경기만 유역의 기준 증발산량 산정을 위한 Hargreaves 공식의 보정 및 검정 Calibration and Validation of the Hargreaves Equation for the Reference Evapotranspiration Estimation in Gyeonggi Bay Watershed원문보기
기상자료가 부족하거나 결측 지역의 기준 증발산량 산정을 위하여 Penman-Monteith (PM) 공식을 이용한 Hargreaves 공식의 매개변수 추정을 수행할 필요가 있다. 본 연구에서는 경기만 유역에 위치한 강화, 인천, 수원, 서산, 천안의 1997년$\sim$2004년 기상자료를 바탕으로 PM 공식을 이용하여 계산한 기준 증발산량(이하 ETo)을 이용하여 Hargreaves 공식의 매개변수를 추정하였으며, 추정된 매개변수를 이용하여 2005년$\sim$2006년의 PM 공식을 이용한 ETo 결과와 비교하여 검정을 수행하였다. 그 결과, 매개변수 조정 전 RMS 오차는 $14.63{\sim}23.30$ 정도로 파악되었으며, 모형의 검정에서도 $14.43{\sim}26.81$ 정도로 유사한 범위를 보이고 있다. 한편, Nash-Sutcliffe 일치계수는 $0.68{\sim}0.77$이며, 검정과정에서는 $0.43{\sim}0.85$로 대부분의 지역이 추정효율이 아주 떨어지는 것으로 나타났다. 반면, Hargreaves 계수를 조정한 경우, RMS 오차는 $5.23{\sim}11.75$ 정도로 파악되었으며, 모형의 검정에서도 $6.48{\sim}9.09$정도로 매개변수 조정전에 비하여 크게 감소하고 있음을 알 수 있으며, 한편, NSC는 $0.92{\sim}0.98$이며, 검정과정에서는 $0.93{\sim}0.97$로 대부분의 지역에서 추정효율이 크게 향상되는 것으로 나타났다.
기상자료가 부족하거나 결측 지역의 기준 증발산량 산정을 위하여 Penman-Monteith (PM) 공식을 이용한 Hargreaves 공식의 매개변수 추정을 수행할 필요가 있다. 본 연구에서는 경기만 유역에 위치한 강화, 인천, 수원, 서산, 천안의 1997년$\sim$2004년 기상자료를 바탕으로 PM 공식을 이용하여 계산한 기준 증발산량(이하 ETo)을 이용하여 Hargreaves 공식의 매개변수를 추정하였으며, 추정된 매개변수를 이용하여 2005년$\sim$2006년의 PM 공식을 이용한 ETo 결과와 비교하여 검정을 수행하였다. 그 결과, 매개변수 조정 전 RMS 오차는 $14.63{\sim}23.30$ 정도로 파악되었으며, 모형의 검정에서도 $14.43{\sim}26.81$ 정도로 유사한 범위를 보이고 있다. 한편, Nash-Sutcliffe 일치계수는 $0.68{\sim}0.77$이며, 검정과정에서는 $0.43{\sim}0.85$로 대부분의 지역이 추정효율이 아주 떨어지는 것으로 나타났다. 반면, Hargreaves 계수를 조정한 경우, RMS 오차는 $5.23{\sim}11.75$ 정도로 파악되었으며, 모형의 검정에서도 $6.48{\sim}9.09$정도로 매개변수 조정전에 비하여 크게 감소하고 있음을 알 수 있으며, 한편, NSC는 $0.92{\sim}0.98$이며, 검정과정에서는 $0.93{\sim}0.97$로 대부분의 지역에서 추정효율이 크게 향상되는 것으로 나타났다.
It is essential to locally adjust the Hargreaves parameter for estimating reference evapotranspiration with short data as a substitute of Penman-Monteith equation. In this study, evaluation of daily-based reference evapotranspiration is computed with Hargreaves equation. in Gyeonggi bay area includi...
It is essential to locally adjust the Hargreaves parameter for estimating reference evapotranspiration with short data as a substitute of Penman-Monteith equation. In this study, evaluation of daily-based reference evapotranspiration is computed with Hargreaves equation. in Gyeonggi bay area including Ganghwa, Incheon, Suwon, Seosan, and Cheonan station for the time period of 1997-2004. Hargreaves coefficient is adjusted to give the best fit with Penman-Monteith evapotranspiration, being regarded as a reference. Then, the preferred parameters are validated for the same stations for the time period of 2005-2006. The optimization-based correction in calibration for 1997-2004 shows improved performance of the Hargreaves equation, giving 0.68-0.77 to 0.92-0.98 in Nash-Sutcliffe coefficient of efficiency (NSC) and 14.63-23.30 to 5.23-11.75 in RMSE. The validation for 2005-2006 shows improved performance of the Hargreaves equation, giving 0.43-0.85 to 0.93-0.97 in NSC and 14.43-26.81 to 6.48-9.09 in RMSE.
It is essential to locally adjust the Hargreaves parameter for estimating reference evapotranspiration with short data as a substitute of Penman-Monteith equation. In this study, evaluation of daily-based reference evapotranspiration is computed with Hargreaves equation. in Gyeonggi bay area including Ganghwa, Incheon, Suwon, Seosan, and Cheonan station for the time period of 1997-2004. Hargreaves coefficient is adjusted to give the best fit with Penman-Monteith evapotranspiration, being regarded as a reference. Then, the preferred parameters are validated for the same stations for the time period of 2005-2006. The optimization-based correction in calibration for 1997-2004 shows improved performance of the Hargreaves equation, giving 0.68-0.77 to 0.92-0.98 in Nash-Sutcliffe coefficient of efficiency (NSC) and 14.63-23.30 to 5.23-11.75 in RMSE. The validation for 2005-2006 shows improved performance of the Hargreaves equation, giving 0.43-0.85 to 0.93-0.97 in NSC and 14.43-26.81 to 6.48-9.09 in RMSE.
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문제 정의
경기만 연안유역에서 5개의 기상대 자료만을 이용하여 산정하였으므로 전국적인 변화 양상분석을 하기에는 일반성이 다소 부족하다. 그러나 이 연구는 단지 전국으로 확대하기 위한 1단계 연구에 해당되며 그 타당성을 간단하게 확인해 보고자 하였다. 일반적으로 기상자료는 표준이 되는 기준조건에 맞게 관측이 되는데 우리나라의 기상관측 사정상 그렇지 못한 것이 현실이다.
가설 설정
, 1998). 낮 시간동안에는 지표면에서 태양에너지를 흡수하고 밤시간 동안은 낮 시간 동안 흡수한 에너지를 대기 중으로 방출하는데 이 때 지표면에서 흡수한 에너지와 방출한 에너지는 서로 상쇄된다고 가정하는 것이다.
, 2006), 국내에서도 Penman-Monteith 방법을 이용하여 추정된 증발산이 실세 강수량과 유출량 사이의 물수지로부터 얻어진 증발산량과 근사한 결과를 보인다는 연구결과도 있다(김남원과 김철겸, 2004). 따라서 본 연구에서도 PM 공식을 정해로 가정하여 Hargreaves 공식의 매개변수를 추정하였다.
제안 방법
0023)을 이용하여 ETo를 산정한 후 분석한 기본적인 통계정보를 보여준다. Hargreaves 계수 보정 및 검정과정과의 비교를 위하여구간을 구분하여 제시하였다. 원래 Hargreaves 공식에서의 계수는 CHarg=0.
Hargreaves 공식의 매개변수는 1997년∼2004년 기간의 자료를 이용하여 추정하였으며, 공식의 검정은 2005년∼2006년 자료를 이용하여 수행하였다.
본 연구에서는 경기만 연안유역의 일 온도자료만을 이용하여 ETo를 산정하고자 Hargreaves 공식을 이용하여 일증발산량을 계산한 후 FAO-56 PM 공식을 정해로 가정하고 월평균 ETo를 서로 비교하였다. 그리고 동시에 Hargreaves 공식을 이용한 ETo과 정해와의 오차를 줄이기 위해서 최적화기법을 이용하여 Hargreaves 공식의 매개변수를 조절한 후 계산된 ETo를 PM 공식을 이용한 ETo와 비교하였다. 그 결과, 매개변수 조정 전 RMS오차는 14.
따라서 경기만 유역의 5개 지역에서의 정해(PM 공식을 이용한 ETo)를 기준으로 최소의 오차가 발생하도록 Hargreaves 계수 CHarg를 조정하였다. Table 3은 이와 같이 Hargreaves 공식의 계수 CHarg를 지점별로각각 조정한 후(수원=0.
기상자료가 부족하거나 결측 지역의 기준 증발산량 산정을 위하여 Penman-Monteith (PM) 공식을 이용한 Hargreaves 공식의 매개변수 추정을 수행할 필요가 있다. 본 연구에서는 경기만 연안유역의 일 온도자료만을 이용하여 ETo를 산정하고자 Hargreaves 공식을 이용하여 일증발산량을 계산한 후 FAO-56 PM 공식을 정해로 가정하고 월평균 ETo를 서로 비교하였다. 그리고 동시에 Hargreaves 공식을 이용한 ETo과 정해와의 오차를 줄이기 위해서 최적화기법을 이용하여 Hargreaves 공식의 매개변수를 조절한 후 계산된 ETo를 PM 공식을 이용한 ETo와 비교하였다.
본 연구에서는 경기만 유역에 위치한 강화, 인천, 수원, 서산, 천안의 1997년∼2004년 기상자료를 바탕으로 PM 공식을 이용하여 계산한 ETo를 이용하여 Hargreaves 공식의 매개변수를 추정하였으며, 추정된 매개변수를 이용하여 2005년∼2006년의 PM 공식을 이용한 ETo 결과와 비교하여 검정을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 경기만 연안에 위치한 수원, 서산, 천안, 인천, 강화 기상대 자료를 이용하여 수행하였으며, Fig. 1과 Table 1은 연평균 일조시간, 풍속, 평균 기온, 상대습도를 나타낸다. 전반적으로 이 지역의 기후 변화경향은 유사하며, 일조시간도 비슷한 값을 보여주는데 이것은 거리상으로 서로 멀지 않으므로 충분히 가능한 현상으로 판단된다.
데이터처리
Table 2는 Eq. (2)의 Hargreaves 공식에서 계수를조정하기 전의 값(CHarg=0.0023)을 이용하여 ETo를 산정한 후 분석한 기본적인 통계정보를 보여준다. Hargreaves 계수 보정 및 검정과정과의 비교를 위하여구간을 구분하여 제시하였다.
이론/모형
장비운영에 따른 비용의 부담으로 인하여 증발산계(Lysimeter)에 의한 ETo 관측의 어려움으로 인해 ETo의 정해를 얻기가 곤란하므로 일반적으로 PM 공식을 표준으로 사용한다. 본 연구에서는 FAO-56 PM 공식이 정해로 사용되었으며 그 식은 다음과 같다.
성능/효과
Hargreaves 계수를 조정한 경우, RMS 오차는 5.23∼11.75 정도로 파악되었으며, 모형의 검정에서도 6.48∼9.09 정도로 매개변수 조정전에 비하여 크게 감소하고 있음을 알 수 있으며, 한편, NSC는0.92∼0.98이며, 검정과정에서는 0.93∼0.97로 대부분의 지역이 추정효율이 크게 향상되는 것으로 나타났다 (Table 3 참조).
그 결과, 매개변수 조정 전 RMS오차는 14.63∼23.30 정도로 파악되었으며, 모형의 검정에서도 14.43∼26.81 정도로 유사한 범위를 보이고 있다.
반면, Hargreaves 계수를 조정한 경우, RMS 오차는 5.23∼11.75 정도로 파악되었으며, 모형의 검정에서도 6.48∼9.09정도로 매개변수 조정전에 비하여 크게 감소하고 있음을 알 수 있으며, 한편, NSC는 0.92∼0.98이며, 검정과정에서는 0.93∼0.97로 대부분의 지역이 추정효율이 크게 향상되는 것으로 나타났다.
후속연구
이러한 영향은 곧바로 지표와 대기의 상호작용과정을 통하여 증발산량에 영향을 미치는데 우리나라의 pan 증발산량 관측에서도 이러한 해안의 효과가 두드러지게 나타난다(이길하 등, 2007). 따라서 향후 우리나라의 증발산량 추정연구에서는 내륙과 해안을 분리하여 연구하는 것이 보다 적절한 방법으로 판단된다.
향후 기상자료가 풍부한 기상대 지점 자료를 이용하여 PM 공식으로 ETo를 계산하여 Hargreaves 매개변수를 추정하고 공간적인 내삽과정을 통하여 전국적인 분포를 파악하면, 간단한 기온변화 관측만을 통하여 우리나라 모든 지역의 ETo 추정에 활용될 수 있다. 또한 추정된 ETo 정보는 수자원 관련 분야 및 환경생태분야에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
점차 나아지는 관측 현실을 고려해 볼 때 후속 연구는 이러한 영향을 감안하여 수행되어져야 할 것이며, 보다 우수한 연구 성과로 우리나라의 수자원 개발과 보존에 이바지 할 것으로 기대된다. 또한 향후 이 연구에서 얻은 기본지식과 정보를 이용하여 Hargreaves 공식을 이용한 증발산량 산정에 대한 연구를 전국적으로 확대하여 추진 할 계획이다.
또 본 연구에서는 태양복사열 자료에 있어 직접 관측된 복사열이 아니라 일조시간으로부터 간접적으로 계산한 값을 사용하였으므로 이로 인한 오차 전달의 가능성이 있다. 점차 나아지는 관측 현실을 고려해 볼 때 후속 연구는 이러한 영향을 감안하여 수행되어져야 할 것이며, 보다 우수한 연구 성과로 우리나라의 수자원 개발과 보존에 이바지 할 것으로 기대된다. 또한 향후 이 연구에서 얻은 기본지식과 정보를 이용하여 Hargreaves 공식을 이용한 증발산량 산정에 대한 연구를 전국적으로 확대하여 추진 할 계획이다.
이것은 기상 자료가 완전하지 못한 우리나라의 실정에서 수자원 개발과 보존의 연구에 있어 상당히 고무적인 결과라고 판단된다. 향후 기상자료가 풍부한 기상대 지점 자료를 이용하여 PM 공식으로 ETo를 계산하여 Hargreaves 매개변수를 추정하고 공간적인 내삽과정을 통하여 전국적인 분포를 파악하면, 간단한 기온변화 관측만을 통하여 우리나라 모든 지역의 ETo 추정에 활용될 수 있다. 또한 추정된 ETo 정보는 수자원 관련 분야 및 환경생태분야에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
잠재증발산량이란 무엇인가?
표준이 되는 증발산량은 개념적으로 이상적인 조건에서 잠재증발산량과 기준 증발산량으로 정의된다. 잠재증발산량은 주어진 기상조건에서의 단위면적당, 단위 시간당 자유 수면에서의 가능한 증발량으로, 유역에서는 토양함수가 포화된 상태에서의 가능한 증발량으로 간주할 수 있다. 반면, 기준 증발산량은 특정조건(작물높이=0.
우리나라에서 Penman-Monteith (PM) 공식을 이용하기 어려운 이유는 무엇인가?
물리적인 이론에 바탕을 두고 증발산량을 산정하는 Penman-Monteith (PM) 공식은 태양복사열, 풍속, 온도, 습도와 같은 다양한 기상자료를 필요로 한다. 그러나 우리나라의 경우 기상대를 제외한 관측소 및 자동관측소 등에서는 태양복사열 관측자료가 미흡하기 때문에 PM 공식을 사용하기에는 현실적으로 곤란하다. 따라서 기상자료가 다소 부족한 지역의 수자원개발 및 관개 사업 등에 필요한 ETo를 산정하기 위해서는 보다 간단하고 기본적인 기상정보(기온 정보)를 이용하는 공식을 개발할 필요가 있다.
표준이 되는 증발산량은 어떻게 정의되는가?
표준이 되는 증발산량은 개념적으로 이상적인 조건에서 잠재증발산량과 기준 증발산량으로 정의된다. 잠재증발산량은 주어진 기상조건에서의 단위면적당, 단위 시간당 자유 수면에서의 가능한 증발량으로, 유역에서는 토양함수가 포화된 상태에서의 가능한 증발량으로 간주할 수 있다.
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