계를 유도하는데 있어서 누적 평균과 이동 평균 방법을 이용하였다. 자료의 경향성을 평가하기 위해서 62개 기상관측소에 24시간 지속시간 누적 평균 강우량과 이동 평균 강우량에 대해서 Mann-Kendall 검정을 실시하였다. 경향성 검정결과 10% 유의수준에 대하여 통계적으로 유의한 증가경향을 보이는 광주지점과 유의한 감소경향을 보이는 밀양지점, 경향성이 존재하지 않는 고흥지점에대하여 본 연구방법을 적용하였다. 모든 경우에 있어서 주어진 경향성분에 준하는 확률강수량의 변동성을 확인할 수 있었다. 전체적으로 누적 평균을 이용한 방법은 자료가 계속 누적되면서 통계량이 추정되므로 단기간에 나타나는 경향성분의 변동성에 민감하지 않은 특징을 보여주었다. 반면 이동 평균 방법은 단기간에 나타나는 경향성분의 변동성을 효과적으로 인지할 수 있었으며 누적 평균 방법에 비해서 Gumbel 분포의 매개변수와 더 큰 상관성을 확보할 수 있는 장점을 발견할 수 있었다. 반면 상대적으로 극치값에 민감한 특징이 있기 때문에 짧은 자료 연한을 갖는 자료에 대해서 적용 시 주의가 필요할 것으로 판단된다. 누적 평균 방법에 경우 100년 빈도 기준으로 2030년도에 전국적으로 8%증가가 전망되며 이동 평균 방법의 경우 전국적으로2030년도 기준으로 18% 증가가 전망된다.

Bayesian 모형을 이용한 단일사상 강우-유출 모형의 불확실성 분석

권현한,김장경,이종석,나봉길,Kwon, Hyun-Han,Kim, Jang-Gyeong,Lee, Jong-Seok,Na, Bong-Kil 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.5

본 연구에서는 국내외에서 범용되고 있는 단일강우사상 모형인 미육군공병단의 HEC-1 모형을 이용하여 대청댐 유역의 실측 강우-유출 사상을 중심으로 강우-유출 모의를 수행하였으며, 매개변수 검정에는 실제 대청댐의 시간당 유입량을 기준으로 검정을 실시하였다. HEC-1 모형에는 매개변수를 자동으로 최적화시키는 프로그램이 내장되어 있으나 본 연구의 대상유역과 같이 다수의 소유역이 있는 경우, 매개변수 추정시 매개변수 중 일부는 수렴되지 못하고 발산하는 문제가 있었으며, 첨두유량의 추정능력 역시 저하되는 문제를 보였다. 따라서 이러한 HEC-1 모형의 매개변수의 불확실성을 고려하기 위한 방안으로 Bayesian 모형을 HEC-1모형에 연동시켜 활용하였으며, 기존 HEC-1 강우-유출 모형에 적용할 수 있는 매개변수 최적화 및 불확실성 정량화를 위해 HEC-1 강우-유출 모형 매개변수는 SCS 1개, Clark 단위도 2개를 Bayesian MCMC 기법을 적용하여 매개변수간 조건부확률로 모의발생을 한 후, Bayesian 모형으로부터 각 매개변수의 사후분포(posterior distribution)를 추정하여 사후분포의 추정이 매개변수의 불확실성 정량화를 수행하였다. 본 연구를 통해 제안된 BHEC-1 모형을 대상으로 대청댐 유역에 실측 강우-유출사상에 대해서 모형의 적합성을 평가한 결과, 7개 유역의 21개의 매개변수가 해의 발산 없이 안정된 매개변수 추정이 가능하였다. 한편, Bayesian 모형을 근간으로 하기 때문에 최종결과로서 매개변수들의 사후분포(posterior)의 추정이 가능하여 향후 홍수빈도곡선 유도, 댐 위험도분석과 기후변화 문제와 같은 다양한 수문학적 문제의 연구에 적용 가능할 것으로 전망된다. The study applies a hydrologic simulation model, HEC-1 developed by Hydrologic Engineering Center to Daecheong dam watershed for modeling hourly inflows of Daecheong dam. Although the HEC-1 model provides an automatic optimization technique for some of the parameters, the built-in optimization model is not sufficient in estimating reliable parameters. In particular, the optimization model often fails to estimate the parameters when a large number of parameters exist. In this regard, a main objective of this study is to develop Bayesian Markov Chain Monte Carlo simulation based HEC-1 model (BHEC-1). The Clark IUH method for transformation of precipitation excess to runoff and the soil conservation service runoff curve method for abstractions were used in Bayesian Monte Carlo simulation. Simulations of runoff at the Daecheong station in the HEC-1 model under Bayesian optimization scheme allow the posterior probability distributions of the hydrograph thus providing uncertainties in rainfall-runoff process. The proposed model showed a powerful performance in terms of estimating model parameters and deriving full uncertainties so that the model can be applied to various hydrologic problems such as frequency curve derivation, dam risk analysis and climate change study.

댐 수위 추정 방법의 개선을 통한 수리수문학적 위험도 분석

권현한,문영일 한국수자원학회 2004 한국수자원학회 학술대회 Vol.2004 No.1