[논문]적외선 영상 복사계를 이용한 산간집수역의 찬공기 배수와 온난대 형성 관측

윤진일

doi:10.5532/kjafm.2011.13.2.079

초록
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산간계곡에는 특히 야간에 찬 공기가 흘러 고이는 일이 흔한데, 이런 곳의 식생은 생장과 발육이 그렇지 않은 주변지역에 비해 달라질 수 있어 관심의 대상이 다. 이 연구는 작은 규모의 집수역에서 적외선 영상을 이용하여 냉기호와 온난대의 형상을 가시화 할 수 있는지 알기 위해 수행하였다. 경남 하동군 악양면 형제봉(해발 1,117m)에 적외선 영상 복사계를 설치하여 관측여건이 양호했던 2011년 5월 17일 새벽부터 일출시까지 악양계곡의 열영상을 $640{\times}480$ 해상도로 획득하였다. 열영상 분석결과 계곡의 바닥에 나타난 낮은 온도 분포에 의해 찬공기의 배수를 인지할 수 있었고, 계곡 양쪽 사면에서 바닥보다 $5^{\circ}C$ 높은 온난대의 실체를 확인할 수 있었다. 적외선 영상을 이용하면 기존 고해상도 디지털 기온분포도 '전자기후도'의 신뢰성 검증이 한층 수월해져서 전자기후도 실용성 확보에 도움이 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cold-air drainage and pooling occur in most mountain valleys at night. Local climates with cold-air pooling could affect phenology and distribution of crop plants. A high resolution infrared imaging radiometer was used to visualize the cold-air drainage and thermal belt formation over a small mounta...

Cold-air drainage and pooling occur in most mountain valleys at night. Local climates with cold-air pooling could affect phenology and distribution of crop plants. A high resolution infrared imaging radiometer was used to visualize the cold-air drainage and thermal belt formation over a small mountainous watershed (ca. $10{\times}5{\times}1$ km for the maximum length${\times}$width${\times}$depth). Thermal images on $640{\times}480$ pixels were scanned across the Akyang valley (south of Mt. Jiri National Park) by the radiometer installed at a local peak ('Hyongjebong', 1,117 m a.s.l.) at dawn of 17 May 2011, when the synoptic condition was favorable for the surface cooling and cold-air drainage. Major findings are: (1) Cold-air drainage and accumulation was clearly identified by the lowest brightness temperature mainly at the valley bottom. (2) So-called 'thermal belt' with higher brightness temperature was found partway up the valley sidewalls and showed up to $5^{\circ}C$ departure from the valley bottom temperature. (3) Digital thermography showed feasibility for validation of the high definition geospatial temperature models currently in use for the plot-specific agrometeorological service.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 이들 상세기온 추정값에 대해서는 부분적으로 지점단위 검증만 이루어졌을 뿐, 집수역 내 기온분포양상의 진위나 공간적인 정확성을 평가한 적이 없었다. 본 연구에서는 적외선 영상 복사계에 의해 수집된 영상이 집수역의 기온분포, 나아가 냉기호와 온난대를 정확하게 묘사할 수 있는지 알기 위해 수행하였다.
산간계곡에는 특히 야간에 찬 공기가 흘러 고이는 일이 흔한데, 이런 곳의 식생은 생장과 발육이 그렇지 않은 주변지역에 비해 달라질 수 있어 관심의 대상이다. 이 연구는 작은 규모의 집수역에서 적외선 영상을 이용하여 냉기호와 온난대의 형상을 가시화 할 수 있는지 알기 위해 수행하였다. 경남 하동군 악양면 형제봉(해발 1,117m)에 적외선 영상 복사계를 설치하여 관측여건이 양호했던 2011년 5월 17일 새벽부터 일출시까지 악양계곡의 열영상을 640×480 해상도로 획득하였다.

제안 방법

복사온도계에 의한 온도측정값의 신뢰성을 평가하기 위해 5월 16일 악양계곡 내 위치와 고도가 서로 다른 12개 지점에 자동기상관측장비(Model STL-100, 에스티에이, 한국)를 설치하였다(Fig. 3). 설치위치로는 벼농사를 주로 짓고 있는 계곡하부 해발 10~90m 지대에 6곳, 밭농사 및 대봉감 과원이 많이 분포한 90~200m 지대에 3곳, 그리고 단감 과원과 녹차원이 흔한 200~310m 지대에 3곳을 선정하였다.
설치위치로는 벼농사를 주로 짓고 있는 계곡하부 해발 10~90m 지대에 6곳, 밭농사 및 대봉감 과원이 많이 분포한 90~200m 지대에 3곳, 그리고 단감 과원과 녹차원이 흔한 200~310m 지대에 3곳을 선정하였다. 설치지점의 지표피복은 한 곳(벼논)을 제외하고 모두 초지이며 온도계 설치높이는 지면으로부터 1.5m, 측정간격은 1분으로 설정하고 저장된 자료는 매 10분마다 CDMA 휴대전화 방식으로 수집하였다.
95로 고정시켜 사용하였다. 수집된 디지털영상자료는 분석의 편의를 위해 화소수와 동일한 격자구조를 갖는 ArcGIS Grid(ESRI Inc., USA)로 변환하였다.
5월 17일 형제봉에서 관찰된 일출시각은 05:27이었다. 적외선 영상 복사계(Model P620, FLIR Systems, USA)를 이용하여 05:20부터 06:00까지 악양계곡의 지면 밝기온도(brightness temperature)를 측정하였다. P620의 핵심요소는 비냉각식 초소형복사계(uncooled microbolometer)로서 7.

대상 데이터

3. Locations of 12 temperature monitoring stations deployed for this study. The background color level defines the land classes for low (<90 m), medium (90-200 m), and high (200-310 m) elevation with respect to crop selection criteria, and the solid lines indicate an administrative boundary
경남 하동군 악양면 형제봉(해발 1,117m)에 적외선 영상 복사계를 설치하여 관측여건이 양호했던 2011년 5월 17일 새벽부터 일출시까지 악양계곡의 열영상을 640×480 해상도로 획득하였다.
3). 설치위치로는 벼농사를 주로 짓고 있는 계곡하부 해발 10~90m 지대에 6곳, 밭농사 및 대봉감 과원이 많이 분포한 90~200m 지대에 3곳, 그리고 단감 과원과 녹차원이 흔한 200~310m 지대에 3곳을 선정하였다. 설치지점의 지표피복은 한 곳(벼논)을 제외하고 모두 초지이며 온도계 설치높이는 지면으로부터 1.

성능/효과

경남 하동군 악양면 형제봉(해발 1,117m)에 적외선 영상 복사계를 설치하여 관측여건이 양호했던 2011년 5월 17일 새벽부터 일출시까지 악양계곡의 열영상을 640×480 해상도로 획득하였다. 열영상 분석결과 계곡의 바닥에 나타난 낮은 온도 분포에 의해 찬공기의 배수를 인지할 수 있었고, 계곡 양쪽 사면에서 바닥보다 5℃ 높은 온난대의 실체를 확인할 수 있었다. 적외선 영상을 이용하면 기존 고해상도 디지털 기온분포도‘전자기후도’의 신뢰성 검증이 한층 수월해져서 전자기후도 실용성 확보에 도움이 될 것이다.
한반도 남부지역이 고기압권에 들어서 전형적인 복사냉각조건을 갖춘 2011년 5월 17일 새벽에 지리산 남쪽 형제봉(해발 1,117m)에 올라 아래 쪽 악양계곡을 대상으로 적외선 열영상을 획득한 결과, 열영상 장비를 통해 냉기호 및 온난대를 정확히 묘사할 수 있다는 것을 확인하였다. 이 연구에서 얻어진 열영상에 따르면 계곡의 바닥에는 입구방향으로 냉기호가 넓게 형성되어 온난대에 비해 4~5℃ 낮은 온도를 보였다. 그 동안 온도계, 계류기구(tethered balloon) 등을 이용한 점 단위 관측자료에 근거하여 냉기호와 온난대의 존재 가능성을 정성적으로 제시했지만(Chung et al.
한반도 남부지역이 고기압권에 들어서 전형적인 복사냉각조건을 갖춘 2011년 5월 17일 새벽에 지리산 남쪽 형제봉(해발 1,117m)에 올라 아래 쪽 악양계곡을 대상으로 적외선 열영상을 획득한 결과, 열영상 장비를 통해 냉기호 및 온난대를 정확히 묘사할 수 있다는 것을 확인하였다. 이 연구에서 얻어진 열영상에 따르면 계곡의 바닥에는 입구방향으로 냉기호가 넓게 형성되어 온난대에 비해 4~5℃ 낮은 온도를 보였다.

후속연구

냉기호와 온난대효과를 반영한 소기후모형을 집수역 단위로 적용한 성과물이 ‘전자기후도’라는 이름으로 영농과 산림자원관리에 이미 활용되고 있는데, 적외선온도계를 이용하여 손쉽게 얻을 수 있는 집수역의 열영상은 전자기후도에서 예측하는 기온분포의 공간적 양상을 검증하는 데 좋은 도구이다. 나아가 촬영고도와 위치에 따라서는 격자단위 온도추정값의 검증도 가능할 것으로 보여 앞으로 전자기후도의 실용화에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온난대와 냉기호를 탐지하여 가시화 할 때 Landsat TM 같은 고해상도 위성영상을 사용하는 것의 단점은 무엇인가?	온난대와 냉기호를 탐지하여 가시화 하는 데는 Landsat TM 같은 고해상도 위성영상이 이용되기도 하지만(Ishida and Kawashima, 2002), 원하는 날짜에 필요한 지역의 영상을 상시 입수하기 어려운 단점이 있다. 최근 적외선 복사온도계 기반의 고해상도 열 영상(thermal image) 촬영장비(이하 적외선 영상 복사계)가 휴대가 가능할 정도(1kg 이내)로 경량화 되고 가격도 대다수 연구기관에서 당할 수 있을 만큼 저렴해져서 보급과 활용이 늘어나고 있다.
	냉기호는 주로 언제 형성되는가?	주로 산악지역에서 맑고 바람이 약한 야간에 형성되는 냉기호(cold pool)는 대기오염물질의 축적, 생물계절의 지연, 과수 동상해 유발 등 인간생활과 밀접한 관련이 있어 오랫동안 관찰과 연구의 대상이 되어왔다(Billings et al., 2005).
	cold pool이 자주 발생하는 곳에서 서식하는 동식물의 생태가 주변의 평균을 벗어나기도 하는 이유는 무엇인가?	, 2005). 냉기호가 자주 발생하는 곳의 국지기후는 종관기후와 크게 다를 수 있어 서식하는 동식물의 생태 역시 주변의 평균을 벗어나기도 한다(Daly et al., 2009).

참고문헌 (10)

Billings, B. J., V. Grubisic, and R. D. Borys, 2006: Maintenance of a mountain valley cold pool: a numerical study. Monthly Weather Review 134, 2266-2278. doi: 10.1175/MWR3180.1

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Clements, C. B., C. D. Whiteman, and J. D. Horel, 2003: Cold-air-pool structure and evolution in a mountain basin: Peter Sinks, Utah. Journal of Applied Meteorology 42, 752-768.

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Chung, U., H. H. Seo, K. H. Hwang, B. S. Hwang, J. Choi, J. T. Lee, and J. I. Yun, 2006: Minimum temperature mapping over complex terrain by estimating cold air accumulation potential. Agricultural and Forest Meteorology 137, 15-24.

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Daly, C., D. R. Conklin, and M. H. Unsworth, 2009: Local atmospheric decoupling in complex topography alters climate change impacts. International Journal of Climatology 30, 1857-1864.
FLIR, 2011: User manual - FLIR P6xx Series. FLIR Systems Inc., 310pp.
Ishida, T., and S., Kawashima, 2002: Geostatistical analyses of Landsat Thematic Mapper - derived surface temperature during winter nights. Journal of Applied Meteorology 41, 931-940.

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Kern, C. D., 1963: Desert soil temperatures and infrared radiation received by TIROS III. Journal of Atmospheric Science 20, 175-176.

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Lundquist, J. D., N. Pepin, and C. Rochford, 2008: Automated algorithm for mapping regions of cold-air pooling in complex terrain, Journal of Geophysical Research 113, D22107. doi:10.1029/2008JD009879.

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Ueda, H., M. E. Hori, and D. Nohara, 2003: Observational study of the thermal belt on the slope of Mt. Tsukuba. Journal of Meteorological Society of Japan 81, 1283-1288.

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Yun, J. I., 2010: Agroclimatic maps augmented by a GIS technology. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 12, 63-73. (In Korean with English abstract)

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