• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.38 no.2
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• pp.249-259
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• 2018

More than half of annual rainfall occurs in summer season in Korea due to its climate condition and geographical location. A frequency analysis is mostly adopted for designing hydraulic structure under the such concentrated rainfall condition. Among the various distributions, univariate Gumbel distribution has been routinely used for rainfall frequency analysis in Korea. However, the distributional changes in extreme rainfall have been globally observed including Korea. More specifically, the univariate Gumbel distribution based rainfall frequency analysis is often fail to describe multimodal behaviors which are mainly influenced by distinct climate conditions during the wet season. In this context, we purposed a Gumbel mixture distribution based rainfall frequency analysis with a Bayesian framework, and further the results were compared to that of the univariate. It was found that the proposed model showed better performance in describing underlying distributions, leading to the lower Bayesian information criterion (BIC) values. The mixed Gumbel distribution was more robust for describing the upper tail of the distribution which playes a crucial role in estimating more reliable estimates of design rainfall uncertainty occurred by peak of upper tail than single Gumbel distribution. Therefore, it can be concluded that the mixed Gumbel distribution is more compatible for extreme frequency analysis rainfall data with two or more peaks on its distribution.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.312-312
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• 2018

우리나라의 기후 지형적 특성에 따라 연강수량의 50% 이상이 여름철에 내리며 이러한 짧은 기간에 집중적으로 내리는 강수패턴 조건하에서 수공구조물 설계시 대부분 극치빈도분석을 활용한다. 우리나라의 경우 단일 Gumbel 분포를 활용한 극치빈도분석을 많이 이용한다. 하지만, 최근 이상기후로 인하여 전세계적으로 강수패턴의 특징이 급격히 변하고 있으며, 우리나라의 강수패턴 또한 바뀌어가고 있다. 연강수량의 대부분은 태풍과 장마로 인한 강수량으로 이루어져 있고, 일반적으로 두 개의 모집단으로 이루어진 형태를 보인다. 앞선 연구에서 두 개 이상의 첨두를 가지는 형태의 연최대강수량 자료에 대해 8개의 지속시간별(1, 2, 3, 6, 9, 12, 18, 24hr)로 Bayesian 기법의 단일 Gumbel 분포형과 혼합 Gumbel분포형 기반의 극치빈도분석 결과를 비교하였고, 혼합 Gumbel 분포형이 이중첨두 부분의 거동을 효과적으로 모의하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 이상기후로 인한 강수량의 특징의 급격한 변화에 일정한 패턴이 있음을 가정하고 이중첨두의 연 최대일강수량 자료에 대해 혼합 Gumbel 분포형 기반 비정상성 빈도분석을 실시하였다. 정상성 빈도분석과의 비교를 위해 확률분포의 매개변수 산정시 우도함수를 Bayesian 기법을 통해 산정하여 각 분포형의 Bayesian information criterion(BIC) 값을 비교하였다. 비정상성일 경우의 BIC 값이 정상성일 경우 보다 작게 산정되었고, 강수패턴이 경향성을 가지는 것으로 판단할 수 있었다. 비정상성 혼합 Gumbel 분포형 모델은 최근 급격한 강수패턴의 변화에 대한 대응책으로서 활용성이 높을 것으로 기대된다.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2011.02a
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• pp.45-45
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• 2011

우리나라는 전체 강수량 중 절반 이상이 여름철에 집중되어 있으며, 그 중 전선형 강우와 같은 장마/집중호우와 저기압형 강우인 태풍이 동반하는 강우로 나뉠 수 있다. 태풍은 북태평양 부근에서 발생하며 중심 최대풍속이 17m/s 이상이며 폭풍우를 동반하는 열대성 저기압으로 정의된다. 태풍 관측 이래 우리나라에 영향을 준 태풍은 총 324개 이며, 연평균 3.1개가 영향을 미치고 있다. 태풍은 2010년 콤파스와 뎬무와 같이 많은 피해를 주기도 하지만 2009년과 같이 우리나라에 내습한 태풍이 없는 해도 있다. 이와 같이 태풍은 매 년 일정하게 내습을 하거나 영향을 미치지 않으며 무작위적으로 발생한다. 태풍의 발생확률은 설계강우량에 영향을 미치므로 이를 고려한 설계강우량 산정방법이 필요하며 태풍이 내습한 기간 중 가장 많은 강수량이 연최대치강우와 같아지는 횟수를 전체 자료기간으로 나눈 값을 발생확률로 설정하였다. 본 연구에서는 연최대치강우계열에서 태풍으로 인한 강우와 집중호우에 의한 강우로 분리하여 빈도해석을 실시하여 설계강우량을 산정하였다. 단일 모집단 분포를 이용하는 기존의 빈도해석 방법을 보완할 수 있는 혼합 분포함수를 이용하였다. 적용된 혼합 Gumbel 분포로 태풍 강우를 고려할 시 설계강우량의 변화율 살펴보았다. 대상 지점으로는 기상청에서 제공하고 1961년부터 강우량 자료가 존재하는 15개 지점을 대상으로 연구를 수행하였다. 그 결과 대구, 울산을 포함한 9개 지점에서 기존의 설계강우량에 비해 증가하였으며, 부산과 광주를 포함한 6개 지점에서 새롭게 추정된 설계강우량이 기존 값 보다 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.52 no.11
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• pp.895-904
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• 2019

It has been well recognized that extreme rainfall process often features a nonstationary behavior, which may not be effectively modeled within a stationary frequency modeling framework. Moreover, extreme rainfall events are often described by a two (or more)-component mixture distribution which can be attributed to the distinct rainfall patterns associated with summer monsoons and tropical cyclones. In this perspective, this study explores a Mixture Distribution based Nonstationary Frequency (MDNF) model in a changing rainfall patterns within a Bayesian framework. Subsequently, the MDNF model can effectively account for the time-varying moments (e.g. location parameter) of the Gumbel distribution in a two (or more)-component mixture distribution. The performance of the MDNF model was evaluated by various statistical measures, compared with frequency model based on both stationary and nonstationary mixture distributions. A comparison of the results highlighted that the MDNF model substantially improved the overall performance, confirming the assumption that the extreme rainfall patterns might have a distinct nonstationarity.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.45-45
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• 2017

상이한 자연현상으로 발생된 자료들은 때때로 통계적으로 다른 특성을 가지는 경우가 있다. 이런 자료들은 다른 두 개 이상의 모집단에서 자료가 발생한 것으로 가정할 수 가 있다. 기존에 널리 사용되어온 분포형 모형의 경우 단일한 모집단으로부터 자료가 발생한다는 가정하에서 개발된 모형들로 위에서 언급한 자료들을 적절히 모의할 수 없다. 이런 상이한 모집단에서 발생된 자료를 모형화 하기 위해서 혼합분포모형(mixture distribution)이 개발되었다. 홍수나 가뭄 등과 같은 극치 사상의 경우 다양한 자연현상들로부터 발생하기에 혼합분포모형을 적용할 경우 보다 정확한 모의가 가능하다. 혼합분포모형은 두 개 이상의 비혼합분포모형들을 가중합하여 만들어진다. 혼합 분포모형의 형태로 인하여 기존의 분포형 모형의 매개변수 추정 모형으로 널리 사용되던 최우도법 (maximum likelihood method), 모멘트법(method of moment), 확률가중모멘트법 (probability weighted moment method) 등을 이용하여 혼합분포모형의 매개변수를 추정하는 것이 용이 하지 않다. 혼합분포모형의 매개변수 추정 방법으로는 Expectation-Maximization (EM) 알고리즘, Meta-Heuristic Maximum Likelihood (MHML) 방법, Markov Chain Monte Carlo (MCMC) 방법 등이 적용되고 있다. 현재까지 수자원 분야에서 사용되는 극치 자료를 혼합분포모형을 이용하여 모의할 때 매개변수 추정방법에 따른 특성에 대한 연구가 진행되지 않았다. 본 연구에서는 우리나라 연최대강우량 자료를 이용하여 혼합분포모형의 매개변수 추정방법 (EM 알고리즘, MHML 방법, MCMC 방법) 들의 특성들을 비교 분석하였다. 혼합분포모형으로는 Gumbel-Gumbel 혼합분포 모형을 적용하였다. 본 연구의 결과는 향후 혼합분포모형을 이용한 연구에 좋은 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2004.05b
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• pp.849-853
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• 2004

본 연구에서는 년 최대치 계열을 이용한 빈도분석이 지구온난화의 영향을 반영하기 어렵다는 단점을 극복하기 위한 목적으로 혼합분포의 개념(유철상 등, 2002) 및 GCM 시나리오를 이용하여 향후 10년후에 설계강수량이 어떻게 변할 것인가 대해서 혼합감마분포에 대해서 살펴보았다. 이렇게 추정된 확률강수량의 변화폭$(\%)$은 GUMBEL 년 최대치에 의한 확률강수량에 적용하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다. (1) 혼합감라분포를 이용한 설계강수량 추정치는 GUMBEL 분포를 적용하여 년 최대치 자료를 분석한 결과 유사한 것으로 파악되었다. (2) 혼합감마분포의 매개변수와 우기 강수량간의 상관은 통계학적으로 유의한 것으로 파악되었다. (3) $2{\times}CO_2$ 조건에 대한 5개의 GCM 예측치를 적용한 결과 향후 10년후의 100년 빈도 설계강수량은 현재에 비해 GCM에 따라 천안($-0.011\~0.021\%$ 변동, 평균 $0.005\%$ 증가), 부여($-0.036\~0.078\%$ 변동, 평균 $0.012\%$ 증가), 보령($-0.041\~0.089\%$ 변동, 평균 $0.014\%$ 증가), 서산($-0.040\~0.085\%$ 변동, 평균 $0.013\%$ 증가)를 나타내는 것으로 파악되었다. 이러한 변화는$2{\times}CO_2$ 상황이 50-100년 사이에 도래한다는 일반적인 관측을 고려하면 아주 미미한 결과라 판단된다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.42 no.9
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• pp.725-736
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• 2009

A flood event can be defined by three characteristics; peak discharge, total flood volume, and flood duration, which are correlated each other. However, a conventional flood frequency analysis for the hydrological plan, design, and operation has focused on evaluating only the amount of peak discharge. The interpretation of this univariate flood frequency analysis has a limitation in describing the complex probability behavior of flood events. This study proposed a bivariate flood frequency analysis using a Gumbel mixed model for the flood evaluation. A time series of annual flood events was extracted from observations of inflow to the Soyang River Dam and the Daechung Dam, respectively. The joint probability distribution and return period were derived from the relationship between the amount of peak discharge and the total volume of flood runoff. The applicability of the Gumbel mixed model was tested by comparing the return periods acquired from the proposed bivariate analysis and the conventional univariate analysis.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.45 no.3
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• pp.263-274
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• 2012

Recently, due to various climate variabilities, extreme rainfall events have been occurring all over the world. Extreme rainfall events in Korea mainly result from the summer typhoon storms and the localized convective storms. In order to estimate appropriate quantiles for extreme rainfall, this study considered the probability behavior of daily rainfall from the typhoons and the convective storms which compose the annual maximum rainfalls (AMRs). The conventional rainfall frequency analysis estimates rainfall quantiles based on the assumption that the AMRs are extracted from an identified single population, whereas this study employed a mixed distribution function to incorporate the different statistical characteristics of two types of rainfalls into the hydrologic frequency analysis. Selecting 15 rainfall gauge stations where contain comparatively large number of measurements of daily rainfall, for various return periods, quantiles of daily rainfalls were estimated and analyzed in this study. The results indicate that the mixed Gumbel distribution locally results in significant gains and losses in quantiles. This would provide useful information in designing flood protection systems.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.30 no.3B
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• pp.257-267
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• 2010

A flood event can be characterized by three attributes such as peak discharge, total flood volume, and flood duration, which are correlated each other. However, the amount of peak discharge is only used to evaluate the flood events for the hydrological plan and design. The univariate analysis has a limitation in describing the complex probability behavior of flood events. Thus, the univariate analysis cannot derive satisfying results in flood frequency analysis. This study proposed bivariate flood frequency analysis methods for evaluating flood events considering correlations among attributes of flood events. Parametric distributions such as Gumbel mixed model and bivariate gamma distribution, and a non-parametric model using a bivariate kernel function were introduced in this study. A time series of annual flood events were extracted from observations of inflow to the Soyang River Dam and the Daechung Dam, respectively. The joint probability distributions and return periods were derived from the relationship between the amount of peak discharge and the total volume of flood runoff. Applicabilities of bivariate flood frequency analysis were examined by comparing the return period acquired from the proposed bivariate analyses and the conventional univariate analysis.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.2B
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• pp.155-162
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• 2009

Univariate frequency analyses are widely used in practical hydrologic design. However, a storm event is usually characterized by amount, intensity, and duration of the storm. To fully understand these characteristics and to use them appropriately in hydrologic design, a multivariate statistical approach is necessary. This study applied a Gumbel mixed model to a bivariate storm frequency analysis using hourly rainfall data collected for 46 years at the Seoul rainfall gauge station in Korea. This study estimated bivariate return periods of a storm such as joint return periods and conditional return periods based on the estimation of joint cumulative distribution functions of storm characteristics. These information on statistical behaviors of a storm can be of great usefulness in the analysis and assessment of the risk associated with hydrologic design problems.