한국농림기상학회지, 제 16권 제4호(2014) (pISSN 1229-5671, eISSN 2288-1859)
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 16, No. 4, (2014), pp. 297~303
DOI: 10.5532/KJAFM.2014.16.4.297
ⓒ Author(s) 2014. CC Attribution 3.0 License.


기상청 동네예보의 영농활용도 증진을 위한 방안:
III. 사면 일 최고기온 결정에 미치는 이류효과 보정

김수옥(1), 윤진일(2)
(1)국가농림기상센터, (2)경희대학교 생명과학대학

(2014년 10월 06일 접수; 2014년 10월 25일 수정; 2014년 10월 27일 수락)

Improving usage of the Korea Meteorological Administration’s Digital
Forecasts in Agriculture: III. Correction for Advection Effect on
Determination of Daily Maximum Temperature Over Sloped Surfaces

Soo-ock Kim(1), Jin I. Yun(2)
(1)National Center for Agro-Meteorology, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea
(2)College of Life Sciences, Kyung Hee University, Yongin 446-701, Korea

(Received October 06, 2014; Revised October 25, 2014; Accepted October 27, 2014)

ABSTRACT
The effect of solar irradiance has been used to estimate daily maximum temperature, which make it possible to reduce the error inherent to lapse-rate based elevation difference correction in mountainous terrain. Still, recent observations indicated that the effect of solar radiation would need correction for estimation of daily maximum temperature. It was attempted to examine what would cause the variability of solar irradiance effect in determination of daily maximum temperature under natural field conditions and to suggest improved methods for estimation of the temperature distribution over mountainous regions. Temperature at 1500 and the wind speed for 1100 to 1500 were obtained at 10 validation sites with various topographical features including slope and aspect within a mountainous 50 km2 catchment for 2012-2013. Lapse-rate corrected temperature estimates on clear days were compared with these observations, which would represent the differential irradiance effect among sloped surfaces. Results indicated a negative correlation between the mean wind speed and the estimation error. A simple scheme was derived from relationship between wind speed and estimation error for daily temperature to correct the effect of solar radiation. This scheme was incorporated into an existing model to estimate daily maximum temperature based on the effect of solar radiation. At 10 validation sites on clear days, estimates of 1500 LST temperature with and without the correction scheme were compared. It was found that a substantial improvement was achieved when the correction scheme was applied in terms of bias correction as well as error size reduction at all sites.

Keyword: Advection, Complex terrain, Daily maximum temperature, Slope effect, Solar irradiance

MAIN

Ⅰ. 서언

기후변화로 인해 폭염과 열대야 등의 기상이변이 더 증가될 것으로 전망되는 상황에서(기상청, 2012), 고온으로 인한 농작물의 수확량 감소, 생리장해, 과실의 품질 및 착색불량 등 작물의 피해 증가가 예상된다 (Heo et al., 2013; Hwang et al., 2003; Kim et al., 2011; Sagong et al., 2013). 기후변화와 기상이변은 여러 공간규모에서 다양하게 발생하지만, 농민이 그 영향을 경험하는 것은 농장, 과원 등 국지규모에서만 가능하다. 따라서 농업부문의 기상재해 조기경보체계는 국지적인 규모로 그 적용공간이 제한되며, 여기에 활용되는 기온 역시 필지 구분이 가능한 정도로 분해능이 높아야 한다.
기상청 제공 일 최고기온 정보의 분해능은 사방 5km로서 평야지에서는 별 문제가 없지만 산간지에서는 실제 온도와 큰 차이가 발생할 수 있다. 그 근본적인 이유는 복잡지형의 일 최고기온 분포가 표고차에 의해서도 달라지지만, 사면과 태양위치 간 기하학적 관계로 인한 수광량(surface irradiance) 차이의 영향을 받기 때문이다 (Seo et al., 2008; Chung et al., 2009; Kim and Yun, 2013). 기상청 정보를 바탕으로 공간통계기법 등으로 규모를 축소시킬 경우, 격자점 대표 기온을 기반으로 격자점 내 임의 지점과 격자점 대표고도 간 편차만큼 기온감률을 적용하는 것이 일반적이다. 이 같은 방식으로 추정된 기온값에는 해발고도 보정만으로는 설명할 수 없는 오차가 내재되어 있는데, 특히 맑은 날 낮시간에는 평탄지와 경사면 간 일사 수광량의 차이로 인해 발생하는 오차가 크다. 태양위치와 사면의 방향, 경사도에 따라 지표면에 도달하는 태양복사의 입사각도가 달라지며, 이에 따라 지면을 데우는데 사용되는 순복사 에너지가 변하기 때문이다.
일 최고기온 결정에 미치는 이 같은 ‘수광량 효과’를 정량화하기 위해 많은 연구가 진행되었는데, 대체로 1100부터 1500까지 4시간 동안의 수평면에 대한 경사면의 수광량 편차와, 수평면에 대한 경사면의 기온편차 간 관계식을 도출하는 방안이 주종을 이루었다 (Yun, 2004; Chung et al., 2007; Chung et al., 2009; Kim and Yun, 2013). 이들 방법은 주로 고해상도 전자기후도 제작에 많이 활용되었지만 조기경보체계에서 요구하는, ‘실황에 준하는’ (near-real time) 일 최고기온 추정에도 적용할 수 있는지 검토된 적은 없다. 또한 사면 일사수광량 편차 외에도 지표 부근의 한낮기온 결정요인으로써 이류의 영향을 들 수 있다. Kim and Yun (2013)이 제시한 일사편차가 기온에 영향을 미칠 수 있는 ‘유효면적’은 약 1.8km2으로, 해발고도와 경사도 등 지형을 표현하는 단위격자의 기준면적 900m2 에 비해 매우 큰 규모이며 이는 낮시간대 사면에서 가열된 공기주머니가 바람에 의해 열특성이 다른 공기주머니들과 빠르게 섞이게 된 결과일 수 있다 (Kim and Yun, 2013).
본 연구에서는 고밀도 검증관측망에 의해 수집된 복잡지형 집수역(catchment area)의 일 최고기온과 풍속의 분포실황으로부터 이 가설을 검증하고, 선행연구에서 제시한 일사효과 기반 최고기온 추정모형에 풍속효과를 추가함으로써 일 최고기온 추정방법의 신뢰성을 높이는 것을 목표로 하였다.

Ⅱ. 일사효과 모형

관측된 일사효과를 정량적으로 추정할 수 있는 모형으로서 캐나다 산림청에서 개발한 BioSIM이 대표적인데, 산악 등 복잡지형에서 가장 널리 사용되어온 모형 중 하나이다. 이 모형에서는 임의 사면의 1100부터 1500까지 4시간 동안의 적산 일사수광량과 인근 기상관측소의 수평면일사량 간 편차에 의해 기상관측소의 1500 기온을 보정하여 임의사면의 기온값으로 삼는다. 이때 사용되는 보정계수(Cf , correction factor)는 다음 식과 같이 표현된다 (Regniere, 1996).
1여기서 R은 기온일교차, ∆TR은 수평면과 경사면간 일사량 편차에 의한 기온상승분의 상한값으로 일교차 1℃당 기온으로 표현되며 산림군락에서 0.1429로 알려져 있다. 과열지수(overheating index)로 불리는 υ 는 4시간 동안 적산한 수평면 일사량(φ0)과 경사면 일사량(φt)간의 차이를, 북반구에서 관찰되는 오후 4시간 적산 일사량의 최대편차(∆φmax, 15MJ/m2)로 표준화한 것이다.
2하지만 이 모형을 우리나라에 적용하면 일사효과가 과소추정 되는 단점이 발견되었으며, 이를 보완하기 위해 Chung et al.(2009)은 식 (2)의 분모를 청천일사량(clear sky radiation, S)으로 치환한 표준수광지수(χ, normalized slope irradiance)를 제시하였다.
3청천일사량 S는 ∆φmax와 달리 하지를 정점으로 계절변동을 보이는데, 동일한 수광량 편차일지라도 여름철보다 겨울철에 낮기온 상승 기여도가 클 것으로 가정한 것이다.
청천일사량(S)은 아래와 같이 계산하는데,
4여기서 , ϕ는 위도, 그리고 δ는 태양적위로서 다음 식으로 근사값이 구해진다.
5여기서 J는 1~365의 연중 날짜(day of year)를 가리킨다.
Chung et al. (2009)는 제주도 기생화산을 이용한 실험을 통해 다양한 경사면과 수평면 간 최고기온 편차, 즉 일사수광량에 의한 추정기온 보정량(Cf)은 표준수광지수 χ 의 이차함수로 표현할 수 있다고 보고하였다.
6하지만 이 식은 χ 가 양의 값이면 기온상승효과가 급격히 증가하여 0.125에서 약 4℃를, 0.2에서는 7℃에 가까워지는 문제가 있다. 본 연구에서는 기생화산실험에서 관측된 최고기온 편차 최대치인 4℃를 기온변동의 상한값으로 두고, χ값이 0 ~ 0.125일 때 0℃부터 4℃까지 직선적으로 증가한다고 가정하여 Cf = 32 χ로 대체하였다. χ가 음의 값일 경우 0부터 식 (6)의 변곡점인 χ = -0.178까지 직선적으로 감소되도록 Cf = 6.66 χ로 대체하고, 그 이하는 관측된 일사효과 최저치인 -1.2℃를 유지하도록 하였다 (Fig. 1, Table 1).
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Ⅲ. 관측된 기온과 일사 특성

연구대상지역으로서 지리산 국립공원 남쪽의 악양집수역(경남 하동군 악양면)을 선정하고, 해발 10~325m 고도 범위의 10개 지점에 설치된 무인기상관측기(STA Corporation, Korea)로부터 2012년 1월부터 2013년 12월까지 2년간 1분단위 기온과 풍속 자료를 수집하였다 (Fig. 2). 10곳의 기상관측지점은 남북으로 흐르는 하천을 사이에 두고 서향사면과 동향사면에 고루 분포하고 있어 한낮의 일사량과 기온의 차이를 확인하기에 적합하다. 5번 지점과 7번 지점의 해발고도는 약 280m 가량으로 거의 동일하지만 5번은 서향사면에, 7번은 동향사면에 위치하고 있다 (Fig. 2). 서향사면의 4번 지점은 326m로, 5번, 7번 지점과 고도 면에서 유사하다. 해발 92m와 105m의 2번(서향사면)과 9번(동향사면)은 해발 300m 급 지점에 비해서 상대적으로 경사가 완만하다. 6번 지점은 계곡 지형 안쪽에 위치한 완만한 남향사면에 해당하며, 1번, 10번 지점은 고도 40m가 조금 넘는 낮은 남동향사면이다 (Fig. 2, Table 1).
연구대상지역에 가장 가깝고 위도가 유사한 기상관서는 진주기상대로, 이곳의 시간단위 일사량과 운량 자료를 수집하였다. 10개 지점에서 수평면일사량을 관측했지만 측기의 정밀도와 정확도가 기상관서의 표준측기보다 낮고 지점별로 주변 장애물 유무와 위치 등 관측여건이 다르기 때문에 지점 평균값을 사용하지 않고 진주기상대의 일사량을 연구대상지역의 수평면 일사량으로 간주하였다. 지점별 사면 일사 수광량은 1100부터 1500까지 매시간 적산된 진주 수평면 일사량으로부터 Kondratyev and Federova (1977)의 방법에 의해 계산하였다. 이 과정에서 경사도 및 경사향은 가로×세로 30m 해상도의 DEM 격자로부터 반경 750m의 구역을 평활화 한 것으로 사용하였다 (Kim and Yun, 2013). 운량의 경우, 4시간(1200, 1300, 1400, 1500)의 값을 평균하여 평균 운량이 1이하인 날과 9이상인 날을 선별, 각각 맑은 날과 흐린 날 구분에 이용하였다.
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이들 자료를 이용하여 해발고도나 경사도 조건은 비슷하나 경사향만 다를 경우 두 지점 간에 한낮 4시간 동안 실제로 수광량과 기온에 차이가 나는지 확인하였다 (Fig. 3). 2012년 중 전운량 1이하가 기록된 75일에 대하여 검증관측지점 중 고도가 300m정도로 비슷한 5번(서향사면)과 7번(동향사면)의 1500 기온은 5번에서 평균 1.5℃ 더 높았는데, 흐린 날 76일 간의 두 지점간 기온 편차는 평균 0.1℃에 불과하였다. 서향사면 4번 지점은 7번에 비해 표고가 40m 가량 더 높은 곳이긴 하나 7번에 비해 맑은 날 기온이 평균 0.7℃ 더 높았다. 흐린 날의 기온 편차는 평균 -0.3℃로서 고도에 따른 기온감률이 반영된 것으로 볼 수 있다. 표고 100m 급의 두 지점 2번(서향사면)과 9번(동향사면)에서도 맑은 날 1500 기온 편차는 역시 2번에서 평균 0.4℃ 더 높았다.
같은 지점들의 맑은 날 1100 – 1500 (4시간) 누적 사면 일사수광량을 비교해 보면 기온편차가 가장 컸던 5번과 7번 사이에서 수광량 편차가 거의 2MJ/m2 에 가까울 정도로 큰 것으로 나타났다. 나머지 경우에도 모두 동향사면에 비해 서향사면 쪽의 일사 수광량이 더 큰 것으로 나타나 1500 기온의 지점 간 편차와 사면 일사수광량 간에 상관이 있음은 확실해 보인다.
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Ⅳ. 일사효과와 풍속 관계

해발고도 보정만을 수행한 일 최고기온 추정값은 실제 관측기온과 차이가 날 것이며 선행연구들에서는 이 오차의 주된 성분이 일사효과라고 결론 내렸다. 하지만 본 연구에서는 일사효과를 이류, 즉 풍속에 의해 보정해야만 현실에 가까운 결과를 얻을 것으로 가정하여 먼저 이 오차와 풍속간의 관계를 살펴보았다. 선별된 맑은 날(2012년 75일, 2013년 102일)에 대하여 악양집수역 인근 기상청 AWS인 화개와 하동에서 관측된 1500 기온의 평균값을 10개 검증지점의 배경기온으로 두고, AWS지점 평균표고와 30m 격자의 DEM (digital elevation model)으로 표현된 가상지형의 고도 간 편차를 기온감률(-0.9℃/100m)에 의해 보정하여 각 지점의 국지기온을 추정하였다. 이들 추정기온과 실측기온 간 지점 평균 추정오차를 계산한 다음, 동일 기간의 4시간(1100-1500) 평균풍속과 비교하였더니 풍속이 강해질수록 추정오차가 직선적으로 줄어드는 관계가 확인되었다. (Fig. 4).
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경사면이 수평면에 비해 더 가열되어 사면에 인접한 공기주머니의 온도가 상승하더라도 그 자리에 머물러 있지 못하고 이동한다는 것은 충분히 예견되는 사실이다. 이때 큰 규모의 공기주머니가 연직상방으로 이동하는 대류의 경우 일사수광량 편차에 의해 추정되는 기온상승효과가 지속되겠지만, 만약 주변으로부터 열특성이 다른 공기주머니가 이류에 의해 기존 공기주머니를 밀어내거나 섞일 경우에는 일사효과의 감쇄가 예상된다. 이를 반영하여 표준수광지수(χ)를 이용한 기온보정계수 Cf 를 이류가 전혀 없는 조건에서 기대할 수 있는 일사효과의 최대값으로 간주하였다. 이류가 있는 경우는 수평풍속에 따라 가중치를 적용함으로써 일사효과 보정계수를 조정하는 방안을 도출하였다. 풍속가중치(f)는 해당 경사면의 표준수광지수 계산과 동일한 4시간(1100 – 1500) 동안 평균풍속( )을 변수로 둔 다음 식으로 모의하였다.
7이 식에 의하면 일사효과모형에 의한 기온상승분이 최대치 4℃로 계산되었을 때 4시간 풍속평균이 0.5m/s였다면 2.2℃로, 1m/s였을 경우에는 1.2℃로, 2m/s 일 때는 0.4℃로 줄게 되며 평균풍속이 3m/s 이상이면 기온에 미치는 일사효과는 사라지게 된다 (Fig. 5).
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V. 새로운 모형의 성능

표준수광지수 기반의 일사효과 모형에 바람효과를 결합하여 악양집수역 10개 검증지점의 2012년 12월부터 2013년 2월까지 운량 1 이하인 맑은 날 1500 기온을 추정하였다. 기상청 AWS 화개와 하동 두 지점에서 관측된 1500 기온의 평균값을 연구지역의 배경기온으로 두고 기상청 AWS 평균표고와 30m 격자의 DEM (digital elevation model)으로 표현된 가상지형의 고도 간 편차를 기온감률(-0.9℃/100m)로 보정하여 대조값으로 삼았다. 또한 비교를 위해 풍속효과를 적용하지 않은 기존 일사효과모형에 의해 1500 기온을 추정하였다. 이들과 검증관측망의 1500 실측기온을 비교하여 각 모형의 ME (mean error)와 RMSE (root mean square error)를 계산하였다.
그 결과 단순 고도보정의 경우 기온추정 오차(ME)는 평균 -0.87℃로 전반적으로 과소추정이었으며, 특히 서향사면에 위치한 3~5번 지점과 저지대이나 완만한 남사면에 해당하는 6번 지점에서 이런 경향이 심했다 (Table 3, Lapse). 기존의 표준수광지수 모형으로 추정된 기온의 ME는 1.0℃으로서 실측기온에 비해 전반적으로 높았다 (Table 3, NDSI). 이에 비해 바람효과를 결합한 새로운 모형에 의해 추정된 기온은 ME가 -0.23℃로 편기성이 크게 개선되었으며, 이 같은 효과는 특히 남•서향의 사면에서 크게 나타났다 (Table 3, NDSI+U).
검증지점 10곳에 대한 1500 추정기온의 평균 RMSE 역시 1.0℃ 수준으로 낮아져 실용성이 충분한 것으로 판단된다. 기존의 표준수광지수 모형만으로는 RMSE가 1.8℃나 되지만 풍속가중치로 보완함으로써 편기성 개선은 물론 RMSE를 크게 낮출 수 있게 되었다 (Fig. 6). 이 새로운 방법에 의해 복잡지형의 기후자료 뿐 아니라 실황기상 수준에서도 기존 기상정보의 공간규모로는 표현이 어려운 복잡지형 내에서도 신뢰성 있는 최고기온 예측과 농가에 유용한 2, 3차 정보를 생산하는 기반 기술이 될 수 있을 것으로 보인다.
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적요

기온감률에 의한 고도보정만으로 표현되지 않는 산악지대의 한낮 기온 분포를 추정하기 위해 사면 일사효과모형이 사용되어왔으나 많은 경우 과다추정 경향이 나타났다. 그 원인을 찾고 기존 방법을 개선하기 위한 방안을 모색하기 위해 야외실험을 수행하였다. 경남 하동군 악양집수역의 고밀도 관측망으로부터 2012~2013년의 맑은 날 1500 기온, 1100-1500 적산일사량, 그리고 평균풍속자료를 수집하여 분석한 결과 고도보정 기온추정오차는 풍속과 높은 상관이 확인되었다. 이 결과를 토대로 일사효과모형을 풍속가중치에 의해 보정하는 간단한 방법을 도출하였다. 이 새로운 방법에 의해 2012-2013 기간 중 맑은 날에 대하여 악양집수역 내 10개 검증관측지점의 1500 기온을 추정하여 실측치와 비교하였다. 또한 기존 고도보정 추정치 및 일사효과모형 추정치와도 비교하였다. 그 결과 고도보정에 의한 추정치의 오차특성인 편기성과, 일사효과모형의 과다추정 경향이 새로운 방법에 의해 크게 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

감사의 글


본 논문은 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호:PJ01000704)의 지원에 의해 이루어진 것임.

REFERENCES

Chung, U., K. H. Lee, and J. I. Yun, 2007: Performance of northern exposure index in reducing estimation error for daily maximum temperature over a rugged terrain. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 9(3), 195-202.crossref(new window)

Chung, U., H. C. Seo, J. I. Yun, S. J. Jeon, K. H. Moon, H. H. Seo, and Y. S. Kwon, 2009: Extrapolation of daily maximum temperature in a mountainous terrain. Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences 45, 473-482.

Heo, Y., S. H. Kim, E. G. Park, B. G. Son, Y. W., Choi, Y. J. Lee, Y. H. Park, J. M. Suh, J. H. Cho, C. O. Hong, S. G. Lee, and J. S. Kang, 2013: The influence of abnormally high temperature on growth and yield of hot pepper (Capsicum annuum L.). Journal of Agriculture and Life Science 47(2), 9-15. (In Korean with English abstract)crossref(new window)

Hwang, S. W., J. Y. Lee, S. C. Hong, Y. H. Park, S. G. Yun, and M. H. Park, 2003: High temperature stress of summer Chinese cabbage in alpine region. Korean Journal of Soil Science and Fertilizer 36(6), 417-422. (In Korean with English abstract)

Kim, S. H., I. M. Choi, J. G. Cho, J. H. Han, J. H. Hwang, H. H. Seo, and H. K. Yun, 2011: Correlation analysis between fruit quality of ‘Campbell Early’ grapes and climatic factors. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 13(2), 93-100. (in Korean with English abstract) doi:10.5532/KJAFM.2011.13.2.093crossref(new window)

Kim, S. O., and J. I. Yun, 2013: Relationship between midday air temperature and solar irradiance over sloping surfaces under cloudless conditions. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 15(4), 291-297. (In Korean with English abstract) doi:10.5532/KJAFM.2013.15.4.291crossref(new window)

Kondratyev, K. Y., and M. P. Federova, 1977: Radiation regime of inclined slopes. WMO Technical Note No. 152pp.

Regniere, J., 1996: generalized approach to landscapewide seasonal forecasting with temperature-driven simulation models. Environmental Entomology 25(5), 869-881.crossref(new window)

Sagong, D. H., H. J. Kweon, M. Y. Park, Y. Y. Song, S. H. Ryu, M. J. Kim, K. H. Choi, and T. M. Yoon, 2013: Impacts of urban high temperature events on physiology of apple trees: A case study of ‘Fuji’/M.9 apple trees in Daegu, Korea. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 15(3), 130-144. (In Korean with English abstract) doi:10.5532/KJAFM.2013.15.3.130crossref(new window)

Seo, H. C., S. J. Jeon, and J. I. Yun, 2008: Azimuthal distribution of daily maximum temperature observed at sideslopes of a grass-covered inactive parasitic volcano (“Ohreum”) in Jeju Island. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 10(1), 25-31. (In Korean with English abstract)crossref(new window)

Yun, J. I., 2004: Visualization of local climates based on geospatial climatology. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 6(4), 272-289. (In Korean with English abstract)

기상청, 2012: 한반도 기후변화 전망보고서. 기상청, 151pp.