수치표고모델과 태양복사모델을 이용한 기상청 일사 관측소 관측환경 분석 An Analysis of Observational Environments for Solar Radiation Stations of Korea Meteorological Administration using the Digital Elevation Model and Solar Radiation Model원문보기
기상청 일사관측소 관측환경 분석을 위하여 수치표고모델(DEM)과 태양복사모델을 이용하여 주변지형에 의한 차폐와 하늘시계요소(SVF) 및 일사량을 산출하였다. 지형고도자료(10 m 해상도)를 통해 관측소를 중심으로 주변 25 km내의 지형들을 이용하여 스카이라인과 SVF를 계산하였다. 또한, 일사관측소별 산출된 천기도와 스카이라인을 중첩하여 지형에 의한 차폐를 분석하였다. 특히 인천 관측소는 주변지형의 차폐가 적었고 청송군과 추풍령 관측소는 주변 지형에 의한 차폐가 큰 관측소로 나타났다. 태양복사모델을 이용하여 동일 조건에서 지형 특성에 따른 일사량을 산출하여 지형에 의한 기여도를 분석하였다. 연누적 일사량 계산결과, 청송군 관측소의 경우 수평면 일사량과 비교하였을 때 직달일사량은 12.0% 이상 차폐되었고 산란일사량은 5.6% 그리고 전천일사량은 4.7% 감소하였다. 평균 일누적 일사량을 기준으로 편차를 분석하였을 때 0.3% 이상 전천일사량이 감소되는 지점은 6개 관측소였다. 42개 관측소 중 8소는 관측소의 이전 또는 관측장비의 이동설치가 시급한 것으로 분석되었고 1/2 이상(24소)의 관측소는 일사관측환경에 대한 검토가 필요한 것으로 분석되었다. DEM자료는 관측소 주변의 인공구조물과 식생 등이 포함되지 않기 때문에 더 상세한 관측환경분석이 요구된다.
기상청 일사관측소 관측환경 분석을 위하여 수치표고모델(DEM)과 태양복사모델을 이용하여 주변지형에 의한 차폐와 하늘시계요소(SVF) 및 일사량을 산출하였다. 지형고도자료(10 m 해상도)를 통해 관측소를 중심으로 주변 25 km내의 지형들을 이용하여 스카이라인과 SVF를 계산하였다. 또한, 일사관측소별 산출된 천기도와 스카이라인을 중첩하여 지형에 의한 차폐를 분석하였다. 특히 인천 관측소는 주변지형의 차폐가 적었고 청송군과 추풍령 관측소는 주변 지형에 의한 차폐가 큰 관측소로 나타났다. 태양복사모델을 이용하여 동일 조건에서 지형 특성에 따른 일사량을 산출하여 지형에 의한 기여도를 분석하였다. 연누적 일사량 계산결과, 청송군 관측소의 경우 수평면 일사량과 비교하였을 때 직달일사량은 12.0% 이상 차폐되었고 산란일사량은 5.6% 그리고 전천일사량은 4.7% 감소하였다. 평균 일누적 일사량을 기준으로 편차를 분석하였을 때 0.3% 이상 전천일사량이 감소되는 지점은 6개 관측소였다. 42개 관측소 중 8소는 관측소의 이전 또는 관측장비의 이동설치가 시급한 것으로 분석되었고 1/2 이상(24소)의 관측소는 일사관측환경에 대한 검토가 필요한 것으로 분석되었다. DEM자료는 관측소 주변의 인공구조물과 식생 등이 포함되지 않기 때문에 더 상세한 관측환경분석이 요구된다.
In order to analyze the observational environment of solar radiation stations operated by the Korea Meteorological Administration (KMA), we used the digital elevation model (DEM) and the solar radiation model to calculate a topographical shading, sky view factor (SVF) and solar radiation by surround...
In order to analyze the observational environment of solar radiation stations operated by the Korea Meteorological Administration (KMA), we used the digital elevation model (DEM) and the solar radiation model to calculate a topographical shading, sky view factor (SVF) and solar radiation by surrounding terrain. The sky line and SVF were calculated using high resolution DEM around 25 km of the solar stations. We analyzed the topographic effect by analyzing overlapped solar map with sky line. Particularly, Incheon station has low SVF whereas Cheongsong and Chupungryong station have high SVF. In order to validation the contribution of topographic effect, the solar radiation calculated using GWNU solar radiation model according to the sky line and SVF under the same meteorological conditions. As a result, direct, diffuse and global solar radiation were decreased by 12.0, 5.6, and 4.7% compared to plane surface on Cheongsong station. The 6 stations were decreased amount of mean daily solar radiation to the annual solar radiation. Among 42 stations, eight stations were analyzed as the urgent transfer stations or moving equipment quickly and more than half of stations (24) were required to review the observational environment. Since the DEM data do not include artifacts and vegetation around the station, the stations need a detail survey of observational environment.
In order to analyze the observational environment of solar radiation stations operated by the Korea Meteorological Administration (KMA), we used the digital elevation model (DEM) and the solar radiation model to calculate a topographical shading, sky view factor (SVF) and solar radiation by surrounding terrain. The sky line and SVF were calculated using high resolution DEM around 25 km of the solar stations. We analyzed the topographic effect by analyzing overlapped solar map with sky line. Particularly, Incheon station has low SVF whereas Cheongsong and Chupungryong station have high SVF. In order to validation the contribution of topographic effect, the solar radiation calculated using GWNU solar radiation model according to the sky line and SVF under the same meteorological conditions. As a result, direct, diffuse and global solar radiation were decreased by 12.0, 5.6, and 4.7% compared to plane surface on Cheongsong station. The 6 stations were decreased amount of mean daily solar radiation to the annual solar radiation. Among 42 stations, eight stations were analyzed as the urgent transfer stations or moving equipment quickly and more than half of stations (24) were required to review the observational environment. Since the DEM data do not include artifacts and vegetation around the station, the stations need a detail survey of observational environment.
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문제 정의
따라서 실제 육안으로 확인할 수 있는 산림과 주변 구조물의 차폐는 적용되지 않는다. 이 연구에서는 DEM자료를 이용하여 일사관측소 환경을 분석하고자 하였으며 이를 이용한 지형효과 결과와 복사모델을 이용하여 산출된 일사량을 비교하였다.
이 연구에서는 고해상도 DEM자료를 이용해 기상청에서 관측중인 42개 일사관측소에 대한 관측 환경 분석을 수행하였다. 일사관측소를 기준으로 25 km 반경내의 지형들을 분석하여 광학경로에 영향을 줄 수 있는 차폐물 및 SVF 등을 계산하였다.
이 연구에서는 기상청에서 운영중인 일사관측소에 대한 관측환경을 분석하였다. 일사관측소의 관측환경은 주변지형에 의한 태양복사의 차폐를 중심으로 분석하였으며 고해상도 DEM자료를 이용하여 산출된 sky line과 SVF를 이용하였다.
가설 설정
, 2017). 본 연구에서는 관측환경분석을 위해 1년동안 동일한 기상상태를 가정하였다. 사용된 입력자료들은 기온(288.
제안 방법
이러한 정성적인 결과를 기반으로 GWNU 복사모델을 이용하여 정량적인 분석을 시도하였다. 1년동안 동일한 기상 및 대기상태를 고려하여 일사관측소에서의 지형유무에 따른 요소별 일사량을 계산하였다. 상대적으로 차폐가 큰 청송군과 추풍령의 직달일사량은 일출과 일몰 시간 부근에서 확연한 감소가 나타났다.
DEM자료는 관측지점 고도를 기준으로 방위각별로 시선의 높이와 지형고도를 이용하여 최대 고도각을 산출하여 이를 연결하여 sky line을 설정하였다. 3차원 지형자료를 이용하여 산출된 sky line과 SVF는 천정을 중심으로 직교좌표로 산출되기 때문에 식 (1)과 (2)를 구면좌표계로 좌표변환하였다.
1) 그리고 구름(30%)으로 1분 간격으로 일사량을 산출하였다. 그리고 관측소별 DEM자료를 이용하여 산출된 sky line과 SVF를 적용하여 지형 및 인공구조물의 차폐효과를 적용하였다. 즉 계산과정에서 반복적으로 태양 방위각과 고도각을 계산하여 sky line보다 낮으면 직달일사량은 0 W m−2이 되고 SVF를 이용해 산란일사량의 감쇄효과를 계산하였다.
본 연구에서는 관측환경분석을 위해 1년동안 동일한 기상상태를 가정하였다. 사용된 입력자료들은 기온(288.15 K), 기압(1010.0 hPa), 오존전량(0.35 cm-atm), 가강수량(0.25 cm-atm), 에어로졸 광학두께(0.1) 그리고 구름(30%)으로 1분 간격으로 일사량을 산출하였다. 그리고 관측소별 DEM자료를 이용하여 산출된 sky line과 SVF를 적용하여 지형 및 인공구조물의 차폐효과를 적용하였다.
이러한 정성적인 결과를 기반으로 GWNU 복사모델을 이용하여 정량적인 분석을 시도하였다. 1년동안 동일한 기상 및 대기상태를 고려하여 일사관측소에서의 지형유무에 따른 요소별 일사량을 계산하였다.
일사관측소를 기준으로 25 km 반경내의 지형들을 분석하여 광학경로에 영향을 줄 수 있는 차폐물 및 SVF 등을 계산하였다. 이를 통해 일사관측소의 차폐 유무 및 차폐시 발생되는 오차 등을 정량적으로 분석하였다. 이러한 결과는 정확한 복사 관측 자료 활용 및 해석에 중요한 자료로 활용될 수 있다.
이 연구에서는 고해상도 DEM자료를 이용해 기상청에서 관측중인 42개 일사관측소에 대한 관측 환경 분석을 수행하였다. 일사관측소를 기준으로 25 km 반경내의 지형들을 분석하여 광학경로에 영향을 줄 수 있는 차폐물 및 SVF 등을 계산하였다. 이를 통해 일사관측소의 차폐 유무 및 차폐시 발생되는 오차 등을 정량적으로 분석하였다.
이 연구에서는 기상청에서 운영중인 일사관측소에 대한 관측환경을 분석하였다. 일사관측소의 관측환경은 주변지형에 의한 태양복사의 차폐를 중심으로 분석하였으며 고해상도 DEM자료를 이용하여 산출된 sky line과 SVF를 이용하였다. Sky line과 SVF는 관측소 일사관측장비의 고도를 기준으로 전방향의 sky line 고도각을 이용하여 산출된다.
즉 계산과정에서 반복적으로 태양 방위각과 고도각을 계산하여 sky line보다 낮으면 직달일사량은 0 W m−2이 되고 SVF를 이용해 산란일사량의 감쇄효과를 계산하였다.
Sky line은 관측소의 일사관측장비 위치를 기준으로 산출되었고 반경 25 km 이내의 지형고도를 방위각별(1° 간격)로 탐색하여 산출된다. 즉 일사계 설치 고도에 맞춰 수평면을 설정하고 이에 맞춰 전방향에 대한 sky line를 산출하였다. 그림에서 바깥쪽 원은 각 관측소의 수평면을 기준으로 all sky line이며 안쪽에 위치하는 선은 계산을 통해 산출된 sky line을 의미하고 원 내부의 숫자는 지점번호이다.
대상 데이터
관측소 환경분석을 위하여 사용된 수치표고자료는 환경부에서 제공되는 10 m 해상도의 자료(Jee and Choi, 2014; Yi et al., 2017)와 미국 National Aeronautics and Space Administration (NASA)에서 제공되는 Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)자료(Drãgut and Eisnak, 2012)를 이용하였다.
기상청은 1960년대 이후 농업기상 및 기후 변화연구를 위해 일사관측소를 운영하고 있으며 최근 42개소의 일사관측망으로 구성되었다. 일사관측소 환경분석을 위해 총 42개 관측소 위치를 기준으로 연구를 수행하였으며 관측소 정보는 Table 1과 같고 위치정보는 Fig. 1과 같다.
, 2017)와 미국 National Aeronautics and Space Administration (NASA)에서 제공되는 Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)자료(Drãgut and Eisnak, 2012)를 이용하였다. 지형고도와 더불어 주변환경을 분석하기 위하여 환경부에서 제공되는 10 m 해상도의 지표이용도자료를 이용하였다. Figure 2와 3은 각각 42개 일사관측소의 지형고도와 지표이용도를 나타낸 것이며 Table 1의 지점번호 순서대로 좌에서 우로 위에서 아래순으로 배치하였다.
이론/모형
2의 결과를 태양복사모델에 적용하면 정량적인 일사량 산출 및 분석이 가능하다. 지표면에 도달하는 일사량을 계산하기 위하여 Gangneung Wonju National University (GWNU) 단층 복사모델을 사용하였다. 이 모델은 대기를 단일기층으로 가정하여 빠르게 계산할 수 있는 복사모델로 관측소의 지리정보(위도, 경도, 고도), 태양 천정각, 기온, 기압, 지표면 알베도, 오존전량, 가강수량, 에어로졸 광학두께, 그리고 운량을 입력자료로 이용한다(Jee et al.
성능/효과
3% (1년 중 하루의 비율) 이상 전천일사량이 감소되는 지점은 6개 관측소였다. 42개 관측소 중 2/3의 관측소에서 지형차폐로 뚜렷한 감소가 나타났고 산란일사량의 경우 3/4의 관측소에서 주변 지형의 차폐가 나타났다. 또한 관측소 중 1/5은 이전 또는 관측장비의 이동설치가 요구되며 1/2 이상의 관측소는 일사관측환경에 대한 검토가 필요한 것으로 분석되었다.
1년동안 동일한 기상 및 대기상태를 고려하여 일사관측소에서의 지형유무에 따른 요소별 일사량을 계산하였다. 상대적으로 차폐가 큰 청송군과 추풍령의 직달일사량은 일출과 일몰 시간 부근에서 확연한 감소가 나타났다. 또한 SVF의 영향으로 산란 일사량의 차이는 5.
0%이하의 작은 양이지만 일년내내 나타난다. 월별 누적 일사량을 통하여 계절별 지형효과를 분석하였을 때 일사량의 크기 면에서는 여름철에 큰 감소가 나타났으나 퍼센트 편차 분석에서는 겨울철에 뚜렷한 감소가 나타났다. 즉 태양의 고도각이 낮아 상대적으로 지표면에 도달되는 일사량이 작기 때문에 지형에 의한 차폐가 크게 나타났다.
이상의 결과는 관측소 주변의 구조물이 제외된 DEM자료를 이용한 결과이며 실제 일사관측소에서는 관측타워, 전신주, 산림과 건물 등의 인공구조물과 수목에 의한 차폐가 나타날 수 있다. 그러나 DEM자료는 고해상도이긴 하나 자료 자체의 지리적 오차와 관측소 내의 일사관측장비의 고도에 대한 오차는 무시할 수 없다.
지형효과를 나타내는 월별 편차(지형고려-수평면)는 태양의 고도각이 낮은 겨울철을 중심으로 증가되는 경향이 나타났고 최대 및 최소 편차 관측소는 청송군(276)과 인천(112)으로 나타났다. 대체로 산악 또는 분지지형의 도시에 설치된 관측소에서 차폐가 나타났고 평균 일누적일사량(하루동안 지표면에 도달한 일사량의 합; 25.
편차는 일사량 성분별로 비슷한 경향을 보이며 청송군(276)의 경우 주변 지형에 의한 차폐가 가장 심하게 나타나고 있다. 직달일사량은 12.0% 이상 차폐되었고 산란일사량은 5.6% 그리고 전천일사량은 4.7% 감소하였다. 평균 일누적 일사량을 기준으로 0.
후속연구
대체로 산악 또는 분지지형의 도시에 설치된 관측소에서 차폐가 나타났고 평균 일누적일사량(하루동안 지표면에 도달한 일사량의 합; 25.0 MJ m−2)을 기준으로 편차비율을 분석하였을 때 0.3% 이상이 나타나는 관측소들은 실측을 통한 추가적인 분석이 요구된다.
그러나 DEM자료는 고해상도이긴 하나 자료 자체의 지리적 오차와 관측소 내의 일사관측장비의 고도에 대한 오차는 무시할 수 없다. 따라서 일사관측소에 대한 상세한 관측 환경조사와 실측을 통하여 검증될 필요가 있으며 환경조사 결과에 따라 관측환경의 개선이 필요한 것으로 분석된다. 또한 지속적인 주변환경의 변화를 감시하여 일사관측자료의 품질을 최상으로 유지한다면 다양한 연구 및 현업활용이 가능할 것으로 사료된다.
따라서 일사관측소에 대한 상세한 관측 환경조사와 실측을 통하여 검증될 필요가 있으며 환경조사 결과에 따라 관측환경의 개선이 필요한 것으로 분석된다. 또한 지속적인 주변환경의 변화를 감시하여 일사관측자료의 품질을 최상으로 유지한다면 다양한 연구 및 현업활용이 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일사관측소는 어떤 위치에 존재해야하는가?
일사관측소는 태양복사(일사)를 차단하거나 반사시킬 수 있는 구조물(건물 및 산림 등)이 없어야 하고 인공광원이 발생되지 않는 지점이어야 한다(WMO, 1986). 즉 일사계가 설치되는 장소는 설치장비 고도의 수평면을 기준으로 고도각 5o 이상의 광학경로(optical path)에 장애물이 없어야 한다(WMO, 2008).
관측소 위치정보로 산출할 수 있는 정보는?
관측소 위치정보를 통해 시간에 따른 천기도 (태양의 경로)를 산출할 수 있다. 천기도는 관측소 위치에서 일출과 일몰 시간 그리고 시간별 태양의 위치를 나타낼 수 있다.
일사관측소별 관측환경 분석의 어려움을 해결하기위해 Olson and Rupper은 무엇을 분석하엿는가?
, 2006). Olson and Rupper (2018)는 DEM 자료를 이용해 지형효과에 따른 직달일사량의 차폐 영향을 분석하였고, Aguilar et al. (2010)은 GIS 기반의 모델을 이용해 지형효과가 적용된 SVF (하늘시계요소, Sky View Factor) 계산을 통해 지표면에 도달하는 일사량을 모의하였다.
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