강우강도에 따른 강우에너지와 강우입자크기분포 변화 : 대전지역을 사례로

Abstract

다양한 강우강도에서의 강우에너지와 강우입자크기분포 변화에 대한 평가를 수행하고자, 대전광역시 유성구 가정동에 위치한 한국지질자원연구원에 laser-optical disdrometer를 설치하여 2010년 1월에서 9월까지의 강우입자 크기분포와 속도분포를 측정하였다. 기록된 값 중 강수량이 3㎜ 이상인 강우사상만을 선택한 결과 총 17번의 강우사상을 대상으로 하였다. 강우강도에 따라 강우입자의 크기분포와 속도분포가 달라지게 되므로 강우강도에 따라 강우에너지는 다르게 나타난다. 도출된 강우강도와 운동에너지 사이의 관계식은 온대기후 지역의 관계식에 가깝고, 높은 강우강도에서의 운동에너지 함유량(KE) 값은 다른 온대기후에서의 추정치보다 작게 나타났다. 토양침식에 있어서는 낮은 강도의 운동에너지보다 높은 강도의 운동에너지가 더 중요하기 때문에, 높은 강우강도 데이터에 특히 적합한 지수 모형을 사용하는 것이 대수모형을 사용하는 것보다 더 적절하다. 한편, 관측된 강우입자의 크기분포는 강우사상 별로 다양하게 나타났으나, 전반적으로 강우강도가 높은 강우사상에서 지배적인 강우입자의 크기가 큰 쪽의 비율이 높게 나타났다. 또한 강우강도가 증가함에 따라 D50이 함께 커지는 경향을 보였으나, 70㎜/h 이상의 강우강도에서는 D50이 더 이상 증가하지 않고 안정된 값을 보였다. 이처럼 강우입자의 크기분포는 강우강도에 큰 영향을 받으며 지수형태에 가깝게 표현되는데, 가장 널리 사용되는 Marshall and Palmer (1948)의 모형과 강우입자의 크기분포를 비교한 결과 강우 강도가 높은 경우에는 관측치와 추정치의 차이가 상당하여 적용에 무리가 있었다. 따라서 확인된 과대산정 문제를 보완•보정하고 우리나라에 보다 잘 맞는 모형을 개발할 필요가 있어, 본 연구에서는 Ulbrich(1983)의 감마분포모형을 따라 식을 제안하였다. 제안된 식은 높은 강우강도에서의 강우입자크기분포를 잘 반영하고 있으나, 강우 입자직경이 3㎜ 보다 큰 범위에서는 다소 과대 추정하는 경향을 보였다. 따라서 강우입자크기분포를 모형으로 추정할 시에는 입자직경 3㎜ 이상에서 Ulbrich와 Marshall and Palmer 모형을 각각 상하위 한계범위로서 활용하는 것을 제안한다. 무엇보다도 이러한 강우특성에 대한 검토는 기후변화에 수반되는 지형형성작용의 변화를 이해하는 데에 기본적으로 요구되는 과정이기 때문에, 꾸준히 데이터가 누적된다면 토양침식 프로세스를 이해하는 데에 크게 기여할 것으로 예상된다.

To evaluate the kinetic energy and the size distribution of the raindrops under various rainfall intensities, the terminal velocity of the raindrops and the drop size distribution had been measured from January to September 2010 using the laser-optical disdrometer in KIGAM, Daejeon, Korea. After the process of picking out the events over 3㎜ of rainfall amount, 17 rainfall events are chosen to be studied. The kinetic energy of the raindrops is influenced by rainfall intensity, since rainfall intensity affects size and velocity distribution of the raindrops. The relationships between kinetic energies(KE, Jm-2㎜-1; KER, Jm-2h-1) and rainfall intensity are derived, respectively. The relationship between KE and rainfall intensity is proved to be similar to the temperate climate zones relationship, however, KE values at high rainfall intensities are less than the other estimates in the temperate climate zone. As the KE values at higher rainfall intensities are more important to soil loss than the one at lower rainfall intensities, the exponential relationship, which has an advantage to predict the KE values at higher rainfall intensities, between KE and rainfall intensity is more suitable than the logarithmic relationship. Generally as rainfall intensity rises, the predominant drop size becomes larger and median drop size, D50, also increases. Nevertheless, the value of D50 is stabilized for rainfall intensities over 70㎜/h. Being compared with the observed distribution, Marshall and Palmer model(1948), one of the most widely used model, overestimates the number of drops less than 2㎜ in diameter and is limited to apply to the case region. Due to this reason, the best fit based on Ulbrich (1983)s gamma distribution is suggested. The newly proposed relation is fitted to the raindrop size distribution at higher rainfall intensities, yet the relation tends to overestimate the number of drops larger than 3㎜ in diameter. Therefore, I suggest that Ulbrich(1983) and Marshall and Palmer (1948) model are proper to estimate the raindrop size distribution over 3㎜ in diameter as the upper limit and lower limit of the number of drops respectively. Most of all, monitoring and analyzing the rainfall characteristics are necessary for understanding the changes of geomorphic processes accompanied with climate change. Thus, it is worthwhile to keep accumulating and examining these data to comprehend the changes of soil erosion at Earth's surface.