강릉원주대학교 복사-위성연구소에서 실외 비교관측을 통한 전천일사계 교정 Calibration of Pyranometer with Solar Radiation Intercomparison Observation at Research Institute for Radiation-Satellite, Gangneung-Wonju National University원문보기
전세계적으로 일사계 비교관측 기술은 급격히 발전하고 있지만 국내의 경우 일사 비교관측 표준지침을 준비하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 국내 기상 및 지리적 환경을 고려하여 전천일사계의 비교관측 절차를 정립하였다. 2017년 아시아 지역 복사센터에서는 국가표준 일사계들의 비교관측을 통해 일사계 보정이 이루어졌다. 이때 검교정된 기상청 기준기를 이용하여 기상청의 부기준기들과 강릉원주대의 전천일사계의 비교관측 및 검교정이 수행되었다. 비교관측 및 검교정은 2018년 10월 24일부터 10월 25일(2일)까지 수행되었으며 비교관측자료를 분석하여 오차분석 및 검교정을 수행하였다. 보정전 비교관측에 따르면, 전천일사계 부기준기들(B-J)은 기상청 전천일사계 기준기(A)를 기준으로 ${\pm}12.0W\;m^{-2}$2 이하의 편차가 나타났고 B와 I 전천일사계는 ${\pm}4.0W\;m^{-2}$ 미만의 작은 편차를 보였다. 태양 복사량이 $450W\;m^{-2}$ 이상인 자료들을 이용하여 감도정수의 보정값을 계산하였다. B와 I 일사계(오차 ${\pm}0.5W\;m^{-2}$ 이하)를 제외한 일사계들(오차 ${\pm}5W\;m^{-2}$ 이상)은 $0.08-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$ 감도정수 변경이 적용되었다. C 일사계는 감도정수의 변화가 가장 컸으며 감도정수는 $-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$으로 보정하였다. 비교관측에 참가한 9종의 기준기 및 부기준기들의 최종 관측오차는 $0.06W\;m^{-2}$ (0.08%) 이하였으며 허용범위인 ${\pm}1.00%$ (${\pm}4.50W\;m^{-2}$)로 검교정되었다.
전세계적으로 일사계 비교관측 기술은 급격히 발전하고 있지만 국내의 경우 일사 비교관측 표준지침을 준비하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 국내 기상 및 지리적 환경을 고려하여 전천일사계의 비교관측 절차를 정립하였다. 2017년 아시아 지역 복사센터에서는 국가표준 일사계들의 비교관측을 통해 일사계 보정이 이루어졌다. 이때 검교정된 기상청 기준기를 이용하여 기상청의 부기준기들과 강릉원주대의 전천일사계의 비교관측 및 검교정이 수행되었다. 비교관측 및 검교정은 2018년 10월 24일부터 10월 25일(2일)까지 수행되었으며 비교관측자료를 분석하여 오차분석 및 검교정을 수행하였다. 보정전 비교관측에 따르면, 전천일사계 부기준기들(B-J)은 기상청 전천일사계 기준기(A)를 기준으로 ${\pm}12.0W\;m^{-2}$2 이하의 편차가 나타났고 B와 I 전천일사계는 ${\pm}4.0W\;m^{-2}$ 미만의 작은 편차를 보였다. 태양 복사량이 $450W\;m^{-2}$ 이상인 자료들을 이용하여 감도정수의 보정값을 계산하였다. B와 I 일사계(오차 ${\pm}0.5W\;m^{-2}$ 이하)를 제외한 일사계들(오차 ${\pm}5W\;m^{-2}$ 이상)은 $0.08-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$ 감도정수 변경이 적용되었다. C 일사계는 감도정수의 변화가 가장 컸으며 감도정수는 $-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$으로 보정하였다. 비교관측에 참가한 9종의 기준기 및 부기준기들의 최종 관측오차는 $0.06W\;m^{-2}$ (0.08%) 이하였으며 허용범위인 ${\pm}1.00%$ (${\pm}4.50W\;m^{-2}$)로 검교정되었다.
Although the technology for the observation of solar radiation is rapidly developing worldwide, in Korea the guidelines for comparing observations of solar radiation are only now under preparation. In this study, a procedure for intercomparison observations of solar radiation was established which a...
Although the technology for the observation of solar radiation is rapidly developing worldwide, in Korea the guidelines for comparing observations of solar radiation are only now under preparation. In this study, a procedure for intercomparison observations of solar radiation was established which accounts for meteorological and geographical conditions. The intercomparisons among observations by national reference pyranometers were carried out at the Asia Regional Radiation Center, Japan, in 2017. Recently, the result of the calibration of the reference pyranometer of the Korean Meteorological Administration (KMA) has been reported. Using the KMA pyranometer as a reference, comparisons between observations and calibrations were carried out for the standard (B to J) pyranometers of the KMA, and for the reference (A) and the standard pyranometers of the Gangneung-Wonju National University. The intercomparisons were carried out between October 24 and October 25, 2018. The sensitivity constants were adjusted according to the results of the data analysis performed on October 24. On October 25, a post-comparison observation was also performed, and the data of the participating pyranometers were verified. The sensitivity constants were calculated using only data corresponding to a solar radiation of $450.0W\;m^{-2}$ or higher. The B and I pyranometers exhibited a small error (${\pm}0.50W\;m^{-2}$), and the applied sensitivity constants were in the range $0.08-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$. For the C pyranometer, the adjustment of the sensitivity constant was the largest, i.e., $-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$. As a result, the nine candidate pyranometers could be calibrated with an average error of $0.06W\;m^{-2}$ (0.08%) with respect to the KMA reference, which falls within the allowed tolerance of ${\pm}1.00%$ (or ${\pm}4.50W\;m^{-2}$).
Although the technology for the observation of solar radiation is rapidly developing worldwide, in Korea the guidelines for comparing observations of solar radiation are only now under preparation. In this study, a procedure for intercomparison observations of solar radiation was established which accounts for meteorological and geographical conditions. The intercomparisons among observations by national reference pyranometers were carried out at the Asia Regional Radiation Center, Japan, in 2017. Recently, the result of the calibration of the reference pyranometer of the Korean Meteorological Administration (KMA) has been reported. Using the KMA pyranometer as a reference, comparisons between observations and calibrations were carried out for the standard (B to J) pyranometers of the KMA, and for the reference (A) and the standard pyranometers of the Gangneung-Wonju National University. The intercomparisons were carried out between October 24 and October 25, 2018. The sensitivity constants were adjusted according to the results of the data analysis performed on October 24. On October 25, a post-comparison observation was also performed, and the data of the participating pyranometers were verified. The sensitivity constants were calculated using only data corresponding to a solar radiation of $450.0W\;m^{-2}$ or higher. The B and I pyranometers exhibited a small error (${\pm}0.50W\;m^{-2}$), and the applied sensitivity constants were in the range $0.08-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$. For the C pyranometer, the adjustment of the sensitivity constant was the largest, i.e., $-0.16{\mu}V(W\;m^{-2})^{-1}$. As a result, the nine candidate pyranometers could be calibrated with an average error of $0.06W\;m^{-2}$ (0.08%) with respect to the KMA reference, which falls within the allowed tolerance of ${\pm}1.00%$ (or ${\pm}4.50W\;m^{-2}$).
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문제 정의
이 보고서의 결과를 토대로 2018년 10월 강릉원주대학교 복사-위성연구소에서 기상청부기준 전천일사계 검교정을 위한 비교관측이 수행되었다. 따라서 본 연구에서는 강릉원주대학교에서 수행된 전천일사계 비교관측 및 검교정에 대하여 소개하고 실제 활용되고 있는 전천일사계에 대한 비교관측 분석결과와 검교정 결과에 대하여 논하고자 한다. 비교관측은 교정 전과 후 관측으로 수행하였다.
교정 전 비교관측자료를 이용하여 검교정이 수행되었으며 이를 토대로 전천일사계의 감도정수(sensitivity constant; 일사계별 고유의 감도로 관측된 미세전류값과 계산되어 일사량을 산출하는데 사용)를 변경 후 결과를 분석하였다. 또한 이를 통하여 자료 및 품질 관리 그리고 검교정의 중요성에 논하였다.
본 논문은 전천일사계의 검교정을 위한 비교관측 수행과 검교정 과정을 논하였다. 비교관측 결과를 통하여 일부 일사계의 특징과 운영에 필요한 요건들을 포함하였고 검교정 방법에 대하여 자세히 기술하였다.
제안 방법
10월 24일 일사계 설치와 자료수집 프로그램 설정 과정을 거쳐 0900 LST부터 비교관측을 수행하였고 1분 평균 자료를 수집하였다.
검교정을 위한 비교관측은 2018년 10월 24일과 25일(2일) 수행되었다. 2018년 10월 24일은 사전 비교 관측을 수행하였고 민감도 변화를 분석하여 감도정수 를 변경하였다. 2018년 10월 25일은 감도정수를 변경하여 비교관측을 분석하여 교정의 타당성 및 신뢰성을 확인하였다.
2018년 10월 25일은 감도정수를 변경하여 비교관측을 분석하여 교정의 타당성 및 신뢰성을 확인하였다.
WRC에서 교정된 지역복사센터(RRC, Regional Radiation Center) 장비들을 이용해 지역 직달일사 비교관측(RPC, Regional Pyrheliometer Comparison)이 수행된다. 아시아는 1989년 일본에서 처음 RPC가 열렸고(WMO, 1989) 2009년부터 5년마다 RPC가 수행되고 있으며 이때 전천일사계 비교관측도 함께 이루어진다(WMO, 2009).
2와 같이 배치하여 비교관측을 수행하였다. 각각의 관측 기기들은 서로간에 차폐, 반사 등의 영향을 받지 않도록 30 cm 이상의 거리를 두어 설치하였다. 또한 동일한 평면 위에 수평을 각각 유지하도록 설치하였으며 동일한 자료수집장치(data logger)에 구성하였다.
2절 참조). 검교정 과정은 2.3.2절의 감도정수에 대한 검사를 수행하고 계산된 감도정수는 부기준 전천일사계에 적용하여 비교관측을 수행한다. 비교관측된 자료는 오차분석을 수행하여 교정된 감도 정수가 타당한지 검사한다.
직달일사계의 경우 900 W m−2를 기준으로 진행되나(WMO, 2017) 전천일사계의 경우는 기준값이 존재하지 않아 본 연구에서는 자료 확보와 비교관측 시기를 고려하여 설정값 이상의 자료만을 이용하여 검교정을 수행하였다. 검교정 과정은 2.3.2절의 과정을 통하여 기준 전천일 사계와 비교관측기기 사이의 편차를 계산하여 최종적인 감도정수의 교정을 수행하였다. 검교정을 위하여 사 용된 자료 수는 321개였고 최대 편차는 ±10.
비교관측은 교정 전과 후 관측으로 수행하였다. 교정 전 비교관측자료를 이용하여 검교정이 수행되었으며 이를 토대로 전천일사계의 감도정수(sensitivity constant; 일사계별 고유의 감도로 관측된 미세전류값과 계산되어 일사량을 산출하는데 사용)를 변경 후 결과를 분석하였다. 또한 이를 통하여 자료 및 품질 관리 그리고 검교정의 중요성에 논하였다.
2017년 기상청 및 강릉원주대학교 기준 전천일사계는 일본 지역복사센서에서 수행된 태양복사기기 비교관측 및 검교정 프로그램에 참석하여 교정되었고 최근 보고서가 발간되었다(WMO, 2018). 기상청 기준 전천일사계의 교정결과에 따라 기상청에서 보유중인 부기준 전천일사계들의 검교정을 위하여 비교관측 및 교정을 실시하였다. 강릉원주대학교 복사-위성연구소에서는 기상청 기준 전천일사계를 이용하여 10 종 기기(기상청 부기준 전천일사계와 강릉원주대학교 기준 및 부기준 전천일사계)의 실외 비교관측을 수행 하였고 관측결과를 통하여 감도정수를 교정하였다.
각각의 관측 기기들은 서로간에 차폐, 반사 등의 영향을 받지 않도록 30 cm 이상의 거리를 두어 설치하였다. 또한 동일한 평면 위에 수평을 각각 유지하도록 설치하였으며 동일한 자료수집장치(data logger)에 구성하였다. 비교관측에 참여한 전천일사계에 대한 내용과 상세한 제원은 2.
전천일사계를 기준 직달일사계를 통해 검교정하는 방법은 경통을 이용하는 방법(ISO, 1993)과 직달일사량과 산란일사량을 이용하는 방법 (WMO, 2013a))으로 구분된다. 본 연구에서는 Fig. 6 과 같이 전천일사계를 경통에 연결하여 직달일사계화하여 기준 직달일사계와의 비교관측을 통해 검교정되었다. 총 7종의 지역복사센터 기준 직달일사계의 평균을 기준값으로 정하고 동일한 시간에 관측된 기상청 기준 전천일사계의 일사량과 비교 분석하였다.
본 논문은 전천일사계의 검교정을 위한 비교관측 수행과 검교정 과정을 논하였다. 비교관측 결과를 통하여 일부 일사계의 특징과 운영에 필요한 요건들을 포함하였고 검교정 방법에 대하여 자세히 기술하였다. 검교정된 기상청 부기준기는 40여개소에 설치되어 운영 중인 기상청 전천일사계들의 검교정에 활용된다.
비교관측 자료 중 검교정을 위해서는 일정 수준 이상의 태양복사량을 이용하여 수행한다. 직달일사계의 경우 900 W m−2를 기준으로 진행되나(WMO, 2017) 전천일사계의 경우는 기준값이 존재하지 않아 본 연구에서는 자료 확보와 비교관측 시기를 고려하여 설정값 이상의 자료만을 이용하여 검교정을 수행하였다.
2절의 감도정수에 대한 검사를 수행하고 계산된 감도정수는 부기준 전천일사계에 적용하여 비교관측을 수행한다. 비교관측된 자료는 오차분석을 수행하여 교정된 감도 정수가 타당한지 검사한다. 오차계산은 기준 전천일사계와 비교하여 ±1.
따라서 본 연구에서는 강릉원주대학교에서 수행된 전천일사계 비교관측 및 검교정에 대하여 소개하고 실제 활용되고 있는 전천일사계에 대한 비교관측 분석결과와 검교정 결과에 대하여 논하고자 한다. 비교관측은 교정 전과 후 관측으로 수행하였다. 교정 전 비교관측자료를 이용하여 검교정이 수행되었으며 이를 토대로 전천일사계의 감도정수(sensitivity constant; 일사계별 고유의 감도로 관측된 미세전류값과 계산되어 일사량을 산출하는데 사용)를 변경 후 결과를 분석하였다.
비교관측을 위하여 강릉원주대학교 복사-위성연구소 복사관측소에 설치된 패널 위에 기상청 기준 전천일사계, 강릉원주대학교 기준 전천일사계, 기상청 부기준 전천일사계 등 10종의 전천일사계를 Fig. 2와 같이 배치하여 비교관측을 수행하였다. 각각의 관측 기기들은 서로간에 차폐, 반사 등의 영향을 받지 않도록 30 cm 이상의 거리를 두어 설치하였다.
비교관측자료의 비교를 위하여 교정 전과 후 그리고 설정값(450 W m−2 )을 기준으로 오차를 나타내었고 크기에 따른 가중치를 없애기 위하여 기준 전천일사계 관측값으로 정규화된 오차도 같이 정리하였다.
이 중 주변 산악과 건물 그리고 광학경로 길이에 따른 문제를 제거할 수 있도록 관측자료 중 450 W m−2 을 설정값으로 정하여 이 이상의 자료만을 검교정에 이용하였다. 이후 검교정된 전천일사계를 이용하여 다음날 맑은 기상상태에서 비교관측을 수행하였다. 교정 전과 후의 전천일사계 관측결과는 기준 전천일사계 관측결과의 시계열과 편차를 분석하였고 평균 편차(bias)를 의미하는 오차를 계산하여 비교분석하였다.
전천일사계는 일출 전 설치하여 수평을 맞추고 유리돔을 세척하여 깨끗한 환경에서 관측을 수행하였다. 자료는 1분 평균(1초 샘플링 60개 자료 평균) 자료를 수집하였고 일사관측 자료에 대한 품질관리를 수행하였다(Long and Dutton, 2002). 맑은 날 일사 관측자료는 일출 이후 정오까지 증가하다 감소하여 일몰 이후 0Wm−2 가 된다.
2절 참조). 전천일사계는 일출 전 설치하여 수평을 맞추고 유리돔을 세척하여 깨끗한 환경에서 관측을 수행하였다. 자료는 1분 평균(1초 샘플링 60개 자료 평균) 자료를 수집하였고 일사관측 자료에 대한 품질관리를 수행하였다(Long and Dutton, 2002).
아시아는 1989년 일본에서 처음 RPC가 열렸고(WMO, 1989) 2009년부터 5년마다 RPC가 수행되고 있으며 이때 전천일사계 비교관측도 함께 이루어진다(WMO, 2009). 전천일사계를 직달일사계로 비교관측하기 위해 경통을 이용해 전천일사계를 직달화하였으며(WMO, 2013b)) 이를 맑은 기상상태에서 관측된 7종의 절대복사계 평균값으로 검교정하였다. 기상청에서는 2015년 처음으로 IPC에 참여하여 국내 기준 직달일사계(AHF, Automatic Hickey-Frieden; Zerlaut, 1989) 비교관측을 수행하였다.
전천일사계의 감도정수 변경은 비교관측을 통하여 평균 오차(±0.2% = ±0.9 W m−2 )을 기준으로 기준값 이상으로 오차가 발생되는 장비들의 감도정수를 변경하였다.
직달일사계의 경우 900 W m−2를 기준으로 진행되나(WMO, 2017) 전천일사계의 경우는 기준값이 존재하지 않아 본 연구에서는 자료 확보와 비교관측 시기를 고려하여 설정값 이상의 자료만을 이용하여 검교정을 수행하였다.
총 7종의 지역복사센터 기준 직달일사계의 평균을 기준값으로 정하고 동일한 시간에 관측된 기상청 기준 전천일사계의 일사량과 비교 분석하였다.
대체로 일사계의 수감부의 민감도가 감소되기 때문에 감도정수는 음의 값으로 교정하였으나 G와 H 및 I 일사계는 감도정수를 증가시켜주어야 하는 결과가 나타났다. 특히, G와 H 일사계는 기상청 예비 장비로 이번 비교관측을 통해 감도정수를 증가시켰다.
대상 데이터
비교관측 결과를 통하여 일부 일사계의 특징과 운영에 필요한 요건들을 포함하였고 검교정 방법에 대하여 자세히 기술하였다. 검교정된 기상청 부기준기는 40여개소에 설치되어 운영 중인 기상청 전천일사계들의 검교정에 활용된다. BSRN 관측소를 비롯하여 미국의 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 등은 1년마다 복사계 비교관측을 진행한다.
검교정을 위하여 사 용된 자료 수는 321개였고 최대 편차는 ±10.0 W m−2 이하였다.
기상청에서는 2015년 처음으로 IPC에 참여하여 국내 기준 직달일사계(AHF, Automatic Hickey-Frieden; Zerlaut, 1989) 비교관측을 수행하였다. 그리고 2017년 일본 츠쿠바에서 열린 RPC에 기상청과 강릉원주대학교 기준기도 참여하여 직달일사계 및 전천일사계 비교관측을 수행하였다(WMO, 2018).
10월 24일 일사계 설치와 자료수집 프로그램 설정 과정을 거쳐 0900 LST부터 비교관측을 수행하였고 1분 평균 자료를 수집하였다. 기상상태는 AOD가 0.137이하였고 하루 종일 구름 없는 맑은 상태였다. 비교관측된 결과는 0900 LST부터 1530 LST까지 자료를 이용하여 분석을 수행하였다.
부기준 전천일사계(Standard Pyranometer): 본 연구의 비교관측에 포함되는 장비들은 기상청 및 강릉원주대학교 기준 전천일사계와 부기준 전천일사계들이다.
비교관측기간: 일사계 비교관측을 위한 기간은 ISO9060 (1990) 비교관측 기준에 의거하여 맑은 기상상태로 선정하였다. 비교관측 기간은 2018년 10월 24일과 25일이며 AOD가 0.137 이하였고 구름이 없는 청명한 맑은 날이 10월 25일 1400 LST까지 유지되다가 약한 권운 계열의 구름이 유입되기 시작했다. Figure 3은 복사-위성연구소에서 관측된 기상상태의 시계열이다.
비교관측 자료는 품질검사를 수행하고 설정값(450 W m−2 ) 이상의 태양 복사량의 자료만을 이용한다.
137이하였고 하루 종일 구름 없는 맑은 상태였다. 비교관측된 결과는 0900 LST부터 1530 LST까지 자료를 이용하여 분석을 수행하였다. Figure 8은 비교 관측한 일사계들의 태양 복사량 및 기상청 기준 전천일사계와 각각의 전천일사계 사이의 편차 시계열을 나타내었다.
비교관측은 ISO9060 (1990) 및 기상 관측 자료를 통해 맑은 기간만으로 선정하였다(2.1.2절 참조). 전천일사계는 일출 전 설치하여 수평을 맞추고 유리돔을 세척하여 깨끗한 환경에서 관측을 수행하였다.
비교 관측 중 전천일사계의 수평 확인 및 관측환경 정비 과정 중에 차폐 등으로 인한 오차가 큰 자료는 품질 관리를 적용하여 제거하였다. 오차가 큰 자료에 대하여 전체적으로 동일한 시간의 자료를 제거하였으며 제거된 자료의 수는 91개였다. 비교관측자료의 비교를 위하여 교정 전과 후 그리고 설정값(450 W m−2 )을 기준으로 오차를 나타내었고 크기에 따른 가중치를 없애기 위하여 기준 전천일사계 관측값으로 정규화된 오차도 같이 정리하였다.
2017년 RRC 비교관측 결과는 최근 WMO 보고서를 통하여 보고되었다. 이 보고서의 결과를 토대로 2018년 10월 강릉원주대학교 복사-위성연구소에서 기상청부기준 전천일사계 검교정을 위한 비교관측이 수행되었다. 따라서 본 연구에서는 강릉원주대학교에서 수행된 전천일사계 비교관측 및 검교정에 대하여 소개하고 실제 활용되고 있는 전천일사계에 대한 비교관측 분석결과와 검교정 결과에 대하여 논하고자 한다.
이 중 주변 산악과 건물 그리고 광학경로 길이에 따른 문제를 제거할 수 있도록 관측자료 중 450 W m−2 을 설정값으로 정하여 이 이상의 자료만을 검교정에 이용하였다.
5와 같으며 2012년 제 3차 지역복사센터 비교관측에서 처음 검교정된 후 현재까지 기준기로 사용되고 있다(WMO, 2013b)). 제 4차 지역복사센터 비교관측은 2017년 1월 23일부터 2월 3일까지 총 11일 동안 일본 츠쿠바에서 이루어졌으며 맑은 기상상태에서 관측된 7종의 지역복사센터 기준 장비들과의 비교관측을 통해 검교정되었다 (WMO, 2018). 전천일사계를 기준 직달일사계를 통해 검교정하는 방법은 경통을 이용하는 방법(ISO, 1993)과 직달일사량과 산란일사량을 이용하는 방법 (WMO, 2013a))으로 구분된다.
데이터처리
이후 검교정된 전천일사계를 이용하여 다음날 맑은 기상상태에서 비교관측을 수행하였다. 교정 전과 후의 전천일사계 관측결과는 기준 전천일사계 관측결과의 시계열과 편차를 분석하였고 평균 편차(bias)를 의미하는 오차를 계산하여 비교분석하였다. 비교관측된 자료의 오차 (error, e, 단위:Wm−2 )는 식 (1)과 같이 계산하였다.
이론/모형
비교관측기간: 일사계 비교관측을 위한 기간은 ISO9060 (1990) 비교관측 기준에 의거하여 맑은 기상상태로 선정하였다. 비교관측 기간은 2018년 10월 24일과 25일이며 AOD가 0.
9 W m−2 )을 기준으로 기준값 이상으로 오차가 발생되는 장비들의 감도정수를 변경하였다. 여기서 평균 오차는 맑은 날 정밀한 일사계들 사이에서 발생될 수 있는 관측량 차이를 의미하며 ISO9060 (1990)을 기준으로 선정하였다.
성능/효과
2.2절의 전천일사계의 수감부에서 관측되는 전기출력(Vsolar, 단위: µV)은 전천일사계의 제작사에서 제작 후 표준광원을 이용하여 설정된 감도정수(S, 단위: µV (W m−2 ) −1 )를 이용하여 전천태양복사량(Esolar, 단위:Wm−2 )로 변환된다.
I 일사계를 제외한 대부분의 편차에서 오전에 양의 편차가 나타나고 오후에 음의 편차가 나타나고 있고 F 일사계를 제외하고는 최대 편차는 ±4.0 W m−2 이하로 보정 전 ±12.0 W m−2 이하였던 것과 비교하여 정확도가 향상되었다.
교정결과에 의하면 비교 관측에 참여한 개별 전천일사계의 오차들은 허용 범위 내에 모두 포함되었고 9개 전천일사계의 평균 오차는 0.06 W m−2 (0.08%)로 검교정되었다.
55 W m−2 로 약 1/20로 감소하였다. 기상상태로 인하여 비교적 오차가 작았던 B와 I 일사계의 경우는 오차가 다소 상승되었고 오차가 가장 컸던 C 일사계의 경우 오차가 가장 뚜렷하게 감소되었다. 비교관측에 참여한 9개 기상청 부기준 전천일사계와 강릉원주대학교 전천일사계의 오차는 0.
16 µV (W m−2 ) −1 로 교정하였다. 대체로 일사계의 수감부의 민감도가 감소되기 때문에 감도정수는 음의 값으로 교정하였으나 G와 H 및 I 일사계는 감도정수를 증가시켜주어야 하는 결과가 나타났다. 특히, G와 H 일사계는 기상청 예비 장비로 이번 비교관측을 통해 감도정수를 증가시켰다.
0 W m−2 미만의 편차를 보였으며 기존 검교정 이 후 관측기기의 감도변화가 적은 것으로 분석된다. 또한 F 일사계를 제외한 모든 일사계들의 시간에 따른 편차가 유사한 경향을 보였고 편차의 시계열들이 0 선을 기준으로 상승 또는 하강되어 있어 검교정을 하였을 때 기준 전천일사계와 편차는 급격히 감소할 것으로 분석된다. 특히, C와 G 일사계의 편차가 0선을 기준으로 멀리 떨어져 있기 때문에 감도정수의 교정수치가 클 것으로 분석된다.
대체로 시간이 지남에 따라 수감부의 민감도는 감소되기 때문에 감도정수는 음의 값으로 보정하게 된다. 본 연구의 교정에서도 대체로 감도정수를 감소시켜 보정해야 하는 일사계가 대다수였으나 G와 H 및 I 일사계는 증가시켜주어야 하는 결과가 나타났다. G와 H 일사계는 기상청에서 예비 장비로 보유하고 있던 장비이며 실외 검교정은 처음 수행되는 장비이다.
분석 결과 기상청 기준 전천일사계의 정확성은 1.000343 ±0.001018로 기준값에 비해 높게 나타났으나 표준오차 이내의 값으로 기존 감도를 변화 없이 사용하게 되었다.
비교관측 결과에 따르면 교정 전과 후의 기준 전천일사계와의 최대 오차는 9.20 W m−2에서 0.70 W m−2 로 약 1/12 정도로 감소되었고 설정값 이상에서는 9.41 W m−2 에서 −0.55 W m−2 로 약 1/20로 감소하였다. 기상상태로 인하여 비교적 오차가 작았던 B와 I 일사계의 경우는 오차가 다소 상승되었고 오차가 가장 컸던 C 일사계의 경우 오차가 가장 뚜렷하게 감소되었다.
비교관측결과 정확성은 1.029341±0.000547로 기준값과 비교하여 2.80% 크게 나타나 감도정수를 8.68 µV (W m−2 ) −1 에서 8.93 µV (W m−2 ) −1 로 조정하였다.
기상상태로 인하여 비교적 오차가 작았던 B와 I 일사계의 경우는 오차가 다소 상승되었고 오차가 가장 컸던 C 일사계의 경우 오차가 가장 뚜렷하게 감소되었다. 비교관측에 참여한 9개 기상청 부기준 전천일사계와 강릉원주대학교 전천일사계의 오차는 0.08 W m−2 (0.08%)로 검교정되었으며 허용오차 ±4.5 W m−2 (±1.0%)의 조건을 충족하였다.
비교관측에 참여한 기기들은 기상청 기준 전천일사계를 기준으로 ±12.0 W m−2 이하의 편차를 보였다.
4 a)-e))은 맑은 하늘 이미지를 나타내고 있으나 전체적으로 연무가 존재하기 때문에 탁한 하늘색이 나타나고 있다. 특히 태양을 중심으로 태양복사에너지가 산란되어 청천인 경우와 비교하여 산란영역이 비교적 넓게 나타났다. Figure 4 f)의 하늘 이미지의 경우 권운 형태의 얇은 구름들이 전체적으로 나타나고 있어 태양에너지의 급격한 감소 및 변동이 나타날 수 있어 비교관측을 종료하였다.
후속연구
본 연구의 기준은 A 장비(기상청 기준 전천일사계)이며 기상청 부기준 전천일사계들(B-H)은 2016년 기상청에서 검교정이 실시된 장비(B-F)와 예비품(G와 H)이다. G와 H 전천일사계는 이번 검교정을 통하여 신뢰성을 확인 후 부기준 전천일사계로 사용될 것이다. I와 J 장비는 강릉원주대학교 기준 전천일사계와 부기준 전천일사계이다.
그러나 현업 운영 중인 일사계는 지속적으로 실외 관측환경에 노출되기 때문에 일사계 유지관리에 문제가 발생될 수 있고 수감부의 민감도는 급격히 감소된다. 따라서 1년마다 일사계의 유지관리와 관측자료에 대한 품질관리가 필요하며 일사계 검교정은 필수적으로 수행되어야만 신뢰성 있는 자료를 수집 및 관리할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기후변화란 무엇인가?
전세계적으로 발생하고 있는 기후변화 분석을 위해 복사강제력(radiative forcing)이 이용된다. 즉 기후변화는 지구가 태양으로부터 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지에 균형이 변화함을 의미한다(IPCC, 2013; Jee et al., 2017).
일사계에서 관측기기 수감부의 민감도가 시간이 지남에 따라 감소되는 이유는 무엇인가?
일사계는 태양 및 일반적인 기상환경에 노출되어 관측되기 때문에 관측기기 수감부의 민감도가 시간이 지남에 따라 감소된다. 일사관측기기의 검교정은 기기적인 구조 또는 수감부 등 기계적인 교정과정이 아니다.
국제 직달일사 비교관측은 무엇을 의미하는가?
이후 미국과 유럽을 중심으로 일사계가 개발 되었으며 일사계의 표준화는 WMO (World Meteorological Organization) 산하기관인 WRC (World Radiation Center)에 의해 이루어진다. 즉, 1909년부터 전세계 일사계 기준은 스위스에 위치한 WRC에서 맑은 기상상태일 때 관측된 15종 절대복사계(ACR, Absolute Cavity Radiometer)의 평균값으로 정의되며 매 5년 마다 비교관측을 통하여 정해진다(Fröhlich, 1977, 1991). 이를 국제 직달일사 비교관측(IPC, International Pyrheliometer Comparison)이라 하며 최근에는 2015 년 10월에 12번째 비교관측이 수행되었다(WMO, 2016).
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