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문제 정의
- 이들 중 에너지수지타워는 2013년 중랑과 광화문지점 2곳으로 시작하여 현재는 서울, 수도권지역에 총 14개의 에너지수지타워를 구축하고 관측을 수행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 모든 에너지수지타워 관측자료가 수집된 2016년 7월 이후의 자료를 이용하여 서울 및 수도권지역의 기상과 복사특성을 분석하고자 한다. 분석방법으로는 일, 월 그리고 시간변화에 따른 특성을 시계열 및 박스플롯 분석을 수행하였고 최종적으로 공간분석을 통하여 관측지점의 관측환경에 따른 공간분포를 분석하였다.
- 본 연구에서는 차세대도시농림융합기상사업단의 에너지수지타워 관측자료를 이용하여 수도권 기상과 복사특성에 대하여 분석하였다. 서울 수도권에 위치한 총 14개 에너지수지타워 관측자료 중 2016년 7월부터 2017년 7월까지 13개월 동안의 기온, 풍속, 상대습도, 지표면 온도, 강수량, 단파 및 장파복사량 및 관측자료를 이용하여 산출한 알베도와 방출률을 분석하였다(기상요소는 14개지점, 복사에너지는 13개지점(광화문지점 제외)).
제안 방법
- 11은 관측 기간(2016년 7월부터 2017년 6월까지 1년간) 자료를 이용한 서울 및 수도권 지역 관측요소들과 알베도 및 방출률의 연 평균(누적) 공간 분포를 나타낸다. 경기도 북동쪽 부근의 관측자료가 부족하여 서울 및 경기도 남서쪽 부근 위주로 공간 분포 해석을 하였다. 서울 수도권 지역의 기온장 분포를 살펴보면, 서울을 중심으로 대부분의 지역이 경기도보다 높은 기온을 나타냈다.
- WISE 관측자료 중 2016년 7월부터 2017년 7월까지 13개월의 관측자료를 분석하였다. 관측된 기상 요소 및 복사수지 자료의 일반적인 일변화 경향을 파악하기 위하여 맑은 날과 강수가 있었던 날을 우선적으로 분석하였다. 대표적으로 구름 없이 맑은 날이었던 2017년 6월 18일과 강수 현상이 일어났던 2017년 6월 25일의 중랑 관측자료를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 에너지수지타워의 관측요소는 기온, 풍향, 풍속, 상대습도, 지표면 온도, 강수량, 상향, 하향 단파복사량과 장파복사량 그리고 순복사량 그리고 지표면 알베도와 방출률이다. 관측요소 중 단파, 장파복사 및 지표면 온도자료를 이용하여 알베도와 방출률을 산출하였다. 알베도는 하향단파복사량과 상향단파복사량을 이용하여 얻을 수 있다.
- 구름의 영향을 보기 위해 운고계 관측 자료를 추가로 분석하였다.
- 기상 관측자료와 알베도와 방출률을 포함한 복사수지 자료를 이용하여 시간, 일, 월 그리고 연평균 분석을 수행하였다. 먼저 도시지역인 중랑과 도시 주변지역인 부천지점의 시간, 일, 월 평균 등의 시계열분석과 박스플롯분석을 통하여 기상 및 복사특성을 분석하였다.
- 기상 관측자료와 알베도와 방출률을 포함한 복사수지 자료를 이용하여 시간, 일, 월 그리고 연평균 분석을 수행하였다. 먼저 도시지역인 중랑과 도시 주변지역인 부천지점의 시간, 일, 월 평균 등의 시계열분석과 박스플롯분석을 통하여 기상 및 복사특성을 분석하였다. 분석결과를 기반으로 연누적 또는 평균하여 관측환경에 따른 특성을 분석하였고 수도권지역의 변수별 공간분포를 분석하였다.
- 복사관측기기의 특성을 고려하여 태양의 고도가 10° 이상인 경우에 알베도를 산출하였다(Kipp & Zonen, 2014).
- 본 연구에 사용된 에너지수지타워의 관측요소는 기온, 풍향, 풍속, 상대습도, 지표면 온도, 강수량, 상향, 하향 단파복사량과 장파복사량 그리고 순복사량 그리고 지표면 알베도와 방출률이다. 관측요소 중 단파, 장파복사 및 지표면 온도자료를 이용하여 알베도와 방출률을 산출하였다.
- 먼저 도시지역인 중랑과 도시 주변지역인 부천지점의 시간, 일, 월 평균 등의 시계열분석과 박스플롯분석을 통하여 기상 및 복사특성을 분석하였다. 분석결과를 기반으로 연누적 또는 평균하여 관측환경에 따른 특성을 분석하였고 수도권지역의 변수별 공간분포를 분석하였다.
대상 데이터
- 14개 관측지점의 연 평균 기상 자료(연누적강수량)와 광화문지점을 제외한 13개 지점의 복사량 자료의 변화에 대하여 분석하였다(Fig. 8). 가좌지점(205)의 연 평균 관측기온(15.
- WISE 관측자료 중 2016년 7월부터 2017년 7월까지 13개월의 관측자료를 분석하였다. 관측된 기상 요소 및 복사수지 자료의 일반적인 일변화 경향을 파악하기 위하여 맑은 날과 강수가 있었던 날을 우선적으로 분석하였다.
- 관측지점의 주변 환경과 노면 상태가 기상변수와 복사량 변화에 미치는 영향을 살펴보기 위해 14개 지점 중 대표적으로 도시 지역에 설치된 중랑 에너지수지타워와 교외지역에 설치된 부천 에너지수지타워 자료를 분석하였다. Figure 5는 중랑 에너지수지타워와 부천 에너지수지타워의 관측자료 중 기온, 풍향, 풍속, 강수, 상대습도 자료의 월별 평균을 나타낸다.
- 분석방법으로는 일, 월 그리고 시간변화에 따른 특성을 시계열 및 박스플롯 분석을 수행하였고 최종적으로 공간분석을 통하여 관측지점의 관측환경에 따른 공간분포를 분석하였다. 논문은 총 4장으로 구성되었다. 서론에서는 연구배경과 필요성에 대하여 이미 서술하였고 2장에서는 관측 자료 및 분석 방법에 대하여 기술하였다.
- 관측된 기상 요소 및 복사수지 자료의 일반적인 일변화 경향을 파악하기 위하여 맑은 날과 강수가 있었던 날을 우선적으로 분석하였다. 대표적으로 구름 없이 맑은 날이었던 2017년 6월 18일과 강수 현상이 일어났던 2017년 6월 25일의 중랑 관측자료를 사용하였다. Figure 2는 중랑 에너지수지타워 관측자료 중 기온, 풍향, 풍속, 강수, 상대습도, 지표면 온도의 일변화를 나타낸다.
- 운고계관측고도는 15000 m이며, 공간해상도는 10 m, 시간해상도는 1분으로 연속 관측된 것이다(Choi and Park, 2014). 본 연구에서는 수도권지역의 기상 및 복사 특성을 분석하기 위해 2016년 7월부터 2017년 7월까지 13개월의 관측자료를 이용하였다.
- 본 연구에서는 차세대도시농림융합기상사업단의 에너지수지타워 관측자료를 이용하여 수도권 기상과 복사특성에 대하여 분석하였다. 서울 수도권에 위치한 총 14개 에너지수지타워 관측자료 중 2016년 7월부터 2017년 7월까지 13개월 동안의 기온, 풍속, 상대습도, 지표면 온도, 강수량, 단파 및 장파복사량 및 관측자료를 이용하여 산출한 알베도와 방출률을 분석하였다(기상요소는 14개지점, 복사에너지는 13개지점(광화문지점 제외)).
- , 2014). 추가적으로 구름에 의한 복사 차폐를 분석하기 위해 중랑지점에서 관측된 WISE 운고계 자료를 이용하였다. 운고계관측고도는 15000 m이며, 공간해상도는 10 m, 시간해상도는 1분으로 연속 관측된 것이다(Choi and Park, 2014).
데이터처리
- 따라서 본 연구에서는 모든 에너지수지타워 관측자료가 수집된 2016년 7월 이후의 자료를 이용하여 서울 및 수도권지역의 기상과 복사특성을 분석하고자 한다. 분석방법으로는 일, 월 그리고 시간변화에 따른 특성을 시계열 및 박스플롯 분석을 수행하였고 최종적으로 공간분석을 통하여 관측지점의 관측환경에 따른 공간분포를 분석하였다. 논문은 총 4장으로 구성되었다.
이론/모형
- 방출률은 흑체표면에서 방출되는 복사에너지는 절대온도의 4제곱에 비례한다는 스테판-볼츠만의 법칙(Stephan-Boltzmann’s low; Arya, 2001)을 이용하여 구할 수 있다(Liu and Padilla, 2016).
성능/효과
- 10은 고도에 따른 복사량을 나타낸다. 각 관측기기들은 고도가 높아짐에 따라 복사량이 증가하는 지점도 있으나 대체적으로 감소하는 경향을 보였다. 이 결과로 수도권 내에서의 관측지점들은 고도가 높아질수록 복사량이 감소하는 특징을 가지는 것을 알 수 있다.
- 상향장파복사량과 지표면온도를 이용하여 산출되는 방출률은 하향단파복사가 없는 야간에 높게 나타나며, 주간에는 감소하는 경향을 보인다. 각 관측요소의 연평균 시간별 변화추이는 앞서 서술했던 맑은 날에 대한 시간별 변화추이와 유사한 경향을 보였으나, 구름과 강수 또는 맑은 상태 등에 의하여 변화 폭과 평균을 벗어나는 오차들도 나타났다. 특히, 박스플롯의 분포가 특정한 경향을 나타내면서도 변화 폭이 넓게 나타나는 부분은 우리나라 일변화 또는 계절 변화가 큰 것으로 볼 수 있다.
- 관측 자료를 분석 한 결과, 인근 환경 및 노면 상태에 따라 각 지점의 관측 결과가 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다.
- 부천지점은 다소 높은 알베도가 나타났는데, 이는 앞에서 언급한 바와같이 관측지가 논과 밭으로 구성되어 있어 도심에 위치한 관측지점과 비교하여 방출률이 낮기 때문인 것으로 분석된다. 관측지점 분석 결과로 관측기기의 설치 인근 환경과 노면 상태에 따라 관측에 많은 영향을 주는 것으로 분석된다.
- 도시지역인 중랑지점과 교외지역인 부천지점에서의 월별 알베도와 방출률은 차이를 보였다. 도시지역인 중랑지점의 알베도는 계절에 따른 변화가 크게 나타나지 않았으며, 방출률은 여름에 감소하고 겨울에 증가하는 경향을 나타냈다. 부천지점은 관측지점 주변이 논과 밭으로 상향장파복사량이 중랑지점보다 항상 작게 관측되었다.
- 그 중 부천지점에서는 다소 높은 방출률이 나타났는데, 이는 관측지 주변이 논과 밭으로 구성되어 있어 도심의 관측지점보다 지표면 온도가 상대적으로 낮게 관측되었기 때문이다. 도심지일수록 알베도는 감소하고, 방출률은 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 또한, 우리나라는 북반구 중 위도에 위치하여 서울 지역 순 복사량이 100 W m−2이하로 에너지가 대기 중에 흡수된 것으로 볼 수 있다.
- 중랑 에너지수지타워에서 관측된 복사수지를 이용하여 계산된 알베도는 도시지역의 알베도 일변화 경향을 적절하게 나타낸 것으로 보인다. 방출률은 장파복사만 일어나는 야간 시간에 높게 나타나며, 높은 단파복사량이 존재하는 낮 시간 동안에는 감소하는 경향을 보였다. 흐리고 강수가 있었던 25일에는 강수현상이 일어났던 시간대에 하향단파복사, 순 단파복사, 순복사량이 0Wm−2으로 감소하였다(Fig.
- 방출률은 부천지점이 대체로 중랑지점보다 높게 나타났는데, 이는 중랑지점보다 지표면 온도가 낮게 관측되었기 때문이다. 부천지점이 중랑지점보다 상향장파복사량은 상대적으로 낮았으나 부천지점 관측지의 영향으로 지표면 온도가 낮게 관측되었고, 이러한 이유로 부천지점의 방출률이 상대적으로 높게 나타났다.
- 특히, 지표면에서의 방출이 증가하면서 대기 중의 흡수가 커지는 현상은 도심지인 서울지역에서 뚜렷하게 나타났다. 알베도와 방출률은 지역별로 큰 차이를 보이지는 않았으나 서울 대부분 지역의 알베도 분포는 경기도보다 낮게 나타났으며, 방출률은 경기도보다 높게 나타났다. 앞서 분석한 결과와 마찬가지로 도심지일수록 알베도는 감소하고, 방출률은 증가하는 경향을 보였다.
- 알베도와 방출률은 지역별로 큰 차이를 보이지는 않았으나 서울 대부분 지역의 알베도 분포는 경기도보다 낮게 나타났으며, 방출률은 경기도보다 높게 나타났다. 앞서 분석한 결과와 마찬가지로 도심지일수록 알베도는 감소하고, 방출률은 증가하는 경향을 보였다.
- 서울 지역의 상대습도는 서해와 인접한 서쪽 부근에 비하여 낮은 상대습도를 나타내며, 서울 도심의 건조한 환경을 보여준다. 연 누적 하향단파복사량은 지역별로 큰 차이를 보이지는 않았으나, 노원과 중랑지점이 위치한 서울 북동지역에서 감소하는 분포를 보였다. 노원과 중랑지점은 기둥과 전신주 차폐의 영향을 받은 것으로 보인다.
- 부천지점은 관측지점 주변이 논과 밭으로 상향장파복사량이 중랑지점보다 항상 작게 관측되었다. 자연적인 지표 상태는 태양복사에너지를 효과적으로 반사하여 대부분 중랑지점보다 알베도가 높게 나타났다. 방출률은 부천지점이 대체로 중랑지점보다 높게 나타났는데, 이는 중랑지점보다 지표면 온도가 낮게 관측되었기 때문이다.
- 중랑지점에서는 하향단파복사량이 가장 낮았으나, 평균 지표면 온도가 19.52°C로 최대 값을 기록하였으며 하향 및 상향 장파복사량 또한 가장 높게 나타났다.
- 기온과 지표면 온도는 유사한 분포를 보이나 안양지역 부근의 지표면 온도가 높게 나타났다. 풍속은 서울 중심 부근에서 비교적 높게 나타났으며, 서울을 벗어난 경기도는 낮은 풍속이 분포되었다. 서울도심을 중심으로 상승한 높은 기온은 도시 내 대류를 더 활발하게 일으키고, 건물 사이로 강하게 발생하는 빌딩풍 등의 영향으로 서울 중심 풍속이 다소 높게 나타난 것으로 분석된다(Lee and Kim, 2011).
- 지표면 온도는 기온보다 태양에너지에 더욱 민감하게 반응하였다. 풍속은 야간에는 감소하고 주간에는 상승하는 경향을 보이며, 상대습도는 야간에 증가하고 주간에 감소하는 경향을 나타냈다. 순 단파복사와 순장파복사의 차이를 나타내는 순 복사량은 하향단파복사량과 동일하게 주간에만 상승하는 경향을 나타내며, 야간에는 음의 값을 가진다.
후속연구
- 관측 자료를 분석 한 결과, 인근 환경 및 노면 상태에 따라 각 지점의 관측 결과가 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다. 관측 자료를 이용하여 산출된 알베도와 방출률은 지역의 기상 특성을 분석할 때, 용이한 자료로 활용 가능 할 것이다. 향후, 관측자료 및 산출된 알베도, 방출률은 상세한 도시 기상 특성 분석 또는 도시 열환경 평가 연구 등에 중요한 척도로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
- , 2011b). 이를 위해, 도시 및 교외 지역을 대상으로 한 복사에너지 관측수행과 관측 자료에 대한 연구가 필요하다. 실제로 지역 관측 특성 분석을 위해 집중 관측 등이 수행되고 연구가 진행되어 왔다(Jee et al.
- 관측 자료를 이용하여 산출된 알베도와 방출률은 지역의 기상 특성을 분석할 때, 용이한 자료로 활용 가능 할 것이다. 향후, 관측자료 및 산출된 알베도, 방출률은 상세한 도시 기상 특성 분석 또는 도시 열환경 평가 연구 등에 중요한 척도로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
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