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[국내논문] Reference Evapotranspiration Calculator Software를 이용한 기상관측소 기준증발산 추정
Estimation on Trends of Reference Evapotranspiration of Weather Station Using Reference Evapotranspiration Calculator Software 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.30 no.2B, 2010년, pp.219 - 231  

최원호 (한양대학교 공과대학 건설환경공학과) ,  최민하 (한양대학교 공과대학 건설환경공학과) ,  오현제 (한국건설기술연구원 건설환경연구실) ,  박주양 (한양대학교 공과대학 건설환경공학과)

초록
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Reference Evapotranspiration Calculator Software (REF-ET)는 ASCE 및 FAO 기준증발산량을 포함한 총 17개의 FAO Penman-Monteith (PM) 방정식의 연산을 동시에 수행할 수 있는 프로그램으로서, 본 연구에서는 REF-ET에 대한 상세한 소개와 함께 기상관측소의 관측자료를 이용하여 REF-ET의 효용성을 논하였다. REF-ET는 각종 PM 방정식들에 대한 시일 월 단위 모의와 지역적 특성의 반영 및 결측자료에 대한 보정 등이 가능하다. REF-ET를 이용하여 서울 기상관측소의 29년간 증발산량을 모의한 결과, 일복사량에 주로 좌우되는 FAO24-Rd 식과 1957-Makk 식의 상관계수가 각각 0.89와 0.88로 높게 나타났으며, 이는 소형증발접시를 이용한 기준증발산량 관측값이 공기 동력학적 증발량만을 주로 반영하기 때문인 것으로 사료된다. 또한 RMSE/bias 분석을 통해 기준증발산 방정식들에 의한 계산값이 증발접시로부터의 기준증발산량에 비해 다소 과대평가되는 현상을 나타내었으나, 이 경우에도 1957-Makk 식이 가장 정확한 것으로 나타났다. 일단위 시계열 분석시 1957-Makk 식은 여름철의 증발산량을 저평가하는 경향을 나타내었으나, 전체적으로 1.06 mm/day의 오차로 증발산량을 모의 가능하였다. 차후 기상관측자료의 정확도를 높이는 연구들과 REF-ET를 병행한다면, 해당 지역 및 기간에 대한 증발산량 모의 및 관련 특성인자를 파악하는 연구에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

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The Reference Evapotranspiration Calculator Software (REF-ET) supports computational guidelines for the reference evapotranspiration using seventeen FAO Penman-Monteith (PM) equations simultaneously such as the ASCE and FAO standardized forms. The REF-ET can conveniently consider missing data predic...

Keyword

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문제 정의

  • 본 연구에서는 이러한 어려움을 해결하기 위한 방법으로서 REF-ET(Reference Evapotranspiration Calculator Software) 프로그램을 이용한 기준증발산량 모의 방법을 제시하고자 한다. REF-ET는 각종 기준증발산량 계산을 위해 미국 Idaho 대학의 Kimberly R&E 센터에서 개발한 프로그램이다(Allen, 2000).
  • REF-ET는 ASCE와 FAO에서 제시한 표준 기준증발산량 산정법을 포함하여 총 17개의 방정식을 잔디및 알팔파 기준작물에 대해 한 번의 실행으로 모의 가능하므로 각종 기준증발산량 산정식을 일일이 모의하는 수고를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 해당 지역에 가장 정확도가 높은 PM 방정식을 선정하는 데에 용이하다. 본 연구에서는 서울 기상관측소의 1980년도부터 2008년까지 약 30년에 걸친 관측자료를 이용하여 REF-ET 모의를 수행하고 각 기준증발산식의 추이를 분석하며, 최종적으로 서울 지역의 기준증발산량 산정에 가장 정확도가 높은 기준증발산식을 제시함으로써 REF-ET의 효용성을 입증함을 목표로 한다.
  • 25로 가정하였다. 본 연구의 목적 중 하나인 서울 기상관측소의 관측자료와 가장 부합하는 기준증발산식을 선정하기 위하여 시자료를 필요로 하는 CIMIS Penman 및 FAO-24 Pan evapotranspiration 식을 제외한 16개 기준증발산식들의 계산을 수행하였다. 계산 후 모의값은 입력자료와 마찬가지로 ASCII 파일로 저장되며, 이를 워크시트로 변환하여 종합·분석하였다.
  • 이렇게 증발접시를 이용하여 증발산량을 산정하는 방식은 그 정확성을 신뢰하기 어려운 경우가 많기 때문에(Sumner and Jacobs, 2005), 최근에는 침루계(lysimeter)나 현열플럭스 측정기 등을 이용하여 실제증발산량을 정확하게 측정하려는 시도가 이루어지고 있다. 그러나 서울의 경우 실질적으로 증발산량 산정에 이용할 수 있는 자료는 증발접시 측정값 뿐이므로, 어느정도의 부정확성을 감안하더라도 본 연구에서는 이를 이용하기로 하였다.
  • 본 연구에서는 FAO PM 방정식들을 이용한 기준증발산량 산정시 체계적인 구성과 간편한 인터페이스로 보다 정확한 기준증발산량 계산을 가능하게 해 주는 REF-ET 프로그램을 소개하였다. REF-ET 프로그램은 1회의 기상관측데이터 입력으로 17개의 기준증발산식 계산을 동시에 수행할 수 있으며, 결측자료에 대한 보정도 가능하다.

가설 설정

  • 이 때에는 풍속계·온도계·상대습도계 등의 높이와 관측소의 경도·위도 및 해발높이 등을 고려하며, 본 연구에서는 서울 기상관측소의 제원을 참조하여 위도 37.3417°, 해발고 85.45 m를 입력하였고, 풍속계(anemometer) 및 온도·습도계의 높이는 백엽상의 평균높이로서 각각 10 m와 1.5 m로 가정하였다.
  • 5 m로 가정하였다. 이 외에도 REF-ET의 기준작물인 잔디 식생의 높이는 FAO-56의 권고 표준안을 참조하여 0.12 m로 가정하였다.
  • 2에서 제시한 기상관측소 관련 특성 변수들을 입력하고 ④ 마지막으로 계산을 수행할 기준증발산식들을 선택한 후 REF-ET를 실행하였다. 이 때 단위는 SI단위를 사용하였고 잔디와 알팔파의 높이 기본값은 각각 0.12 m와 0.5 m로 가정하였으며, 식생밀도가 큰 국내 환경을 감안하여 ETr/ETo 비율을 FAO-56 권고치의 최대값인 1.25로 가정하였다. 본 연구의 목적 중 하나인 서울 기상관측소의 관측자료와 가장 부합하는 기준증발산식을 선정하기 위하여 시자료를 필요로 하는 CIMIS Penman 및 FAO-24 Pan evapotranspiration 식을 제외한 16개 기준증발산식들의 계산을 수행하였다.
  • 1에 나타내었으며, 별도로 R2값을 Table 5에 정리하였다. 각 기준증발산식의 ETr 및 ETo 계산값(Y축)은 소형증발접시로부터의 기준증발산값(X축)과 함께 표현하였으며, 이 때 X축의 기준증발산값은 서울 기상관측소의 소형증발접시 가능증발량 관측치를 고려하여 증발접시계수(pan coefficient)를 0.72로 가정, 기준증발산량으로 변환 후 적용하였다(Allen et al., 1998; 윤용남, 2008). 이렇게 증발접시를 이용하여 증발산량을 산정하는 방식은 그 정확성을 신뢰하기 어려운 경우가 많기 때문에(Sumner and Jacobs, 2005), 최근에는 침루계(lysimeter)나 현열플럭스 측정기 등을 이용하여 실제증발산량을 정확하게 측정하려는 시도가 이루어지고 있다.
  • Bias 분석결과 이러한 기준증발산량의 과대평가 양상은 1957-Makk(ETo) 식을 제외한 모든 식에 걸쳐 나타났는데, 이는 일반적으로 Penman법으로 추정한 기준증발산량이 실제 기준증발산량보다 과대평가된다는 기존의 여러 연구결과와 일치한다(정하우 외, 1988; 류상범과 김영아, 2000). 이에 대해 본 연구에서 판단할 수 있는 가정은, 첫째로 소형증발접시를 이용한 기준증발량값에 적용된 증발접시계수(0.72)가 저평가되었을 가능성이 있고, 둘째로 기준증발량값이 토양저항에 대한 고려가 배재된 값이기 때문일 수 있으며, 마지막으로 관측기간 중 Penman법의 가정에 위배되는 토양수분이 충분하지 못한 시기가 상대적으로 많아 각 기준증발산식이 과대평가된 계산값을 도출했을 가능성 등으로 추측할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
증발산량을 파악하기 위한 방법 중 측정장비를 이용한 직접적인 관측 방법의 한계는? 증발산량을 파악하기 위한 방법은 측정장비를 이용한 직접적인 관측과 증발산 모형을 이용한 간접적인 산정 방법이 있으며, 전자의 경우 최근 활발히 시도되고 있는 에디공분산플럭스 관측이 대표적인 예이나 이는 관측지에 대한 지형적 제한사항이 상존하고 에너지 수지 관측 및 해석의 어려움이 있어(윤진일 등, 2004; 강민석 등 2008) 아직까지는 연구단계의 수준이다. 따라서 현재까지 일반적으로 널리 쓰이고 있는 증발산 추정 방법은 후자인 모형을 이용한 간적접인 산정법이며, 그 중에서도 Penman(1948)에 의해 제시되고 Monteith(1965)에 의해 일반화된 Penman-Monteith(이하 PM) 복합방정식(combination equation)이 대표적이다.
증발산량을 파악하기 위한 방법에는 무엇이 있는가? 증발산량을 파악하기 위한 방법은 측정장비를 이용한 직접적인 관측과 증발산 모형을 이용한 간접적인 산정 방법이 있으며, 전자의 경우 최근 활발히 시도되고 있는 에디공분산플럭스 관측이 대표적인 예이나 이는 관측지에 대한 지형적 제한사항이 상존하고 에너지 수지 관측 및 해석의 어려움이 있어(윤진일 등, 2004; 강민석 등 2008) 아직까지는 연구단계의 수준이다. 따라서 현재까지 일반적으로 널리 쓰이고 있는 증발산 추정 방법은 후자인 모형을 이용한 간적접인 산정법이며, 그 중에서도 Penman(1948)에 의해 제시되고 Monteith(1965)에 의해 일반화된 Penman-Monteith(이하 PM) 복합방정식(combination equation)이 대표적이다.
최초의 Penman-Monteith 복합방정식 특징은? 따라서 현재까지 일반적으로 널리 쓰이고 있는 증발산 추정 방법은 후자인 모형을 이용한 간적접인 산정법이며, 그 중에서도 Penman(1948)에 의해 제시되고 Monteith(1965)에 의해 일반화된 Penman-Monteith(이하 PM) 복합방정식(combination equation)이 대표적이다. 최초의 PM 복합방정식은 열과 수증기에 의한 확산 저항의 고려가 부족하였음에도 불구하고 일반적인 상황 하의 증발산을 비교적 정확히 모의할 수 있다. 따라서 대다수 연구자들은 이를 기준증발산(reference evapotranspiration) 산정의 새로운 기준으로 수용하고 진단적 기능과 예측적 가능성을 개선하는 연구를 진행하여 왔다.
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참고문헌 (19)

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  7. 이재수(2009) 수문학(초판 4쇄), 구미서관, pp. 158. 

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  9. 정하우, 김성준, 임정남(1988) Penman식에서 보정계수(C)가 잠재증발산량에 미치는 효과: 수원지방의 수도에 대하여, 한국농공학회지, 한국농공학회, 제30권, 제3호, pp. 51-57. 

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  15. Chiew, F.H.S., Kamaladasa, N.N., Malano, H.M., and McMahon, T.A. (1995) Penman-Monteith, FAO-24 reference crop evapotranspiration and class-A pan data in Australia, Agriculture Water Management, Vol. 28, No. 1, pp. 9-21. 

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  17. Kang, M., Park, S., Kwon, H., Choi, H.T., Choi, Y.-J., and Kim, J. (2009) Evapotranspiration from a deciduous forest in a complex terrain and a heterogeneous farmland under monsoon climate, Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, Vol. 45, No. 2, pp. 175-191. 

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  19. Walter, I.A., Allen, R.G., Elliott, R., Jensen, M.E., Itenfisu, D., Mecham, B., Howell, T.A., Snyder, R., Brown, P., Echings, S., Spofford, T., Hattendorf, M., Cuenca, R.H., Wright, J.L., and Martin, D. (2000) ASCE's Standardized Reference Evapotranspiration Equation, Proceedings of the 4th Decennial Symposium, ASAE, Phoenix, AZ. 

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