[연구필요성]

기후변화에 따른 집중/극한호우 발생빈도 증가는 강우침식능 변화에 따른 토양침식 가속화의 위험성을 증가시킨다. 이는 농업 생산성 저하, 양분유출, 수질오염, 생물다양성 감소 등 다양한 사회·경제적 문제를 초래하므로, 정확한 토양침식량 예측과 토양침식 저감을 위한 표토 관리전략 개발이 필수적이다. 토양침식 예측에 널리 사용되는 USLE 모델에서 강우침식성인자(R-factor)는 값의 지역 및 시기별 변동성이 커 토양침식량 추정 정확도에 결정적 영향을 미치는 핵심 요소이다. 하지만 강우침성인자 산정을 위해 고해상도의 강우자료가 요구되며 복잡한 계산과정으로 관련 연구가 제한적으로 이뤄져 왔다. 본 연구에서는 신속하고 정확한 강우침식인자 추정을 위해 사용자가 보유한 기상자료 해상도에 따라 다양한 강우침식성인자 산정 모듈을 지원하는 웹 기반 강우침식성인자 산정 프로그램을 개발하고자 한다.

[연구성과/기대효과]

고해상도 강우자료 기반 강우침식성인자 산정 알고리즘을 개발하였으며, 이를 토대로 최근 24년 분단위 강우자료 기반 전국 강우침식성인자 DB를 구축하였다. 분단위 강우자료 확보에 한계가 있는 경우 일단위 강우자료만으로도 정확한 강우침식인자 추정이 가능하도록 월 강우침식성인자 추정을 위한 최적 회귀모형을 개발하였다. 앞서 구축한 전국 강우침식성인자 DB, 강우침식성인자 산정 알고리즘, 강우침식성인자 추정 회귀모형을 통합하여 웹 기반 강우침식성인자 산정 프로그램(Web-based Rainfall Erosivity Calculator, WREC)을 개발하였다. 이는 전문적인 지식 없이도 누구나 쉽고 빠르게 정확한 강우침식성인자의 산정이 가능하도록 하며, 지역별 토양침식량 산정 및 취약성 평가에 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 기후변화 시나리오를 적용하여 미래 환경변화를 사전에 예측하고 효과적인 지역별 토양침식 관리전략을 마련하는 데에 크게 기여할 것으로 기대된다.

▷ 본 연구는 농촌진흥청 신농업 기후변화대응체계 구축사업의 지원을 받아 수행되었으며 International Soil and Water Conservation Research에 게재되었다.

[본문]

□ 고해상도 강우자료 기반 강우침식성인자 산정 알고리즘 구축
분단위 기상자료를 토대로 강우사상의 분류, 강우사상별 강우에너지 및 30분 최대 강우강도 산정 등 USLE 기반 강우침식성인자 산정 과정을 신속하고 정확하게 수행할 수 있도록 하는 강우침식성인자 산정 알고리즘을 개발하였다.

해당 알고리즘은 입력받은 분단위 누적강우 데이터를 기반으로 분단위 강수량을 계산하는 calculateMinuteRainfall(df), 누락된 시간 및 결측된 강우 데이터를 처리하는 fillMissingRainfall(df), 연속 무강우시간과 각 강우사상별 총 강수량 및 15분 합계강수의 최대값을 고려하여 유효 강우사상을 구분하는 rainfallEvent(df), 개별 강우사상에 대해 30분 최대 강우강도(I30)와 강우에너지를 산정하고, 이들의 곱을 통해 강우사상별 강우침식성인자 값(EI30)을 반환하는 calculateEI30(df) 함수로 구성하였다.

□ 전국 강우침식성인자 DB 구축 및 등강우침식도 도출
개발된 강우침식성인자 산정 알고리즘을 토대로 최근 24년 분단위 강우자료를 활용하여 전국 75개 ASOS 관측소별 강우침식성인자를 산정하고 강우침식성인자 데이터베이스(DB)를 구축하였다.

2000~2023년에 대한 전국 ASOS 기상대별 연평균 R값을 토대로 Kriging 보간법을 활용한 전국 등강우침식도를 작성하여 강우침식성인자의 공간적 분포 특성을 정량적으로 파악하였으며, 이는 유역단위 토양보전사업 등 정책 의사결정 등의 기초자료로 폭넓게 활용될 수 있다.

□ 월별 강우침식성인자 추정을 위한 최적 회귀모형 도출
일단위 강우자료만으로도 R2 0.87 이상의 높은 예측정확도로 강우침식성인자 산정이 가능하도록 하는 최적 회귀모형을 도출하였다. 이는 고해상도 기상자료의 확보가 어려운 과거 자료나 기후변화 시나리오를 활용한 미래 예측 등 다양한 자료 제약 상황에서 유용하게 적용 될 수 있어, 기존 고해상도 자료 기반 분석의 한계를 보완하고 장기적인 환경 변화 예측을 위한 실용적 방법론으로 활용될 수 있다.

□ 웹 기반 강우침식성인자 산정 프로그램(WREC) 개발
전문적인 지식 없이도 누구나 쉽고 빠르게 정확한 강우침식성인자의 산정이 가능하도록 강우침식성인자 산정 알고리즘을 탑재한 웹 기반 강우침식성인자 산정 프로그램(Web-based Rainfall Erosivity Calculator, WREC)을 개발하였다.

WREC은 강우침식성인자 산정을 위한 세가지 모듈 (Module)을 제공한다. Module 1은 사전에 구축된 전국단위 강우침식성인자 DB를 토대로 사용자가 별도의 입력자료 없이 전국 ASOS 기상대별 강우침식성인자 값을 확인할 수 있으며, Module 2는 사용자로부터 분단위 강우 데이터를 업로드 받고, 입력받은 파일을 기반으로 USLE에 따른 월/연도별 강우침식성인자 값을 산정하여 그 결과를 사용자에게 제공한다. Module 3는 고해상도의 기상자료 확보가 어려운 경우 사용자로부터 일 강우자료만을 입력받아 사용자가 선택한 회귀모형에 따른 강우침식성인자 산정 결과를 제공한다.

각 모듈은 사용자의 데이터 확보 수준에 따라 선택적으로 활용 가능하므로, 다양한 데이터 환경과 목적에 유연하게 대응할 수 있다. 특히 기후변화에 대응한 미래 강우침식성인자 산정 및 강우침식 취약지역 도출에 효과적으로 활용될 수 있어, 국가 차원의 토양침식 평가 및 예방정책 수립을 위한 발판을 마련하였다.


                                                  Fig. 1 : 웹 기반 강우침식성인자 산정 프로그램 (WREC) 개념도