Evaluating the Impact of Climate Change and Human Activities on Hydrological Drought extending towards Drought Propagation in Hydrological Cycle

Abstract

Over the last century, an incredible variation was observed in the global climate. The hydrological cycle and its available water resources are greatly influenced by climate change, and the consequences give rise to extreme natural disasters such as droughts. In the context of future global warming due to the increase in greenhouse gases, there is a need to assess how environmental variations are affecting different types of drought, their characteristics, and linkages between drought types. Due to the creeping nature of drought, timely detection and effective monitoring of drought is quite challenging. The primary aim of this dissertation is to develop a methodology to analyze the impact of climate change and human activities on hydrological drought, which is extended by integrating the non-stationary of the hydrological system. Finally, the influence of climate change on the propagation of meteorological drought to hydrological drought was investigated probabilistically. Firstly, we investigated the distinct effects of precipitation, temperature, and human activities on hydrological droughts in five major river basins in South Korea. Change points in the hydrological data were identified after the 1990s in all basins by the sequential Mann-Kendall test. We used two water balance models, the abcd and the GR2M, in this study, and their integration was used for streamflow simulations. We applied the standardized runoff index (SRI) to identify hydrological drought under different data-driven scenarios (climate change, constant temperature with varying precipitation, constant precipitation with varying temperature, and human influence). Natural and anthropogenic variations had a greater effect on drought severity than on drought duration. Variation in precipitation increased streamflow by 12.42%, followed by human activity at 0.71%; while average propagation probability of the extreme state of meteorological drought resulting in severe and extreme conditions of hydrological drought increased by 1.5% and 84%, respectively, under RCP 8.5. We concluded that the propagation probability of meteorological drought into hydrological drought increased significantly under climate change. The methodologies developed in this dissertation are able to quantify the impact of environmental variation on the hydrological drought and the propagation of drought in the hydrological cycle. The findings of this dissertation make it clear that environmental activities (climate change and human activities) are significantly effecting the evolution of drought. These findings will be very useful for drought management decision making and risk assessment under changing environment.; 지난 세기 동안 기후변화로 인하여 전세계적으로 이상기후 현상이 나타나고 있으며, 수자원 및 수문순환에 큰 영향을 미쳐 가뭄과 같은 극한 재해들이 빈번히 발생되고 있다. 이러한 재해에 효율적으로 대처하기 위해, 기후변화로 인한 미래 환경변화가 가뭄 종류, 특징, 가뭄간 연관성에 어떤 영향을 미치는지 평가할 필요가 있다. 그러나 가뭄은 점진적으로 진행되고 시작과 끝을 판단하기가 어렵기 때문에 적절한 가뭄 모니터링이 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 수문학적 가뭄에 미치는 기후변화 및 인간활동의 영향을 분석하는 방법론을 개발하고자 하였으며, 비정상성 상태에서의 환경적 영향을 확인하였다. 마지막으로 기상학적 가뭄에서 수문학적 가뭄으로의 전이에 대한 기후변화의 영향을 확률적으로 분석하였다. 본 연구에서는 5대강 유역의 강수량, 온도 및 인간활동이 수문학적 가뭄에 미치는 영향을 조사하였다. 먼저, Mann-Kendall 검정을 통해 수문 시계열 자료의 변동시점(Change points)을 분석한 결과 모든 유역에서 1990년대 이후에 변동시점이 발생하였다. 본 연구에서는 다양한 기후 시나리오에서 수문학적 가뭄을 정의하기 위해 표준유출지수(SRI)를 적용하였다. 유출량을 시뮬레이션 하기 위하여 두 가지의 물수지 모형(abcd모델 및 GR2M)을 통합하였다. 그 결과 다양한 환경변화는 가뭄 지속기간보다 심도에 더 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 또한, 유출량은 평균적으로 강수량 변화에 의해 12.42% 증가하였으며, 인간활동에 의해서는 0.71% 증가하였고, 온도에 의해 0.7% 감소하였다. 가뭄 심도는 강수량에 의해 41.38% 증가하였고, 인간활동에 의해 15.85% 증가하였으며, 온도에 의해 0.86% 감소하였다. 이에 따라 환경적 요소 중 강수량이 유출량 및 가뭄에 지배적인 요인임을 알 수 있다. 본 연구에서는 비정상성 상태에서 기후변화와 인간활동이 수문학적 가뭄에 미치는 영향을 분석하기 위한 프레임워크를 개발하였다. 유출량 시계열 자료의 변동시점을 확인하기 위해 비선형을 고려한 경험적 접근법을 사용하였으며, 변동시점 전후의 수문기상학적 변수들에 대한 경향성 분석을 실시하였다. 비정상성 표준유출지수(A non-stationary Standardized Runoff Index, 〖SRI〗_NS)는 GAMLSS(Generalized Additive Model for Location, Scale, and Shape) 기법을 사용하여 구축하였으며, 수문학적 가뭄에 대한 기후변화 및 인간활동의 영향은 다양한 시간 척도에서 정량화하였다. 그 결과, 1990년대 이후에서 유출량 자료의 변동시점이 나타났다. 강수량 및 유출량은 모든 유역에서 변동시점 이후에 상당히 감소하였으나, 잠재증발산량은 더 높은 비율로 증가하는 경향이 나타났다. 계절성을 가지는 시계열 자료에서의 기후변화 영향은 겨울 및 봄철에 더욱 크게 나타났으나, 인간활동 영향은 여름 및 가을철에 더 크게 나타났다. 수문학적 가뭄에 대한 기후변화 영향은 장기 시계열 자료에서 지배적인 반면, 인간활동은 12개월 시간 척도에서 1018 및 1019 유역의 경우 각각 25.6%, 20%만이 영향을 주었다. 다양한 가뭄 종류에 대한 기후변화 영향을 분석하기 위해 PGM을 활용하여 기상학적 가뭄에서 수문학적 가뭄으로의 전이 확률을 계산하였다. 먼저 서로 다른 시간척도에 대해 표준강수지수(Standardized Precipitation Index, SPI) 및 표준강수증발산지수(Standardized Precipitation Evapotranspiration, SPEI)로 산정된 기상학적 가뭄과 SRI로 산정된 수문학적 가뭄 간의 상관성 분석을 실시하였다. 또한, RCP4.5, RCP8.5 및 기준 기간 하에서 가뭄 특성을 조사하였으며, 그 결과 공간적으로 가뭄 특성이 변화함을 확인하였다. 평균적으로 RCP4.5에서는 SPI의 가뭄 심도가 P1(2011-2040)에서 증가하고 P2(2041-2070) 및 P3(2071-2099)에서 감소하였으며, RCP8.5에서는 P1에서 가뭄심도가 증가하였다. 그러나, SPEI의 평균가뭄심도는 P3에서만 증가하였으며, SRI의 평균가뭄심도는 모든 기간에서 감소하는 경향을 보였다. 마지막으로 기후변화 시나리오에 따른 기상학적 가뭄에서 수문학적 가뭄으로의 전이 발생 확률을 계산하였다. RCP4.5에서는 극한 단계의 기상학적 가뭄에서 보통 및 심한 단계의 수문학적 가뭄으로의 평균 전이확률이 각각 13%, 2% 증가하였다. 반면에 RCP8.5에서는 극한 단계의 기상학적 가뭄에서 심한 및 극한 단계의 수문학적 가뭄으로의 평균 전이확률이 각각 1.5%, 8.4% 증가하였다. 따라서, 본 연구결과를 통해 기후변화로 인한 가뭄전이 확률은 상당히 증가함을 알 수 있다. 본 연구에서 개발된 방법론을 통해 수문학적 가뭄에 대한 환경변화의 영향과 수문순환에서의 가뭄전이를 정량화하였다. 본 연구결과는 환경활동(기후변화 및 인간활동)이 가뭄이 심화되는 데에 상당한 영향을 주고 있음을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는 변화하는 환경에서의 가뭄 관리 의사결정 및 위험도 평가에서 매우 유용할 것으로 판단된다.; temperature decreased streamflow by -0.7% on average. Precipitation was a dominant factor that increased drought severity by 41.38 %, followed by human activity at 15.85%; temperature decreased drought severity by -0.86% on average. In the second work of the dissertation, we developed a framework based on the assumption of non-stationarity to investigate the impact of climate change and human activities on hydrological drought. We used heuristic segmentation method to identify the change point in each streamflow series by considering its non-linearity, and trend analysis were performed on hydro-meteorological variables before and after the change point. A non-stationary Standardized Runoff Index (SRINS) was constructed using Generalized Additive Models in Location, Scale, and Shape (GAMLSS). Finally, the influences of climate change and human activities on hydrological drought were quantified at various time scales. The results reveal change points in the streamflow series after the 1990s. Significant decreases in precipitation and streamflow series were also observed after the change points in all study watersheds, whereas the trend of potential evapotranspiration increased at a higher rate after the change points. The impact of climate change on the seasonal (three-month) time scale was greater in the winter and spring seasons, whereas the impact of human activities was significantly higher in the summer and autumn seasons. The influence of climate change on hydrological drought was dominant at longer (6- and 12-month) time scales, whereas human activities accounted for 25.6% and 20% of the changes in watersheds #1018 and #1019 on the 12-month time scale, respectively. In the last work of the dissertation, we investigated the effect of climate change on different types of drought. We examined the propagation probability of meteorological drought into hydrological drought using a probabilistic graphical model (PGM) across South Korea. We performed correlation analyses among meteorological drought represented by Standardized Precipitation Index (SPI) and Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) and hydrological drought by Standardized Runoff Index (SRI) on different time scales. Drought characteristics were examined under a baseline period, and RCP 4.5 and 8.5 climate change scenarios and the results illustrated that drought characteristics varied spatially. On average, drought severity of SPI increased in P1 (2011-2040) and then decreased in P2 (2041-2070) and P3 (2071-2099) under RCP 4.5, whereas drought severity also increased in P1 under RCP 8.5. However, the average drought severity of SPEI increased in P3, whereas that of SRI showed a decreasing trend for all the periods. Finally, propagation occurrence probabilities of different states of meteorological drought resulting in different states of hydrological drought were examined under climate change scenarios. The average propagation probability of the extreme state of meteorological drought resulting in moderate and severe condition of hydrological drought increased by 13% and 2%, respectively, under RCP 4.5