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문제 정의
- 본 연구는 1989년 미국 몬테나주립대학교에서 개발한 MTCLIM(A Mountain Microclimate Simulation Model) 컴퓨터 프로그램을 이용하여(Hungerford et al., 1989) 국내 복잡지형의 일간 일사량을 추정하고, 실측 일사량과 비교·분석을 통해 MT-CLIM 프로그램의 국내 복잡지형의 적용 가능성을 검토하였다.
제안 방법
- MT-CLIM 컴퓨터 프로그램을 이용한 일사량 추정의 국내 적용성 검토를 위하여 경북 의성군 일대에 7개 관측지점을 설정하고 실측 일사량과 프로그램에 의한 추정 일사량을 비교 검증하였다. 추정 일사량을 실측 일사량과 비교한 결과, 둘 사이에 결정계수 0.
- 각 조사지점에서 관측한 일별 기상요소(최저기온, 최고기온, 강수량)와 주변환경요소(위도, 경도, 경사도, 경사방향)를 입력변수로 하여, MT-CLIM 컴퓨터 프로그램을 구동시켜 각 조사지점의 일간 추정 일사량의 변화를 Fig. 3에 나타내었다. MT-CLIM 컴퓨터 프로그램에 의해서 추정된 조사기간 동안의 누적 일사량은 998.
- 80, Trimble Inc, USA)를 사용하여 측정하였다. 그리고 국토지리정보원으로부터 1:5000 수치 지형도를 입수하여 주곡선 정보로부터 TIN(triangulated irregular network) 표면을 생성하고, 해상도 30m의 수치고도모형(DEM; digital elevation model)으로 변환하였다. 이 DEM에서 기상관측장비가 설치된 7개 지점의 경사도 및 경사방향을 추출하였다.
- 출력파일의 요소로는 일별 최고기온(Tmax), 최저기온(Tmin), 평균기온(Tday), 강수량(Prcp), 포차(VPD; Vapor Pressure Deficit), 일사량(srad), 낮의 길이(daylength) 등이 있다. 여기서, 일사량과 낮의 길이를 곱해서 일간 적산 일사량을 추정한 다음, 일사센서(Model 3670I)에 의해 얻은 실측 일사량과 비교하여 추정값의 신뢰도를 검증하였다.
- 온·습도(Model HOBO H8 Pro RH/Temp, Onset Computer Corporation, USA)는 센서로거일체형으로 10분 간격으로 측정하여 저장하였고, 강우량(Model 3554WD, Spectrum Technologies,Inc., USA)은 강우 이벤트마다 측정하여 1시간 간격으로 기록계에 저장하였으며, 일사량(Model 3670I, Spectrum Technologies, Inc., USA)은 1분 간격으로 측정하여 기록계에 저장하였다.
- 본 연구에서 활용한 MT-CLIM 컴퓨터 프로그램은 기준 지점의 일별 최고 및 최저온도, 일별 강수량 관측자료를 이용하여 임의 지점의 온도, 강수량, 일사량 및 습도를 추정하는 프로그램으로써 임의 지점의 기상 환경요소인 위도, 경도, 경사도, 경사방향 등이 요구된다(William, 2003). 일별 기상자료는 7개 지점에서 측정한 일별 기온과 강수량 자료를 이용하였고, 관측지점의 위도와 경도는 위성측위계(Model GeoExplorer 및 Pathfinder 2.80, Trimble Inc, USA)를 사용하여 측정하였다. 그리고 국토지리정보원으로부터 1:5000 수치 지형도를 입수하여 주곡선 정보로부터 TIN(triangulated irregular network) 표면을 생성하고, 해상도 30m의 수치고도모형(DEM; digital elevation model)으로 변환하였다.
대상 데이터
- 2009년 8월 1일부터 9월 30일까지 61일간 경북 의성군 일대의 7개 지점에서 관측된 평균기온은 19.3~21.6℃ 범위였다(Table 2). 평균기온이 가장 높게 관측된 지점은 주변환경이 벼논인 US_6 지점으로 21.
- MT-CLIM 프로그램으로 추정한 일사량을 검증하기 위한 실측자료를 수집하기 위해서 해발고도와 경사방향 등을 고려하여 주변에 장애물이 없는 경북 의성군 일대에 7개 지점을 선정한 후(Fig. 1, Table 1), 온· 습도, 강우량, 일사량 기록계 등이 포함된 기상관측장 비를 설치하였다.
- 연구지역은 경북 의성군 일대로(남북 37km, 동서 54km), 1읍 17면 399리로 구성된 전형적인 분지지역이고, 농업생산이 큰 비중을 차지하는 군(郡)이다. 또한 의성군은 지리적으로 동서가 뚜렷이 구분되는데, 동쪽은 산지로 사과재배 등 밭농사가 발달되어 있고, 서쪽은 평야지로 논농사가 발달되어 있다(Uiseong, 2012).
- 의성군 일대의 7개 조사지점에서 2009년 8월 1일부터 9월 30일까지 61일간 측정한 일사량 자료와 동일지점에서 MT-CLIM 컴퓨터 프로그램으로 이용하여 추정한 일사량 자료를 비교하면 Fig. 4와 같다. 전체적으로 MT-CLIM 일사량 추정 프로그램이 조금 과대 추정하는 것으로 분석되었고(US_6 지점을 제외한 모든 지점의 추세선의 기울기가 1.
- 그리고 국토지리정보원으로부터 1:5000 수치 지형도를 입수하여 주곡선 정보로부터 TIN(triangulated irregular network) 표면을 생성하고, 해상도 30m의 수치고도모형(DEM; digital elevation model)으로 변환하였다. 이 DEM에서 기상관측장비가 설치된 7개 지점의 경사도 및 경사방향을 추출하였다.
성능/효과
- 7개 조사지점의 조사기간 동안의 추정 일사량의 편차 평방근오차(RMSE)는 3.02~4.74MJ m−2 범위이고 전체 평균은 3.83MJ m−2 이었다.
- MT-CLIM 프로그램에 의한 일사 추정값의 RMSE는 평균 3.83MJ m−2 이어서, 일 평균 일사량 15.27MJ m−2 의 25% 정도에 해당되었고, 본 연구에서 사용한 일사센서의 허용오차가 표준센서의 ±5%인 점을 감안하면 25%의 RMSE는 실용성이 떨어진다고 판단할 수 있다.
- 6℃ 이었다. 따라서 지점들간의 일 최저기온의 평균간의 차이는 최고 1.5℃ 이어서, 평균기온 및 최고기온의 평균의 지점간의 차이보다 적은 것으로 조사되었다.
- 마지막으로, 7개 관측지점의 조사기간 동안의 일 최저기온의 평균은 15.6~17.1℃ 범위이었다(Table 2). 일 최저기온의 평균이 가장 높게 관측된 지점은 벼논근처에 설치한 US_7 지점으로 17.
- 83MJ m−2 이어서, 일 평균 일사량 15.27MJ m−2 의 25% 정도에 해당되었고, 본 연구에서 사용한 일사센서의 허용오차가 표준센서의 ±5%인 점을 감안하면 25%의 RMSE는 실용성이 떨어진다고 판단할 수 있다. 따라서 MT-CLIM 프로그램을 국내 농업분야에 적용하기 위해서는 지형보정 계수 등 신뢰도를 개선시킬 추가적인 방법들이 모색되어야 할 것으로 판단된다.
- 4와 같다. 전체적으로 MT-CLIM 일사량 추정 프로그램이 조금 과대 추정하는 것으로 분석되었고(US_6 지점을 제외한 모든 지점의 추세선의 기울기가 1.0 이상이었음), 결정계수(R2 )는 0.52이었다. 관측지점의 주변 환경이 학교인 2곳(US_4, US_5)을 제외하면 결정계수가 다소 높아져서 대부분의 관측지점이 0.
- MT-CLIM 컴퓨터 프로그램을 이용한 일사량 추정의 국내 적용성 검토를 위하여 경북 의성군 일대에 7개 관측지점을 설정하고 실측 일사량과 프로그램에 의한 추정 일사량을 비교 검증하였다. 추정 일사량을 실측 일사량과 비교한 결과, 둘 사이에 결정계수 0.52의 선형관계가 확인되었고, 전체적으로는 과대 추정되는 것으로 조사되었다. MT-CLIM 프로그램에 의한 일사 추정값의 RMSE는 평균 3.
후속연구
- 본 연구에서 사용한 일사센서의 허용오차가 표준센서의 ±5%인 점을 감안하면 25%의 RMSE는 실용성이 떨어진다고 판단할 수 있다. 따라서 MT-CLIM 컴퓨터 프로그램을 이용한 일별 추정 일사량이 농업분야에서 실용성을 높이기 위해서는 Yun(2009) 이 제시한 지형보정계수뿐만 아니라, 태양위치에 따른 주변 지형에 의한 일사량 간섭효과 고려 등 신뢰도를 개선할 추가연구가 수행되어야 할 것이다.
- 27MJ m−2 의 25% 정도에 해당되었고, 본 연구에서 사용한 일사센서의 허용오차가 표준센서의 ±5%인 점을 감안하면 25%의 RMSE는 실용성이 떨어진다고 판단할 수 있다. 따라서 MT-CLIM 프로그램을 국내 농업분야에 적용하기 위해서는 지형보정 계수 등 신뢰도를 개선시킬 추가적인 방법들이 모색되어야 할 것으로 판단된다.
- 우리나라는 지형이 매우 복잡하여 좁은 국토면적인데도 불구하고 지역에 따른 기후의 변이가 심하다. 따라서, 기상 이변시대에 대응하여 농작물의 재해경감 및 품질향상, 농작물 재배치 농업관측의 정확도 제고 등을 위해서는 기온과 강수량뿐만 아니라 일사량의 관측지점을 확대하거나, 일사량의 추정 기법을 농업분야에 실용화하는 연구가 선행되어야 할 것이다. 일사량 추정관련 국내의 선행연구에서 Yun(2009)은 기상청 소관 기상대에서 측정한 ‘일 적산수평면일사량’을 토대로 임의 경사면 상의 ‘일 적산경사면일사량’을 비교적 정확하고 간편하게 알아낼 수 있는 지형보정계수를 고안하여 복잡지형에 적용한 결과를 보고하였다.
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