[논문]구름에 의한 지표 일사량의 증가

정연진; 조희구; 김준; 김영준; 김윤미

doi:10.14191/atmos.2011.21.2.131

구름에 의한 지표 일사량의 증가
The effects of clouds on enhancing surface solar irradiance 원문보기

대기 = Atmosphere, v.21 no.2, 2011년, pp.131 - 142

정연진 (연세대학교 지구환경연구소) , 조희구 (연세대학교 지구환경연구소) , 김준 (연세대학교 지구환경연구소) , 김영준 (광주과학기술원 환경모니터링신기술연구센터) , 김윤미 (연세대학교 지구환경연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Spectral solar irradiances were observed using a visible and UV Multi-Filter Rotating Shadowband Radiometer on the rooftop of the Science Building at Yonsei University, Seoul ($37.57^{\circ}N$, $126.98^{\circ}E$, 86 m) during one year period in 2006. 1-min measurements of global(total) and diffuse solar irradiances over the solar zenith angle (SZA) ranges from $20^{\circ}$ to $70^{\circ}$ were used to examine the effects of clouds and total optical depth (TOD) on enhancing four solar irradiance components (broadband 395-955 nm, UV channel 304.5 nm, visible channel 495.2 nm, and infrared channel 869.2 nm) together with the sky camera images for the assessment of cloud conditions at the time of each measurement. The obtained clear-sky irradiance measurements were used for empirical model of clear-sky irradiance with the cosine of the solar zenith angle (SZA) as an independent variable. These developed models produce continuous estimates of global and diffuse solar irradiances for clear sky. Then, the clear-sky irradiances are used to estimate the effects of clouds and TOD on the enhancement of surface solar irradiance as a difference between the measured and the estimated clear-sky values. It was found that the enhancements occur at TODs less than 1.0 (i.e. transmissivity greater than 37%) when solar disk was not obscured or obscured by optically thin clouds. Although the TOD is less than 1.0, the probability of the occurrence for the enhancements shows 50~65% depending on four different solar radiation components with the low UV irradiance. The cumulus types such as stratoculmus and altoculumus were found to produce localized enhancement of broadband global solar irradiance of up to 36.0% at TOD of 0.43 under overcast skies (cloud cover 90%) when direct solar beam was unobstructed through the broken clouds. However, those same type clouds were found to attenuate up to 80% of the incoming global solar irradiance at TOD of about 7.0. The maximum global UV enhancement was only 3.8% which is much lower than those of other three solar components because of the light scattering efficiency of cloud drops. It was shown that the most of the enhancements occurred under cloud cover from 40 to 90%. The broadband global enhancement greater than 20% occurred for SZAs ranging from 28 to $62^{\circ}$. The broadband diffuse irradiance has been increased up to 467.8% (TOD 0.34) by clouds. In the case of channel 869.0 nm, the maximum diffuse enhancement was 609.5%. Thus, it is required to measure irradiance for various cloud conditions in order to obtain climatological values, to trace the differences among cloud types, and to eventually estimate the influence on solar irradiance by cloud characteristics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 서울의 지표 일사량과 천공 영상 관측 자료를 이용하여 구름 또는 TOD에 의한 일사량의 증가(양) 효과를 밝히는 데 초점을 두었다. 여기에서 일사량을 전천 일사량과 산란 일사량으로 분리하여 광대파장역(broadband)과 자외선, 가시광선 및 적외선역의 특정파장에서 이들 성분 별로 TOD, 운량 그리고 태양천정각에 따라 지표 일사의 증감 특성과 발생조건을 밝히고자 한다. 특히 증가가 나타날 수 있는 최대 TOD를 일사의 각 성분별로 구하고자 하였다.
그러므로 TOD는 지표 일사의 증감을 평가하는 데 중요한 요소가 되고 있다. 이 연구에서는 서울의 지표 일사량과 천공 영상 관측 자료를 이용하여 구름 또는 TOD에 의한 일사량의 증가(양) 효과를 밝히는 데 초점을 두었다. 여기에서 일사량을 전천 일사량과 산란 일사량으로 분리하여 광대파장역(broadband)과 자외선, 가시광선 및 적외선역의 특정파장에서 이들 성분 별로 TOD, 운량 그리고 태양천정각에 따라 지표 일사의 증감 특성과 발생조건을 밝히고자 한다.
여기에서 일사량을 전천 일사량과 산란 일사량으로 분리하여 광대파장역(broadband)과 자외선, 가시광선 및 적외선역의 특정파장에서 이들 성분 별로 TOD, 운량 그리고 태양천정각에 따라 지표 일사의 증감 특성과 발생조건을 밝히고자 한다. 특히 증가가 나타날 수 있는 최대 TOD를 일사의 각 성분별로 구하고자 하였다. 이 연구는 유해 자외선에 의한 인체 또는 생태계의 피해 방지 뿐만 아니라 복사와 구름 사이의 상호 물리적 과정을 이해하는데 크게 기여할 것으로 본다.

제안 방법

구름과 TOD에 의한 일사의 증가를 밝히기 위하여 먼저 정상맑은날의 일사량(normal clear-sky solar irradiance)을 추정할 수 있는 cosθo(θo:태양천정각)의 4차 다중회귀 모형을 구하였다.
구름과 TOD에 의한 일사의 증가를 밝히기 위하여 먼저 정상맑은날의 일사량(normal clear-sky solar irradiance)을 추정할 수 있는 cosθ_o(θ_o:태양천정각)의 4차 다중회귀 모형을 구하였다. 따라서 이 모형에 의하여 구한 맑은 날씨의 추정 일사량과 관측일사량과의 차로써 구름에 의한 일사의 증가율을 구하였다.
연세대학교 서울캠퍼스에서 두 대의 다중 필터 차폐 복사계(Visible and UV MFRSRs)로 1년(2006)동안 관측한 파장별 전천 일사량과 산란 일사량 자료 중에 태양 천정각 20°와 70° 사이의 광대파장역(391~955 nm: BBR), 가시광선 파장 495.2 nm, 적외선 869.0 nm 그리고 자외선 304.5 nm의 네 일사 성분을 사용하여 구름과 전 대기 광학깊이(TOD)에 의한 이들 태양 복사의 증가를 천공 카메라 사진 영상(Sky-camera imaages)과 함께 분석하였다.
연세대학교에서 MFRSR로 관측한 광대역 파장의 수평면 전천 일사량 자료를 검증하기 위하여 일별 전천 일사량을 기상청 서울 기상관측소(서대문 송월동, 연세대학교에서 직선거리 약 2 km)에서 관측한 일별 수평면 전천 일사량(305~2800 nm, Kipp & Zonen 사) 관측 자료와 Fig. 1과 같이 비교하였다.
이와 같이 식(5)의 통계 모형은 주어진 날씨에 전천 일사량, F_m에 대한 물리적 의미를 다소 갖고 있다. 이 연구에서 일사량의 분(分)당 ∆F(%)가 즉 구름에 의한 일사량의 증가율을 모두 분석하고 이들 중에 20% 나타나는 경우를 택하여 이 때 구름의 물리적 성질을 살폈다.

대상 데이터

2006년 1월 1일부터 연세대학교 서울캠퍼스 이과대학 건물 옥상(37.57°N, 126.98°E, 86 m)에서 두 대의 다중필터 회전 차폐판 복사계(MFRSR, Multifilter Rotating Shadowband Radiometer, Yankee 사)로 수평면 전천 일사량(horizontal global solar irradiance)과 산란 일사량(diffuse solar irradiance)의 두 성분을 관측하여왔다.
이 연구에서는 이들 관측 자료 중에 2006년 1월부터 12월까지의 일별로 태양 천정각 20° 와 70° 사이에 1분마다 관측한 일사 자료를 주로 사용하였다.

이론/모형

이 감소 과정은 주로 TOD, 즉 입사광이 진행하는 경로를 따라서 존재하는 매질에 의해 입사광이 산란 또는 흡수과정에 의해 감쇄되는 양을 표현하는 물리량으로 설명될 수 있다. 매질의 양이 많아질수록 감쇄되는 빛의 세기가 커지며 이 TOD는 Beer-Bouguer-Lambert(B-B-L)의 법칙에 의하여 구해진다. 이 때 필요한 대기 밖 일사량(extraterrestrial solar radiation)은 맑은 날씨에 상대 공기 질량에 따라 변하는 지표 직달 일사량의 측정값을 사용하여 랑리(Langley) 방법으로 구했다(예: Cho et al.
매질의 양이 많아질수록 감쇄되는 빛의 세기가 커지며 이 TOD는 Beer-Bouguer-Lambert(B-B-L)의 법칙에 의하여 구해진다. 이 때 필요한 대기 밖 일사량(extraterrestrial solar radiation)은 맑은 날씨에 상대 공기 질량에 따라 변하는 지표 직달 일사량의 측정값을 사용하여 랑리(Langley) 방법으로 구했다(예: Cho et al., 2003; 김윤미, 2008).

성능/효과

8%로 이 연구 기간 중에서 제일 큰 증가율을 나타내었다. 5분 후 SZA 32.1o (LST 1420)의 천공 카메라 영상을 보면 운량 8, 운형 Sc로 태양을 비교적 두터운 구름으로 가려 TOD가 2.24로 급속히 증가하여 전천 일사량은 52.7%의 감소율을 보이고 산란 일사의 증가율은 315.7%로 나타났다. 따라서 일사 증가의 최대 TOD는 0.
그러므로 어느 정도 강한 태양빛이 구름 틈 사이에 입사하여 빛의 다중 산란과 반사가 일어나야 일사의 증가가 나타날 수 있음을 알 수 있다. TOD가 1.0 이하에서 전천 일사의 증가가 나타날 수 있는 확률은 일사의 성분에 따라 50~65%로, 자외선 복사가 제일 낮았다. 전천과 산란 일사의 최대 증가율은 TOD 0.
2로 이때의 구름의 투과율은 약 1% 이하에 속한다. TOD의 증가에 따르는 전천 일사량의 최대 감소율은 Fig. 5~8에서 보는 바와 같이 광대파장역과 파장 869.0 nm에서 81%, 파장 495.2 nm에서 76% 그리고 304.5 nm에서 57%로 나타났다. 이 때 직달 일사의 감소율은 약 100%, 산란 일사의 증가율은 약 200%였다.
이와 같이 파장역에 따라 최대 TOD는 차이가 있고 TOD의 기본 발생 조건에 속할지라도 구름이 전혀 없거나 또는 있어도 구름에 의하여 반사 또는 산란 조건이 형성되지 않으면 구름에 의하여 반사 또는 산란 조건이 형성되지 않으면 증가가 발생하지 않음을 알 수 있다. 광대파장역의 산란 일사량(Fig. 9b)은 Rayleigh 산란(TOD = 0.15)에 가까운 TOD 0.18에서 최대 467.8%까지 크게 증가하였으나 TOD가 증가함에 따라 그 변화폭이 점점 감소하여 TOD 7.0 부근에서는 그 증가율이 약 200%로 줄어들었다.
구름에 의한 전천 일사량의 증가는 TOD가 파장 869.0 nm에서 광대파장역의 경우와 마찬가지로 0.70(투과율 약 50%), 파장 495.2 nm에서 0.59(투과율 57%) 그리고 304.5 nm에서 0.43(투과율 65%) 이하인 경우에만 각각 나타났다. 이들 증가의 발생율은 각 최대 TOD 값보다 작은 경우일지라도 광대파장역은 61.
70보다 작은 경우(465개) 일지라도 실제 증가가 발생한 경우(286개)는 약 62%의 발생율을 나타내었다. 따라서 파장 495.2 nm에서는 최대 TOD 0.59에서 58%, 869.0 nm는 최대 0.70에서 65% 그리고 304.5 nm는 최대 TOD 0.43에서 52%였다. 이와 같이 파장역에 따라 최대 TOD는 차이가 있고 TOD의 기본 발생 조건에 속할지라도 구름이 전혀 없거나 또는 있어도 구름에 의하여 반사 또는 산란 조건이 형성되지 않으면 구름에 의하여 반사 또는 산란 조건이 형성되지 않으면 증가가 발생하지 않음을 알 수 있다.
이 그림과 Table 1에 의하면 오후 13시 56분(SZA 28.3°), 14시 15분(SZA 31.3), 15시 41분경(SZA 46.70°) 그리고 16시 37분경(SZA 57.9°)에 광대역 파장의 전천 일사량(Fig. 5a)은 구름에 의하여 각 시간마다 최대 25.0%, 31.2%, 23.0%와 21.2%가 각각 증가하였고, 특히 13시 53분~13시 56분 사이의 4분 동안에 15.9~25.0%의 증가가 계속되었고 16시 29분과 16시 47분 사이의 19분 동안 10.2 ~ 21.2%가 지속되었다.
5 nm인 경우(약 60%)를 제외하고 나머지 세 일사의 성분에서 모두 약 80%까지 감소하였다. 이 때, 최대 TOD는 7.0로 직달 일사량은 거의 100% 감소하였으나, 산란 일사량은 약 200% 증가하였다. 구름에 의한 일사의 증가에 관한 물리적 그리고 기후학적 특징을 밝히기 위해서는 다양한 구름 상태에 대한 더 많은 일사 관측과 연구가 요구된다.
이 연구에서 구름에 의한 일사량의 증가가 나타날 수 있는 최대 TOD는 1.0(투과율 37%)으로 밝혀졌으며 이 최대값 이하일지라도 전천 일사의 증가 발생율은 태양 복사의 성분에 따라 약 50~65%로 자외선 성분이 제일 낮았다.
5%까지 달하였다. 이들 증가율은 태양 복사의 4성분 중에 파장 869.0 nm의 적외선 복사에서 가장 높고 파장 304.5 nm의 자외선 복사에서 가장 낮게 나타났다. 이 까닭은 구름 방울에 대한 Mie 산란의 산란 효율로 생각할 수 있다.
43(투과율 65%) 이하인 경우에만 각각 나타났다. 이들 증가의 발생율은 각 최대 TOD 값보다 작은 경우일지라도 광대파장역은 61.5%, 495.2 nm는 57.6%, 869.0 nm는 64.7% 그리고 304.5 nm는 51.6%였다.
5%까지 나타났다. 이와 같이 구름과 TOD에 의한 일사의 증가율은 태양 복사의 4성분(광대파장역, 869.0 nm, 495.2 nm와 304.5 nm) 중에 869.0 nm의 적외선 복사에서 높고 304.5 nm의 자외선 복사에서 가장 낮게 나타났다. 그 이유는 구름 방울에 의한 산란은 Mie 산란에 속하므로 이 산란은 구름 입자의 크기 인자(size parameter, α = 2πγ/λ)에 크게 의존하여(예: McCartney, 1976) 전적으로 파장에 의존하는 순 공기 입자의 Rayleigh 산란(α < 1/10)의 경우(∝λ⁻⁴)와는 다르다.
0 이하에서 전천 일사의 증가가 나타날 수 있는 확률은 일사의 성분에 따라 50~65%로, 자외선 복사가 제일 낮았다. 전천과 산란 일사의 최대 증가율은 TOD 0.43에서 36.0%와 TOD 0.34에서 467.8%로 각각 나타났다. 파장 869.

후속연구

0로 직달 일사량은 거의 100% 감소하였으나, 산란 일사량은 약 200% 증가하였다. 구름에 의한 일사의 증가에 관한 물리적 그리고 기후학적 특징을 밝히기 위해서는 다양한 구름 상태에 대한 더 많은 일사 관측과 연구가 요구된다.
특히 증가가 나타날 수 있는 최대 TOD를 일사의 각 성분별로 구하고자 하였다. 이 연구는 유해 자외선에 의한 인체 또는 생태계의 피해 방지 뿐만 아니라 복사와 구름 사이의 상호 물리적 과정을 이해하는데 크게 기여할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 오존층 파괴로 인하여, 구름의 양효과가 무엇에 매우 중요해졌는가?	Suehrcke, 1990; Mims and Frederick, 1994; Sabburg and Wong, 2000; Sabburg and Calbób, 2009). 구름의 양효과는 최근 오존층 파괴로 지표 유해 자외선의 정확한 예측을 위하여 매우 중요하다. 현재 한국, 미국 그리고 캐나다 등에서 자외선 지수를 예측할 때 먼저 맑은 날씨의 지수를 구한 뒤에 구름의 음효과를 고려하여 보정한다(예: Long et al.
	음의 효과란 무엇인가?	구름은 일반적으로 지표에 도달하는 일사량을 흡수와 산란(반사, 굴절)과정에 의하여 감소시키는 음의 효과를 갖고 있다. 한편 구름은 흩어진 적운계의 구름 틈 사이에 태양빛이 통과할 때 다중 산란과 반사로 지표 일사량을 증가시키는 양의 효과를 갖는 경우가 있다(예: Mccormick, P.
	구름의 음효과만의 보정이 지표 일사량 예측에 일사의 세기를 과소평가할 우려가 있는 이유는 무엇인가?	구름의 양효과는 최근 오존층 파괴로 지표 유해 자외선의 정확한 예측을 위하여 매우 중요하다. 현재 한국, 미국 그리고 캐나다 등에서 자외선 지수를 예측할 때 먼저 맑은 날씨의 지수를 구한 뒤에 구름의 음효과를 고려하여 보정한다(예: Long et al., 1996).

참고문헌 (15)

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Liou, K. N., 2002 : An Introduction to atmospheric radiation. Academic press, 583pp.
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Sabburg, J. and J. Wong, 2000 : The effect of clouds on enhancing UVB irradiance at the earth surface : a one year study. Geophys. Res. Lett., 27, 3337-3340.

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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].

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