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확률론적 홍수예측 정확도에 대한 상관 앙상블 시나리오의 효과 분석 : Effects of Correlated Ensemble Scenarios on Accuracy of Probabilistic Flood Forecasting

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Authors

서영호

Advisor
김영오
Major
공과대학 건설환경공학부
Issue Date
2014-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
앙상블 유량예측상관성다변량 상관 난수 생성유효 앙상블 시나리오 수Brier score
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 건설환경공학부, 2014. 2. 김영오.
Abstract
전 세계적으로 홍수예측 시스템 분야에서 확정적인 예측보다는 앙상블 예측 시스템(Ensemble Prediction System, EPS)에 대한 연구가 증가하고 있다(Cloke and Pappenberger, 2009). 또한 수문학 분야에서 이를 이용하여 유량예측을 하는 앙상블 유량예측(Ensemble Streamflow Prediction, ESP)에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 발생 확률의 범위를 표현하기 위해서 확률예측이 가지는 전체 불확실성을 분석할 필요가 있으며, 이를 위하여 많은 불확실성 분석 연구가 진행되어왔다.
많은 앙상블 예측 시스템들은 동등한 확률을 가지는 앙상블 멤버로 구성되도록 설계되어 있다(Cloke and Pappenberger, 2009). 따라서 발생 확률의 범위를 표현하기 위하여 적절한 수의 앙상블 시나리오가 설정되어야 한다. 하지만 확률 홍수예측을 위하여 적정한 수의 시나리오를 결정하는 것은 어려운 일이며, 여러 연구가 진행되었으나 적절한 앙상블 시나리오 수에 대한 합의점을 보여주지 못하고 있다.
또한 앙상블 시나리오들이 동등한 확률을 가진다는 것은 시나리오 간 독립성을 가정하고 있음을 의미한다. 앙상블 시나리오 간 상관성이 존재하여 불확실성이 증가되고 신뢰성이 감소될 수 있다. 하지만 앙상블 시나리오 간 상관성이 미치는 영향에 대한 연구는 검토가 되지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 시나리오 간 상관성 정도와 시나리오 수가 예측에 미치는 영향을 분석하였다. 여기서 분석의 일반화를 위하여 각 시나리오가 표준정규분포를 따른다고 가정하였다. 앙상블 간 상관계수는 0부터 0.9까지 6가지, 그리고 앙상블 시나리오 개수는 3부터 100까지 10가지로 설정하였다. 이를 이용하여 다변량 상관 난수를 생성하여 상관 앙상블(correlated ensemble)로 사용하였다. 그리고 정확도를 조정하여 관측값을 생성한 뒤 홍수예측의 정확도별로 구분하여 시나리오 간 상관성과 개수가 미치는 효과를 분석하였다.
예측 정확도 분석을 위해 확률적 예측 평가방법인 브라이어 스코어(Brier Score, BS)와 확정적 예측 평가방법인 (squared dispersion)와 SE(Squared Error) 사용하여 결과를 분석하였다. 정확도가 높지 못한 경우에 상관계수가 작을수록 BS값이 작은 것을 확인할 수 있다. 반대로 정확도가 높은 경우에는 상관계수가 작을 경우에 BS값이 큰 것을 확인하였다. 따라서 정확한 유량예측을 하기 어려운 경우에는 시나리오 간 독립성이 보장되고 시나리오 수가 많을수록 앙상블 예측이 효과적임을 알 수 있었다. 이와 반대로 정확한 유량예측을 수행할 수 있는 경우에는 전자에 비하여 앙상블 예측의 효율성이 저하되었다. 또한 앙상블 시나리오 수의 증가가 예측의 정확도를 낮출 가능성이 있음을 확인하였다.
BS를 사용하여 앙상블 예측 시스템이 효과적으로 향상되는 앙상블 멤버 수를 찾으려고 하였다. 유효 앙상블 시나리오 수는 적절한 예측의 정확도를 가지는 최소한의 시나리오 수로 정의하였다. 유효 앙상블 시나리오 수를 제시하기 위하여 2가지 방법을 사용하였다. 첫 번째 방법은 BS의 최대값으로부터 BS가 90% 향상된 지점의 시나리오 수를 추정하였다. 그리고 두 번째 방법은 각 구간의 BS 기울기를 구하여 최대 기울기의 5% 구간을 탐색하였다. 그 결과 앙상블이 시나리오 수 증가와 함께 정확도가 높아지는 경우 20∼25개가 적합하다는 결과를 얻을 수 있었다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/124241
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