[논문]우리나라 기준 증발산량 산정을 위한 Hargreaves 계수 산정

이길하; 박재현

doi:10.12652/ksce.2008.28.6b.675

우리나라 기준 증발산량 산정을 위한 Hargreaves 계수 산정
Calibration of the Hargreaves Equation for the Reference Evapotranspiration Estimation on a Nation-Wide Scale 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.28 no.6B, 2008년, pp.675 - 681

이길하 (한국해양연구원 연안개발연구본부) , 박재현 (인제대학교 토목공학과 건설기술연구소)

초록
AI-Helper

기상자료가 부족하거나 결측인 지역의 기준 증발산량 산정을 위해서는 Hargreaves 공식의 매개변수 추정을 수행할 필요가 있다. 본 연구에서는 우리나라 전역에 걸쳐 1997년-2006년 기상자료를 바탕으로 Hargreaves 공식을 이용하여 기준 증발산량(이하 ETo)을 산정하였다. 각 지점별로 PM공식에 의해 산정한 값을 증발산량의 정해로 가정하여 Hargreaves 매개변수를 지점별로 추정하였다. 최소의 오차가 발생하도록 Hargreaves 계수를 조정한 후 Root Mean Square Error와 Nash Sutcilffe Coefficient of Efficiency분석을 통하여 추정효율이 크게 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한 추정된 매개변수를 바탕으로 기온 자료만의 의한 Hargreaves 증발산량을 추정할 수 있도록 일반화된 하나의 회귀직선을 도출하여 보았다. 온도-Hargreaves 계수의 선형 상관관계를 이용한 Hargreaves 계수의 일반화에서는 개선의 여지가 있지만 만족스러운 결과를 보여주는 것으로 나타났다. 이 연구결과는 우리나라의 수자원, 관개분야 및 환경 운용에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the daily-based reference evapotranspiration was evaluated with Hargreaves equation at the 23 meteorological stations for the time period of 1997-2006. The Hargreaves coefficient was self-calibrated to give the best fit with Penman-Monteith evapotranspiration, being regarded as a reference. On the basis of the estimated parameter set, a generalized regression was conducted to estimate the Hargreaves evapotranspiration by just using temperature data. This study will contribute to water resources planning, irrigation schedule, and environmental management.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 중앙 기상대에서 우리나라 23개 지점에 걸쳐 관측한 1997년-2006년 기상자료를 바탕으로 ETo를 계산하였다. 일평균 ETo를 산정하기 위하여 FAO 56 PM 공식을 적용할 때에는 낮 시간동안에는 지표면에서 흡수한 태양 에너지와 밤 시간 동안 방출한 에너지가 서로 상쇄된다고 보고, 일반적으로 토양열 플럭스는 “0”으로 가정하고 무시한다(Pereira, 2004; Allen 등, 1998).
본 연구의 최종목표는 Hargreaves 공식의 계수를 전국적으로 일반화시킴으로써 PM공식을 적용하기에 충분한 가용 기상인자의 관측이 이루어 지지 않은 지역에서 농업 분야나 수자원분야 또는 가뭄에 대한 사전예보에 따른 산불 방지 및 수자원 사전 확보 등의 현안을 해결하고자 할 때 증발산량 측면에서 일조를 하고자 함이다. 이를 위해서는 가용 기상자료가 있는 지역에서 FAO 56 PM 공식을 적용하여 Hargreaves 매개변수를 추정한 후, 가용 기상자료가 없는 지역에서는 간단하게는 내삽을 이용한 매개변수 분포도를 만들고, 특히 진보적인 방법으로 기상인자(온도, 습도, 풍속 등)을 이용하여 경험식 또는 일반화된 관계식을 만들어 사용하는 방법을 활용하였다.

가설 설정

본 연구에서는 앞선 연구(채효석 등, 1999; 임창수, 2007)에 이어 중앙 기상대에서 우리나라 전역(23개 지점)에 걸쳐 관측한 1997년-2006년 기상자료를 바탕으로 FAO 56 PM 공식으로 계산한 ETo를 정해로 가정하여 Hargreaves 공식의 매개변수를 추정하였다. ETo를 산정하는 연구에서 가장 어려운 부분은 정해를 얻기가 어렵다는 것인데, PM 공식이 완전한 물리이론(Fully-physical Concept)을 바탕으로 유도된 공식이기 때문에 PM 공식으로부터 얻은 증발산량을 정해로 가정하는 일반적인 방법(Allen 등, 1994; Allen 등, 1998; Gavilan, 2007)을 사용하여 Hargreaves 매개변수를 조정하였다.

제안 방법

NSC 값의 최대값은 1로, 1에 접근할 수 록 추정 정확도가 높음을 의미하며, RMSE는 오차의 크기를 나타내므로 작을수록 추정 신뢰도가 좋은 것을 의미한다. Hargreaves 공식의 매개변수는 1997년-2006년 기간의 자료를 이용하여 추정하였다.
Hargreaves 공식의 실행결과를 분석하기 위하여 내륙과 해안 지역으로 분리하였다. Fig.
매개변수를 결정하기위하여 최적화 기법이 이용되었으며 먼저 23개 연구 대상 지점 중 20개 지점의 자료를 이용하여 Hargreaves 매개변수를 찾은 후 나머지 3개 지점을 이용하여 검증(validation)에 이용하였다. 다음은 23개 전체 연구대상 지점에 대하여 Hargreaves 매개변수의 일반화를 이끌어내기 위해서 온도와 Hargreaves 매개변수의 선형관계를 유도해 보았다.
그리고 PM 공식으로 계산한 ETo를 정해로 가정하여 오차가 최소가 되도록 Hargreaves 공식의 매개변수를 추정하였다. 다음은 Hargreaves 매개변수의 일반화를 이끌어내기 위해서 온도Hargreaves 매개변수의 선형관계를 유도해 보았다.
ETo를 산정하는 연구에서 가장 어려운 부분은 정해를 얻기가 어렵다는 것인데, PM 공식이 완전한 물리이론(Fully-physical Concept)을 바탕으로 유도된 공식이기 때문에 PM 공식으로부터 얻은 증발산량을 정해로 가정하는 일반적인 방법(Allen 등, 1994; Allen 등, 1998; Gavilan, 2007)을 사용하여 Hargreaves 매개변수를 조정하였다. 매개변수를 결정하기위하여 최적화 기법이 이용되었으며 먼저 23개 연구 대상 지점 중 20개 지점의 자료를 이용하여 Hargreaves 매개변수를 찾은 후 나머지 3개 지점을 이용하여 검증(validation)에 이용하였다. 다음은 23개 전체 연구대상 지점에 대하여 Hargreaves 매개변수의 일반화를 이끌어내기 위해서 온도와 Hargreaves 매개변수의 선형관계를 유도해 보았다.
또한, 여러 개의 해를 구한 후 오차가 가장 작은 매개변수를 최적해로 선정한다. 본 연구에서는 매개 변수를 추정하기 위하여 SCE 기법을 이용하였으며, 목적 함수(objective function)는 정해와 추정자료의 월 증발산량의 RMSE를 최소화하는 함수로 선정하여 매개변수를 추정하였다.
본 연구의 최종목표는 Hargreaves 공식의 계수를 전국적으로 일반화시킴으로써 PM공식을 적용하기에 충분한 가용 기상인자의 관측이 이루어 지지 않은 지역에서 농업 분야나 수자원분야 또는 가뭄에 대한 사전예보에 따른 산불 방지 및 수자원 사전 확보 등의 현안을 해결하고자 할 때 증발산량 측면에서 일조를 하고자 함이다. 이를 위해서는 가용 기상자료가 있는 지역에서 FAO 56 PM 공식을 적용하여 Hargreaves 매개변수를 추정한 후, 가용 기상자료가 없는 지역에서는 간단하게는 내삽을 이용한 매개변수 분포도를 만들고, 특히 진보적인 방법으로 기상인자(온도, 습도, 풍속 등)을 이용하여 경험식 또는 일반화된 관계식을 만들어 사용하는 방법을 활용하였다. 물론 최종적으로 만족할만한 일반식을 개발하는 것은 아직 요원하며 어려운 문제이다.

데이터처리

Hargreaves 공식을 이용한 ETo 추정결과의 정확도를 파악하기 위하여 식 (3)과 (4)에서 보듯이 Nash-Sutcliffe Coefficient of Efficiency(NSC)(Nash and Sutcliffe, 1970) 값과 RMSE를 이용하여 계산하였다. NSC 값의 최대값은 1로, 1에 접근할 수 록 추정 정확도가 높음을 의미하며, RMSE는 오차의 크기를 나타내므로 작을수록 추정 신뢰도가 좋은 것을 의미한다.
여기서, ETo_iPM=PM 공식을 이용하여 계산한 ETo, ETo_iH= Hargreaves 공식을 이용하여 계산한 ETo, N=자료의 개수, #=PM 공식을 이용하여 계산한 ETo의 평균(평균 기준증발산량)이다.

이론/모형

물론 최종적으로 만족할만한 일반식을 개발하는 것은 아직 요원하며 어려운 문제이다. 그러나 하나의 중간과정으로서 이 연구에서는 스페인에서 제시한(Gavilian 등, 2006) 온도와 Hargreaves 계수 간의 선형회귀방법을 통하여 시험해 보았다.
본 연구에서는 중앙 기상대에서 우리나라 23개 지점에 걸쳐 관측한 1997년-2006년 기상자료를 바탕으로 ETo를 계산하였다. 그리고 PM 공식으로 계산한 ETo를 정해로 가정하여 오차가 최소가 되도록 Hargreaves 공식의 매개변수를 추정하였다. 다음은 Hargreaves 매개변수의 일반화를 이끌어내기 위해서 온도Hargreaves 매개변수의 선형관계를 유도해 보았다.
도서 지방에서 Hargreaves 공식을 적용하기에 어려움이 보이며 이러한 결과는 외국의 앞선 결과와 비슷하다. 도출된 관계곡선은 기상자료가 수집된 이외의 지점에서 Hargreaves 공식을 이용하여 기준 증발산량을 산정할 때 이용될 수 있다.
ETo의 실제 관측은 기술적으로나 경제적으로 어려움으로 인해 ETo의 정해를 얻기가 곤란하므로 PM 공식을 표준으로 사용하는 방법을 사용한다(Allen 등, 1994; Allen 등, 1998; Gavilian 등, 2006). 본 연구에서는 다음과 같은 FAO 56 PM 공식을 정해로 사용하였다.

성능/효과

93(목포)으로 추정효율이 아주 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나 최소의 오차가 발생하도록 Hargreaves 계수를 조정한 후 RMSE는 5.23(수원)-18.61(제주고산) 정도로 파악되었으며, NSC는 0.43(제주고산)-0.98(안동 등 다수 지역)으로 추정효율이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 온도-Hargreaves 계수의 선형 상관관계를 이용한 Hargreaves 계수의 일반화에서는 개선의 여지가 있지만 만족스러운 결과를 보여주는 것으로 나타났다.
0023)과 Hargreaves 공식의 계수 C_Harg를 지점별로 각각 조정한 후 산정된 ETo를 분석한 기본적인 통계정보를 보여준다. 매개변수 조정 전 RMSE는 9.13(포항)-31.43(원주) 정도로 파악되었으며, NSC는 0.27(제주고산)-0.93(목포)으로 추정효율이 떨어지는 것으로 나타났다(Table 1 참조).
매개변수 조정 전 RMSE는 9.13(포항)-31.43(원주) 정도로 파악되었으며, NSC는 0.27(제주고산)-0.93(목포)으로 추정효율이 아주 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나 최소의 오차가 발생하도록 Hargreaves 계수를 조정한 후 RMSE는 5.
98(안동 등 다수 지역)으로 추정효율이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 온도-Hargreaves 계수의 선형 상관관계를 이용한 Hargreaves 계수의 일반화에서는 개선의 여지가 있지만 만족스러운 결과를 보여주는 것으로 나타났다.
최소의 오차가 발생하도록 Hargreaves 계수 C_Harg를 조정한 후 RMSE는 5.23(수원)-18.61(제주고산) 정도로 파악되었으며, NSC는 0.43(제주고산)-0.98(안동 등 다수 지역)으로 추정효율이 크게 향상되는 것으로 나타났다(Table 1 참조).

후속연구

이는 전 세계 대부분의 국가에서 공통적으로 안고 있는 문제점으로 이를 극복하기 위해서 상대적으로 적은 수의 기상자료를 토대로 신뢰할 만한 정확성을 가지는 간단한 경험식에 관심을 기울여 많은 연구가 이루어져 왔다. 다시 말하면, 보다 간단하고 기본적인 기상정보를 이용하여 개발된 경험식이 기상자료가 다소 부족한 지역의 수자원개발 및 관개 사업 등에 필요한 ETo를 산정하는데 필요하다. 이러한 요구에 부응하여 온도나 복사열 자료를 이용한 다양한 증발산량 산정 공식이 개발되어 왔다(Hargreaves and Samani, 1985; Hargreaves, 1975; Priestly and Taylor, 1972; Jensen 등, 1970; Jensen, 1966; Jensen and Haise, 1963).
두 번째로 태양 복사열 자료에 있어 직접 관측된 복사열이 아니라 일조시간으로부터의 간접 계산값을 사용하였으므로 이로 인한 오차 발생이 있다. 후속 연구는 이러한 문제점을 감안하여 실행해야할 것이며, 향후 이 연구에서 얻은 기본지식과 정보를 이용하여 우리나라 수자원 개발과 보존에 기여 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잠재증발산량의 특징은 무엇인가?	증발산량은 이상적인 조건에서 산정한 잠재증발산량과 기준 증발산량이 있다. 잠재증발산량은 주어진 기상조건에서의 단위면적당, 단위시간당 자유 수면에서의 가능한 증발량으로, 유역에서는 토양함수가 포화된 상태에서의 가능한 증발량으로 간주할 수 있다. 반면, 기준 증발산량은 특정조건(작물높이=0.
	본 연구에 내재되어 있는 불확실성은 기상자료의 표준관측 결여 외로 무엇이 있는가?	이는 기상관측 자료의 불확실성이 그대로 PM 공식의 계산결과로 전달되어 정해로 가정한 PM 증발산량의 신뢰도가 떨어진다. 두 번째로 태양 복사열 자료에 있어 직접 관측된 복사열이 아니라 일조시간으로부터의 간접 계산값을 사용하였으므로 이로 인한 오차 발생이 있다. 후속 연구는 이러한 문제점을 감안하여 실행해야할 것이며, 향후 이 연구에서 얻은 기본지식과 정보를 이용하여 우리나라 수자원 개발과 보존에 기여 할 것으로 판단된다.
	Hargreaves 증발산량은 대상지역의 대기이동에 따라서 정확도가 다를 수 있는데, 그 이유는 무엇인가?	Hargreaves 증발산량은 지역의 기상인자의 영향이 반영된 일 기온의 차이나 변화에 의해서 영향을 받기 때문에 대상지역의 대기이동에 따라서 정확도가 다를 수 있다. 따라서 Hargreaves 공식을 이용하여 증발산량을 계산할 때에는 지역적 기후 특성을 고려하여 매개변수를 지역특성에 맞게 조정할 필요가 있는데 지역특성에 적합한 매개변수 조정은 다양한 기후조건에서 진행되어 왔다(Irmak 등, 2003; Galvilian 등, 2006).

참고문헌 (25)

？김성원, 김형수(2007) 비선형 증발량 및 증발산량 시계열의 모형화를 위한 신경망-유전자 알고리즘 모형 1. 모형의 이론과 적용. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제40권, 제1호, pp. 73-88.

원문보기 상세보기
임창수(2008) 증발산 산정 방법들의 비교-잔디기준작물을 중심으로. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제41권, 제2호, pp. 212-228.

원문보기 상세보기
임창수(2007) 도시화에 따른 수문기후변화 II (도시화가 기준 증발산량에 미치는 영향). 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제40권, 제7호, pp. 571-583.

원문보기 상세보기
이길하, 조홍연, 오남선(2008) 경기만 유역의 기준 증발산량 산정을 위한 Hargreaves 공식의 보정 및 검정. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제41권, 제4호, pp. 413-422.

원문보기 상세보기
채효석, 김성준, 정관수(1999) 격자기반의 일 증발산량 추정모형 개발. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제32권, 제6호, pp. 721-730.
Allen, R.G., Smith, M., Perrier, A., and Pereira, L.S. (1994) An update for the definition of the reference evapotranspiration. ICID Bulletin, New Delhi, Vol. 43, No. 2, pp. 1-34.
Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., and Smith, M. (1998) Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop requirements. Irrigation and Drainage Paper 56. United Nations-Food and Agricultural Organization (FAO), Rome, Italy
Gavilan, P., Lorite, I.J., Tornero, S., and Berengena, J. (2006) Regional calibration of Hargreaves equation for estimating reference ET in a semiarid environment. Agricultural Water Management, Vol. 81, No. 3, pp. 257-281.

상세보기
Grismer, M.E., Ornag, M., Snyder, R., and Matyac, R. (2002) Pan Evaporation to Reference Evapotranspiration Conversion Methods, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 128, No. 3, pp. 180-184.

상세보기
Hargreaves, G.H. (1975) Moisture availability and crop production. Transaction on ASAE, Vol. 18, No. 5, pp. 980-984.

상세보기
Hargreaves, G.H. (1994) Defining and using reference evapotranspiration. Journal of Irrigation and Drainage engineering, ASCE, Vol. 120, No. 6, pp. 1132-1139.

상세보기
Hargreaves, G.H. and Allen, R.G. (2003) History and evaluation of hargreaves evapotranpiration. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 129, No. 1, pp. 53-63.

상세보기
Hargreaves, G.H. and Samani, Z.A. (1982) Estimating potential evapotranspiration. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 108, No. 3, pp. 223-230.
Hargreaves, G.H. and Samani, Z.A. (1985) Reference crop evapotranspiration from temperature. Applied Engineering in Agriculture, Vol. 1, No. 2, pp. 96-99.
Irmak, S., Allen, R.G., and Whitty, E.B. (2003a) Daily grass and alfalfa-reference-evapotranpiration calculations as part of the ASCE standardization effort. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 129, No. 5, pp. 360-370.

상세보기
Jensen, M.E. (1966) Empirical methods of estimating or predicting evapotranspiration using radiation. Proceedings of Evapotranspiration and its Role in Water Resources Management, Chicago Jensen, M.E. and Haise, H.R. (1963) Estimating evapotranspiration from solar radiation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 89, pp. 15-41.
Jensen, M.E., Robb, D.C.N., and Franzoy, C.E. (1970) Scheduling irrigations using climate-crop-soil data. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 96, No. 1, pp. 25-38.
Maidment, D.R. (1993) Handbook of Hydrology. McGraw-Hill Inc.
Nash, J.E. and Sutcliffe, J.V. (1970) River flow forecasting through conceptual models, I: A Discussion of principles. Journal of Hydrology, Vol. 10, pp. 282-287.

상세보기
Nelder, J.A. and Mead, R.A., (1965) A simplex method for function minimization. Compter Journal, Vol. 7, pp. 308-313.

상세보기
Pereira, A.R. (2004) The Priestly-Taylor parameter and the decoupling factor for estimating reference evapotranspiration. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 125, pp. 305-313.

상세보기
Pereira, L.S., Perrier, A., Allen, R.G., and Alves, I. (1999) Evapotranspiration : Concepts and Future Trends. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 125, No. 2, pp. 45-51.

상세보기
Priestly, C.H.B. and Taylor, R.J. (1972) On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale para pp. 81-92.
Samani, Z. A. (2000) Estimating solar radiation and evapotranspiration using minimum climatological data. Journal of Irrigation and Drainage engineering, ASCE, Vol. 126, No. 4, pp. 265-267.

상세보기
Vanderlinden, K., Giraldez, J.V., and Meirvenne, M.V. (2004) Assessing Reference Evapotranspiration by the Hargreaves Methods in Southern Spain. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 130, No. 3, pp. 184-191.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증