[논문]GIS와 WMO 기상 관측 환경 기준을 이용한 종관기상관측소 관측환경평가

강정은; 김재진

doi:10.7780/kjrs.2020.36.5.1.4

GIS와 WMO 기상 관측 환경 기준을 이용한 종관기상관측소 관측환경평가
Assessment of Observation Environments of Automated Synoptic Observing Systems Using GIS and WMO Meteorological Observation Guidelines 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.36 no.5 pt.1, 2020년, pp.693 - 706

강정은 (부경대학교 지구환경시스템과학부) , 김재진 (부경대학교 환경대기과학과)

초록
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본 연구는 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO) 분류 지침에 따라 10지점의 종관기상관측소(Automated Synoptic Observing System, ASOS) 관측 환경을 5단계로 분류하였다. 장애물(지형, 건물 등)과 지표 피복 유형은 일조 시간, 기온, 지상 바람의 관측 환경을 평가하는 주요 요인이었다. 따라서, WMO 분류 지침에 따라 ASOS를 평가하기 위해서 지형, 건물, 토지 피복 유형에 대한 수치 지도를 사용했다. 일조 시간의 관측 환경은 일조 고도각이 낮은 일출과 일몰 시간대에 주변 건물 영향을 가장 많이 받았다. 기온 관측 환경은 태양 고도각뿐만 아니라 열/수원과 ASOS 사이의 거리를 기준으로 결정되었다. 본 연구에서 고려한 ASOS 주변에는 수원이 없었다. 일부 ASOS 근처에 있는 열원은 관찰 환경에 영향을 미칠만큼 크지 않았다. ASOS 주변의 거칠기 길이와 주변 건물과 ASOS 사이의 거리를 기반으로 지상 바람 관측 환경을 평가했다. 대부분의 ASOS는 주변보다 높은 고도에 놓여 있으며 ASOS 주변의 거칠기 길이는 최상의 수준을 위한 조건을 충족할 만큼 충분히 작았다.

Abstract ▼ AI-Helper

For ten meteorological observatories running an automated synoptic observing system (ASOS), we classified the observation environments into five classes based on the World Meteorological Organization (WMO) classification guidelines. Obstacles (such as topography and buildings) and land-cover types were the main factors in evaluating the observation environments for the sunshine duration, air-temperature, and surface wind. We used the digital maps of topography, buildings, and land-cover types. The observation environment of the sunshine duration was most affected by the surrounding buildings when the solar altitude angle was low around the sunrise and sunset. The air-temperature observation environment was determined based on not only the solar altitude angle but the distance between the heat/water source and ASOS. There was no water source around the ASOSs considered in this study. Heat sources located near some ASOSs were not large enough to affect the observation environment. We evaluated the surface wind observation environment based on the roughness length around the ASOS and the distance between surrounding buildings and the ASOS. Most ASOSs lay at a higher altitude than the surroundings and the roughness lengths around the ASOSs were small enough to satisfy the condition for the best level.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Three-dimensional configurations of buildings and topography for (a) ASOS 104, (b) ASOS 108, (c) ASOS 119, (d) ASOS 131, (e) ASOS 133, (f) ASOS 143, (g) ASOS 146, (h) ASOS 156, (i) ASOS 159, and (j) ASOS 184.
그림 Fig. 2. The same as Fig. 1 except for the land-cover types.
표 Table 1. Information on latitude and longitude of ASOSs considered in this study
표 Table 2. WMO classification guidelines for the air temperature observation environment
그림 Fig. 3. Elements for the observation environment classes of (a) air temperature and (b) surface wind in the WMO classification guidelines.
그림 Fig. 4. Quartile plot of the daily shadow duration rates at the ASOSs for one year (2018.01.01–2018.12.31).
그림 Fig. 5. Altitudes of buildings and topography around the ASOSs (a) 159, (b) 119, and (c) 104. White shading indicates the ranges of the azimuth angles affecting the sunshine duration at the ASOSs for one year (2018.01.01-2018.12.31), and the white thick lines indicate the maximum azimuth angles of sunrise and sunset.
표 Table 4. Summary of the evaluation of the air temperature observation environment based on the WMO classification guidelines
그림 Fig. 6. ASOS class for the air temperature observation environment evaluated based on the WMO classification guidelines.
그림 Fig. 7. The land-cover types around the ASOSs (a) 146 and (b) 184.
그림 Fig. 8. ASOS class for the surface wind observation environment evaluated based on the WMO classification guidelines.
표 Table 5. Summary of the evaluation of the surface wind observation environment based on the WMO classification guidelines. Height difference indicates the difference in height between the ASOS and the building
그림 Fig. 9. Contours of differences between the altitudes of the surrounding area and observation height of the ASOSs (a) 143 and (b) 156.

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 관측 지점으로부터 반경 1 km 영역 내에 있는 장애물을 모두 육안으로 식별하여 관측 환경을 평가하기는 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 WMO가 제시한 일조, 기온, 바람 관측환경 평가 기준에 이용하여 전국 주요 종관기상관측소의 기상 관측 환경을 수치지형도와 토지피복지도를 활용하여 평가하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서 사용한 일조 시간 분석 모델은 Park and Kim (2014)이 사용한 모델을 한계(한 격자 셀의 각 면 상의 일조 판별 불가)를 개선한 모델이다. 대상 기간에 대하여 구름이 없는 맑은 날로 가정하였다. 대상 지역의 시간별 태양 위치 정보와 3차원 지형·건물 자료를 이용하여 그림자 여부를 판단한다.

제안 방법

ASOS를 중심으로 동서, 남북 방향으로 각 2 km인 영역에 대해 3차원 건물·지형 자료(Fig. 1)와 토지피복자료(Fig. 2)를 구축했고, 격자 해상도는 동서, 남북, 연직 방향으로 각각 10 m, 10 m, 5 m로 설정하였다.
등급 평가는 반경 100 m 간격으로 나눠서 수행하였다. 각 반경 내 가장 높은 건물이나 지형물의 위치를 찾아 관측 지점과의 거리를 계산하여 등급을 평가했고, 가장 낮은 등급을 해당 ASOS의 등급으로 지정했다. 이때, WMO 기준에 따라 낮은 높이의 장애물(1등급과 2등급: 4 m 이하, 3등급: 5 m 이하, 4등급: 6 m 이하)은 고려하지 않았다.
거칠기 길이 등급은 토지피복자료를 이용하여 분류하였다. ASOS 108, 159, 184 지점을 제외한 종관기상관측소는 관측 지점의 토지피복이 초목으로 구성되어 있기 때문에 거칠기 길이 등급은 1등급으로 분류되었다.
9는 관측 지점 주변 지역에 대해 관측 고도와의 고도 차를 나타낸 것이다. 관측 지점과 관측 고도보다 높은 주변 장애물 사이의 거리에 대한 등급이 각각 2등급과 4등급으로 평가된 ASOS 143 지점과 ASOS 156 지점에 대해 분석했다.
대상 지역의 시간별 태양 위치 정보와 3차원 지형·건물 자료를 이용하여 그림자 여부를 판단한다.
이 지침서는 기상 관측 시 고려해야 할 사항 등을 제시하였고, 관측 환경과 관련해서 각 기상 요소별로 관측 지점 주변 환경에 따른 관측소 등급을 5개로 구분하였다. 등급 판별 기준은 측정 장소 주변 근거리(1 km 이내)에 있는 장애물 영향을 반영하여 수립하였다. 1등급은 가장 권장되는 관측 환경이고(reference site), 관측 환경으로 부적합할 때는 5등급으로 분류된다.
수치 지형도에서 제공하는 지형과 건물 높이 정보를 이용하였고 관측 고도를 기준으로 주변 장애물 고도를 고려하여 계산하였다. 등급 평가는 반경 100 m 간격으로 나눠서 수행하였다. 각 반경 내 가장 높은 건물이나 지형물의 위치를 찾아 관측 지점과의 거리를 계산하여 등급을 평가했고, 가장 낮은 등급을 해당 ASOS의 등급으로 지정했다.
따라서, WMO가 제시하는 관측 노장 면적 25 m × 25 m에 대해 평가를 수행하였다.
Davenport (1960)가 제시한 기준에 따르면 평탄지, 잔디 등은 3등급, 높고 낮은 건물이 있는 도심지는 8등급으로 분류하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 토지피복지도가 초목으로 구분된 경우, 거칠기 길이 등급을 1등급으로 분류하였으며, 건물로 구분된 경우에는 3등급으로 분류하였다.
바람 관측 환경은 관측 고도와 관측 고도보다 높은 주변 장애물 사이의 거리와 거칠기 길이를 기준으로 평가하였다. 높은 지형과 건물이 많은 우리나라에서는 대부분의 종관기상관측소가 높은 지형에 설치되어 있었지만, 관측 고도보다 높은 건물이 다수 있었다.
더욱 현실적인 평가를 위해서는 종관기상관측소에서 관측한 일조 자료를 사용해야 하지만, 이 경우 구름이 많은 시간과 결측 시간의 그림자 발생 여부를 판단할 수 없는 한계점이 있다. 본 연구에서 사용한 일조 시간 분석 모델은 Park and Kim (2014)이 사용한 모델을 한계(한 격자 셀의 각 면 상의 일조 판별 불가)를 개선한 모델이다. 대상 기간에 대하여 구름이 없는 맑은 날로 가정하였다.
본 연구에서는 수치 지형도와 토지피복지도를 이용하여 WMO가 제시한 기상 관측 환경 평가 기준에 따라 10지점의 종관기상관측소를 선정하여 일조, 기온, 바람 관측 환경의 등급 평가를 하였다. 일조 관측환경은 태양 고도각과 관측 지점의 그림자 발생 비율을 기반으로 평가하였고, 이를 위해서 일조 시간 분석 모델을 이용하였다.
수치지형도의 건물, 등고수치, 표고점을 이용하여 대상 영역의 건물과 지형 정보를 수집하여 3차원 지형·건물 자료를 구축하였다. 세분류 토지피복지도는 1 m 해상도로 41개 항목을 포함하고 있는데, 본 연구에서는 도로, 건물, 나지, 초목지역, 수역 등 5개 항목으로 재분류하여 사용하였다.ASOS를 중심으로 동서, 남북 방향으로 각 2 km인 영역에 대해 3차원 건물·지형 자료(Fig.
기온 관측환경 등급 평가 시, 식생 높이와 경사도에 대한 기준은 본 연구에서 사용한 수치 지형도에서 식생의 높이와 지형의 경사도에 대한 정보를 미제공하여 고려할 수 없었다. 수원 넓이에 대한 기준이 제시되어 있지 않아, 수원 크기에 상관없이 대상 지역 내에 포함된 수원이 차지하는 격자 크기의 합을 계산하였다. 태양 고도각에 대한 평가는 일조 등급 분류와 동일한 기준을 사용하였다.
관측 지점과 주변 장애물 사이의 거리를 계산할 경우, 주변 장애물 높이에 대한 정보가 필요하다. 수치 지형도에서 제공하는 지형과 건물 높이 정보를 이용하였고 관측 고도를 기준으로 주변 장애물 고도를 고려하여 계산하였다. 등급 평가는 반경 100 m 간격으로 나눠서 수행하였다.
수치지형도의 건물, 등고수치, 표고점을 이용하여 대상 영역의 건물과 지형 정보를 수집하여 3차원 지형·건물 자료를 구축하였다.
8)를 1950년에 처음 발간하고 지속적으로 개정해 왔다. 이 지침서는 기상 관측 시 고려해야 할 사항 등을 제시하였고, 관측 환경과 관련해서 각 기상 요소별로 관측 지점 주변 환경에 따른 관측소 등급을 5개로 구분하였다. 등급 판별 기준은 측정 장소 주변 근거리(1 km 이내)에 있는 장애물 영향을 반영하여 수립하였다.
일조 관측 환경은 일조시간 분석 알고리즘을 이용하여 태양고도각에 따른 그림자 발생 여부를 판단하였다. ASOS 159 지점은 태양 고도각이 7° 이상일 때 그림자가 발생하지 않아 3등급으로 분류되었고(그림자 발생 최대 태양고도각 = 6.
본 연구에서는 수치 지형도와 토지피복지도를 이용하여 WMO가 제시한 기상 관측 환경 평가 기준에 따라 10지점의 종관기상관측소를 선정하여 일조, 기온, 바람 관측 환경의 등급 평가를 하였다. 일조 관측환경은 태양 고도각과 관측 지점의 그림자 발생 비율을 기반으로 평가하였고, 이를 위해서 일조 시간 분석 모델을 이용하였다. ASOS 159 지점은 3등급으로 가장 좋은 관측 환경으로 평가되었고, 나머지 지점은 4–5등급으로 분류되었다.

대상 데이터

일조 관측환경을 평가하기 위해서는 태양의 고도각과 종관기상관측소의 그림자 차단 여부의 파악이 필요하다. WMO가 제시하는 4, 5등급의 일조 환경을 평가하기 위해서, 1년(2018년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지)을 대상 기간으로 선정하였다. 태양 고도각은 율리우스 일을 기준으로 태양 궤도 요소를 계산하여 태양의 위치(고도각과 방위각)를 알아내는 Schlyter (2010)의 행성위치계산법을 이용하여 산출하였다.
본 연구에서 선정한 종관기상관측소(Automated SynopticObserving System,ASOS)는서울ASOS (ASOS 108), 수원ASOS (ASOS 119),부산ASOS (ASOS 159),광주ASOS (ASOS 156), 북강릉 ASOS (ASOS 104), 대전 ASOS (ASOS 131), 대구 ASOS (ASOS 143), 제주 ASOS (ASOS 184), 전주 ASOS (ASOS 146), 청주 ASOS (ASOS 133)이다(Table 1).

이론/모형

건물, 지형과 같은 장애물과 토지 피복에 의한 관측 환경 평가를 위해 국토교통부가 제공하는 수치지형도(version 2.0)와 환경부가 제공하는 세분류 토지피복지도를 사용하였다. 수치지형도의 건물, 등고수치, 표고점을 이용하여 대상 영역의 건물과 지형 정보를 수집하여 3차원 지형·건물 자료를 구축하였다.
종관기상관측소의 그림자 발생 여부를 조사하기 위하여 Kim et al. (2014)의 일조 시간 분석 모델을 사용하였다. 더욱 현실적인 평가를 위해서는 종관기상관측소에서 관측한 일조 자료를 사용해야 하지만, 이 경우 구름이 많은 시간과 결측 시간의 그림자 발생 여부를 판단할 수 없는 한계점이 있다.
WMO가 제시하는 4, 5등급의 일조 환경을 평가하기 위해서, 1년(2018년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지)을 대상 기간으로 선정하였다. 태양 고도각은 율리우스 일을 기준으로 태양 궤도 요소를 계산하여 태양의 위치(고도각과 방위각)를 알아내는 Schlyter (2010)의 행성위치계산법을 이용하여 산출하였다. Kang et al.

성능/효과

6). 1등급으로 분류된 지점은 반경 10 m 내에 열원과 수원이 존재하지 않아 반경 10 m 내에 1% 이하로 차지해야 한다는 조건을 만족하였다. ASOS 146 지점은 반경 10 m 뿐만 아니라 반경 100 m 이내에 10% 이하, 10-30 m 이내에 5% 이하의 1등급 기준을 모두 만족하였다(Fig.
1등급으로 분류된 지점은 반경 10 m 내에 열원과 수원이 존재하지 않아 반경 10 m 내에 1% 이하로 차지해야 한다는 조건을 만족하였다. ASOS 146 지점은 반경 10 m 뿐만 아니라 반경 100 m 이내에 10% 이하, 10-30 m 이내에 5% 이하의 1등급 기준을 모두 만족하였다(Fig. 7(a)).
ASOS 159 지점은 3등급으로 가장 좋은 관측 환경으로 평가되었고, 나머지 지점은 4–5등급으로 분류되었다.
8). 관측 지점과 관측 고도보다 높은 주변 건물 사이의 거리를 기준으로 분류한 결과, ASOS 143, 146 지점은 2등급, ASOS 104, 108, 131, 133, 159 지점은 3등급, ASOS 156, 184 지점은 4등급, ASOS 119 지점은 5등급으로 분류되었다(squares in Fig. 8, Table 5). Table 5는 가장 낮은 등급을 결정하는 장애물과 ASOS 사이의 거리, ASOS 관측 고도와 주변 장애물의 고도차, 거칠기 길이 등급을 분류하기 위한 관측 지점의 토지 피복을 나타낸 것이다.
본 연구 결과에 따르면, 종관기상관측소의 관측 환경은 근거리뿐만 아니라 1 km 이상 떨어져 있는 건물에 영향을 받았다. 따라서 관측소 신설이나 이전에 따른 관측 환경 평가 시, 원거리에 있는 장애물까지 고려해야함을 알 수 있었다.
수원까지의 거리에 대한 등급 분류 결과, 모든 지점에서 100 m 이내에 수원이 있지 않아 1등급으로 분류되었다(diamonds in Fig. 6). 반면, 열원까지의 거리에 대해서는 2등급과 4등급 사이로 분류되었다(circles in Fig.
열원과 수원이 차지하는 면적은 등급을 만족하는 반경 조건에 대해서만 표기하였다. 열원과 수면이 차지하는 면적은 ASOS 184지점을 제외한 모든 지점에서 1등급으로 평가되었다(squares in Fig. 6). 1등급으로 분류된 지점은 반경 10 m 내에 열원과 수원이 존재하지 않아 반경 10 m 내에 1% 이하로 차지해야 한다는 조건을 만족하였다.
99)이였다. 이 결과를 근거하였을 때, 본 연구에서 사용한 Schlyter (2010)의 행성위치계산법은 태양 고도각과 방위각을 계산하기에 적합하다고 판단된다.
70°로 20° 이상이므로 5등급으로 분류되었고, 나머지 지점에서 그림자를 발생시키는 태양고도각이 20°가 넘지 않아 4등급으로 분류되었다. 종합적으로 ASOS 159 지점은 3등급, ASOS 119 지점은 5등급, 그 이외의 종관기상관측소들은 4등급으로 분류되었다.
그러나 열원·수원이 차지하는 면적은 넓지 않아 ASOS 184 지점을 제외하고 모든 지점에서 1등급으로 분류되었다. 태양 고도각에 따른 등급은 일조 관측환경 평가와 동일한 방법으로 수행했고, ASOS 159 지점이 가장 좋은 등급으로 평가되었다.

후속연구

따라서 관측소 신설이나 이전에 따른 관측 환경 평가 시, 원거리에 있는 장애물까지 고려해야함을 알 수 있었다. 향후, WMO 제시 기준뿐만 아니라, 주변 장애물이 종관기상관측소의 바람과 기온 관측에 미치는 영향 등을 분석하고자 한다.

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표제어: PCR

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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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