[논문]증발량 산정을 위한 증발접시계수 산정모형 개발: 서울지점을 중심으로

임창수

doi:10.3741/jkwra.2020.53.7.557

증발량 산정을 위한 증발접시계수 산정모형 개발: 서울지점을 중심으로
Development of pan coefficient model for estimating evaporation: focused on Seoul station 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.7, 2020년, pp.557 - 567

임창수 (경기대학교 토목공학과)

초록
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서울지역에 대해서 6개의 증발접시계수 산정모형들로부터 산정된 증발접시계수를 측정된 증발접시 증발량과 FAO Penman-Monteith 기준증발산량으로부터 산정된 증발접시계수와 비교함으로서 증발접시계수 산정모형들의 활용 적합성을 평가하였다. 적용된 6개의 모형은 Cuenca 모형, Snyder 모형, Pereira 등의 모형, Allen 등의 모형, Orang 모형, 그리고 Raghuwanshi와 Wallender 모형이다. 또한 산정된 증발접시계수를 이용하여 산정된 증발량을 관측된 증발량과 비교분석하였으며, 비교결과를 바탕으로 서울지역에 대해서 증발접시계수 산정모형을 개발하였다. 연구결과에 의하면 기존에 연구자들에 의해서 제안된 6개 증발접시계수 산정모형을 10 m, 15 m 그리고 20 m의 풍역대 거리로 설정하여 적용하는 경우 모든 풍역대 거리에서 Snyder에 의해서 제안된 증발접시계수가 가장 양호한 증발접시계수 산정값을 보였다. 반면에 Pereira 등의 모형으로부터 산정된 증발접시계수 값이 관측값과 가장 큰 차이를 보였다. 따라서 서울지역을 대상으로 Snyder모형을 수정한 증발접시계수 산정모형을 유도하였다. 본 연구에서 제시한 모형을 적용하는 경우 모든 풍역대 거리(10 m, 15 m, 20 m) 조건에서 산정된 월평균 증발량은 동일하게 92.1 mm이고 관측된 월평균 증발량은 91.9 mm로서 다른 모형들과 비교하여 가장 근사한 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The six current models for estimating pan coefficient were applied to test the applicability of models in Seoul, South Korea. The models are Cuenca's model, Snyder's model, Pereira et al.'s model, Allen et al.'s model, Orang's model, and Raghuwanshi and Wallender's model. The estimated pan coefficients were compared with measured one. The measured pan coefficient was obtained by using measured pan evaporation and FAO Penman-Monteith reference evapotranspiration. Estimated evaporation by using estimated pan coefficients was compared with measured one. Furthermore, model for estimating pan coefficient in Seoul was developed. When applying 6 current models for 10 m, 15 m and 20 m fetch distances, pan coefficient estimates from Snyder's model were most similar to measured pan coefficients for all fetch distances. On the other hand, pan coefficient estimates from Pereira et al.'s model were most different from measured one. Therefore, model for estimating pan coefficient in Seoul was developed by modifying Snyder's model. When applying developed model, estimated monthly average evaporation was 92.1 mm for 10 m, 15 m and 20 m fetch distances and measured one was 91.9 mm, indicating that evaporation estimate from developed model is closest to measured one, compared with those of current models.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Models for estimating pan coefficients
그림 Fig. 1. Variation of pan coefficient and evaporation according to fetch distance (E1=model 1, E2=model 2, E4=model 4, E5=model 5, E6=model 6, Measured=measured pan coefficient)
표 Table 2. Comparisons of measured and estimated pan coefficient at Seoul station
표 Table 3. Comparisons of measured and estimated evaporation at Seoul station
그림 Fig. 2. A one-to-one relationship between measured and estimated evaporation (fetch distance=10 m), Model 1(Cuenca, 1989), Model 2(Snyder, 1992), Model 3(Pereira et al., 1995), Model 4(Allen et al., 1998), Model 5(Orang, 1998), Model 6(Raghuwanshi and Wallender, 1998), Model 7(Present study)
그림 Fig. 3. A one-to-one relationship between measured and estimated evaporation(fetch distance=15 m), Model 1(Cuenca, 1989), Model 2(Snyder, 1992), Model 3(Pereira et al., 1995), Model 4(Allen et al., 1998), Model 5(Orang, 1998), Model 6(Raghuwanshi and Wallender, 1998), Model 7(Present study)
그림 Fig. 4. A one-to-one relationship between measured and estimated evaporation(fetch distance=20m), Model 1(Cuenca, 1989), Model 2(Snyder, 1992), Model 3(Pereira et al., 1995), Model 4(Allen et al., 1998), Model 5(Orang, 1998), Model 6(Raghuwanshi and Wallender, 1998), Model 7(Present study)

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 국외에서 증발접시 계수를 모의하고 이를 이용하여 기준증발산량을 추정하고자 하는 연구가 활발하게 수행되어온 것과는 다르게 국내에서는 증발접시계수 산정모형들의 적용성을 평가하고, 증발접시계수 산정을 위한 모형을 제시한 연구가 없다. 따라서 본 연구에서는 기존에 국외의 연구자들에 의해서 제시된 증발접시계수 산정모형들을 서울지역에 대해서 적용하여 활용 적합성을 평가하고, 적합한 증발접시계수 산정모형을 제시하였다.
본 연구에서는 서울지역에 대해서 6개의 증발접시계수 산정모형들(Cuenca, 1989; Snyder, 1992; Pereira et al., 1995; Allen et al., 1998; Orang, 1998; Raghuwanshi and Wallender, 1998)의 활용 적합성을 평가하였다. 평가결과를 바탕으로 서울지역에 대해서 새로운 증발접시계수 산정모형을 제안하였다.

제안 방법

6개의 증발접시계수 산정모형들(Table 1)로부터 산정된 증발접시계수(K_p)를 측정된 증발접시 증발량(E)과 FAO Penman-Monteith (FAO P-M) 기준증발산량(ET_o)으로부터 산정된 증발접시계수(#)와 비교함으로서 증발접시계수 산정모형들의 활용 적합성을 평가하였다. 또한 산정된 증발접시계수를 이용하여 증발량을 산정하고, 관측된 증발량과 비교분석하였다.
Table 1에서 보여주는 바와 같이 과거 연구자들에 의해서 제안된 6개의 모형(Models 1 ~ 6)과 본 연구에서 제안된 모형(Model 7)을 적용하여 증발량을 산정하고, 산정된 증발량과 측정된 증발량과의 상관분석을 실시하였다(Figs. 2 ~ 4). 풍역대 거리를 10 m로 설정하는 경우 본 연구에서 제안된 모형의 결정계수는 0.
, 2002). 과거 여러 연구자들(Cuenca, 1989; Snyder, 1992; Pereira et al., 1995; Allen et al., 1998; Orang, 1998; Raghuwanshi and Wallender, 1998)은 증발접시계수를 풍역대 거리(fetch distance), 풍속, 그리고 상대습도로 나타내는 모형을 제안한 바 있으며, 본 연구에서는 이 모형들의 적용성을 검토하였다.
기존에 증발접시계수를 산정하기 위해 제안된 6개의 모형(모형 1 ~ 6)을 적용하여 증발접시계수를 산정하고 산정된 증발접시계수를 이용하여 증발량을 산정하였다(Tables 2 and 3). 관측된 증발접시 계수와 증발량의 평균값은 각각 0.
본 연구에서 적용된 6개의 증발접시산정 모형 중에서 가장 양호한 결과를 보이는 모형 2(Snyder, 1992)를 이용하여 서울지역에 대해서 수정한 증발접시계수 산정모형을 제안하였다. Snyder 모형(모형 2)는 과거 여러 연구자들에 의해서 적용성이 입증된 바 있다(Marco and Fonseca, 2002; Sabziparvar et al.
따라서 실제적으로 식생조건의 경계면과 증발접시계수와의 거리를 풍역대 거리로 사용한다. 본 연구에서는 서울기상관측소 지점에 대해서 풍역대 거리를 이용하여 증발접시계수를 산정하는 5개의 모형을 적용하였다. 풍역대 거리를 10 m, 15 m, 20 m, 30 m, 50 m, 75 m 그리고 100 m로 설정하고, 풍역대 거리에 따른 증발접시계수 변화와 증발량 변화를 비교분석하였다.
(8 ~ 10)과 같으며 풍역대 거리에 따라서 각기 다른 형태를 보였다. 입력자료로서 풍역대 거리(FET)를 10 m, 15 m 그리고 20 m로 설정하고 풍속(u₂)을 km/day, 상대습도(RH)를 %로 적용하였다. 유도된 식들에 의하면 서울지역에서 증발접시계수는 풍역대 거리와 풍속 그리고 상대습도에 따라서 증가하는 것으로 나타났다.
적용된 6개의 증발접시계수 산정모형 중에서 가장 양호한 결과를 보이는 Snyder모형으로부터 서울지역에 대해서 수정한 모형을 제안하였다. 분석결과 본 연구에서 제시한 모형이 풍역대 거리 10 m, 15 m 그리고 20 m 모두에서 다른 모형들과 비교하여 관측값과 가장 근사한 값을 보였다.
, 1998; Orang, 1998; Raghuwanshi and Wallender, 1998)의 활용 적합성을 평가하였다. 평가결과를 바탕으로 서울지역에 대해서 새로운 증발접시계수 산정모형을 제안하였다. 증발접시계수와 증발량을 모의 분석한 결과에 의하면 풍역대 거리를 10 m, 15 m 그리고 20 m로 설정하는 경우 모두에서 기존에 연구자들에 의해서 제시된 모형 중에서는 Snyder(1992)에 의해서 제시된 모형이 관측값과 가장 근사한 결과를 보였다.
본 연구에서는 서울기상관측소 지점에 대해서 풍역대 거리를 이용하여 증발접시계수를 산정하는 5개의 모형을 적용하였다. 풍역대 거리를 10 m, 15 m, 20 m, 30 m, 50 m, 75 m 그리고 100 m로 설정하고, 풍역대 거리에 따른 증발접시계수 변화와 증발량 변화를 비교분석하였다.
따라서 서울지역의 경우 증발접시계수를 이용하여 FAO P-M 기준증발사량으로부터 증발량을 산정하거나 혹은 증발량자료로부터 FAO P-M 기준증발산량을 산정하는 경우 본 연구에서 제안된 증발접시계수 산정모형을 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서 개발된 모형의 경우 서울지역에 국한하여 각기 다른 풍역대 거리에 따라서 증발접시계수를 산정하는 모형이다. 따라서 우리나라 전역에 위치한 기상관측지점을 대상으로 개발된 범용적인 모형과 비교하여 정확도 측면에서 향상된 모의결과를 보일 수 있지만 모형이 개발된 지역에 국한하여 적용할 수 있다는 한계가 있다.

대상 데이터

소형증발접시 증발량 자료의 경우 2016년 7월 1일 이후로는 관측이 중단되었다. 따라서 소형증발접시 증발량 자료의 경우 2016년 6월까지의 자료를 사용하였으며, 증발량 관측이 수행되지 않은 기간은 분석에서 제외하였다.
본 연구에서는 우리나라 서울기상관측소의 월평균 기상자료(소형증발접시 증발량, 기온, 상대습도, 풍속, 일조시간)을 이용하였으며, 지형자료는 서울기상관측소의 고도자료가 적용되었다. 서울기상관측소의 고도는 1974년부터 2010년 8월까지는 85.

데이터처리

)와 비교함으로서 증발접시계수 산정모형들의 활용 적합성을 평가하였다. 또한 산정된 증발접시계수를 이용하여 증발량을 산정하고, 관측된 증발량과 비교분석하였다. 비교 평가를 위해서 제곱평균오차(Root Mean Square Error, RMSE), 평균절대편향오차 (Mean Absolute Bais Error, MABE), 평균백분위오차(Mean Percentage Error, MPE), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) 지수를 적용하였다.
또한 산정된 증발접시계수를 이용하여 증발량을 산정하고, 관측된 증발량과 비교분석하였다. 비교 평가를 위해서 제곱평균오차(Root Mean Square Error, RMSE), 평균절대편향오차 (Mean Absolute Bais Error, MABE), 평균백분위오차(Mean Percentage Error, MPE), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) 지수를 적용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 기준증발산량 산정을 위해서 Allen et al. (1998)에 의해서 제안된 FAO Penman-Monteith (FAO P-M) 식을 적용하였다(Eq. 2). FAO P-M식은 유도과정과 사용방법이 잘 알려져 있으며, 각종 증발산계(lysimeter)를 이용하여 측정된 증발산량과 비교 검증된 바 있다(Allen et al.

성능/효과

888을 보였다. 관측된 증발접시계수의 평균은 0.784이고, 월별 증발접시계수의 범위는 0.498 ~ 1.321을 보였다. 따라서 국외 연구사례와 비교하여 유사한 결과를 보였다.
따라서 서울지역의 경우 증발접시계수를 이용하여 FAO P-M 기준증발사량으로부터 증발량을 산정하거나 혹은 증발량자료로부터 FAO P-M 기준증발산량을 산정하는 경우 본 연구에서 제안된 증발접시계수 산정모형을 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서 개발된 모형의 경우 서울지역에 국한하여 각기 다른 풍역대 거리에 따라서 증발접시계수를 산정하는 모형이다.
Doorenbos and Pruitt (1977)은 기준증발산량을 7 ~ 15 cm 높이의 잔디가 식생된 lysimeter로부터의 증발산량으로 정의하였으며, 증발접시계가 적절하게 운용되는 경우 증발접시 증발량과 기준증발산량사이에는 높은 상관관계가 존재한다고 발표하였다. 또한 증발접시계의 종류(Class A pan 혹은 Colorado pan), 풍역대 거리(fetch distance), 풍속, 그리고 상대습도를 이용하여 증발접시계수를 계산하는 방법인 24PAN (FAO 24 pan evaporation)을 제안하였고, 증발산량과 증발접시 증발량과의 비(증발접시계수)는 약 0.40 ~ 0.85 범위라고 발표하였다.
90으로서 가장 양호하지 않은 결과를 보였다. 또한 풍역대 거리를 20 m로 설정하는 경우 역시 본 연구에서 제안된 모형의 결정계수는 0.93으로서 가장 양호한 값을 보였다. 모형 3의 결정계수는 0.
본 연구에서 관측된 증발접시계수와 산정된 증발접시계수 들이 차이를 보이는 이유는 관측된 증발접시계수(K_p)가 측정 된 증발접시 증발량(E)과 FAO Penman-Monteith(FAO P-M) 기준증발산량(ET_o)의 비#로서 정의된다는 점을 감안할 때 각 연구지점들의 증발접시계수는 연구지점의 증발접시 증발량뿐만 아니라 FAO P-M 기준증발량 산정식에 영향을 미치는 기상요소들에 의해서 직접적인 영향을 받는다고 할 수 있다. FAO P-M식의 경우 에너지수지에 영향을 미치는 기상요소인 단파복사량, 장파복사량 그리고 기온뿐만 아니라 공기동력학적 기상요소인 풍속과 증기압의 영향을 동시에 받는다(Eq.
본 연구에서 제시된 증발접시계수 산정 모형을 적용한 결과 풍역대 거리를 10 m로 설정하는 경우 산정된 평균 증발접시계수는 0.784이고 월별 증발접시계수의 범위는 0.691 ~ 0.894 이다. 풍역대 거리를 15 m로 설정하는 경우 산정된 평균 증발접시계수는 0.
분석결과 본 연구에서 제시한 모형(Eqs. 8 ~ 10)이 풍역대 거리 10 m, 15 m 그리고 20 m 모두에서 다른 모형들과 비교하여 관측값과 가장 근사한 값을 보였다(Tables 2 and 3). 풍역대 거리를 10 m로 증발접시계수를 모의하는 경우 RMSE는 0.
적용된 6개의 증발접시계수 산정모형 중에서 가장 양호한 결과를 보이는 Snyder모형으로부터 서울지역에 대해서 수정한 모형을 제안하였다. 분석결과 본 연구에서 제시한 모형이 풍역대 거리 10 m, 15 m 그리고 20 m 모두에서 다른 모형들과 비교하여 관측값과 가장 근사한 값을 보였다. 본 연구에서 제시한 모형을 이용하여 풍역대 거리 10 m, 15 m 그리고 20 m에서 증발접시계수를 모의하는 경우 NSE 지수는 각각 0.
비교분석결과 모든 지점에서 5개 증발접시계수 산정모형들의 풍역대 거리가 증가함에 따라서 증발접시계수는 증가하고 증발량은 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 1). 연구기간동안 관측된 증발접시계수의 평균값은 0.
증발량을 모의 분석한 결과에 의하면 풍역대 거리를 10 m, 15 m 그리고 20 m로 설정하는 경우 기존에 연구자들에 의해서 제시된 모형 중에서는 모형 2의 산정값이 관측값과 가장 근사한 결과를 보였다. 산정된 평균 증발량은 94.5 mm/month 이고, NSE 지수가 각각 0.890, 0.897, 0.900, RMSE는 각각 13.263, 12.865, 12.662, MABE는 각각 9.529, 9.203, 9.065, MPE는 각각 -2.872(%), -1.572(%), -0.669(%)를 보였다. 반면에 풍역대 거리를 입력자료로 사용하지 않는 모형 3의 경우 평균 증발접시계수는 105.
증발접시계수를 모의 분석한 결과에 의하면 풍역대 거리를 10 m, 15 m 그리고 20 m로 설정하는 경우 기존에 연구자들에 의해서 제시된 모형 중에서는 모형 2가 관측값과 가장 근사한 결과를 보였다. 산정된 평균 증발접시계수는 0.764이고, NSE 지수가 각각 -0.069, -0.042, -0.033, RMSE는 각각 0.109, 0.108, 0.107, MABE는 각각 0.083, 0.082, 0.082, MPE는 각각 0.961(%), -0.304(%), -1.200(%)를 보였다.
9 mm/month이다. 증발접시계수를 모의 분석한 결과에 의하면 풍역대 거리를 10 m, 15 m 그리고 20 m로 설정하는 경우 기존에 연구자들에 의해서 제시된 모형 중에서는 모형 2가 관측값과 가장 근사한 결과를 보였다. 산정된 평균 증발접시계수는 0.
087이다. 평균 증발접시계수는 각각 0.784, 0.785, 0.785이며, 관측된 증발접시계수는 0.784로서 모든 풍역대 거리에서 매우 근사한 값을 보였다. 풍역대 거리 10 m, 15 m, 20 m에서 월평균증발량을 모의하는 경우 NSE 지수는 동일하게 0.
784로서 모든 풍역대 거리에서 매우 근사한 값을 보였다. 풍역대 거리 10 m, 15 m, 20 m에서 월평균증발량을 모의하는 경우 NSE 지수는 동일하게 0.919이고, 월 평균 증발량은 92.1 mm이며, 관측된 증발량은 91.9 mm로서 모든 풍역대 거리에서 매우 근사한 값을 보였다. 따라서 서울지역에서 증발접시계수를 이용하여 FAO Penman-Monteith (FAO P-M) 기준증발사량으로부터 증발접시 증발량을 산정하거나 혹은 증발접시 증발량자료로부터 FAO P-M 기준증발산량을 산정하는 경우 본 연구에서 제안된 증발접시계수 산정모형을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
풍역대 거리를 10 m, 15 m 그리고 20 m로 설정하고 증발량을 모의하는 경우 산정된 월평균 증발량은 모든 풍역대 거리 조건에서 92.1 mm이고, 관측된 월 평균증발량은 91.9 mm로서 모든 풍역대 거리에서 거의 근사한 값을 보였다. NSE 지수는 모든 풍역대 거리에서 동일하게 0.
2 ~ 4). 풍역대 거리를 10 m로 설정하는 경우 본 연구에서 제안된 모형의 결정계수는 0.93으로서 가장 양호한 값을 보였다. 모형 3의 결정계수는 0.
90으로서 가장 양호하지 않은 결과를 보였다. 풍역대 거리를 15 m로 설정하는 경우 역시 본 연구에서 제안된 모형의 결정계수는 0.93으로서 가장 양호한 값을 보였다. 모형 3의 결정계수는 0.

후속연구

9 mm로서 모든 풍역대 거리에서 매우 근사한 값을 보였다. 따라서 서울지역에서 증발접시계수를 이용하여 FAO Penman-Monteith (FAO P-M) 기준증발사량으로부터 증발접시 증발량을 산정하거나 혹은 증발접시 증발량자료로부터 FAO P-M 기준증발산량을 산정하는 경우 본 연구에서 제안된 증발접시계수 산정모형을 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서 개발된 모형의 경우 모형이 개발된 서울지역에 국한하여 적용할 수 있다는 한계가 있다.
따라서 서울지역에서 증발접시계수를 이용하여 FAO Penman-Monteith (FAO P-M) 기준증발사량으로부터 증발접시 증발량을 산정하거나 혹은 증발접시 증발량자료로부터 FAO P-M 기준증발산량을 산정하는 경우 본 연구에서 제안된 증발접시계수 산정모형을 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서 개발된 모형의 경우 모형이 개발된 서울지역에 국한하여 적용할 수 있다는 한계가 있다. 따라서 우리나라 전역에 위치한 기상관측지점을 대상으로 하는 범용적인 모형개발이 필요하다.

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SreeMaheswari, C.H., and Jyothy, S.A. (2017). "Evaluation of Class A pan coefficient models for estimation of reference evapotranspiration using Penman-Monteith method." International Journal of Science Technology and Engineering, Vol. 3, No. 7, pp. 90-93.
Stan, F.-L., and Neculau, G. (2015). "Estimation of reference evapotranspiration from pan evaporation data in Romania." Romanian Journal of Meteorology, Vol. 12, No. 1-2, pp. 65-73.
Tabari, H., Mark, E., and Trajkovic, S. (2013). "Comparative analysis of 31 reference evapotranspiration methods under humid conditions." Irrigation Science, Vol. 31, No. 2, pp. 107-117.

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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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