[논문]이어도 해양과학기지 풍속 자료의 실시간 운용을 위한 기준 고도 변환 과정

변도성; 김효원; 이주영; 이은일; 박경애; 우혜진

doi:10.7850/jkso.2018.23.4.153

이어도 해양과학기지 풍속 자료의 실시간 운용을 위한 기준 고도 변환 과정
Converting Ieodo Ocean Research Station Wind Speed Observations to Reference Height Data for Real-Time Operational Use 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.23 no.4, 2018년, pp.153 - 178

변도성 (국립해양조사원 해양과학조사연구실) , 김효원 (국립해양조사원 해양과학조사연구실) , 이주영 (국립해양조사원 해양과학조사연구실) , 이은일 (국립해양조사원 해양과학조사연구실) , 박경애 (서울대학교 지구과학교육과) , 우혜진 (서울대학교 과학교육과)

초록
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운용용으로 사용되는 대부분의 풍속자료는 10 m 기준 고도에서 측정 또는 생산된 자료이다. 이 연구는 이어도 해양과학기지 42.3 m 고도의 옥상 등대에서 측정 중인 풍속을 기준 고도의 풍속으로 변환시켜 국립해양조사원 누리집을 통해 실시간으로 제공하기 위한 사전 연구이다. 이를 위해 2015년에 이어도 기지에서 관측한 풍속을 대표적인 네 종류의 풍속 변환식 - 멱법칙식, 두 종류의 중립벽 로그법칙식(항력계수형, 거칠기 높이형), 대기 안정도 효과를 고려한 벽 로그법칙모델(안정도 고려 거칠기 높이형) -에 적용하였다. 관측 바람을 평가하는데 많이 사용되는 '안정도 고려 거칠기 높이형' 벽 로그법칙모델의 결과와 나머지 풍속 변환식 결과들을 서로 비교하였다. 그 결과 '거칠기 높이형' 벽 로그법칙식과 '안정도 고려 거칠기 높이형' 벽 로그법칙모델 간 편향과 평균 제곱근 편차는 각각 $-0.001m\;s^{-1}$와 $0.122m\;s^{-1}$로 가장 낮아 실시간 현업 운용 측면에서 상호 보완적으로 이 두 변환식을 함께 사용하는 것이 바람직하다는 결론을 도출하였다. 또한 이어도 해역에서 조석에 의한 풍속 관측 고도 변화가 풍속 변환에 미치는 영향을 분석하였다. 이들 변환식에 대한 조석 효과 고려 전후에 대한 비교 실험 결과, 편향과 평균 제곱근 편차는 각각 <$0.0001m\;s^{-1}$와 <$0.012m\;s^{-1}$로 그 영향은 미미하였다. 대기 표면 거칠기 높이를 사용하는 '거칠기 높이형' 벽 로그법칙식과 '안정도 고려 거칠기 높이형' 벽 로그 법칙모델을 이용하여 간편 풍속 변환식의 필수 입력값인 표면 거칠기 높이 값의 적절성에 관해 논의하였으며, 풍속 변환 정확도를 향상시킬 수 있는 표면 거칠기 높이 계산식을 제시하였다. 또한 인공위성 산란계(ASCAT) 풍속자료와 네 종류의 중립 연직 풍속 변환식들의 결과를 비교하여 이들 중 '안정도 고려 거칠기 높이형' 벽 로그법칙모델에서 안정도 항을 뺀 풍속 변환 모델의 정확도가 더 낫다는 결과를 제시하였다. 끝으로 이들 종래 $25m\;s^{-1}$ 이하 풍속에 최적화된 풍속 변환식들로부터 바람 항력계수를 산정 분석하여 강풍(${\geq}33m\;s^{-1}$) 환경에서도 적합한 풍속 변환식으로 개선 필요성에 관해 논의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most operational uses of wind speed data require measurements at, or estimates generated for, the reference height of 10 m above mean sea level (AMSL). On the Ieodo Ocean Research Station (IORS), wind speed is measured by instruments installed on the lighthouse tower of the roof deck at 42.3 m AMSL. This preliminary study indicates how these data can best be converted into synthetic 10 m wind speed data for operational uses via the Korea Hydrographic and Oceanographic Agency (KHOA) website. We tested three well-known conventional empirical neutral wind profile formulas (a power law (PL); a drag coefficient based logarithmic law (DCLL); and a roughness height based logarithmic law (RHLL)), and compared their results to those generated using a well-known, highly tested and validated logarithmic model (LMS) with a stability function (${\psi}_{\nu}$), to assess the potential use of each method for accurately synthesizing reference level wind speeds. From these experiments, we conclude that the reliable LMS technique and the RHLL technique are both useful for generating reference wind speed data from IORS observations, since these methods produced very similar results: comparisons between the RHLL and the LMS results showed relatively small bias values ($-0.001m\;s^{-1}$) and Root Mean Square Deviations (RMSD, $0.122m\;s^{-1}$). We also compared the synthetic wind speed data generated using each of the four neutral wind profile formulas under examination with Advanced SCATterometer (ASCAT) data. Comparisons revealed that the 'LMS without ${\psi}_{\nu}^{\prime}$ produced the best results, with only $0.191m\;s^{-1}$ of bias and $1.111m\;s^{-1}$ of RMSD. As well as comparing these four different approaches, we also explored potential refinements that could be applied within or through each approach. Firstly, we tested the effect of tidal variations in sea level height on wind speed calculations, through comparison of results generated with and without the adjustment of sea level heights for tidal effects. Tidal adjustment of the sea levels used in reference wind speed calculations resulted in remarkably small bias (<$0.0001m\;s^{-1}$) and RMSD (<$0.012m\;s^{-1}$) values when compared to calculations performed without adjustment, indicating that this tidal effect can be ignored for the purposes of IORS reference wind speed estimates. We also estimated surface roughness heights ($z_0$) based on RHLL and LMS calculations in order to explore the best parameterization of this factor, with results leading to our recommendation of a new $z_0$ parameterization derived from observed wind speed data. Lastly, we suggest the necessity of including a suitable, experimentally derived, surface drag coefficient and $z_0$ formulas within conventional wind profile formulas for situations characterized by strong wind (${\geq}33m\;s^{-1}$) conditions, since without this inclusion the wind adjustment approaches used in this study are only optimal for wind speeds ${\leq}25m\;s^{-1}$.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. (a) Location (●) of the Ieodo Ocean Research Station (IORS) and (b) its structure and each deck height from the elevation level (EL).
그림 Fig. 2. Weather monitoring equipment, measuring winds (①), humidity and air temperatures (② and ③), and barometric pressure (④), and the heights at which they were installed above the roof deck (33.5 m from mean sea level) of the Ieodo Ocean Research Station before (a) and after (b) the passage of Typhoon Muifa on August 7, 2011.
표 Table 1. Meteorological sensors (wind, humidity, temperature and barometric pressure) installed above the roof deck of the Ieodo Ocean Research Station
그림 Fig. 3. Variation in kinematic viscosity (v) with variation in air temperature.
표 Table 2. Wind profile formulas used for adjusting sea winds (U_z) measured above the roof deck (z = 42.3 m) of the Ieodo Ocean Research Station to a 10-m reference height (z₁₀ = 10 m)
$Fig. 4. Time series plots of differences in (a) adjusted 10-m wind speeds between <TEX>$U_{10}^{LKBns}$</TEX> and <TEX>$U_{10}^{LKBs}$</TEX> and in (b) temperatures between sea surface (Ts) and air (T) measured at the Ieodo Research Station in 2015 and (c) time series plot of values of atmospheric stability function (Ψu) calculated from Eq. (12).$ 그림 Fig. 4. Time series plots of differences in (a) adjusted 10-m wind speeds between $U_{10}^{LKBns}$ and $U_{10}^{LKBs}$ and in (b) temperatures between sea surface (T_s) and air (T) measured at the Ieodo Research Station in 2015 and (c) time series plot of values of atmospheric stability function (Ψ_u) calculated from Eq. (12).
표 Table 3. Sensitivity analysis of the LKB with respect to the input parameters using meteorological and oceanographic records measured at the Ieodo Ocean Research Station in 2015
$Fig. 5. Comparisons between converted 10-m wind speed values from <TEX>$U_{10}^{LKBs}$</TEX> and converted values from each different formula (i.e., <TEX>$U_{10}^{PW}$</TEX> , <TEX>$U_{10}^{LP83}$</TEX> , <TEX>$U_{10}^{S88}$</TEX> , and <TEX>$U_{10}^{S88}$</TEX>(v(T)), using 1-hr interval wind records from the roof deck at 42.3 m above the mean sea level of the Ieodo Ocean Research Station in 2015.$ 그림 Fig. 5. Comparisons between converted 10-m wind speed values from $U_{10}^{LKBs}$ and converted values from each different formula (i.e., $U_{10}^{PW}$ , $U_{10}^{LP83}$ , $U_{10}^{S88}$ , and $U_{10}^{S88}$(v(T)), using 1-hr interval wind records from the roof deck at 42.3 m above the mean sea level of the Ieodo Ocean Research Station in 2015.
$Table 4. Comparisons of adjusted 10-m wind speeds between <TEX>$U_{10}^{LKBs}$</TEX> and <TEX>$U_{10}^{PW}$</TEX> (<TEX>$U_{10}^{LP83}$</TEX> , <TEX>$U_{10}^{S88}$</TEX> , <TEX>$U_{10}^{S88}$</TEX> (v(T))) according to observed wind speed ranges$ 표 Table 4. Comparisons of adjusted 10-m wind speeds between $U_{10}^{LKBs}$ and $U_{10}^{PW}$ ($U_{10}^{LP83}$ , $U_{10}^{S88}$ , $U_{10}^{S88}$ (v(T))) according to observed wind speed ranges
표 Table 5. The five main tidal harmonic constants estimated from harmonic analysis of 2015 yearlong sea level observation records at the Ieodo Ocean Research Station
$Table 6. Sensitivity experiments of four vertical wind conversion equations (<TEX>$U_{10}^{PW}$</TEX> , <TEX>$U_{10}^{LP83}$</TEX>, <TEX>$U_{10}^{S88}$</TEX> and <TEX>$U_{10}^{LKBs}$</TEX> ) on the effect of variation in sea-level heights due to tides, using meteorological and oceanographic records measured at the Ieodo Ocean Research Station in 2015$ 표 Table 6. Sensitivity experiments of four vertical wind conversion equations ($U_{10}^{PW}$ , $U_{10}^{LP83}$, $U_{10}^{S88}$ and $U_{10}^{LKBs}$ ) on the effect of variation in sea-level heights due to tides, using meteorological and oceanographic records measured at the Ieodo Ocean Research Station in 2015
그림 Fig. 6. Variations in the surface roughness length (z₀) consisting of the aerodynamic roughness length due mainly to the shorter surface waves (z_c) and the aerodynamic roughness length for a smooth surface (z_s), which are calculated from Eq. (8) with α = 0.001, v = 1.5 × 10^-5 m²s^-1 and g = 9.8 m²s^-1. .
표 Table 7. Four sensitivity experiments on use of different surface roughness lengths (z₀) in Eq. (7), Eq. (12) and Eq. (18) using meteorological and oceanographic records measured at the Ieodo Ocean Research Station in 2015
$Fig. 7. Surface roughness lengths (z0) estimated from (a) <TEX>$U_{10}^{S88}$</TEX> (Eq. (7)) and (b) <TEX>$U_{10}^{LKBs}$</TEX> (Eq. (12)) and their fits (thick black lines) of wind speed measurements (Uz) to the z0. Blue (A) and red (B) dots in panel (b) denote values of z0 under conditions of Ψu and Ψu > 0, respectively.$ 그림 Fig. 7. Surface roughness lengths (z₀) estimated from (a) $U_{10}^{S88}$ (Eq. (7)) and (b) $U_{10}^{LKBs}$ (Eq. (12)) and their fits (thick black lines) of wind speed measurements (U_z) to the z₀. Blue (A) and red (B) dots in panel (b) denote values of z₀ under conditions of Ψ_u and Ψ_u > 0, respectively.
$Fig. 8. Wind speed measurements (Uz) vs difference between Uz and 10-m wind speeds (U10) adjusted from <TEX>$U_{10}^{LKBs}$</TEX> (Eq. (12)) for the cases of Ψu > 0 (red dots) and Ψu < 0 (blue dots).$ 그림 Fig. 8. Wind speed measurements (U_z) vs difference between U_z and 10-m wind speeds (U₁₀) adjusted from $U_{10}^{LKBs}$ (Eq. (12)) for the cases of Ψ_u > 0 (red dots) and Ψ_u < 0 (blue dots).
$Fig. 9. Comparisons between <TEX>$U_{10}^{ASCAT}$</TEX> and converted 10-m wind speed values from each different formula ( <TEX>$U_{10}^{PW}$</TEX> , <TEX>$U_{10}^{LP83}$</TEX> , <TEX>$U_{10}^{S88}$</TEX> and <TEX>$U_{10}^{LKBns}$</TEX> ), using 1-hr interval wind records measured from the roof deck at 42.3 m above the mean sea level of the Ieodo Ocean Research Station in 2015.$ 그림 Fig. 9. Comparisons between $U_{10}^{ASCAT}$ and converted 10-m wind speed values from each different formula ( $U_{10}^{PW}$ , $U_{10}^{LP83}$ , $U_{10}^{S88}$ and $U_{10}^{LKBns}$ ), using 1-hr interval wind records measured from the roof deck at 42.3 m above the mean sea level of the Ieodo Ocean Research Station in 2015.
표 Table 8. Maximum wind speeds observed at the Ieodo Ocean Research Station from 2004 and 2017 and their count number of occurrence
$Fig. 10. (a) Drag coefficients calculated from <TEX>$C_{d10}^{V88}$</TEX> (Eq. 4), <TEX>$C_{d10}^{Z12}$</TEX> (Eq. 22) and <TEX>$C_{d10}^{S88}$</TEX> (Eq. 10) under the wind speeds (Uz) of ≤ 60ms-1 and (b) difference of 10-m wind speeds adjusted from <TEX>$U_{10}^{LP83NW}$</TEX> (using <TEX>$C_{d10}^{Z12}$</TEX>) and <TEX>$U_{10}^{LP83}$</TEX> (using <TEX>$C_{d10}^{V83}$</TEX>) using wind speeds (Uz) of ≤ 60ms-1 with an interval of 0.1ms-1.$ 그림 Fig. 10. (a) Drag coefficients calculated from $C_{d10}^{V88}$ (Eq. 4), $C_{d10}^{Z12}$ (Eq. 22) and $C_{d10}^{S88}$ (Eq. 10) under the wind speeds (U_z) of ≤ 60ms-1 and (b) difference of 10-m wind speeds adjusted from $U_{10}^{LP83NW}$ (using $C_{d10}^{Z12}$) and $U_{10}^{LP83}$ (using $C_{d10}^{V83}$) using wind speeds (U_z) of ≤ 60ms^-1 with an interval of 0.1ms^-1.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 학계에 잘 알려진 대표적인 네 종류의 연직 풍속 변환식들(즉, 멱법칙식, 두 종류의 중립 벽 로그법칙식, 대기 안정도가 고려된 벽 로그법칙모델)의 특성을 분석하고, 이들 중 광범위하게 테스트되어 많은 연구에 활용되고 있는 안정도가 고려된 벽 로그법칙모델을 통한 10 m 풍속 변환 결과와 비교 등을 통해 궁극적으로 이어도 해양과학기지 현업용으로 가장 적합한 풍속 변환식을 제시하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

이어서 풍속 변환에 종종 사용되고 있는 단순 로그 비례식(식 (18))의 사용에 필요한 zg값의 적절성을 조사하였고, U10s88 과 U10LKBs으로부터 산출된 z0값을 이용하여 풍속의 함수인 z0의 회귀식을 제시하였다.

대상 데이터

해양 실측자료를 활용하기 위하여 이어도 관측 바람의 결측률(0.1% 이하)이 가장 낮은 해인 2015년도를 선정하였으며 이어도 해양과학기지에서 10분 간격으로 관측한 1년간의 바람(풍속), 기온, 상대습도, 기압, 표층수온 자료를 사용하였다. Fig.

이론/모형

해수면높이는 주갑판(main deck)에 설치된 영국 RS Aqua사의 Wave, Sea Level and Air Gap 센서(microwave radar)를 사용하여 1분 간격으로 관측하고 있다. 이어도 해역의 조석 특성을 분석하기 위하여 T_TIDE 조석조화분해 프로그램을 사용하였으며(Pawlowicz et al., 2002), 이를 위한 분석 자료로 2015년 1월1일부터 10분 간격으로 1년간 이어도 기지에서 관측한 해수면높이 자료를 사용하였다.

성능/효과

이 해역은 연직 혼합이 활발하지 않은 여름철에 수온성층으로 인해 표층수온이 표면수온보다 최대 5℃ 정도 더 높다(Kang et al., 2017)는 사실을 감안해도 이 시기에 표면수온 또한 25℃ 이상으로 높기 때문에 이 온도차는 각각의 입력자료 값에 20%를 더한 민감도 실험에 포함된다고 판단된다.
또한 조석에 의한 풍속 관측 고도 변화 실험을 통하여 이어도 해역에서 해수면 높이변화 효과가 풍속 변환에 미치는 영향은 미미하다는 것을 밝혔다
이들 실험결과는 대조기에 고조와 저조 시 이어도 기지에서 관측된 풍속을 10 m 기준 고도로 풍속변환 시에 최대 0.12 ms^-1까지 풍속 변동 폭이 발생할 가능성이 있음을 시사한다.

후속연구

끝으로 이 연구에서 사용한 풍속 변환식들은 25 m s-1 이하의 풍속에 최적화된 식들이므로 우리나라로 접근하는 태풍의 길목에 위치한 이어도 해양과학기지의 지리적 중요성을 고려할 때, 후속 연구로 향후 30 m s-1에서 60 m s-1의 강풍에서도 효과적으로 적용 가능한 연직 풍속 변환 방법에 관한 심도 있는 연구가 필요하다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해상에서 바람의 측정되는 고도가 다양한 이유는 무엇인가?	일반적으로 해상에서 바람은 선박, 부이, 타워, 외해 플랫폼 등을 이용하여 각기 다른 고도에 풍향‧풍속계를 설치하여 측정하기 때문에 측정되는 고도는 다양하다(Smith 1988; Singh et al., 2013).
	각기 다른 고도에서 풍향‧풍속계를 이용해 관측한 결과 값은 어디에 활용되어지는가?	, 2013). 이렇게 관측된 평균 풍속은 국제적으로 해상 10 m 기준 고도의 풍속으로 변환시킨 후 기상예측모델의 예측바람 검증, 해양-대기 열수지 계산, 해양순환모델에서 바람응력(wind stress) 입력값 등 여러 방면에 활용된다(Pinson and Hagedorn, 2012; Smith and Dobson, 1984; Oey and Chen, 1992; Sīle et al., 2014).
	운용용으로 사용되는 풍속자료는 어떻게 측정or생성된 자료인가?	운용용으로 사용되는 대부분의 풍속자료는 10 m 기준 고도에서 측정 또는 생산된 자료이다. 이 연구는 이어도 해양과학기지 42.

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저자의 다른 논문 :

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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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