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KR20220048205A - Method for interpolating rain gauge data considering rainfall characteristics - Google Patents

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KR20220048205A
KR20220048205A KR1020200131079A KR20200131079A KR20220048205A KR 20220048205 A KR20220048205 A KR 20220048205A KR 1020200131079 A KR1020200131079 A KR 1020200131079A KR 20200131079 A KR20200131079 A KR 20200131079A KR 20220048205 A KR20220048205 A KR 20220048205A
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rainfall
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data
correlation coefficient
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노용훈
이규원
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고려대학교 산학협력단
경북대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for interpolating rain gauge data reflecting rainfall characteristics, comprising the steps of: registering a variogram; registering a Kriging matrix equation; calculating a covariance constituting the Kriging matrix equation by applying rain gauge data to the variogram; calculating a weight by applying the covariance to the Kriging matrix equation; and interpolating the rain gauge data based on the weight, wherein the intermittence and irregularity of the rain gauge data are reflected on a correlation coefficient constituting the variogram. Accordingly, rainfall can be forecasted more accurately by applying a simple Kriging method having the irregularity and intermittence of rain gauge data reflected thereon.

Description

강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법{METHOD FOR INTERPOLATING RAIN GAUGE DATA CONSIDERING RAINFALL CHARACTERISTICS}Interpolation method of rain gauge rainfall with rainfall characteristics reflected {METHOD FOR INTERPOLATING RAIN GAUGE DATA CONSIDERING RAINFALL CHARACTERISTICS}

본 발명은 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우량계 강우의 비정규성 및 간헐성이 반영된 단순 크리깅 비법을 통한 우량계 강우의 보간 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an interpolation method of rain gauge rainfall in which rainfall characteristics are reflected, and more particularly, to a method of interpolation of rain gauge rainfall through a simple kriging secret method in which non-regularity and intermittent properties of rain gauge rainfall are reflected.

크리깅(Kriging)은 지구통계학 분야에서 널리 사용되는 국지적인 보간 기법 중 하나로 주변 관측지점 값을 가중선형조합하여 임의 지점의 값을 추정하는 경험적 방법이다.Kriging is one of the local interpolation techniques widely used in the field of geostatistics and is an empirical method for estimating the value of an arbitrary point by weighted linear combination of the values of nearby observation points.

1950년대 남아프리카공화국의 채광공학자인 Krige는 새로운 광맥을 찾기 위해 기존 광맥의 분포특성을 이용하는 경험적인 방법을 소개하였고, 이는 프랑스의 지질수학자인 Matheron에 의해 체계적으로 정립되면서 크리깅이라 불리어졌다.In the 1950s, South African mining engineer Krige introduced an empirical method using the distribution characteristics of existing veins to find new veins, and it was systematically established by French geological mathematician Matheron.

그 후 크리깅 기법은 Sacks 등에 의해 전산실험에 적합하도록 통계적, 수학적으로 정립되면서 공학 분야에 적용되었으며, 설계변수가 많고 비선형성이 강한 모형에 대해 우수한 예측 성능이 있다는 것이 확인되었다.After that, the kriging technique was established statistically and mathematically to be suitable for computational experiments by Sacks et al.

근래에 들어 크리깅 기법은 환경과학 분야에서 가장 많이 사용되고 있으며, 토양도, 지하수 지도 작성, 기온 및 강수 추정 등과 같이 수문/기상 분야에서도 다양하게 사용되고 있다.In recent years, the kriging technique is most often used in the field of environmental science, and is also used variously in the hydrology/meteorological field, such as soil maps, groundwater mapping, and temperature and precipitation estimation.

수문/기상 분야에서 크리깅 기법은 주로 관측자료나 원격탐사 자료 등의 다양한 부가 자료를 통합하여 대상 인자의 공간 분포를 파악하거나 예측하는데 이용되었다.In the hydrology/meteorological field, the kriging technique was mainly used to identify or predict the spatial distribution of target factors by integrating various additional data such as observation data or remote sensing data.

국외의 경우 기상 레이더 자료나 수치표고모델을 이용한 강수 분포 추정, 토양 수분 분포 파악, 토양 유기물 분포 파악, 지하수에 포함된 화학 성분 분석, 지하수 수리전도도 분석 등에 크리깅 기법이 이용되었다.Overseas, the kriging technique was used for precipitation distribution estimation using weather radar data or numerical elevation models, soil moisture distribution, soil organic matter distribution, chemical composition analysis, and groundwater hydraulic conductivity analysis.

국내의 경우 강우의 공간분포를 추정하거나 면적강우량 산정과 관련된 연구에 크리깅 기법이 주로 적용되었다. 또한, 지상기온 추정, 가뭄지수의 공간분포 파악, 강우의 공간 분포에 따른 유출 분석, 수치표고모델을 이용한 지하수위 분포도 작성, 풍속 예측지도 작성, 신적절심 지도 작성 등의 연구에도 크리깅이 이용되었다.In Korea, the kriging technique was mainly applied to studies related to estimating the spatial distribution of rainfall or estimating area rainfall. In addition, Kriging was used in studies such as estimating the surface temperature, understanding the spatial distribution of the drought index, analyzing the runoff according to the spatial distribution of rainfall, creating a groundwater level distribution map using a numerical elevation model, creating a wind speed prediction map, and creating a new appropriate depth map.

크리깅 기법을 이용한 강우 강도 측정과 관련하여, 한국등록특허 제10-1352568호에 개시된 '강우강도 측정 장치 및 그 방법'에서는 공동크리깅에 의해 레이더 강우강도 오차 분포를 산출하여, 레이더 강우량을 오차 분포를 이용하여 레이더 강우강도 데이터를 조정하는 기술이 개시되어 있다.Regarding rainfall intensity measurement using the kriging technique, 'rainfall intensity measuring apparatus and method' disclosed in Korean Patent No. 10-1352568 calculates the radar rainfall intensity error distribution by joint kriging and calculates the radar rainfall error distribution. A technique for adjusting radar rainfall intensity data by using is disclosed.

이와 같은 크리깅 기법에서는 일반적으로 다음과 같은 두 가지 가정이 적용되고 있다. 먼저, 크리깅 기법을 적용할 대상 자료가 정규분포를 따라야 된다는 것이다. 대상 자료가 정규분포를 따르지 않을 경우 예측변수와 종속변수가 선형이 되도록 변수 변환이 이루어진다. 이 때, 크리깅 기법으로 추정된 값은 쉽게 역변환 될 수 있지만, 분산의 추정치는 그렇지 못하는 문제가 있다.In general, the following two assumptions are applied in such a kriging technique. First, the target data to which the kriging technique is applied should follow a normal distribution. If the target data do not follow a normal distribution, variable transformation is performed so that the predictor and dependent variables are linear. In this case, the value estimated by the kriging technique can be easily inversely transformed, but there is a problem in that the estimate of the variance cannot.

다음으로 크리깅 기법을 적용할 자료가 연속적이고 정상(Stationarity)적이어야 한다. 대부분의 공간 자료는 특정 경향을 나타내거나 위치가 변함에 따라 평균이 바뀌는 문제가 있다. 경향성이 강하게 나타나는 자료에 크리깅 기법을 적용할 경우 공간적 의존성에 모형설정오류(Mis-specification)가 발생하여 예측값이 편향될 수 있다. 따라서 자료의 경향성을 제거하여 크리깅 기법을 적용해야 대상 자료의 공간적 특성을 반영한 예측값을 산정할 수 있다.Next, the data to which the kriging technique is applied must be continuous and stationar. Most spatial data exhibit a specific trend or have a problem that the average changes as the location changes. If the kriging technique is applied to data with strong trends, mis-specification may occur in spatial dependence and the predicted values may be biased. Therefore, the predicted value reflecting the spatial characteristics of the target data can be calculated only when the kriging technique is applied by removing the tendency of the data.

강우 자료에 크리깅 기법을 적용하는 경우의 가장 큰 문제는 강우 자료가 크리깅 기법의 상기 가정을 만족하지 못한다는 점이다. 강우 자료는 일반적으로 강한 양의 왜곡도를 나타내며, 간헐성도 강하게 나타난다. 경우에 따라 방향성도 크게 나타난다. 이로 인해 강우 자료를 이용하여 크리깅 기법을 수행할 경우 예측값이 편향되어 나타나거나 왜곡될 가능성이 크다.The biggest problem in the case of applying the kriging technique to rainfall data is that the rainfall data do not satisfy the above assumptions of the kriging technique. Rainfall data generally show a strong positive distortion, and a strong intermittent. In some cases, the direction is also significant. For this reason, when the kriging technique is performed using rainfall data, the predicted values are highly likely to appear biased or distorted.

따라서 크리깅 기법을 이용하여 정략적인 강우장을 추정하기 위해서는 정규분포가 아닌 왜곡된 분포를 따르는 강우 자료의 특성과 무강우의 시공간적 분포 특성, 즉 간헐성을 반영하여야 하는데, 상기 한국등록특허를 비롯한 기존의 기법에서는 이를 반영하지 않아, 정확한 강우 예측이 어려웠다.Therefore, in order to estimate the systematic rainfall field using the kriging technique, it is necessary to reflect the characteristics of the rainfall data following a distorted distribution rather than the normal distribution and the temporal and spatial distribution characteristics of no rainfall, that is, intermittent. The method did not reflect this, making it difficult to accurately predict rainfall.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 우량계 강우의 비정규성 및 간헐성이 반영된 단순 크리깅 비법을 통한 우량계 강우의 보간 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for interpolation of rain gauge rainfall through a simple kriging secret method in which non-regularity and intermittent properties of rain gauge rainfall are reflected.

상기 목적은 본 발명에 따라, 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법에 있어서, 베리오그램이 등록되는 단계와, 크리깅 행렬 방정식이 등록되는 단계, 우량계 강우 자료가 상기 베리오그램이 적용되어 상기 크리깅 행렬 방정식을 구성하는 공분산이 산출되는 단계와, 상기 공분산이 상기 크리깅 행렬 방정식에 적용되어 가중치가 산출되는 단계와, 상기 가중치에 기초하여 우랑계 강우가 보간되는 단계를 포함하며; 상기 베리오그램을 구성하는 상관계수에 상기 우량계 강우 자료의 간헐성 및 비정규성이 반영되는 것을 특징으로 하는 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법에 의해서 달성된다.The above object is, according to the present invention, in the interpolation method of rain gauge rainfall in which rainfall characteristics are reflected, the steps of registering a variogram, registering a kriging matrix equation, and applying the variogram to the rain gauge rainfall data to obtain the kriging matrix equation calculating the covariance constituting the , calculating the weight by applying the covariance to the kriging matrix equation, and interpolating the rain storm based on the weight; It is achieved by an interpolation method of rainfall characteristics in which rainfall characteristics are reflected, characterized in that the intermittent and non-normality of the rainfall data is reflected in the correlation coefficient constituting the variogram.

여기서, 상기 상관계수는 이량 혼합 대수정규분포가 적용되어 산출될 수 있다.Here, the correlation coefficient may be calculated by applying a dimeric mixed lognormal distribution.

그리고, 상기 상관계수는 두 곳의 강우 관측소에서 측정된 상기 우량계 강우 자료 간에 대해 산출되고; 상기 상관관계는 두 곳의 강우 관측소 모두에서 양의 관측값을 갖는 제1 케이스와, 두 곳의 강우 관측소 중 적어도 하나가 양의 관측값을 갖는 제2 케이스와, 두 곳의 강우 관측소 모두 '0' 이상의 관측값을 갖는 제3 케이스로 구분되어 산출될 수 있다.In addition, the correlation coefficient is calculated between the rain gauge rainfall data measured at two rainfall stations; The correlation is a first case having a positive observation value at both rainfall stations, a second case in which at least one of the two rainfall stations has a positive observation value, and both rainfall stations are '0' ' It can be calculated by being divided into a third case having more than one observation value.

그리고, 상기 제1 케이스의 상관계수는 수학식And, the correlation coefficient of the first case is

Figure pat00001
Figure pat00001

(

Figure pat00002
는 상기 제1 케이스의 상관계수이고,
Figure pat00003
는 이변량 대수정규분포의 상관계수이고,
Figure pat00004
Figure pat00005
는 두 곳의 강우 관측소 각각의 이변량 대수정규분포의 분산이다)에 의해 산출되고; 상기 제2 케이스의 상관계수는 수학식(
Figure pat00002
is the correlation coefficient of the first case,
Figure pat00003
is the correlation coefficient of the bivariate lognormal distribution,
Figure pat00004
and
Figure pat00005
is the variance of the bivariate lognormal distribution of each of the two rainfall stations); The correlation coefficient of the second case is

Figure pat00006
Figure pat00006

(

Figure pat00007
Figure pat00008
는 단변량 대수정규 분포함수이고,
Figure pat00009
는 이변량 대수정규 결합분포함수이고,
Figure pat00010
는 대수정규분포의 평균(
Figure pat00011
)과 분산(
Figure pat00012
)이고,
Figure pat00013
는 이변량 대수정규분포의 평균(
Figure pat00014
,
Figure pat00015
)과 분산(
Figure pat00016
,
Figure pat00017
)이고,
Figure pat00018
는 상관계수이다)에 의해 산출되며; 상기 제3 케이스의 상관계수는 수학식(
Figure pat00007
and
Figure pat00008
is a univariate lognormal distribution function,
Figure pat00009
is the bivariate lognormal joint distribution function,
Figure pat00010
is the mean of the lognormal distribution (
Figure pat00011
) and variance (
Figure pat00012
)ego,
Figure pat00013
is the mean of the bivariate lognormal distribution (
Figure pat00014
,
Figure pat00015
) and variance (
Figure pat00016
,
Figure pat00017
)ego,
Figure pat00018
is the correlation coefficient); The correlation coefficient of the third case is

Figure pat00019
Figure pat00019

의 모멘트와, 수학식and the moment of

Figure pat00020
Figure pat00020

의 모멘트 사이의 관계를 통해 산출될 수 있다.It can be calculated through the relationship between the moments of

상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면, 우량계 강우의 비정규성 및 간헐성이 반영된 단순 크리깅 비법이 적용되어, 보다 정확한 강우 예측이 가능하게 된다.According to the configuration as described above, according to the present invention, a simple kriging method that reflects the non-regularity and intermittent nature of the rainfall gauge is applied, thereby enabling more accurate rainfall prediction.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 우량계 강우의 보간 방법의 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
1 is a view for explaining an interpolation method of rain gauge rainfall in which rainfall characteristics are reflected according to an embodiment of the present invention;
2 to 8 are diagrams for explaining simulation results for verifying the effect of the rain gauge rainfall interpolation method according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a method of interpolating rainfall in a rain gauge in which rainfall characteristics are reflected according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 먼저 우량계 강우의 보간을 위한 베리오그램(Variogram)이 등록된다(S10).Referring to FIG. 1 , first, a variogram for interpolation of rainfall in the rain gauge is registered ( S10 ).

베리오그램은 일정한 거리만큼 떨어진 자료들의 차를 제곱한 것의 기대값으로 자료들의 유사성을 나타내는 척도이다. 베리오그램은 [수학식 1]과 같이 정의되며, [수학식 1]을 이용하여 주어진 자료에 대해 유도한 베리오그램을 경험적 베리오그램이라 한다.The variogram is the expected value of the square of the difference between data separated by a certain distance, and is a measure of the similarity of data. A variogram is defined as in [Equation 1], and a variogram derived for a given data using [Equation 1] is called an empirical variogram.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00021
Figure pat00021

[수학식 1]에서,

Figure pat00022
는 베리오그램,
Figure pat00023
은 관측 지점의 수, 즉 강우 관측소의 수이고,
Figure pat00024
는 관측 지점에서의 관측 강우량이다. 그리고,
Figure pat00025
는 자료 간 떨어진 거리, 즉 관측 지점 간의 거리로 분리거리(Separation distance)라고 한다. 관측 자료간 거리가 가까우면 관측 자료의 유사성이 커져 베리오그램은 작아지고, 거리가 멀수록 크게 나타나는 특성을 갖는다.In [Equation 1],
Figure pat00022
is the variogram,
Figure pat00023
is the number of observation points, i.e. the number of rainfall stations,
Figure pat00024
is the observed rainfall at the observation point. And,
Figure pat00025
is the distance between data points, that is, the distance between observation points. When the distance between observation data is close, the similarity of the observation data increases, and the variogram becomes smaller, and the greater the distance, the larger the characteristic.

경험적 베리오그램을 모델링하기 위해서는 문턱값(Sill height), 상관거리(Correlation length), 너깃(nugget) 성분을 결정해야 한다. 여기서, 상관거리는 관측 자료들이 상관관계를 나타내는 최대 분리거리를 의미하고, 문턱값은 상관거리에서 베리오그램이 가지는 일정한 값으로 관측 자료의 분산을 나타낸다. 너깃은 분리거리가 0일 때 베리오그램이 0이 되지 않는 경우로 짧은 분리거리에 대한 관측 자료들의 불확실성을 나타낸다. In order to model the empirical variogram, it is necessary to determine the threshold value (Sill height), correlation length (Correlation length), and nugget components. Here, the correlation distance means the maximum separation distance at which the observation data show correlation, and the threshold is a constant value of the variogram at the correlation distance and represents the variance of the observation data. A nugget is a case where the variogram does not become 0 when the separation distance is 0, and it represents the uncertainty of observation data for a short separation distance.

상기와 같이 경헙적 베리오그램이 유도되면, 이를 대표할 수 있는 이론적 베리오그램을 결정되어야 한다. 이후에 설명할 크리깅 기법의 예측 결과에 직접적으로 영향을 미치므로, 본 발명에 따른 우량계 강우의 보간 방법에 최적의 모형으로 결정되어야 한다.If the economic variogram is derived as described above, a theoretical variogram that can represent it should be determined. Since it directly affects the prediction result of the kriging technique, which will be described later, it should be determined as an optimal model for the rain gauge rainfall interpolation method according to the present invention.

본 발명에서는 선형 모델(linear model), 구형 모델(spherical model), 지수 모델(exponential model), 가우시안 모델(Gaussian model), 너깃모델(nugget model) 중 정규분포를 따르는 관측 자료에 적합한 가우시안 모델이 적용되는 것을 예로 한다.In the present invention, a Gaussian model suitable for observation data following a normal distribution among a linear model, a spherical model, an exponential model, a Gaussian model, and a nugget model is applied take as an example

가우시안 모델은 작은 분리거리에서 관측 자료들이 강한 상관성을 나타내거나 연속성이 강한 자료를 분석하는데 이용된다. 이는 정규분포를 따르는 관측자료에 적합하다. 가우시안 모델은 문턱값의 95%에 해당하는 분리거리를 실제적인 상관거리로 결정한다. 가우시안 모델은 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.The Gaussian model is used to analyze data with strong correlation or continuity between observation data at small separation distances. This is suitable for observation data that follow a normal distribution. The Gaussian model determines the separation distance corresponding to 95% of the threshold as the actual correlation distance. The Gaussian model can be expressed as [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00026
Figure pat00026

[수학식 2]에서,

Figure pat00027
는 문턱값,
Figure pat00028
는 상관거리,
Figure pat00029
는 분리거리다.In [Equation 2],
Figure pat00027
is the threshold,
Figure pat00028
is the correlation distance,
Figure pat00029
is a separation distance

상기와 같이, 이론적 베리오그램이 결정되어 등록되면, 크리깅 기법의 적용을 위한 크리깅 행렬 방정식이 등록되는데, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 우량계 강우 보간 방법에 적용되는 크리깅 기법에 대해 설명한다.As described above, when the theoretical variogram is determined and registered, a krigging matrix equation for applying the kriging technique is registered. Hereinafter, a krigging technique applied to the rain gauge rainfall interpolation method according to an embodiment of the present invention will be described.

일반적으로 크리깅 기법의 주요 목적은 미지점의 값을 예측하기 위해 적용할 가중치를 결정하는 것이다. 가중치 결정에는 예측값과 참값 사이의 오차가 최소가 되도록 하며, 추정값이 편향되지 않는다는 조건이 가정된다. 또한 크리깅 기법에서의 추정식이 항상 편향되지 않기 위해서는 가중치의 합이 1이 되어야 한다.In general, the main purpose of the krigging technique is to determine the weight to be applied to predict the value of an unknown point. In determining the weight, the error between the predicted value and the true value is minimized, and the condition that the estimate is not biased is assumed. In addition, the sum of weights must be 1 in order not to always be biased in the estimation equation in the kriging technique.

여기서, 가중치를 결정하는 방법에는 다양한 방법이 있으며, 본 발명에서는 오차분산을 최소로 하여 가중치를 결정하는 단순 크리깅 기법이 적용되는 것을 예로 한다.Here, there are various methods for determining the weight, and in the present invention, a simple kriging technique for determining the weight by minimizing the error variance is applied as an example.

보다 구체적으로 설명하면, 이미 알려진

Figure pat00030
개의 관측 자료를 이용하여 단순 크리깅 기법으로 관측 지점
Figure pat00031
에서 미지값을 예측하는 방법은 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있으며, 오차 분산식은 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.More specifically, the known
Figure pat00030
Observation point using simple kriging technique using observation data
Figure pat00031
A method of predicting an unknown value in [Equation 3] can be expressed as [Equation 3], and the error dispersion equation can be expressed as [Equation 4].

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00032
Figure pat00032

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00033
Figure pat00033

여기서,

Figure pat00034
는 예측하고자 하는 참값이고,
Figure pat00035
는 단순 크리깅 기법에 의한 예측값이고,
Figure pat00036
은 관측 자료의 총 개수이고,
Figure pat00037
는 오차 분산이다. 여기서,
Figure pat00038
Figure pat00039
지점에서의 특성값으로
Figure pat00040
를 나타낸다.
Figure pat00041
는 위치벡터로 기하학적 차원에 따라 위치성분을 모두 포함한다.here,
Figure pat00034
is the true value to predict,
Figure pat00035
is the predicted value by the simple kriging technique,
Figure pat00036
is the total number of observations,
Figure pat00037
is the error variance. here,
Figure pat00038
Is
Figure pat00039
as a characteristic value at a point
Figure pat00040
indicates
Figure pat00041
is a position vector and includes all position components according to the geometric dimension.

[수학식 4]를 살펴보면, 오차 분산은 참값(

Figure pat00042
)과 예측값(
Figure pat00043
)의 차의 제곱에 대한 기대값으로 정의되며, 가중치의 함수이다. 이는 참값은 알려져 있지 않지만 상수이고 예측값은 가중치의 함수이기 때문이다.Looking at [Equation 4], the error variance is the true value (
Figure pat00042
) and the predicted value (
Figure pat00043
) is defined as the expected value of the square of the difference, and is a function of the weight. This is because the true value is unknown, but a constant, and the predicted value is a function of the weight.

[수학식 4]를 전개하여 분산과 공분산의 관계식으로 나타내면, [수학식 5]와 같으며, [수학식 5]에 [수학식 4]를 대입하여 정리하면 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.If [Equation 4] is expanded and expressed as a relational expression between variance and covariance, it is the same as [Equation 5], and if [Equation 4] is substituted for [Equation 5], it can be expressed as [Equation 6] there is.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00044
Figure pat00044

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00045
Figure pat00045

여기서,

Figure pat00046
Figure pat00047
Figure pat00048
사이의 분리거리에 따라 결정되는 공분산이다.here,
Figure pat00046
Is
Figure pat00047
Wow
Figure pat00048
The covariance is determined by the separation distance between them.

[수학식 6]에서, 오차 분산은 가중치의 함수임을 확인할 수 있다. 오차 분산을 각 가중치에 대하여 편미분하여 0이 되는 극값을 구하고, 두 번 편미분하여 그 값이 0보다 크면 오차 분산을 최소로 하는 가중치를 구하게 된다. 이를 수학식으로 나타내면, [수학식 7]과 같으며, 이를 편미분하여 정리하면 [수학식 8]과 같다.In [Equation 6], it can be confirmed that the error variance is a function of the weight. Partially differentiating the error variance with respect to each weight to obtain an extreme value that becomes 0, and partial differentiating it twice to obtain a weight that minimizes the error variance if the value is greater than 0. Expressing this as an equation, it is as in [Equation 7], and when it is partially differentiated and rearranged, it becomes [Equation 8].

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00049
Figure pat00049

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00050
Figure pat00050

[수학식 8]을 다시

Figure pat00051
에 대하여 편미분하면
Figure pat00052
이 되고, 이는 분산을 나타내므로 양의 값이 된다. 따라서 [수학식 8]을 만족시키는 가중치들이 오차 분산을 최소로 한다. [수학식 8]을 정리하면, [수학식 9]로 나타낼 수 있으며, [수학식 9]가 크리깅 방정식으로 정의된다.[Equation 8] again
Figure pat00051
If partial differentiation with respect to
Figure pat00052
, which is a positive value because it represents the variance. Therefore, the weights satisfying [Equation 8] minimize the error variance. If [Equation 8] is arranged, it can be expressed as [Equation 9], and [Equation 9] is defined as the Kriging equation.

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00053
Figure pat00053

크리깅 방정식인 [수학식 9]를 보다 쉽게 풀기 위해서는 [수학식 10]과 같이 행렬 방정식으로 나타내는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 설명하면, 이미 알려진 관측 자료가 n개 있을 때 각 관측 지점 사이의 공분산과 예측지점 및 각 자료의 공분산으로 구성된 크리깅 방정식을 풀어 가중치를 구하게 된다. [수학식 10]에 주어진 행렬의 대각성분은 동일한 지점에 존재하는 관측 자료의 공분산이므로 분산이 된다.In order to more easily solve the Krigging equation [Equation 9], it is preferable to represent it as a matrix equation as in [Equation 10]. More specifically, when there are n known observation data, the weight is obtained by solving the Krigging equation consisting of the covariance between each observation point, the prediction point, and the covariance of each data. The diagonal component of the matrix given in [Equation 10] is the variance because it is the covariance of the observation data existing at the same point.

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00054
Figure pat00054

[수학식 10]에서 행렬의 성분은 공분산으로 구성되어 있으며, 크리깅 행렬방정식의 성분인 공분산은 이론적 베리오그램을 이용하여 [수학식 11]과 같이 산출할 수 있다.In [Equation 10], the matrix component consists of covariance, and the covariance, which is a component of the Krigging matrix equation, can be calculated as in [Equation 11] using a theoretical variogram.

[수학식 11][Equation 11]

Figure pat00055
Figure pat00055

[수학식 11]에서,

Figure pat00056
는 관측 자료간 거리
Figure pat00057
에 따른 공분산이고,
Figure pat00058
는 분산이고,
Figure pat00059
는 앞서 설명한 이론적 베리오그램이다.In [Equation 11],
Figure pat00056
is the distance between observations
Figure pat00057
is the covariance according to
Figure pat00058
is the variance,
Figure pat00059
is the theoretical variogram described above.

상기와 같이, 크리깅 행렬방적식이 등록되면, [수학식 11]을 통해 크리깅 행렬 방정식의 공분산을 산출할 수 있고, 크리깅 행렬방정식의 성분, 즉 공분산을 대입하여 크리깅 행렬방정식을 풀면 크리깅 기법에 적용될 가중치가 산출된다(S13). 그리고, 산출된 가중치를 크리깅 기법에 적용하여 우량계 강우를 보간하게 된다(S14).As described above, when the Krigging matrix equation is registered, the covariance of the Krigging matrix equation can be calculated through [Equation 11], and when the Krigging matrix equation is solved by substituting the components of the Krigging matrix equation, that is, the covariance, the weight to be applied to the Krigging method is calculated (S13). Then, the calculated weight is applied to the kriging technique to interpolate rainfall in the rain gauge (S14).

여기서, 본 발명에 따른 우량계 강우 보간 방법은 베리오그램을 구성하는 상술한 상관계수에 우량계 강우 자료의 간헐성 및 비정규성이 반영된다. 본 발명에서 베리오그램의 상관계수에 간헐성 및 비정규성을 반영하는 과정의 설명에 앞서 비정규성과 간헐성과 상관계수의 연관성을 먼저 설명한다.Here, in the rain gauge rainfall interpolation method according to the present invention, the intermittent and non-normality of the rain gauge rainfall data are reflected in the above-described correlation coefficient constituting the variogram. Prior to the description of the process of reflecting intermittent and non-normality in the correlation coefficient of the variogram in the present invention, the relationship between non-normality and intermittency and the correlation coefficient will be first described.

비정규성을 고려한 경우의 상관계수Correlation coefficient when non-normality is taken into account

크리깅 기법의 적용 과정 중 [수학식 10]의 크리깅 행렬방정식을 구성하기 위해서는 행렬성분의 기본이 되는 관측소 사이의 공분산이 산출이 필요하다. 일반적으로 확률변수 X의 증감에 따른 확률변수 Y의 증감의 방향과 정도를 정규화하지 않고 나타낸 것이 공분산이고, 이를 정규화한 것이 상관계수이다. 따라서, 공분산과 상관계수 간의 관계는 [수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.In the process of applying the kriging technique, in order to construct the krigging matrix equation of [Equation 10], it is necessary to calculate the covariance between the stations, which is the basis of the matrix component. In general, the direction and extent of the increase or decrease of the random variable Y according to the increase or decrease of the random variable X is expressed without normalization as covariance, and the normalization is the correlation coefficient. Therefore, the relationship between the covariance and the correlation coefficient can be expressed as [Equation 12].

[수학식 12][Equation 12]

Figure pat00060
Figure pat00060

[수학식 12]에서

Figure pat00061
는 관측 자료
Figure pat00062
Figure pat00063
에 대한 공분산이고,
Figure pat00064
는 두 관측 자료의 상관계수이고,
Figure pat00065
,
Figure pat00066
는 각각의 관측 자료의 표준편차이다.In [Equation 12]
Figure pat00061
is the observation data
Figure pat00062
Wow
Figure pat00063
is the covariance for
Figure pat00064
is the correlation coefficient between the two observations,
Figure pat00065
,
Figure pat00066
is the standard deviation of each observation data.

[수학식 12]를 통해 공분산은 관측 자료 간 상관계수에 직접적으로 영향을 받음을 확인할 수 있다. 상관계수는 관측 자료가 어떤 분포를 따르는가에 따라 다르게 나타난다. 예를 들어 관측 자료가 정규분포를 따르는 경우와 대수정규분포를 따르는 경우에 대해 상관계수는 다르게 결정된다. 이를 대수정규분포에 관한 이론을 기반으로 설명하면 아래와 같다.Through [Equation 12], it can be confirmed that the covariance is directly affected by the correlation coefficient between observation data. The correlation coefficient appears differently depending on which distribution the observed data follows. For example, the correlation coefficient is determined differently when the observation data follows a normal distribution and when the observation data follows a lognormal distribution. This is explained based on the theory of lognormal distribution as follows.

먼저, 대수정규분포를 따르는 변량

Figure pat00067
의 평균과 분산은 [수학식 13] 및 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.First, a variate following a lognormal distribution
Figure pat00067
The mean and variance of can be expressed as [Equation 13] and [Equation 14].

[수학식 13][Equation 13]

Figure pat00068
Figure pat00068

[수학식 14][Equation 14]

Figure pat00069
Figure pat00069

여기서,

Figure pat00070
Figure pat00071
는 대수정규분포의 모수로
Figure pat00072
의 평균과 표준편차를 나타낸다. 평균과 분산에 대한 상기와 같은 관계를 이용하면, [수학식 12]와 같은 공분산은 기대값 정리에 의해 결정될 수 있다. 공분산에 대한 기대값 정리는 [수학식 15]와 같이 나타낼 수 있고, 이를 평균과 분산에 대한 [수학식 13] 및 [수학식 14]로 나타내면 [수학식 16]과 같이 표현될 수 있다.here,
Figure pat00070
Wow
Figure pat00071
is the lognormal distribution parameter
Figure pat00072
represents the mean and standard deviation of Using the above relationship for the mean and variance, the covariance as in [Equation 12] can be determined by the expected value theorem. The expected value theorem for covariance can be expressed as [Equation 15], and if it is expressed by [Equation 13] and [Equation 14] for the mean and variance, it can be expressed as [Equation 16].

[수학식 15][Equation 15]

Figure pat00073
Figure pat00073

[수학식 16][Equation 16]

Figure pat00074
Figure pat00074

상기 관계식을 [수학식 12]에 적용하면, 대수정규분포를 따르는 관측 자료의 상관계수를 결정할 수 있다. 먼저, 두 변량

Figure pat00075
,
Figure pat00076
가 대수정규분포를 따른다고 가정하고, 대수를 취한 변량
Figure pat00077
,
Figure pat00078
가 정규분포를 다른다고 가정한다. 또한,
Figure pat00079
,
Figure pat00080
의 평균과 분산을 각각
Figure pat00081
,
Figure pat00082
Figure pat00083
,
Figure pat00084
라 하고, 두 관측 자료 사이의 상관계수를
Figure pat00085
라고 하면,
Figure pat00086
Figure pat00087
사이의 상관계수는 [수학식 17]과 같이 유도될 수 있다.By applying the above relation to [Equation 12], it is possible to determine the correlation coefficient of observation data following a lognormal distribution. First, two variables
Figure pat00075
,
Figure pat00076
A variate taking logarithm, assuming that is lognormal
Figure pat00077
,
Figure pat00078
Assume that is not normally distributed. In addition,
Figure pat00079
,
Figure pat00080
mean and variance of
Figure pat00081
,
Figure pat00082
and
Figure pat00083
,
Figure pat00084
, and the correlation coefficient between the two observations is
Figure pat00085
If you say
Figure pat00086
class
Figure pat00087
The correlation coefficient between them can be derived as in [Equation 17].

[수학식 17][Equation 17]

Figure pat00088
Figure pat00088

[수학식 17]에서 좌측의 식은 [수학식 12]를 상관계수에 관해 정리한 것으로, 일반적으로 정규분포를 따라는 자료의 상관계수를 나타낸다. 반면, 자료가 대수정규분포를 따르는 경우, [수학식 17]의 우측의 식과 같이 상관계수가 정규분포를 따르는 자료의 경우와 다르게 나타난다.The expression on the left in [Equation 17] is a summary of [Equation 12] about the correlation coefficient, and generally represents the correlation coefficient of data following a normal distribution. On the other hand, when the data follow a lognormal distribution, the correlation coefficient is different from the case of the data following the normal distribution, as shown in the equation on the right of [Equation 17].

따라서 자료가 대수정규분포를 따르는 경우와 정규분포를 따르는 경우에 상관계수의 형태가 다르게 나타난다는 것을 알 수 있다. 이는 결과적으로 베리오그램의 형태를 결정하게 되고 공분산 계산에 영향을 주어, 크리깅 가중치에 영향을 미치게 되는 바, 우량계 강우 자료의 비정규성이 반영되어야 보다 정확한 보간이 가능하게 된다.Therefore, it can be seen that the form of the correlation coefficient is different when the data follow a lognormal distribution and when the data follow a normal distribution. As a result, the shape of the variogram is determined, and it affects the covariance calculation, which affects the kriging weight. Therefore, more accurate interpolation is possible only when the non-normality of the rain gauge rainfall data is reflected.

간헐성을 고려한 경우의 상관계수Correlation coefficient when intermittent is considered

상관계수는 관측 자료에 '0'이 어떠한 형태로 포함되어 있느냐에 따라 크게 달라진다. 강우의 특성에 따라 두 강우 관측소에서 측정된 관측 자료는

Figure pat00089
,
Figure pat00090
,
Figure pat00091
그리고
Figure pat00092
로 분류될 수 있다. 여기서
Figure pat00093
,
Figure pat00094
,
Figure pat00095
, 및
Figure pat00096
는 양의 관측 자료를 나타낸다. 따라서, 3가지 형태의 관측 자료의 구조에 대해 두 강우 자료 사이의 상관관계를 정의하는 것이 가능하다.The correlation coefficient varies greatly depending on the type of '0' included in the observation data. According to the characteristics of the rainfall, the observation data measured at the two rainfall stations are
Figure pat00089
,
Figure pat00090
,
Figure pat00091
And
Figure pat00092
can be classified as here
Figure pat00093
,
Figure pat00094
,
Figure pat00095
, and
Figure pat00096
represents positive observation data. Therefore, it is possible to define the correlation between the two rainfall data for the structure of the three types of observation data.

제1 케이스는 두 곳의 강우 관측소 모두에서 양의 관측값을 갖는 경우, 즉

Figure pat00097
로, 관측 자료
Figure pat00098
를 이용하는 경우이고, 제2 케이스는 두 곳의 강우 관측소 중 적어도 하나가 양의 관측값을 갖는 경우, 즉
Figure pat00099
로, 관측 자료
Figure pat00100
,
Figure pat00101
Figure pat00102
를 이용하는 경우이다. 마지막으로 제3 케이스는 두 곳의 강우 관측소 모두 '0' 이상의 관측값을 갖는 경우, 즉
Figure pat00103
로, 모든 관측 자료를 이용하는 경우이다.Case 1 has positive observations at both rainfall stations, i.e.
Figure pat00097
furnace, observation data
Figure pat00098
, and the second case is when at least one of the two rainfall stations has a positive observation value, i.e.
Figure pat00099
furnace, observation data
Figure pat00100
,
Figure pat00101
and
Figure pat00102
in case of using Finally, the third case is when both rainfall stations have an observation value of '0' or higher, i.e.
Figure pat00103
This is the case when all observational data are used.

상기와 같이 3가지 케이스에 대한 강우 관측소 간의 상관계수들은

Figure pat00104
로 나타낼 수 있다. 이 때 상관계수
Figure pat00105
Figure pat00106
는 조건
Figure pat00107
Figure pat00108
에 대한 조건부(Conditional) 상관계수가 되고,
Figure pat00109
의 경우는 전체 관측 자료를 사용하므로 비조건부(Unconditional) 상관계수가 된다.As above, the correlation coefficients between the rainfall stations for the three cases are
Figure pat00104
can be expressed as In this case, the correlation coefficient
Figure pat00105
Wow
Figure pat00106
is the condition
Figure pat00107
Wow
Figure pat00108
becomes a conditional correlation coefficient for
Figure pat00109
In the case of , since the entire observation data is used, it becomes an unconditional correlation coefficient.

만약, 조건

Figure pat00110
Figure pat00111
하에서의 조건부 확률분포함수를 알고 있다면, 평균, 분산 또는 강우 관측소 사이의 상관계수와 같은 통계치들을 산출하는 것이 가능하다. 이와 같은 통계치들의 유도를 위해서는 [수학식 18]과 같은 전확률공식(Total probability theorem)의 적용이 필요하다.If, condition
Figure pat00110
Wow
Figure pat00111
If the conditional probability distribution function under In order to derive such statistics, it is necessary to apply the Total Probability Theorem as in [Equation 18].

[수학식 18][Equation 18]

Figure pat00112
Figure pat00112

먼저

Figure pat00113
로 나타나는 조건
Figure pat00114
하에서의 모멘트를 유도할 수 있으며, 아울러
Figure pat00115
또는
Figure pat00116
로 표시된 조건
Figure pat00117
Figure pat00118
하에서의 모멘트를 구하는 것도 가능하다. 각각의 경우 중 먼저
Figure pat00119
Figure pat00120
의 관계를 유도하면 다음과 같다.first
Figure pat00113
condition represented by
Figure pat00114
It is possible to induce a moment under
Figure pat00115
or
Figure pat00116
condition marked with
Figure pat00117
Wow
Figure pat00118
It is also possible to find the moment under in each case first
Figure pat00119
Wow
Figure pat00120
If we derive the relationship of

Figure pat00121
이며, 이에 대한 여집합은
Figure pat00122
이다.
Figure pat00123
의 확률은
Figure pat00124
이다. 따라서 [수학식 18]을 이용하면 [수학식 19]와 같은 관계식을 유도할 수 있다.
Figure pat00121
, and the complement of this is
Figure pat00122
am.
Figure pat00123
the probability of
Figure pat00124
am. Therefore, using [Equation 18], a relational expression such as [Equation 19] can be derived.

[수학식 19][Equation 19]

Figure pat00125
Figure pat00125

그리고,

Figure pat00126
Figure pat00127
의 관계 또한 [수학식 20]과 같이 유도될 수 있다.And,
Figure pat00126
Wow
Figure pat00127
The relationship of can also be derived as in [Equation 20].

[수학식 20][Equation 20]

Figure pat00128
Figure pat00128

동일한 방법으로, [수학식 21] 및 [수학식 22]와 같은 관계식의 유도가 가능하다.In the same way, it is possible to derive relational expressions such as [Equation 21] and [Equation 22].

[수학식 21][Equation 21]

Figure pat00129
Figure pat00129

[수학식 22][Equation 22]

Figure pat00130
Figure pat00130

따라서 [수학식 19] 내지 [수학식 22]에 주어진 모멘트를 이용하면 강우 관측소 간 상관계수인

Figure pat00131
,
Figure pat00132
,
Figure pat00133
의 산출이 가능하게 된다. [수학식 19] 내지 [수학식 22]의 모멘트는 서로 관계되어 있기 때문에 어떤 조건에서의 모멘트로부터 다른 조건에서의 모멘트를 산출하는 것도 가능하다.Therefore, using the moment given in [Equation 19] to [Equation 22], the correlation coefficient between rainfall stations is
Figure pat00131
,
Figure pat00132
,
Figure pat00133
can be calculated. Since the moments of [Equation 19] to [Equation 22] are related to each other, it is also possible to calculate a moment in another condition from a moment in one condition.

먼저, 상관계수인

Figure pat00134
는 [수학식 23]과 같이 정의될 수 있다.First, the correlation coefficient
Figure pat00134
can be defined as in [Equation 23].

[수학식 23][Equation 23]

Figure pat00135
Figure pat00135

수학식 19] 내지 [수학식 22]에 주어진 관계식를 이용하면 상관계수

Figure pat00136
는 [수학식 24]와 같이 유도될 수 있다.Using the relational expressions given in Equation 19] to [Equation 22], the correlation coefficient
Figure pat00136
can be derived as in [Equation 24].

[수학식 24][Equation 24]

Figure pat00137
Figure pat00137

한 곳의 강우 관측소 또는 두 곳의 강우 관측소가 모두 양의 값을 나타내면

Figure pat00138
는 [수학식 25]와 같이 정의되고, [수학식 21] 내지 [수학식 24]을 이용하면
Figure pat00139
는 [수학식 26]과 같이 나타낼 수 있다.If one or both rainfall stations are positive,
Figure pat00138
is defined as in [Equation 25], and using [Equation 21] to [Equation 24],
Figure pat00139
can be expressed as [Equation 26].

[수학식 25][Equation 25]

Figure pat00140
Figure pat00140

[수학식 26][Equation 26]

Figure pat00141
Figure pat00141

[수학식 26]에서

Figure pat00142
일 때, 즉, 두 강우 관측소에 동시에 무강우가 기록되지 않는 경우에는
Figure pat00143
가 된다. 상기와 같은 수학식을 통해 관측 자료에 '0'이 포함된 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 상관계수가 다르게 나타날 수 있음을 확인할 수 있으며, 이는 우량계 강우 자료의 간헐성이 반영되어야 함을 나타낸다.In [Equation 26]
Figure pat00142
, that is, when no rainfall is recorded at the two rainfall stations at the same time
Figure pat00143
becomes Through the above equation, it can be confirmed that the correlation coefficient may be different for the case where '0' is included in the observation data and the case where '0' is not included, which indicates that the intermittency of the rain gauge rainfall data should be reflected.

상기와 같이, 강우에 대한 관측 자료의 비정규성과 간헐성이 상관계수에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있으며, 본 발명에 따른 우량계 강우의 보간 방법에서는 우량계 강우 자료의 간헐성과 비정규성을 모두 반영하여 상관계수를 결정하게 된다.As described above, it can be confirmed that the non-normality and intermittent nature of the observation data for rainfall affect the correlation coefficient, and in the interpolation method of the rainfall gauge according to the present invention, the correlation coefficient is will decide

보다 구체적으로 설명하면, 강우 자료인 관측 자료는 앞서 설명한 바와 같이, 정규분포를 따르지 않으며, 일반적으로 정규분포보다 대수정규분포로 설명될 수 있음은 공지되어 있다. 따라서, 강우 자료인 관측 자료의 상관계수는 정규분포를 따르는 자료에 0이 포함된 경우의 상관계수와는 다르게 나타날 것이다.More specifically, it is known that observation data, which are rainfall data, do not follow a normal distribution, as described above, and can generally be described as a lognormal distribution rather than a normal distribution. Therefore, the correlation coefficient of the observation data, which is the rainfall data, will appear different from the correlation coefficient when 0 is included in the data following the normal distribution.

본 발명에서는 대수정규분포를 따르는 자료에 '0'이 포함된 경우에 해당하는 관측 자료에 이변량 혼합 대수정규분포(Bivariate mixed log-normal distribution)을 적용하는 것을 예로 하며, 이에 대한 상관계수는 다음과 같이 설명될 수 있다.In the present invention, as an example, applying a bivariate mixed log-normal distribution to the observation data corresponding to the case where '0' is included in the data following the lognormal distribution, and the correlation coefficient for this is can be explained as

이변량 혼합 대수정규분포를 [수학식 27]과 같이 정의된다. 여기서, 혼합의 의미는 불연속과 연속 분포를 모두 고려한 것을 나타낸다.A bivariate mixed lognormal distribution is defined as [Equation 27]. Here, the meaning of mixing indicates that both discontinuous and continuous distribution are considered.

[수학식 27][Equation 27]

Figure pat00144
Figure pat00144

[수학식 27에서,

Figure pat00145
,
Figure pat00146
이다. 일반적으로 단변량 대수정규(Log-normal) 분포함수는
Figure pat00147
Figure pat00148
로 나타낼 수 있고, 이변량 대수정규 결합분포함수는
Figure pat00149
로 나타낼 수 있으므로, [수학식 27]은 [수학식 28] 내지 [수학식 30]과 같이 나타낼 수 있다.[In Equation 27,
Figure pat00145
,
Figure pat00146
am. In general, the univariate log-normal distribution function is
Figure pat00147
me
Figure pat00148
It can be expressed as , and the bivariate lognormal joint distribution function is
Figure pat00149
Since it can be expressed as, [Equation 27] can be expressed as [Equation 28] to [Equation 30].

Figure pat00150
Figure pat00150

여기서,

Figure pat00151
는 대수정규분포의 평균
Figure pat00152
와 분산
Figure pat00153
을 나타내고,
Figure pat00154
는 이변량 대수정규분포의 평균
Figure pat00155
,
Figure pat00156
, 분산
Figure pat00157
,
Figure pat00158
, 상관계수
Figure pat00159
를 나타낸다. 따라서 이변량 혼합 대수정규분포의 모수는 [수학식 31] 내지 [수학식 39]와 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure pat00151
is the mean of the lognormal distribution
Figure pat00152
with dispersion
Figure pat00153
represents,
Figure pat00154
is the mean of the bivariate lognormal distribution
Figure pat00155
,
Figure pat00156
, Dispersion
Figure pat00157
,
Figure pat00158
, correlation coefficient
Figure pat00159
indicates Therefore, the parameters of the bivariate mixed lognormal distribution can be expressed as in [Equation 31] to [Equation 39].

[수학식 31][Equation 31]

Figure pat00160
Figure pat00160

[수학식 32][Equation 32]

Figure pat00161
Figure pat00161

[수학식 33][Equation 33]

Figure pat00162
Figure pat00162

[수학식 34][Equation 34]

Figure pat00163
Figure pat00163

[수학식 35][Equation 35]

Figure pat00164
Figure pat00164

[수학식 36][Equation 36]

Figure pat00165
Figure pat00165

[수학식 37][Equation 37]

Figure pat00166
Figure pat00166

[수학식 38][Equation 38]

Figure pat00167
Figure pat00167

[수학식 39][Equation 39]

Figure pat00168
Figure pat00168

Figure pat00169
또는
Figure pat00170
가 대수정규분포를 따를 때
Figure pat00171
인 경우에 대하여 모멘트는 [수학식 40] 내지 [수학식 43]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00169
or
Figure pat00170
When is lognormally distributed
Figure pat00171
For the case of , the moment can be expressed as in [Equation 40] to [Equation 43].

Figure pat00172
Figure pat00172

이변량 대수정규분포로 주어진

Figure pat00173
의 결합분포에서 제1 케이스의 조건
Figure pat00174
에 대한
Figure pat00175
의 기댓값은 [수학식 44]와 같이 나타낼 수 있다.given by a bivariate lognormal distribution
Figure pat00173
The condition of the first case in the joint distribution of
Figure pat00174
for
Figure pat00175
The expected value of can be expressed as [Equation 44].

[수학식 44][Equation 44]

Figure pat00176
Figure pat00176

[수학식 40] 내지 [수학식 44]를 이용하면, [수학식 12]에 따라 제1 케이스의 상관계수

Figure pat00177
를 [수학식 45]와 같이 산출할 수 있다.Using [Equation 40] to [Equation 44], the correlation coefficient of the first case according to [Equation 12]
Figure pat00177
can be calculated as in [Equation 45].

[수학식 45][Equation 45]

Figure pat00178
Figure pat00178

제2 케이스 및 제3 케이스에 대한 상관계수

Figure pat00179
,
Figure pat00180
를 산출하기 위해서는
Figure pat00181
Figure pat00182
,
Figure pat00183
의 조건이 필요하다.
Figure pat00184
Figure pat00185
인 경우에
Figure pat00186
의 분포가 평균과 분산
Figure pat00187
Figure pat00188
를 갖는 대수정규분포를 따르므로 [수학식 46] 및 [수학식 47]의 관계를 도출할 수 있다.Correlation coefficients for case 2 and case 3
Figure pat00179
,
Figure pat00180
in order to calculate
Figure pat00181
class
Figure pat00182
,
Figure pat00183
condition is required.
Figure pat00184
class
Figure pat00185
in case of
Figure pat00186
distribution of mean and variance
Figure pat00187
Wow
Figure pat00188
Since it follows a lognormal distribution with

Figure pat00189
Figure pat00189

또한, [수학식 48] 및 [수학식 49]와 같은 관계식의 유도가 가능하다.In addition, it is possible to derive relational expressions such as [Equation 48] and [Equation 49].

Figure pat00190
Figure pat00190

[수학식 21] 및 [수학식 22]와, [수학식 46] 및 [수학식 49]의 모멘트 사이의 관계를 이용하면, 제3 케이스의 상관계수

Figure pat00191
를 산출할 수 있다. 또한,
Figure pat00192
의 조건으로 주어지는 제2 케이스의 상관계수
Figure pat00193
는 [수학식 28] 내지 [수학식 30]을 통해 산출할 수 있다.Using the relationship between [Equation 21] and [Equation 22] and the moments of [Equation 46] and [Equation 49], the correlation coefficient of the third case
Figure pat00191
can be calculated. In addition,
Figure pat00192
Correlation coefficient of the second case given under the condition of
Figure pat00193
can be calculated through [Equation 28] to [Equation 30].

상기와 같은 과정을 통해, 비정규성과 간헐성을 갖는 우량계 강우 자료를 크리깅 기법을 적용하여 보간하는데 있어, 제1 케이스, 제2 케이스 및 제3 케이스에 따라 상관계수를 산출하여, 비정규성 및 간헐성이 반영된 크리깅 기법의 적용이 가능하게 된다.Through the above process, in interpolating rain gauge rainfall data with non-normality and intermittent nature by applying the kriging technique, correlation coefficients are calculated according to the first case, the second case, and the third case, and the non-normality and the intermittent The application of the kriging technique becomes possible.

이하에서는, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 우량계 강우의 보간 방법의 효과에 대해 설명한다.Hereinafter, effects of the rain gauge rainfall interpolation method according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 8 .

본 발명의 실시예에 따른 우량계 강우 자료의 보간 기법을, 도 2에 도시된 바와 같이, 관악산 레이더 관측 범위 내 분포한 기상청 45개 관측소의 우량계 강우 자료에 적용하는 시뮬레이션이 수행되었다. 그리고, 시뮬레이션 결과를 관악산 레이더 강우의 분포와 비교한다. 이는 레이더 강우가 우량계 강우보다 정도는 낮지만 강우의 공간분포를 비교적 정확하게 관측할 수 있기 때문이다.As shown in FIG. 2 , a simulation was performed in which the interpolation technique of the rain gauge rainfall data according to the embodiment of the present invention was applied to the rain gauge rainfall data of 45 stations of the Korea Meteorological Administration distributed within the radar observation range of Mt. Gwanak. Then, the simulation results are compared with the distribution of the Gwanaksan radar rainfall. This is because, although radar rainfall is lower in degree than rain gauge rainfall, the spatial distribution of rainfall can be observed relatively accurately.

2010년 9월 11일에 발생한 호우사상 중 많은 양의 강우가 기록된 2010년 9월 11일 4시 30분(Event 1)과 8시 30분(Event 2) 2개 시점의 관측 자료를 이용하여 단순 크리깅을 수행하였다. 도 3의 (a)는 Event 1의 레이더 강우 분포를 나타낸 것이고, 도 3의 (b)는 Event 2의 레이더 강우 분포를 나타낸 것이다.Among the heavy rain events that occurred on September 11, 2010, we used observation data at two points at 4:30 (Event 1) and 8:30 (Event 2) on September 11, 2010, when a large amount of rainfall was recorded. Simple kriging was performed. Fig. 3 (a) shows the radar rainfall distribution of Event 1, and Fig. 3 (b) shows the radar rainfall distribution of Event 2.

본 발명의 실시예에 따른 우량계 강우 자료의 보간 방법의 효과를 검증하기 위해, 강우 특성의 고려 여부에 따라 네 개의 케이스로 구분하여 시뮬레이션이 진행되었다. 강우 자료의 특성을 고려하지 않은 경우(Case 1), 간헐성만 고려한 경우(Case 2), 자료의 비정규성만 고려한 경우(Case 3), 본 발명의 실시예에서와 같이 간헐성과 비정규성을 모두 고려한 경우(Case 4)로 구분하였다. Case 1 및 Case 2에서는 우량계 강우의 원자료를 이용하였고, Case 3 및 Case 4에서는 자연로그를 적용한 우량계 강우 자료를 적용하였다. 이는 정규분포를 따르지 않는 자료의 특성을 고려하여 자연로그를 적용한 자료가 정규분포를 따를 것으로 가정하고 접근한 것이다.In order to verify the effect of the interpolation method of the rain gauge rainfall data according to the embodiment of the present invention, the simulation was performed by dividing the rainfall characteristics into four cases depending on whether or not the rainfall characteristics were considered. When the characteristics of rainfall data are not considered (Case 1), when only intermittency is considered (Case 2), when only non-normality of data is considered (Case 3), when both intermittent and non-normality are considered as in the embodiment of the present invention (Case 4). In Case 1 and Case 2, raw data of rainfall gauge were used, and in Case 3 and Case 4, rain gauge rainfall data using natural logarithms was applied. This approach is based on the assumption that the data to which the natural logarithm is applied will follow the normal distribution, considering the characteristics of the data that do not follow the normal distribution.

[표 1]은 우량계 강우와 레이더 강우의 평균, 분산, 최대값을 정리한 것이다.[Table 1] summarizes the average, variance, and maximum values of rainfall gauge and radar rainfall.

[표 1] [Table 1]

Figure pat00194
Figure pat00194

도 4 및 도 5는 는 레이더 강우의 경험적 베리오그램(Empirical)과 이론적 베리오그램(Gaussian)을 나타낸 것으로, 도 4는 Event 1의 베리오그램이고, 도 5는 Event 2의 베리오그램이다. 도 4 및 도 5의 (a)는 Case 1, 도 4 및 도 5의 (b)는 Case 2, 도 4 및 도 5의 (c)는 Case 3, 도 4 및 도 5의 (d)는 Case 4이다. 그리고, [표 2]는 베리오그램의 문턱값과 상관거리를 정리한 것이다.4 and 5 show an empirical and theoretical variogram of radar rainfall, FIG. 4 is a variogram of Event 1, and FIG. 5 is a variogram of Event 2. 4 and 5 (a) is Case 1, FIGS. 4 and 5 (b) are Case 2, FIGS. 4 and 5 (c) are Case 3, FIGS. 4 and 5 (d) are Case 2 4 is And, [Table 2] summarizes the threshold values and correlation distances of variograms.

[표 2][Table 2]

Figure pat00195
Figure pat00195

도 4 및 도 5, 그리고 [표 2]를 통해 확인할 수 있듯이, 강우 자료의 간헐성이나 비정규성을 고려하여 베리오그램을 유도한 경우, 그렇지 않은 경우와 비교하여 문턱값은 작고 상관거리는 크게 나타남을 확인할 수 있다. 특히, 강우 자료의 간헐성이 비정규성보다 상관거리에 미치는 영향이 더 크게 나타났다. 강우 자료의 간헐성과 비정규성을 모두 고려한 경우에는 다른 모든 경우보다 문턱값은 작고 상관거리는 매우 크게 나타났다. 이는 강우 자료의 간헐성을 고려한 경우 레이더 강우에 포함된 많은 양의 '0'이 분산을 감소시키고 강우 자료간 상관정도를 증가시키기 때문이다. 여기에 강우 자료의 비정규성을 추가로 고려할 경우 자연로그를 적용한 자료를 이용함에 따라 이상치의 영향이 감소하여 자료의 상관도는 더 크게 나타나게 된다. 이는 강우 자료의 특성을 고려할 때 강우 자료의 상관도를 극대화할 수 있음을 나타낸다.As can be seen from FIGS. 4 and 5 and [Table 2], when the variogram is induced in consideration of the intermittent or non-normality of the rainfall data, it can be confirmed that the threshold value is small and the correlation distance is large compared to the case where it is not. can In particular, the intermittent rainfall data had a greater effect on the correlation distance than the non-normality. When both the intermittent and non-normality of the rainfall data were considered, the threshold value was smaller than in all other cases, and the correlation distance was very large. This is because, when intermittent rainfall data is considered, a large amount of '0' included in radar rainfall reduces variance and increases correlation between rainfall data. If the non-normality of the rainfall data is additionally taken into account, the effect of the outlier is reduced as data applied with the natural logarithm is used, and the correlation of the data becomes larger. This indicates that the correlation of rainfall data can be maximized when considering the characteristics of rainfall data.

한편, 도 6의 (a)는 Event 1에 대한 우량계 강우의 위치이고, 도 6의 (b)는 Event 2에 대한 우량계 강우의 위치이고, 도 6의 (c)는 Event 1에 대한 레이더 강우의 위치이고, 도 6의 (d)는 Event 2에 대한 레이더 강우의 위치이다. 도 6에서 속이 빈 네모는 우량계지점에서 무강우로 기록된 우량계 강우와 레이더 강우를 나타낸다. 도 6에서 확인할 수 있듯이, 레이더 강우와 우량계 강우가 유사하게 나타나는 부분도 있지만, 대부분의 경우 레이더 강우가 우량계 강우보다 작게 관측된 것으로 나타났다.On the other hand, (a) of Figure 6 is the location of the rain gauge rainfall for Event 1, Figure 6 (b) is the location of the rain gauge rainfall for Event 2, Figure 6 (c) is the radar rainfall for Event 1 location, and (d) of FIG. 6 is the location of radar rainfall for Event 2. The hollow squares in FIG. 6 represent rain gauge rainfall and radar rainfall recorded as no rainfall at the rain gauge point. As can be seen in FIG. 6 , there are parts where the radar rainfall and the rain gauge rainfall appear similarly, but in most cases, the radar rainfall was observed to be smaller than the rain gauge rainfall.

도 7 및 도 8은 각각 도 6에 도시된 우량계 강우 자료와 레이더 강우 자료를 이용한 단순 크리깅 결과를 나타낸 것이다. 도 7 및 도 8의 (a) 내지 (d)는 Event 1, (e) 내지 (h)는 Event 2에 대해 적용한 결과이고, (a) 및 (e)는 Case 1, (b) 및 (f)는 Case 2, (c) 및 (g)는 Case 3, (d) 및 (h)는 Case 4를 나타낸 것이다.7 and 8 show simple kriging results using the rain gauge rainfall data and radar rainfall data shown in FIG. 6, respectively. 7 and 8 (a) to (d) are the results applied to Event 1, (e) to (h) are the results applied to Event 2, (a) and (e) are Case 1, (b) and (f) ) shows Case 2, (c) and (g) show Case 3, and (d) and (h) show Case 4.

도 7 및 도 8을 통해 확인할 수 있듯이, 우량계 강우와 레이더 강우를 이용한 단순 크리깅 결과는 Case 별로 대체로 유사하게 나타난 것을 알 수 있다. 다만, 우량계 강우를 이용한 결과가 레이더 강우를 이용한 결과보다 강우의 크기가 크게 나타났으며, 강우 면적도 더 크게 나타난 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIGS. 7 and 8 , it can be seen that simple kriging results using rain gauge rainfall and radar rainfall are generally similar for each case. However, it can be seen that the size of the rainfall was larger in the result using the rain gauge rainfall than the result using the radar rainfall, and the rainfall area was also larger.

강우 자료의 특성을 고려하지 않고 단순 크리깅을 수행한 경우 우량계 강우와 레이더 강우의 단순 크리깅 결과 모두 강우 면적이 작게 나타났다. 이는 상관거리가 가장 작게 나타났기 때문이다. 강우 자료의 간헐성만 고려하여 단순 크리깅을 수행한 경우 상관거리가 크게 나타나면서 강우 자료의 특성을 고려하지 않은 경우와 비교하여 강우 면적이 크게 나타났다. 강우 자료의 비정규성만 고려하여 단순 크리깅을 수행한 경우에는 우량계 강우와 레이더 강우 모두 앞의 두 결과보다 강우 면적이 더 크게 나타났다. 강우 자료의 간헐성과 비정규성을 모두 고려한 경우에는 강우의 공간분포가 더 크게 나타났다. 특히, Event 1에서 우량계 강우와 레이더 강우를 이용한 결과 모두 다른 결과보다 강우 면적이 가장 크게 나타났다. 이는 상관거리가 가장 크게 나타났기 때문이다.When simple kriging was performed without considering the characteristics of rainfall data, the rainfall area was small in both the rain gauge rainfall and radar rainfall simple kriging results. This is because the correlation distance was the smallest. When simple kriging was performed considering only the intermittent rainfall data, the correlation distance was large, and the rainfall area was larger compared to the case where the characteristics of the rainfall data were not considered. When simple kriging was performed considering only the non-normality of the rainfall data, the rainfall area was larger than the previous two results for both rain gauge rainfall and radar rainfall. When both intermittent and non-normality of rainfall data were considered, the spatial distribution of rainfall was larger. In particular, in Event 1, the rainfall area was the largest compared to the other results in both the rain gauge and radar rainfall. This is because the correlation was the largest.

[표 3]과 [표 4]는 우량계 강우와 레이더 강우에 대한 단순 크리깅 결과와 관측된 레이더 강우 사이의 검정통계량을 정리한 것이다. 우량계 강우와 레이더 강우에 대한 단순 크리깅 결과와 관측된 레이더 강우를 비교한 결과, 강우 자료의 특성을 고려한 경우가 강우 자료의 특성을 고려하지 않은 경우보다 RMSE이가 작게 나타났다. 특히, 우량계 강우와 레이더 강우를 이용한 단순 크리깅 결과 모두 자료의 간헐성을 고려한 경우에 RMSE가 최소로 나타났다. 이와 같은 결과를 통해 강우 자료의 특성을 고려하여 단순 크리깅을 수행한 경우가 그렇지 않은 경우보다 예측 결과를 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.[Table 3] and [Table 4] summarize the test statistics between the simple kriging results for rainfall gauge and radar rainfall and the observed radar rainfall. As a result of comparing the simple kriging results for rain gauge rainfall and radar rainfall with the observed radar rainfall, the RMSE difference was smaller when the characteristics of the rainfall data were considered than when the characteristics of the rainfall data were not considered. In particular, the RMSE was shown to be the minimum when the intermittency of the data was taken into consideration in the simple kriging results using rain gauge rainfall and radar rainfall. Through these results, it was confirmed that the case where simple kriging was performed in consideration of the characteristics of the rainfall data could improve the prediction result than the case where it was not.

[표 3][Table 3]

Figure pat00196
Figure pat00196

[표 4][Table 4]

Figure pat00197
Figure pat00197

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.Although several embodiments of the present invention have been shown and described, it will be apparent to those skilled in the art that changes may be made to these embodiments without departing from the spirit or spirit of the invention. . The scope of the invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (4)

강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법에 있어서,
베리오그램이 등록되는 단계와,
크리깅 행렬 방정식이 등록되는 단계,
우량계 강우 자료가 상기 베리오그램이 적용되어 상기 크리깅 행렬 방정식을 구성하는 공분산이 산출되는 단계와,
상기 공분산이 상기 크리깅 행렬 방정식에 적용되어 가중치가 산출되는 단계와,
상기 가중치에 기초하여 우랑계 강우가 보간되는 단계를 포함하며;
상기 베리오그램을 구성하는 상관계수에 상기 우량계 강우 자료의 간헐성 및 비정규성이 반영되는 것을 특징으로 하는 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법.
In the interpolation method of rain gauge rainfall in which rainfall characteristics are reflected,
A step in which the variogram is registered;
a step in which the kriging matrix equation is registered;
The step of calculating the covariance constituting the kriging matrix equation by applying the variogram to the rain gauge rainfall data;
calculating a weight by applying the covariance to the kriging matrix equation;
interpolating rain-based rainfall based on the weight;
An interpolation method of rainfall characteristics reflecting rainfall characteristics, characterized in that the intermittent and non-normality of the rain gauge rainfall data is reflected in the correlation coefficient constituting the variogram.
제1항에 있어서,
상기 상관계수는 이량 혼합 대수정규분포가 적용되어 산출되는 것을 특징으로 하는 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법.
According to claim 1,
The correlation coefficient is an interpolation method of rain gauge rainfall reflecting rainfall characteristics, characterized in that it is calculated by applying a bimodal mixed lognormal distribution.
제2항에 있어서,
상기 상관계수는 두 곳의 강우 관측소에서 측정된 상기 우량계 강우 자료 간에 대해 산출되고;
상기 상관관계는 두 곳의 강우 관측소 모두에서 양의 관측값을 갖는 제1 케이스와, 두 곳의 강우 관측소 중 적어도 하나가 양의 관측값을 갖는 제2 케이스와, 두 곳의 강우 관측소 모두 '0' 이상의 관측값을 갖는 제3 케이스로 구분되어 산출되는 것을 특징으로 하는 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법.
3. The method of claim 2,
the correlation coefficient is calculated between the rain gauge rainfall data measured at two rainfall stations;
The correlation is a first case having a positive observation value at both rainfall stations, a second case in which at least one of the two rainfall stations has a positive observation value, and both rainfall stations are '0'' Rain gauge rainfall interpolation method with rainfall characteristics reflected, characterized in that it is calculated by being divided into a third case having more than one observation value.
제2항에 있어서,
상기 제1 케이스의 상관계수는 수학식
Figure pat00198

(
Figure pat00199
는 상기 제1 케이스의 상관계수이고,
Figure pat00200
는 이변량 대수정규분포의 상관계수이고,
Figure pat00201
Figure pat00202
는 두 곳의 강우 관측소 각각의 이변량 대수정규분포의 분산이다)에 의해 산출되고; 상기 제2 케이스의 상관계수는 수학식
Figure pat00203

(
Figure pat00204
Figure pat00205
는 단변량 대수정규 분포함수이고,
Figure pat00206
는 이변량 대수정규 결합분포함수이고,
Figure pat00207
는 대수정규분포의 평균(
Figure pat00208
)과 분산(
Figure pat00209
)이고,
Figure pat00210
는 이변량 대수정규분포의 평균(
Figure pat00211
,
Figure pat00212
)과 분산(
Figure pat00213
,
Figure pat00214
)이고,
Figure pat00215
는 상관계수이다)에 의해 산출되며; 상기 제3 케이스의 상관계수는 수학식
Figure pat00216

의 모멘트와, 수학식
Figure pat00217

의 모멘트 사이의 관계에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 강우 특성이 반영된 우량계 강우의 보간 방법.
3. The method of claim 2,
The correlation coefficient of the first case is
Figure pat00198

(
Figure pat00199
is the correlation coefficient of the first case,
Figure pat00200
is the correlation coefficient of the bivariate lognormal distribution,
Figure pat00201
and
Figure pat00202
is the variance of the bivariate lognormal distribution of each of the two rainfall stations); The correlation coefficient of the second case is
Figure pat00203

(
Figure pat00204
and
Figure pat00205
is a univariate lognormal distribution function,
Figure pat00206
is the bivariate lognormal joint distribution function,
Figure pat00207
is the mean of the lognormal distribution (
Figure pat00208
) and variance (
Figure pat00209
)ego,
Figure pat00210
is the mean of the bivariate lognormal distribution (
Figure pat00211
,
Figure pat00212
) and variance (
Figure pat00213
,
Figure pat00214
)ego,
Figure pat00215
is the correlation coefficient); The correlation coefficient of the third case is
Figure pat00216

and the moment of
Figure pat00217

An interpolation method of rainfall in the rain gauge reflecting rainfall characteristics, characterized in that it is calculated by the relationship between the moments of
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