• Research Article

    Development of flow measurement method using drones in flood season (I) - aerial photogrammetry technique

    드론을 이용한 홍수기 유량측정방법 개발(I) - 항공사진측량 기법 적용

    Lee, Tae Hee, Lim, Hyeokjin, Yun, Seong Hak, Kang, Jong Wan

    이태희, 임혁진, 윤성학, 강종완

    This study aimed to develop a flow measurement method using drone in flood season. Measuring flow in all branches is difficult to ...

    본 연구는 드론을 이용하여 홍수기 하천에서의 유량측정방법 개발을 위해 수행하였다. 홍수기 유량측정은 예산, 인력, 안전 및 하천공사 등의 문제로 매년 모든 지점에서 ...

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    This study aimed to develop a flow measurement method using drone in flood season. Measuring flow in all branches is difficult to conduct annually due to budget and labor limitation, safety and river works. Especially when heavy rain like storm comes, changes in stage-discharge relationship should be reviewed; however, it is usually impeded by the aforementioned issues. To solve the problem, it developed a simple measuring method with a minimum of labor and time. A numeric map and numeric orthophoto coordinate of South Korea are mostly based on Transverse Mercator Projection (TM) in accordance with rectangular coordinate system and use World Geodetic Reference System 1980 (GRS80) oval figure for conversion. Applying a concept of aerial photogrammetry, it located four visible Ground Control Points (GCP) near the river at Uijeongbu-si (Singok Bridge) and Yeongdong-gun (Youngdong 2nd Bridge) station and measured the coordinates using VRS DGPS. Hovering at a same level, drones took orthophoto of water surface at an interval of 3 seconds. It defined the pictures with GRS80 TM coordinate system, a rectangular coordinate system and then conducted an orthometric correction using GCP coordinates. According to X and Y coordinate analysis, it estimated the distance between the floating positions at 3 seconds-intervals and calculated the flow through the flow area according to the flow path. This study attested applicability of the flow measurement method using drone in flood season by applying the rectangular coordinate system based on the concept of aerial photogrammetry.


    본 연구는 드론을 이용하여 홍수기 하천에서의 유량측정방법 개발을 위해 수행하였다. 홍수기 유량측정은 예산, 인력, 안전 및 하천공사 등의 문제로 매년 모든 지점에서 유량 측정을 실시하지 못하는 어려움이 있다. 특히 태풍 등 큰 호우사상 발생 시 수위-유량관계 변화 검토가 필요하지만 앞에서 언급한 문제 등으로 인하여 측정에 어려움이 있다. 이런 문제점을 개선하기 위해 최소 인력이 단시간 간편하게 측정할 수 있는 방법을 개발하였다. 항공사진측량 개념으로 접근하여 의정부시(신곡교) 지점과 영동군(영동제2교) 지점 하도 주변에 확인 가능한 위치에 지상기준점(GCP, Ground Control Points) 4개점을 선점하고 VRS DGPS 장비를 이용하여 좌표측량을 수행하였다. 드론을 일정높이의 정지상태(Hovering)에서 하도 내 수표면을 카메라의 인터벌 기능으로 3초 간격 정사영상을 촬영하였다. 정사 촬영된 항공사진의 좌표계를 평면지각좌표계인 GRS80 TM좌표계로 정의한 후 GCP 좌표를 활용하여 보다 정밀하게 정사보정을 실시하였다. 수표면에 유하하는 부유물의 3초 간격 위치를 X, Y좌표 분석을 통해 이동거리를 평균유속으로 산정하고 유하경로에 따른 통수단면적을 적용하여 유량을 산정하였다. 따라서 항공사진측량 기법을 적용하여 홍수기에 드론을 이용한 유량측정방법에 대한 적용성을 확인하였다.

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    December 2020
  • Research Article

    Estimation of river water depth using UAV-assisted RGB imagery and multiple linear regression analysis

    무인기 지원 RGB 영상과 다중선형회귀분석을 이용한 하천 수심 추정

    Moon, Hyeon-Tae, Lee, Jung-Hwan, Yuk, Ji-Moon, Moon, Young-Il

    문현태, 이정환, 육지문, 문영일

    River cross-section measurement data is one of the most important input data in research related to hydraulic and hydrological modeling, such as ...

    하천단면 계측자료는 하천관리를 위한 유량산정 및 홍수 예·경보 방안 등 수리·수문 모델링 관련 연구에서 가장 중요한 입력자료 중 하나이다. 그러나 ...

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    River cross-section measurement data is one of the most important input data in research related to hydraulic and hydrological modeling, such as flow calculation and flood forecasting warning methods for river management. However, the acquisition of accurate and continuous cross-section data of rivers leading to irregular geometric structure has significant limitations in terms of time and cost. In this regard, a primary objective of this study is to develop a methodology that is able to measure the spatial distribution of continuous river characteristics by minimizing the input of time, cost, and manpower. Therefore, in this study, we tried to examine the possibility and accuracy of continuous cross-section estimation by estimating the water depth for each cross-section through multiple linear regression analysis using RGB-based aerial images and actual data. As a result of comparing with the actual data, it was confirmed that the depth can be accurately estimated within about 2 m of water depth, which can capture spatially heterogeneous relationships, and this is expected to contribute to accurate and continuous river cross-section acquisition.


    하천단면 계측자료는 하천관리를 위한 유량산정 및 홍수 예·경보 방안 등 수리·수문 모델링 관련 연구에서 가장 중요한 입력자료 중 하나이다. 그러나 불규칙한 기하학적 구조로 이어지는 하천의 정확하고 연속적인 단면자료의 취득은 시간과 비용적 측면에서 큰 제약이 따른다. 이러한 관점에서 본 연구의 목적은 연속적인 하천특성의 공간분포를 시간과 비용, 인력의 투입을 최소화하여 계측할 수 있는 방법론을 개발하는 것이다. 따라서 RGB기반 항공 이미지와 실측 자료를 이용한 다중 선형 회귀 분석을 통해 각 단면별로 수심을 추정하고 연속적인 단면 추정 가능성과 정확도를 검토하고자 하였다. 실측 자료와 비교검증을 통해 공간적으로 이질적인 관계를 포착할 수 있는 수심 약 2 m 내외에서 수심을 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였으며 이를 통해 정확하고 연속적인 하천 단면 취득에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

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    December 2020
  • Research Article

    Application of microwave water surface current meter for measuring agricultural water intake

    농업용수 사용량 계측을 위한 전자파 표면유속계의 적용

    Baek, Jongseok, Kim, Chiyoung, Lee, Kisung, Kang, Hyunwoong, Song, Jaehyun

    백종석, 김치영, 이기성, 강현웅, 송재현

    For integrated water management, it is essential to secure basic data such as the amount of agricultural water intake. The river water ...

    하천수의 통합적인 물관리를 위해서는 농업용수의 목적으로 취수되는 하천수량과 같은 기초자료의 확보가 필수적이다. 취입보를 통해 취수되는 하천수는 농업용수로를 통해 도수되는데, 계측지점의 특성에 맞는 ...

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    For integrated water management, it is essential to secure basic data such as the amount of agricultural water intake. The river water intake through the intake weir is carried out through the agricultural irrigation canal, and a method for measuring the quantity of water intake is required to suit the characteristics of the measuring points. In this study, the accuracy of the calculated flow data was determined by applying a microwave water surface current meter. The microwave water surface current meter is a method of calculating surface velocity using doppler effect, which is mainly used in high-velocities situations such as flood. Surface velocity is difficult to represent the average velocity of the entire section at low dicharges or high wind speeds, it is considered to be low in continuous utilization throughout the year, and it is necessary to verify whether the measurement using an microwave water surface curren meter is appropriate in agricultural irrigation canal. The data measured with an microwave water surface curren meter were compared with the actual flow data to calculate the intake data in agricultural irrigation canal. In agricultural irrigation canal, the low-level discharge calculated using an microwave water surface current meter at a minimum velocity of about 0.3 m/s and a minimum discharge of about 1.0 m3/s or higher was found to have a high tendency and accuracy compared to the standard discharge, especially when the high discharge was high. Although effective results can be obtained in terms of quantity at low discharge, it is deemed that subsequent studies are needed to calculate the average discharge of the cross section at low discharge, given that the trend of data is unstable. Through this study, it is suggested that it is appropriate to calculate the amount of water intake through the microwave water surface current meter in artificial waterways with a certain discharge or higher, so it is expected to be widely distributed as a method for measuring river water intake.


    하천수의 통합적인 물관리를 위해서는 농업용수의 목적으로 취수되는 하천수량과 같은 기초자료의 확보가 필수적이다. 취입보를 통해 취수되는 하천수는 농업용수로를 통해 도수되는데, 계측지점의 특성에 맞는 취수량 계측방법이 필요하다. 본 연구에서는 만경강 유역 어우보의 농업용수로 도플러 효과를 이용해 표면유속을 산정하는 전자파 표면유속계를 적용하였는데, 주로 홍수기와 같이 고유량 상황에서 사용되고 있다. 저유량이나 고풍속에서는 표면유속이 단면 전체의 평균유속을 대변하기 어렵기 때문에 연중 지속적인 활용도가 낮다고 평가받고 있어, 농업용수로에서 전자파 표면유속계를 이용한 계측이 적합한지에 대한 검증이 필요한 상황이다. 전자파 표면유속계로 계측한 자료를 실측 유량자료와의 비교를 통해 농업용수로에서의 취수량 자료를 산정하였다. 농업용수로에서 최저유속 약 0.3 m/s, 최저유량 약 1.0 m3/s 이상시 전자파 표면유속계를 이용해 산정되는 일단위 유량은 기준유량 대비 경향성과 정확도가 높은 편인 것으로 확인되었고, 특히, 고유량일때 정확도가 높은 것으로 나타났다. 저유량에서는 양적인 측면에서는 유효한 결과를 얻을 수 있으나, 자료의 경향성이 불안정한 것으로 미루어 저유량시 표면유속으로 단면의 평균유속으로 산정하는 것에는 후속적인 연구가 필요할 것으로 판단한다. 본 연구를 통해 일정 유속 이상의 인공수로에서는 전자파 표면유속계를 통해 취수량을 산정하는 것이 적정한 것으로 사료되어 하천수 사용량 계측의 방안으로서 널리 보급되길 기대한다.

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    December 2020
  • Research Article

    Evaluation of stream flow and water quality changes of Yeongsan river basin by inter-basin water transfer using SWAT

    SWAT을 이용한 유역간 물이동량에 따른 영산강유역의 하천 유량 및 수질 변동 분석

    Kim, Yong Won, Lee, Ji Wan, Woo, So Young, Kim, Seong Joon

    김용원, 이지완, 우소영, 김성준

    This study is to evaluate stream flow and water quality changes of Yeongsan river basin (3,371.4 km2) by inter-basin ...

    본 연구는 SWAT (Soil and Water Assessment Tool)을 이용하여 섬진강유역 주암댐에서 영산강유역(3,371.4 km2)으로의 유역간 물이동량 조절에 ...

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    This study is to evaluate stream flow and water quality changes of Yeongsan river basin (3,371.4 km2) by inter-basin water transfer (IBWT) from Juam dam of Seomjin river basin using SWAT (Soil and Water Assessment Tool). The SWAT was established using inlet function for IBWT between donor and receiving basins. The SWAT was calibrated and validated with 14 years (2005 ~ 2018) data of 1 stream (MR) and 2 multi-functional weir (SCW, JSW) water level gauging stations, and 3 water quality stations (GJ2, NJ, and HP) including data of IBWT and effluent from wastewater treatment plants of Yeongsan river basin. For streamflow and weir inflows (MR, SCW, and JSW), the coefficient of determination (R2), Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), root mean square error (RMSE), and percent bias (PBIAS) were 0.69 ~ 0.81, 0.61 ~ 0.70, 1.34 ~ 2.60 mm/day, and ‒8.3% ~ +7.6% respectively. In case of water quality, the R2 of SS, T-N, and T-P were 0.69 ~ 0.81, 0.61 ~ 0.70, and 0.54 ~ 0.63 respectively. The Yeongsan river basin average streamflow was 12.0 m3/sec and the average SS, T-N, and T-P were 110.5 mg/L, 4.4 mg/L, 0.18 mg/L respectively. Under the 130% scenario of IBWT amount, the streamflow, SS increased to 12.94 m3/sec (+7.8%), 111.26 mg/L (+0.7%) and the T-N, T-P decreased to 4.17 mg/L (‒5.2%), 0.165 mg/L (‒8.3%) respectively. Under the 70% scenario of IBWT amount, the streamflow, SS decreased to 11.07 m3/sec (‒7.8%), 109.74 mg/L (‒0.7%) and the T-N, T-P increased to 4.68 mg/L (+6.4%), 0.199 mg/L (+10.6%) respectively.


    본 연구는 SWAT (Soil and Water Assessment Tool)을 이용하여 섬진강유역 주암댐에서 영산강유역(3,371.4 km2)으로의 유역간 물이동량 조절에 따른 영산강의 하천유량 및 수질변동을 분석하였다. 이를 위해, SWAT의 Inlet 기능을 이용한 물이동과 영산강유역 하수처리장들의 방류량 자료를 고려한 SWAT을 구축하여, 마륵(MR) 수위관측소와 다기능보 2개(승촌보;SCW, 죽산보;JSW) 그리고 3개의 수질관측소(광주;GJ2, 나주;NJ, 함평;HP)를 대상으로 총 14년(2005~2018) 동안의 유량과 수질을 검보정하였다. 3개 지점 하천유량의 검보정 결과, R2, NSE, RMSE, PBIAS는 각각 0.69 ~ 0.81, 0.61 ~ 0.70, 1.34 ~ 2.60 mm/day, ‒8.3% ~ +7.6%였으며, 수질은 SS, T-N 및 T-P 각각 R2가 각각 0.69 ~ 0.81, 0.61 ~ 0.70, 0.54 ~ 0.63의 범위를 보였다. 물이동량을 고려한 영산강유역의 하천유량은 평균 12.0 m3/sec로 나타났으며, SS, T-N 및 T-P의 평균 농도는 각각 110.5 mg/L, 4.4 mg/L, 0.18 mg/L 이었다. 물이동량의 변화에 따른 영산강의 유량과 수질의 변화를 보기 위하여, 물이동량의 증가(110%, 130%, 150%)와 감소(90%, 70%, 50%)를 적용하였다. 대표적으로 증가시나리오 130%의 경우, 하천유량과 SS의 농도는 각각 12.94 m3/sec (+7.8%), 111.26 mg/L (+0.7%) 증가, T-N과 T-P 농도는 각각 4.17 mg/L (‒5.2%), 0.165 mg/L (‒8.3%)로 감소하였다. 반면 감소시나리오 70%를 적용하였을 때, 하천유량과 SS의 농도는 각각 11.07 m3/sec (‒7.8%), 109.74 mg/L (‒0.7%)로 감소, T-N과 T-P 농도는 각각 4.68 mg/L (+6.4%), 0.199 mg/L (+10.6%) 증가하였다.

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    December 2020
  • Research Article

    Analysis of bed change based on the geometric characteristics of channel cross-sections

    유로 단면의 기하학적 특성을 이용한 하상변화량 분석

    Ko, Joo Suk, Lee, Kyungsu, Kwak, Sunghyun, Lyu, Siwan

    고주석, 이경수, 곽성현, 류시완

    A methodology has been proposed to understand the spatiotemporal changes of the river topography through the longitudinal change of the geometric characteristics ...

    본 연구에서는 하도단면의 기하학적 특성과 그에 관한 특성값들의 종방향 변화를 통해 하천지형의 시·공간적 변화양상을 파악하기 위한 방법론을 제안하고자 한다. 이를 위해 ...

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    A methodology has been proposed to understand the spatiotemporal changes of the river topography through the longitudinal change of the geometric characteristics of the cross-sections and the properties ​​related thereto. Three-dimensional spatial information of the riverbed was obtained through the detailed bathymetry survey using an acoustic echo sounder for the reach from Gumi Weir to Chilgok Weir in the Nakdong river. Geometric informations for the reference sections were extracted using the acquired bathymetry survey data. By comparing the geometric properties for the reference sections, it was possible to catch the topographic characteristics and its changes over a reach of the channel. Through comparison with past survey data, it was also possible to quantitatively grasp the amount of change in cross-sectional area and volumetric change of riverbed. It is expected that a quantitative evaluation of river topography changes will be possible by applying the method proposed in this study.


    본 연구에서는 하도단면의 기하학적 특성과 그에 관한 특성값들의 종방향 변화를 통해 하천지형의 시·공간적 변화양상을 파악하기 위한 방법론을 제안하고자 한다. 이를 위해 낙동강 구미보 ~ 칠곡보 구간에 대한 음향측심기를 이용한 상세 수심측량을 통해 하상에 대한 3차원 공간정보를 취득하였다. 취득된 자료를 이용하여 기준단면에 대한 기하학적 정보를 추출하였다. 추출된 하천단면의 기하특성치들을 비교함으로써 특정 하도구간에서의 지형 특징을 파악할 수 있었다. 과거 측량성과와의 비교를 통해 단면변화량과 체적하상변동량을 정량적으로 파악할 수 있었다. 향후 본 연구에서 제안한 방법의 다양한 하천구간에서 대한 적용을 통해 하천지형변화에 대한 정량적 평가방법을 제시할 것으로 기대하는 바이다.

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    December 2020
  • Research Article

    A study of comparison about estimation methods of sediment yield

    토사유출량 산정식에 대한 비교연구

    Kwon, Hyuk Jae, Kim, Hyeong Gi

    권혁재, 김형기

    In this study, results of RUSLE which is most popular equation for estimating sediment and MSDPM and LADMP have been compared and ...

    본 연구에서는 토사유출량 산정에 가장 많이 사용되고 있는 RUSLE방법과 MSDPM, 그리고 LADMP를 실제 산지하천에 적용하여 토사유출량을 비교·분석하였다. 기존 토사유출량 산정 시 ...

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    In this study, results of RUSLE which is most popular equation for estimating sediment and MSDPM and LADMP have been compared and analyzed by applying to real watershed of mountain area. Crop factor (C), preservation factor (P), and soil erosion factor (VM) of RUSLE can be subjectively selected and differently applied. Therefore, effects of those factors were estimated and compared with different values of factors. Furthermore, sediment yield has been estimated by MSDPM and LADMP according to 10, 20, 30, 50, 100, and 200 year return period. From the results, it was found that sediment yield can be resulted with 400% diffrence. And it was also found that MSDPM and LADMP can be applied in mountain area of Korea.


    본 연구에서는 토사유출량 산정에 가장 많이 사용되고 있는 RUSLE방법과 MSDPM, 그리고 LADMP를 실제 산지하천에 적용하여 토사유출량을 비교·분석하였다. 기존 토사유출량 산정 시 사용자가 주관적으로 선택할 수 있는 식생피복인자(C), 보전관리인자(P), 토양침식조절인자(VM)가 토사유출량 산정결과에 미치는 영향을 비교하였다. 또한 MSDPM과 LADMP을 사용하여 10년, 20년, 30년, 50년, 100년, 200년 빈도 재현기간의 강우강도에 의한 토사유출량을 산정하고, RUSLE의 결과값과 비교 분석하였다. 이를 통하여 식생피복인자(C), 보전관리인자(P), 토양침식조절인자(VM)값에 따라 토사량의 차이가 최대 400%까지 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, MSDPM과 LADMP의 국내 적용 가능성을 확인하였다.

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    December 2020
  • Research Article

    Development of regression functions for human and economic flood damage assessments in the metropolises

    대도시에서의 인적·물적 홍수피해 추정을 위한 회귀함수 개발

    Lim, Yeon Taek, Lee, Jong Seok, Choi, Hyun Il

    임연택, 이종석, 최현일

    Flood disasters have been recently increasing worldwide due to climate change and extreme weather events. Since flood damage recovery has been conducted ...

    기후변화와 기상이변으로 인해 최근 전세계적으로 홍수피해가 증가하고 있다. 우리나라에서는 피해복구가 일반적인 홍수피해 대응방안으로 사용되어 왔기 때문에, 홍수피해에 대한 예방적인 대책을 위해서는 강우특성에 ...

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    Flood disasters have been recently increasing worldwide due to climate change and extreme weather events. Since flood damage recovery has been conducted as a common coping strategy to flood disasters in the Republic of Korea, it is necessary to predict the regional flood damage costs by rainfall characteristics for a preventative measure to flood damage. Therefore, the purpose of this study is to present the regression functions for human and economic flood damage assessments for the 7 metropolises in the Republic of Korea. A comprehensive regression analysis was performed through the total 48 simple regression models on the two types of flood damage records for human and economic costs over the past two decades from 1998 to 2017 using the four kinds of nonlinear equations with each of the six rainfall variables. The damage assessment functions for each metropolis were finally selected by the evaluation of the regression results with the coefficient of determination and the statistical significance test, and then used for the human and economic flood damage assessments for 100-year rainfall in the 7 metropolises. The results of this study are expected to provide the basic information on flood damage cost assessments for flood damage mitigation measures.


    기후변화와 기상이변으로 인해 최근 전세계적으로 홍수피해가 증가하고 있다. 우리나라에서는 피해복구가 일반적인 홍수피해 대응방안으로 사용되어 왔기 때문에, 홍수피해에 대한 예방적인 대책을 위해서는 강우특성에 따른 지역적 홍수피해규모를 예측할 필요가 있다. 따라서, 본 연구의 목적은 우리나라 7개 대도시에서의 강우에 의한 인적 및 물적 홍수피해 예측을 위한 회귀함수를 개발하는 것이다. 회귀분석은 1998년부터 2017년까지 최근 20년 동안의 인적 및 물적 손실의 2가지 피해특성자료에 대해 6개의 강우특성 인자를 4가지 형태의 비선형 방정식에 각각 적용한 총 48가지 유형의 단순회귀모형을 통해 종합적으로 수행되었다. 결정계수와 유의성 검정을 통해 회귀분석 결과를 검토하여 각 대도시의 피해추정함수를 최종 선정하였고, 이를 이용하여 100년 빈도 강우량에 대한 7개 대도시의 인적 및 물적 홍수피해 규모를 평가하였다. 본 논문의 결과는 홍수피해 저감대책을 위한 홍수피해 규모 평가에 기초정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

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    December 2020
  • Research Article

    Assessment of paddy rice evapotranspiration estimation methods based on comparisons of agricultural water supply

    농업용수 공급량과의 비교를 통한 논벼 증발산량 산정 방법 평가

    Kim, Sanghyun, Cho, Gunho, Choi, Kyungsook

    김상현, 조건호, 최경숙

    This study assessed evapotranspiration (ET) methods applying for estimation of paddy rice water demand based on agricultural water supply. The Modified Penman ...

    본 연구에서는 농업용수 공급계획 및 수리시설설계에 적용하기 위한 논벼 수요량 추정에 있어서 증발산량 산정 방법을 농업용수 공급량을 기반으로 평가해 보았다. 증발산량 산정 ...

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    This study assessed evapotranspiration (ET) methods applying for estimation of paddy rice water demand based on agricultural water supply. The Modified Penman (MP) method and the Penman-Monteith (PM) method recently suggested by Rural Development Administration (RDA) were considered. The 6 Korea Rural Community Corporation (KRC) command areas located in Honam province were selected in this study. The climate characteristics were also analysed with the average annual and the growing season temperatures and rainfalls. As a result, the annual average and the growing season temperature showed the increased trend while the rainfall tended to decrease during 30 years. The paddy rice water demand found to be directly influenced by these climate trends as ET also affected by them. The higher values of paddy rice water demand were obtained from applying MP method compared to the one applying PM method. The lower differences were also obtained from MP method for the comparisons between the paddy rice water demand estimated by both methods with agricultural water supply. Therefore, these results suggest that the MP method is more desirable to use for estimating paddy rice water demand in order to achieve stability of irrigation designs and plans.


    본 연구에서는 농업용수 공급계획 및 수리시설설계에 적용하기 위한 논벼 수요량 추정에 있어서 증발산량 산정 방법을 농업용수 공급량을 기반으로 평가해 보았다. 증발산량 산정 방법은 기존의 논벼 수요량에 적용 되어온 Modifeid-Penman (MP) 방법과 최근에 농촌진흥청에서 작물계수 개발에 적용한 Penman-Monteith (PM) 방법이 고려되었다. 호남지역 한국농어촌공사 관할지구를 선정하여 기상특성을 분석하고, MP 방법과 PM 방법에 의한 논벼 수요량을 산정하여 현장의 용수 공급량과 비교분석하여 증발산량의 적용성을 평가해 보았다. 대상지구의 기상특성은 30년 기간 연평균 및 논벼 생육기간 평균기온은 증가하고 연평균 강우량과 논벼 생육기간 강우량은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 기상특성은 증발산량 산정과 논벼 수요량 결과에 직접적인 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 두 증발산량 산정방법 적용에 의한 수요량 결과 비교분석에서 MP 방법에 의한 논벼 수요량이 PM 방법 보다 더 높게 산정되는 경향을 보였으며, 농업용수 공급량과의 비교분석에서 MP 방법이 PM 방법 보다 더 적은 격차를 나타내었다. 따라서 현장여건이 반영된 농업용수 공급량 기반 평가에서 논벼 수요량 산정에 MP 방법을 적용하는 것이 농업용수 관리계획 및 용수공급 안정성 확보에 유리할 것으로 사료된다.

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    December 2020
  • Research Article

    SWAT model calibration/validation using SWAT-CUP III: multi-site and multi-variable model analysis

    SWAT-CUP을 이용한 SWAT 모형 검·보정 III: 다중 관측 지점 및 변수를 고려한 분석

    Cho, Younghyun

    조영현

    In this study, a criteria for the SWAT model calibration method in SWAT-CUP which considers multi-site and multi-variable observations was presented. For ...

    본 연구에서는 SWAT-CUP을 이용한 SWAT 모형의 검·보정 과정에서 다중 관측 지점 및 변수를 고려한 분석의 기준을 제시하였으며, 이의 적용을 위해 용담시험유역에서 ...

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    In this study, a criteria for the SWAT model calibration method in SWAT-CUP which considers multi-site and multi-variable observations was presented. For its application, the SWAT model was simulated using long-term observed flow, soil moisture, and evapotranspiration data in Yongdam study watershed, investigating the hydrological runoff characteristics and water balance in the water cycle analysis. The model was calibrated with different parameter values for each sub-watershed in order to reflect the characteristics of multiple observations through one-by-one calibration, appropriate settings of model simulation run/iteration number (1,000 simulation runs in the first iteration and then 500 simulation runs for the following iterations), and executions of partial and all run in SWAT-CUP. The flow simulation results of watershed outlet point, ENS 0.85, R2 0.87, and PBIAS -7.6%, were compared with the analysis results (ENS 0.52, R2 0.54, and PBIAS -22.4%) applied in the other batch (i.e., non one-by-one) calibration approach and showed better performances of proposed method. From the simulation results of a total of 15 years, it was found that the total runoff (streamflow) and evapotranspiration rates from precipitation are 53 and 39%, and the ratio of surface runoff and baseflow (i.e., sum of lateral and return flow, and recharge deep aquifer) are 35 and 65%, respectively, in Yongdam watershed. In addition, the analytical amount of available water (i.e., water yield), including the total annual streamflow (daily average 21.8 m3/sec) is 6.96 billion m3 per year (about 540 to 900 mm for sub-watersheds).


    본 연구에서는 SWAT-CUP을 이용한 SWAT 모형의 검·보정 과정에서 다중 관측 지점 및 변수를 고려한 분석의 기준을 제시하였으며, 이의 적용을 위해 용담시험유역에서 장기 관측된 유량, 토양수분량, 그리고 증발산량을 활용한 모의수행 및 유역의 수문 유출특성과 물순환 관점의 물수지를 검토하였다. 모형은 유역 내 다중 관측 자료의 특성을 반영할 수 있도록 순차적 보정 방법과 SWAT-CUP에서의 최적 매개변수 값 산정을 위한 모의 실행 및 반복 횟수 설정(초기 1,000회 모의 실행, 이후 500회 모의 반복), 그리고 전체 및 부분 수행 등을 통해 소유역별 각기 다른 매개변수 값으로 보정하였으며(유역출구 유량 ENS 0.85, R 2 0.87, 그리고 PBIAS –7.6%), 이를 유역출구 지점에 대해 순차적이 아닌 일괄 적용한 분석결과(ENS 0.52, R 2 0.54, 그리고 PBIAS –22.4%)와 비교하여 그 방법상의 우위를 확인하였다. 총 15개년의 모의 결과로부터 용담댐 유역의 직접유출은 35%, 기저 및 중간유출과 회귀유량을 합한 값은 65%로 전체 유출률은 53%이며, 증발산량은 전체 강우의 39%에 상당하는 양이 발생하는 것을 파악할 수 있었으며, 아울러 소유역별 연간 총 유출량(일평균 21.8 m3/sec) 등을 포함한 물이용 가능 수량은 연간 총 6.96억 m3으로 소유역별로는 약 540 ~ 900 mm로 분석되었다.

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    December 2020
  • Research Article

    Very short-term rainfall prediction based on radar image learning using deep neural network

    심층신경망을 이용한 레이더 영상 학습 기반 초단시간 강우예측

    Yoon, Seongsim, Park, Heeseong, Shin, Hongjoon

    윤성심, 박희성, 신홍준

    This study applied deep convolution neural network based on U-Net and SegNet using long period weather radar data to very short-term rainfall ...

    본 연구에서는 강우예측을 위해 U-Net과 SegNet에 기반한 합성곱 신경망 네트워크 구조에 장기간의 국내 기상레이더 자료를 활용하여 심층학습 기반의 강우예측을 수행하였다. 또한, 기존 ...

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    This study applied deep convolution neural network based on U-Net and SegNet using long period weather radar data to very short-term rainfall prediction. And the results were compared and evaluated with the translation model. For training and validation of deep neural network, Mt. Gwanak and Mt. Gwangdeoksan radar data were collected from 2010 to 2016 and converted to a gray-scale image file in an HDF5 format with a 1km spatial resolution. The deep neural network model was trained to predict precipitation after 10 minutes by using the four consecutive radar image data, and the recursive method of repeating forecasts was applied to carry out lead time 60 minutes with the pre-trained deep neural network model. To evaluate the performance of deep neural network prediction model, 24 rain cases in 2017 were forecast for rainfall up to 60 minutes in advance. As a result of evaluating the predicted performance by calculating the mean absolute error (MAE) and critical success index (CSI) at the threshold of 0.1, 1, and 5 mm/hr, the deep neural network model showed better performance in the case of rainfall threshold of 0.1, 1 mm/hr in terms of MAE, and showed better performance than the translation model for lead time 50 minutes in terms of CSI. In particular, although the deep neural network prediction model performed generally better than the translation model for weak rainfall of 5 mm/hr or less, the deep neural network prediction model had limitations in predicting distinct precipitation characteristics of high intensity as a result of the evaluation of threshold of 5 mm/hr. The longer lead time, the spatial smoothness increase with lead time thereby reducing the accuracy of rainfall prediction The translation model turned out to be superior in predicting the exceedance of higher intensity thresholds (> 5 mm/hr) because it preserves distinct precipitation characteristics, but the rainfall position tends to shift incorrectly. This study are expected to be helpful for the improvement of radar rainfall prediction model using deep neural networks in the future. In addition, the massive weather radar data established in this study will be provided through open repositories for future use in subsequent studies.


    본 연구에서는 강우예측을 위해 U-Net과 SegNet에 기반한 합성곱 신경망 네트워크 구조에 장기간의 국내 기상레이더 자료를 활용하여 심층학습 기반의 강우예측을 수행하였다. 또한, 기존 외삽기반의 강우예측 기법인 이류모델의 결과와 비교 평가하였다. 심층신경망의 학습 및 검정을 위해 2010부터 2016년 동안의 기상청 관악산과 광덕산 레이더의 원자료를 수집, 1 km 공간해상도를 갖는 480 × 480의 픽셀의 회색조 영상으로 변환하여 HDF5 형태의 데이터를 구축하였다. 구축된 데이터로 30분 전부터 현재까지 10분 간격의 연속된 레이더 영상 4개를 이용하여 10분 후의 강수량을 예측하도록 심층신경망 모델을 학습하였으며, 학습된 심층신경망 모델로 60분의 선행예측을 수행하기 위해 예측값을 반복 사용하는 재귀적 방식을 적용하였다. 심층신경망 예측모델의 성능 평가를 위해 2017년에 발생한 24개의 호우사례에 대해 선행 60분까지 강우예측을 수행하였다. 임계강우강도 0.1, 1, 5 mm/hr에서 평균절대오차와 임계성공지수를 산정하여 예측성능을 평가한 결과, 강우강도 임계 값 0.1, 1 mm/hr의 경우 MAE는 60분 선행예측까지, CSI는 선행예측 50분까지 참조 예측모델인 이류모델이 보다 우수한 성능을 보였다. 특히, 5 mm/hr 이하의 약한 강우에 대해서는 심층신경망 예측모델이 이류모델보다 대체적으로 좋은 성능을 보였지만, 5 mm/hr의 임계 값에 대한 평가결과 심층신경망 예측모델은 고강도의 뚜렷한 강수 특징을 예측하는 데 한계가 있었다. 심층신경망 예측모델은 예측시간이 길어질수록 공간 평활화되는 경향이 뚜렷해지며, 이로 인해 강우 예측의 정확도가 저하되었다. 이류모델은 뚜렷한 강수 특성을 보존하기 때문에 강한 강도 (> 5 mm/hr)에 대해 심층신경망 예측모델을 능가하지만, 강우 위치가 잘못 이동하는 경향이 있다. 본 연구결과는 이후 심층신경망을 이용한 레이더 강우 예측기술의 개발과 개선에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 구축한 대용량 기상레이더 자료는 향후 후속연구에 활용될 수 있도록 개방형 저장소를 통해 제공될 예정이다.

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    December 2020
  • Research Article

    Accuracy evaluation of threshold rainfall impacting pedestrian using ROC

    ROC를 이용한 보행에 영향을 미치는 한계강우량의 정확도 평가

    Choo, Kyungsu, Kang, Dongho, Kim, Byungsik

    추경수, 강동호, 김병식

    Recently, as local heavy rains occur frequently in a short period of time, economic and social impacts are increasing beyond the simple ...

    최근 단기간의 국지성호우가 빈번하게 발생하면서 단순 1차적 피해를 넘어 경제적, 사회적 영향이 커지고 있다. 기상선진국에서는 단순 기상예보로서의 정보전달이 아닌 사회 경제적 영향을 ...

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    Recently, as local heavy rains occur frequently in a short period of time, economic and social impacts are increasing beyond the simple primary damage. In advanced meteorologically advanced countries, realistic and reliable impact forecasts are conducted by analyzing socio-economic impacts, not information transmission as simple weather forecasts. In this paper, the degree of flooding was derived using the Spatial Runoff Assessment Tool (S-RAT) and FLO-2D models to calculate the threshold rainfall that can affect human walking, and the threshold rainfall of the concept of Grid to Grid (G2G) was calculated. In addition, although it was used a lot in the medical field in the past, a quantitative accuracy analysis was performed through the ROC analysis technique, which is widely used in natural phenomena such as drought or flood and machine learning. As a result of the analysis, the results of the time period similar to that of the actual and simulated immersion were obtained, and as a result of the ROC (Receiver Operating Characteristic) curve, the adequacy of the fair stage was secured with more than 0.7.


    최근 단기간의 국지성호우가 빈번하게 발생하면서 단순 1차적 피해를 넘어 경제적, 사회적 영향이 커지고 있다. 기상선진국에서는 단순 기상예보로서의 정보전달이 아닌 사회 경제적 영향을 분석하여 현실적이고 신뢰할 수 있는 영향예보를 실시하고 있다. 본 논문에서는 사람의 보행에 영향을 미칠 수 있는 영향한계강우량을 산정하기 위해서 Spatial Runoff Assessment Tool (S-RAT), FLO-2D 모델을 사용하여 침수정도를 도출하였고 Grid to Grid (G2G)개념의 한계강우량을 산정하였다. 또한, 과거 의학 분야에서 많이 사용하였지만 현재는 가뭄이나 홍수 등의 자연현상 및 머신러닝에 많이 사용하는 ROC 분석 기법을 통해 정량적인 정확도분석을 실시하였다. 분석 결과 실제 침수와 모의 침수가 비슷한 시간대의 결과가 나왔으며 ROC 곡선의 결과 0.7이상으로 Fair 단계의 적정성을 확보하였다.

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    December 2020
  • Research Article

    Development and application of the estimation method of flood damage in the ungauged basin using satellite data

    위성자료를 활용한 미계측유역의 홍수피해액 추산기법 개발 및 적용

    Yeom, Woong-Sun, Park, Dong-Hyeok, Ahn, Jaehyun

    염웅선, 박동혁, 안재현

    Economic analysis is a basic step in establishing disaster mitigation measures, but it is difficult to verify the results due to uncertainty ...

    치수 관련 사업이나 재해대책 수립의 기초 단계인 경제성 평가는 미래에 발생할 가능성이 있는 홍수로 인한 피해액을 예측하는 중요한 과정이지만, 결과를 검증하는데 어려움이 ...

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    Economic analysis is a basic step in establishing disaster mitigation measures, but it is difficult to verify the results due to uncertainty. Therefore, the scope of investigation and analysis is wide. However, it is difficult to predict the amount of damage caused by flooding because the collection of relevant data is limited in the ungauged basin. In this study, distributed runoff analysis and flooding analysis were performed, and a method of estimating the amount of flood damage in the ungauged basin was proposed using collectible social and economic indicators and flood analysis results. For distributed runoff analysis and flooding analysis, GRM (Grid based Rainfall-runoff Model) and G2D (Grid based 2-Dimensional land surface flood model) developed by Korea Institute of Civil engineering and Building Technology were used. The method of substituting collectible social and economic indicators into the simple method and improvement method was used to estimate the amount of flood damage. As a result of the study, it was possible to estimate the amount of flood damage using satellite data and social and economic indicators in the ungauged basin.


    치수 관련 사업이나 재해대책 수립의 기초 단계인 경제성 평가는 미래에 발생할 가능성이 있는 홍수로 인한 피해액을 예측하는 중요한 과정이지만, 결과를 검증하는데 어려움이 있다. 따라서 정확한 피해액을 예측하기 위해서는 공학적 측면과 경제적 측면을 모두 고려하여야 하므로, 조사·분석의 범위가 매우 넓다. 그러나 미계측유역은 관련 자료의 수집에 제한이 있어 홍수로 인한 경제적 손실규모를 예측하는 데 어려움이 있으며, 관련 연구 또한 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 위성자료 기반의 분포형 유출 및 침수해석 모형을 활용하여 미계측유역인 대동강유역 내 평양시에 대한 침수해석을 수행하였으며, 수집 가능한 사회·경제지표와 침수해석 결과를 종합하여 홍수피해액을 추산하는 방법론을 제시하였다. 분포형 유출해석과 침수해석 모형은 한국건설기술연구원에서 개발한 GRM (Grid based Rainfall-runoff Model)과 G2D (Grid based 2-Dimensional land surface flood model)를 활용하였으며, 홍수피해액은 간편법과 개선법의 방법론에 수집 가능한 사회·경제지표를 대입하는 형식으로 추산하였다. 연구 결과 미계측유역의 위성자료와 사회·경제지표를 기존의 방법론에 대입한 홍수피해액 추산이 가능하였으며, 추후 자료 수집 기술의 발달로 사용 가능한 자료의 종류와 범위가 넓어지면 자료의 구득이 어려운 타 지역에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

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    December 2020
  • Research Article

    A study on estimation of lowflow indices in ungauged basin using multiple regression

    다중회귀분석을 이용한 미계측 유역의 갈수지수 산정에 관한 연구

    Lim, Ga Kyun, Jeung, Se Jin, Kim, Byung Sik, Chae, Soo Kwon

    임가균, 정세진, 김병식, 채수권

    This study aims to develop a regression model that estimates a low-flow index that can be applied to ungauged basins. A total ...

    본 논문에서는 미계측 유역에 적용할 수 있는 갈수지수 산정 회귀모형을 개발하고자 하였다. 30개의 중권역 유역을 대상으로 국가수자원종합관리시스템에서 제공하는 장기유출자료를 이용하여 평균 갈수량과 ...

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    This study aims to develop a regression model that estimates a low-flow index that can be applied to ungauged basins. A total of 30 midsized basins in South Korea use long-term runoff data provided by the National Integrated Water Management System (NIWMS) to calculate average low-flow, average minimum streamflow, and low-flow index duration and frequency. This information is used in the correlation analysis with 18 basin factors and 3 climate change factors to identify the basin area, average basin altitude, average basin slope, water system density, runoff curve number, annual evapotranspiration, and annual precipitation in the low-flow index regression model. This study evaluates the model’s accuracy by using the root-mean-square error (RMSE) and the mean absolute error (MAE) for 10 ungauged, verified basins and compares them with the previous model’s low-flow calculations to determine the effectiveness of the newly developed model. Comparative analysis indicates that the new regression model produces average low-flow, attributed to the consideration of varied basin and hydrologic factors during the new model’s development.


    본 논문에서는 미계측 유역에 적용할 수 있는 갈수지수 산정 회귀모형을 개발하고자 하였다. 30개의 중권역 유역을 대상으로 국가수자원종합관리시스템에서 제공하는 장기유출자료를 이용하여 평균 갈수량과 평균 저수량, 지속기간별 빈도별 갈수지수를 산정하였으며 이를 유역특성인자 18개와 기상특성인자 3개와의 상관 분석을 통하여 최종적으로 유역면적(A), 유역 평균 표고(H), 유역 평균 경사(S), 수계밀도(D), 유출곡선지수(CN), 연증발산량(ET), 연강수량(P)을 선정하여 다중회귀분석을 수행하여 갈수지수 회귀모형을 개발하였다. 개발된 회귀모형을 평가하기 위하여 10개의 검증유역을 미계측 유역으로 간주하여 평균제곱근오차(RMSE) 와 평균절대오차(MAE)를 이용하여 정확도를 추정하였다. 또한 기존의 평균갈수량 산정 회귀모형과의 비교를 통하여 본 논문에서 개발한 모형의 우수성을 검토하였다.

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    December 2020
  • Research Article

    Drought evaluation using unstructured data: a case study for Boryeong area

    비정형 데이터를 활용한 가뭄평가 - 보령지역을 중심으로 -

    Jung, Jinhong, Park, Dong-Hyeok, Ahn, Jaehyun

    정진홍, 박동혁, 안재현

    Drought is caused by a combination of various hydrological or meteorological factor, so it is difficult to accurately assess drought event, but ...

    가뭄은 다양한 수문학적 또는 기상학적 인자들이 복합적으로 작용하여 발생하기 때문에 가뭄의 사상을 정확히 평가하는 것은 어려운 일이나, 이를 정량적으로 해석하기 위해 다양한 ...

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    Drought is caused by a combination of various hydrological or meteorological factor, so it is difficult to accurately assess drought event, but various drought indices have been developed to interpret them quantitatively. However, the drought indexes currently being used are calculated from the lack of a single variable, which is a problem that does not accurately determine the drought event caused by complex causes. Shortage of a single variable may not be a drought, but it is judged to be a drought. On the other hand, research on developing indices using unstructured data, which is widely used in big data analysis, is being carried out in other fields and proven to be superior. Therefore, in this study, we intend to calculate the drought index by combining unstructured data (news data) with weather and hydrologic information (rainfall and dam inflow) that are being used for the existing drought index, and to evaluate the utilization of drought interpretation through verification of the calculated drought index. The Clayton Copula function was used to calculate the joint drought index, and the parameter estimation was used by the calibration method. The analysis showed that the drought index, which combines unstructured data, properly expresses the drought period compared to the existing drought index (SPI, SDI). In addition, ROC scores were calculated higher than existing drought indices, making them more useful in drought interpretation. The joint drought index calculated in this study is considered highly useful in that it complements the analytical limits of the existing single variable drought index and provides excellent utilization of the drought index using unstructured data.


    가뭄은 다양한 수문학적 또는 기상학적 인자들이 복합적으로 작용하여 발생하기 때문에 가뭄의 사상을 정확히 평가하는 것은 어려운 일이나, 이를 정량적으로 해석하기 위해 다양한 가뭄지수들이 개발되어 왔다. 하지만 현재 활용중인 가뭄지수들은 단일변량의 부족량을 통해 산정되며, 복합적인 원인으로 발생하는 가뭄의 사상을 정확히 판단하지 못하는 문제가 있다. 단순 단일변량의 부족을 가뭄이라고 판단하기는 어렵기 때문이다. 최근에는 빅데이터 분석에서 많이 활용되고 있는 비정형 데이터를 활용하여 지수를 개발하는 연구들이 타 분야에서 진행되고 있으며 우수성이 입증되고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 가뭄지수에 활용 중인 기상 및 수문정보(강수량, 댐 유입량)에 각각 비정형 데이터(뉴스데이터)를 결합하여 가뭄지수를 산정하고, 산정된 가뭄지수의 검증을 통해 가뭄해석의 활용성을 평가하고자 한다. 결합가뭄지수 산정을 위해 Clayton Copula 함수를 활용하였으며, 매개변수 추정은 교정방법을 이용하였다. 분석결과, 기존의 가뭄지수(SPI, SDI)보다 비정형 데이터를 결합한 가뭄지수가 가뭄기간을 적절히 재현하는 것으로 나타났다. 또한 Receiver Operating Characteristic (ROC) score가 기존의 가뭄지수들보다 높게 산정되어 가뭄해석에 있어 활용성이 우수하였다. 본 연구에서 산정된 결합가뭄지수는 기존 단일변량 가뭄지수의 해석적 한계를 보완하고 비정형데이터를 활용한 가뭄지수의 활용성이 우수하다는 점에서 활용성이 높다고 판단된다.

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    December 2020
  • Research Article

    Bright band detection using X-band polarimetric radar

    X-밴드 이중편파 레이더에 의한 밝은 띠 탐지

    Lee, Dong-ryul, Jang, Bong-joo, Hwang, Seok Hwan, Noh, Hui-seong

    이동률, 장봉주, 황석환, 노희성

    This research detects the features of the bright band (BB) through analysis of the vertical profile of range height indicator (RHI) and ...

    본 연구에서는 소형 X-밴드 이중편파 레이더의 수평반사도 (ZH), 차등반사도(ZDR), 교차상관계수(ρHV)의 RHI(range height indicator) 연직단면과 PPI (plan ...

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    This research detects the features of the bright band (BB) through analysis of the vertical profile of range height indicator (RHI) and the slant range beam profile of plane position indicator (PPI) of the polarimetric radar measurements-horizontal reflectivity (ZH), differential reflectivity (ZDR), and cross-correlation coefficient (ρHV). As a result of the analysis, it is possible to clearly detect the bright band using the polarimetric radar measurements, and it is confirmed that the result is consistent by double searching for the BB using the RHI and PPI scan data at the same time. Based on these results, the accuracy of QPE (quantification of precipitation estimation) can be improved by applying the BB search method by the PPI slant range in this research to large rainfall radars that only scan PPI volumes in the field without RHI observations.


    본 연구에서는 소형 X-밴드 이중편파 레이더의 수평반사도 (ZH), 차등반사도(ZDR), 교차상관계수(ρHV)의 RHI(range height indicator) 연직단면과 PPI (plan position indicator)의 고도각 경사거리(slant range) 빔의 프로파일 분석을 통하여 밝은 띠(bright band, BB)의 특성을 탐색하였다. 분석 결과, X-밴드 레이더의 이중편파 변수들을 이용하여 밝은 띠 영역을 명확히 탐지할 수 있었으며, 동시간대의 RHI 및 PPI 관측 자료를 이용한 이중적인 밝은 띠 영역을 탐색하여 그 결과가 일치함을 확인하였다. 이 결과를 토대로 현업에서 RHI 관측없이 PPI 볼륨관측만 수행하는 대형 강우레이더에도 본 연구의 PPI 고도각 경사거리에 의한 BB 탐색 방법을 적용함으로써 QPE (quantification of precipitation estimation)의 정확성을 향상시킬 수 있다.

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    December 2020