초록 ▼

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
1. 초고해상도 기상분석 시스템 및 활용기술 개발
가. 과수원 동상해 위험도 분석 및 예측시스템 개발
고해상도 기상자료 제공과 농림 분야에서의 요구를 충족시키기 위하여 2010년 개발된 LAPS분석 시스템(LAPS_1km)의 지형자료를 국토지리정보원의 10m 자료로 갱신하였고, 기상청의 현업 지역모델이 RDAPS에서 영국 기상청 통합모델(Unified Model: UM)으로 변경됨에 따라, UM을 초기장으로 활용하는 체계로 수정하여 기존의 LAPS 시스템을 개선하였다(LAPS_10m). 또한

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
1. 초고해상도 기상분석 시스템 및 활용기술 개발
가. 과수원 동상해 위험도 분석 및 예측시스템 개발
고해상도 기상자료 제공과 농림 분야에서의 요구를 충족시키기 위하여 2010년 개발된 LAPS분석 시스템(LAPS_1km)의 지형자료를 국토지리정보원의 10m 자료로 갱신하였고, 기상청의 현업 지역모델이 RDAPS에서 영국 기상청 통합모델(Unified Model: UM)으로 변경됨에 따라, UM을 초기장으로 활용하는 체계로 수정하여 기존의 LAPS 시스템을 개선하였다(LAPS_10m). 또한, 국립기상연구소에서 개발한 KLAPS를 이용하여 경기도 전역을 분석하여 기존의 시스템과 비교하여 보았다. 2011년 6월 태풍 메아리, 8월 고온다습, 10월 고기압사례 세사례에 대해서 기온(t), 상대습도(rh), 바람벡터(su, sv)를 연직 28개 층에 대하여 분석결과를 만들도록 하였고 이 결과 중에서 지표층에 대한 자료만을 이용하였다. 온도의 경우 KLAPS로 분석한 결과가 가장 낮은 RMSE(1.49)을 보였고, 개선하기 전의 LAPS(LAPS_1km)가 가장 높은 RMSE(4.93)를 나타내었다.
2011년 지형을 개선한 LAPS의 결과(RMSE:2.33)는 지형개선 전보다 오차가 적어짐을 확인 할 수 있었다. 습도의 경우 개선 전과 후의 차이가 크게 나타나지 않았지만, 지형을 개선한 LAPS에서 가장 낮은 RMSE값(5.42)을 나타내었다. 풍속의 경우도 습도와 마찬가지로 10m로 지형을 개선했을 때 가장 낮은 RMSE값(2.59)이 나타났다. 사례별로는 태풍 메아리의 영향을 받은 6월에 관측값과 분석 값의 오차가 가장 크게 나타났고, 10월 고기압 사례에 가장 오차가 적었다.
KLAPS 시스템을 기반으로 WRF 모형을 이용하여 동해 및 상해의 발생 위험도를 예측하는 시스템을 개발하였다. 매일 18시에 분석을 시작하여 111m의 해상도로 용문산 계곡의 과수원 지역을 2시간 30분 안에 12시간 예측이 가능하게 되었다. 이 결과를 2011년 2월에서 6월 경기도 양평군 연수리 계곡의 네 지점에서 기온 및 바람 변화를 관측한 결과와 비교하여 보면, 동해 및 상해의 원인 중 하나인 계곡 내 야간 냉기류를 확인 할 수 있었다. 이 값을 WRF로 예측한 결과와 비교하여보면, 평균적으로 예측 시작시간(1-3 hr)에 오차(모델값-관측값)가 가장 적고(0.94) 예측 시간이 길어질수록 오차가 커지는 것(1.38)으로 나타났다.
나. 상세 도시기후분석기술 개선 및 검증
도시규모 국지기후 분석에 충분한 공간해상도를 지원하고 정확한 분석을 위해서는 이를 지원할 상세한 공간정보자료가 필요하다. 최근에는 위성측위 기술 및 디지털 광학 센서의 발달로 공간정보 생산기술이 디지털화 되고 있으며, 특히 항공 라이다 자료를이용한 지도제작 및 공간정보 생성기법을 도시기후 분석에 활용하는 연구가 수행되고 있다. 새로운 디지털 센서 및 발전된 자료처리 기술을 적용하여 생성된 지형공간정보가국지기상 분석 및 수치모델링 분야에 적극 활용되기 위해서는 우선적으로 공간정보의 정확도와 세밀도 향상 결과가 국지기상 분석에 미치는 효과가 검증되어야 한다.
본 연구에서는 항공 LiDAR 자료와 KOMPSAT-2 위성영상자료로부터 상세연구지역(은평 뉴타운)의 초고해상도 지형·지면·토지피복 모델을 생산하였다. 건물과 식생 배치등 도시 내부구조가 상세하게 묘사되는 이 자료를 바탕으로 MetPhoMod 수치기상모델을 이용하여 도시규모의 기온과 바람을 분석하였고, 장기 기온 관측자료를 이용한 계절별 비교와 온도·습도·바람 특별관측을 통한 모델 결과와의 비교를 수행하였다. 또한 지상 온·습도 관측자료와 ASTER 위성 영상 자료를 이용하여 지표온도를 분석해본 결과 지형·지면·토지피복 모델의 개선이 현실을 반영할 뿐만 아니라 상세한 기후분석이 가능함을 알 수 있었다. 도시기후분석(CAS) 시스템은 상세 영역별로 연도별 차이를 지정하여 비교할 수 있도록 개선하였다.
2. 생명·보건기상 응용모델 개발
가. 대도시 고온건강경보시스템 운영 및 검증
공간적으로 상세화된 서울고온건강지수는 각 분할된 구역의 특성에 따라 관측된 초과사망자수와의 통계적 관련성이 약한 경우가 존재하였으나, 주요 예측인자들의 민감도에 따른 보건영향과의 평가 및 각 구역별 알고리즘의 예측숙련도 결과로 보아 공간적 상세화에 따른 분류가 적합하게 수행된 것으로 판단되었다.
각 구역별로 위험 및 매우위험에 대한 모든 구역별 임계값들을 개발하였으며, 관측자료를 활용한 2009년과 2010년 여름철 폭염사례에 대한 조사결과, 위험과 매우위험 단계에서의 각 구역별 공간분포는 타당성이 있는 것으로 나타났다.
한파 유발기단과 초과사망자수에 대한 분석이 서울, 부산, 인천, 대전에 대해 시행되었으며 기존의 선행연구 및 국외의 다른 도시들보다는 낮은 한파-건강관련성을 나타내었다. 서울은 2 종류의 비한파기단인 MM기단과 DM기단에서 가장 강한 겨울 초과사망을 나타내었으며, 대륙성 고기압의 확장시기의 가장 차가운 겨울기단인 DP기단, DP+기단, MP기단에서는 오히려 약한 사망자 연관성을 보였다.
보건과의 지속일수 관련성 결과에서는 DM기단에서 통계적 유의성을 보였기 때문에 대기오염농도와의 평가를 시도한 결과, MM기단과 DM기단에서 가장 높은 대기오염물질 농도 상태와 일치함으로써 MM기단 및 DM기단의 초과사망률에 대한 대기오염물질 농도의 기여에 따른 상승작용이 존재한 것으로 생각된다.
나. 기후변화 영향평가의 꽃가루 알레르기 변화분석 기초모델 개발
알레르기 꽃가루는 알레르기성 비염, 기관지 천식, 알레르기성 결막염 등 각종 알레르기 관련 질병을 유발하며 환자 수도 점차 늘어나고 있다. 기후변화에 따른 알레르기 유발성 꽃가루의 인체에 대한 영향이 어떻게 변화할 것인가는 온실가스 증가와 평균기온의 상승이 꽃가루의 양과 알레르기 유발성에 어떤 역할을 하는가를 밝힘으로써 평가할 수 있다. 본 연구에서는 꽃가루의 양적변화로 장기적인 추세를 살펴보았으며, 꽃가루 알레르기 변화의 영향평가를 위하여 꽃가루 기후영향 분석의 확률적인 모델과 알레르기 질환 환자의 증상도를 이용한 알레르기 위험도 모델을 개발하였다. 꽃가루 기후영향분석모델은 알레르기를 유발시키는 수종을 중심으로 6개 지역(서울, 부산, 대구, 광주, 강릉, 제주)별로 로지스틱 회귀모델(Logistic regression model)을 적용하여 기상조건에 따라 일별 꽃가루가 감지될 확률을 예측하였다. 개발된 수종별 모델 결과에서 꽃가루 감지에 영향을 미치는 대부분의 기상요소는 평균기온, 적산온도, 7일 일조시간, 일교차였다.
알레르기 위험도 모델은 일반화선형혼합모델(Generalized linear mixed model)을 이용하여 알레르기 증상도에 영향을 미치는 요소를 서울과 부산 지역을 중심으로 분석하였다. 그 결과, 지역별로 차이가 있으나 오리나무, 참나무 등이 알레르기를 발현시키며, 소나무는 다른 수종이 알레르기를 일으킬 때 부가적으로 알레르기를 일으키는 것으로 분석되었다. 위 2가지 모델은 꽃가루 농도가 기상 조건과 매우 큰 관련이 있으며, 앞으로의 기후변화가 꽃가루 농도변화에 큰 영향을 미칠 것을 의미한다. 본 연구를 기초로 하여 앞으로 기후변화의 알레르기 꽃가루 변화에 관한 영향평가의 표준적인 체계를 구축하고 그에 따른 꽃가루 알레르기 대응능력 향상 방안을 세울 수 있을 것이다.
3. 세계선도 기상관측장비 개발 및 시험연구
구름자동관측시스템은 2009년에 소프트웨어적인 관측자료의 정확도는 평가 받았고, 2010년도에는 하드웨어적으로 소형화, 경량화하는 것을 목적으로 연구를 진행하였다. 2011년도에는 고창기상대(표준관측소)에 구름자동관측시스템(ver.3)을 설치하였다. 고창기상대의 특징으로 관측노장과 기상대 실험실의 거리가 멀리 떨어져 있는 것을 들 수 있는데 이는 영상획득부와 자료처리부의 거리가 멀어지게 되는 것을 뜻한다. 거리가 멀어짐에 따라 촬영된 영상 자료 전송 및 운량·운고 계산에 잡음에 의한 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 중계기를 설치하여 구축을 완료 하였다. 무게-배수교차식 강수량계는 기상청 최초의 국제 특허기술로 2010년도에 시제품을 완성하였다. 이 무게-배수교차식 강수량계를 100% 국산화하여 성능 및 사양을 개선하고 차별화된 기능에 중점을 두어 개발하였으며, 2연식 구조를 통해 지속적인 계량과 자동퇴수를 가능하게 함으로써 수작업을 최소화 시켰을 뿐더러 사후수리 및 성능개선이 용이하게 제작하였다.
또한 2011년도에는 기존에 사용중인 강수계(전도형 우량계 0.1 mm형, 전도형 우량계 0.5 mm형, MPS 무게식 우량계, Pluvio 무게식 우량계)와 비교 관측을 실시하여 오류를 보완하고자 하였다.
‘적설관측 자동화에 따른 관측정확도 향상방안 연구(II)’에서 실시된 토양침강 실험(2010년 7월∼10월)을 통하여 지반 구조물을 토대로 설치되는 관측센서에 비해 지반 구조물이 없는 토양위에 그대로 올려놓는 적설판은 하부의 수분으로 인한 토양 침강 또는 융기 그리고 수목에 의해 관측오차가 발생되는 문제점을 도출하였으며, 이런 문제점을 해결하기 위해 자동적설관측장비용 고정식 적설판을 개발하였다.

Abstract ▼

Ⅳ. Research contents and results
1. Development of high resolution weather analysis and forecasting systems and its application in urban and rural areas
A. Development of the system to analyze and predict the risks by freezing and frost injuries in orchards
The topographical data of the LAP

Ⅳ. Research contents and results
1. Development of high resolution weather analysis and forecasting systems and its application in urban and rural areas
A. Development of the system to analyze and predict the risks by freezing and frost injuries in orchards
The topographical data of the LAPS analysis system, developed in 2010 (laps_1km) for the high resolution atmospheric analysis in agricultural fields have been updated by the data of National Geographic Information Institute with 10 m details. In addition, as the current regional model of KMA has been updated to Unified Model (UM) of the UK Met Office, the LAPS system has also been updated to utilize the UM data as the initial field and improved as a new LAPS system (laps_10m). We also analyzed the entire area of the Gyeongi province using KLAPS, developed by NIMR and compared it with the previous system. Three cases were tested: the Typhoon MEARI of June 2011, high temperature and humidity of August 2011, and anticyclone of October 2011. We extracted and validated surface temperature (t), relative humidity (rh), and wind vector (su, sv) from the analysis results of the 28 vertical layers.
In the case of temperature, the result analyzed using KLAPS showed the lowest RMSE (1.49) and the LAPS before improvement (laps_1km) showed the highest RMSE (4.93). The results of LAPS with improved topography in 2011 showed better RMSE (2.33). In the case of humidity, there was not much difference between the results before and after the improvement. The lowest RMSE (5.42) was resulted from LAPS with improved topography. In the case of wind speed, like the case of humidity, the results showed the lowest RMSE value (2.59) when the topographical features were improved to 10 m. In June, when Typhoon MEARI affected the climate, the errors were larger whereas they were smaller in October when anticyclones were developed.
With the basic analysis of KLAPS, the WRF model was able to predict the freezing and frost injuries. Starting the analysis at 18:00 everyday, it became possible to predict the area of orchards in the Yongmoon valley for 12 hour ahead with a resolution of 111 m within 2 hours and 30 minutes. These predicted results were compared with the temperature and wind observation at the four sites in the valley - Yeonsu-ri, Yangpyeong-gun, Gyeonggi-do from February to June 2011. Nocturnal cold air drainage, one of the causes of freezing and frost injuries, was observed. The error in the model and observation values was smaller in average at the beginning of the prediction (at 1-3hr) and it became larger as the prediction time passed.
B. The improvement and verification of the detailed urban climate analysis
For the precise analysis in the local climate analysis on a city scale, more detailed spatial information is necessary. Recent advances in satellite positioning and digital optic technologies made it possible to provide satellite images at a comparable resolution of airborne photography as input data. The impacts of these improvements on the analysis of CAS could be analyzed based on the high density surface observation and surface temperature from satellite images. In this study, the ultrahigh resolution topography, the earth’s surface and land cover models in the detailed research area (DR: the New Town in Eunpyeong-gu) were produced from the airborne LiDAR data and KOMPSAT-2 satellite visible image data. On the basis of these data, which describes in detail the inner structure of the urban areas such as buildings and vegetation, the city-scale temperature and wind were analyzed using MetPhoMod weather numerical model, and the comparison by season using the long-term temperature observation data and the comparison between the results in the model through intensive observations of temperature, humidity and wind were made. Also as a result of analysis of the surface temperature using the temperature and humidity observation data on the ground and the ASTER satellite visual image data, the improvement in the models of topography, ground surface and land cover not only reflects the actual condition, but it is found that we can make a detailed meterological analysis. The detailed meterological analysis of the CAS system is improved so that it can be compared by designating the yearly difference by detailed study area.
2. Development of models for bio- and medical meteorology
A. Detailed heat health warning system for Seoul and cold health models for large cities
When it comes to the detailed heat health warning system (HHWS) for Seoul, there were some cases when the high level of HHWS had weak statistical relationship with the observed excess mortality, depending on the characteristics of each district. However, it is considered that the classification according to the spatial specification was appropriately implemented as seen in the evaluation based on the frequency and spatial distribution of the warning levels during heat waves. The threshold values for the level of being ‘dangerous’ or ‘very dangerous’ by every zone were developed, and as a result of investigation into the cases of heat waves in summer of 2009 and 2010, the spatial distribution for each zone at the levels of being dangerous and very dangerous was reasonable.
The air masses, inducing cold spells and the number of excess deaths were analyzed and then health impact models were developed for Seoul, Busan, Incheon, and Daejon. The relationship between the mortality increase during cold waves were weaker than in the previous studies. The Seoul model showed winter excess deaths in two non-cold wave air mass types: MM and DM. Under the coldest winter air masses, when continental anticyclone expanded, such as DP, DP+, and MP air masses, they had rather weak correlations to mortality. The relationship was further investigated with daily
air quality and significant correlation between daily mortality and low air quality was found during DM and MM air mass days. It is considered that there was a synergism from the contribution of the density of air pollutant to the excess death rate during MM and DM air masses.
B. The development of basic models for assessing the impacts of the climate change on pollen allergy
Allergenic pollens can induce many kinds of allergy-related diseases such as allergic rhinitis, bronchial asthma, and allergic conjunctivitis. There observed an increasing number of patients with allergy. The effects of increasing CO2 on allergenicity of pollens are investigated in this study to yield basic models for the assessment of the impacts of the climate change on pollen allergy.
The long-term trend was analyzed by the quantitative change of pollens.
For the assessment of the impacts of the changes in pollen allergenicity, allergenic risk models were developed by applying the generalized linear mixed model based on daily severity of allergy of selected patients. The risk models analyze the factors that affect the severity of allergy mostly in Seoul and Busan. It was found that the alder and oak pollens caused major allergenic symptoms with some observed synergistic effects by pine pollens although the relationship depended on the regions in general.
Daily probability models, which predict the daily existence of pollens, were developed by applying the Logistic regression model based on the weather conditions for 6 regions (Seoul, Busan, Daegu, Gwangju, Gangneung, and Jeju). Major weather variables that affect the detection of pollen were average temperature, accumulated temperature, 7-day sunshine hours, and daily temperature difference.
Based on the models developed, the density of pollen is closely related to the weather conditions, which implies that the future climate change can greatly affect the change of pollen density. These basic models will help preparing the future changes in pollen allergy during the climate change.
3. Development of the world-leading instruments for observing meterological events
In developing the automatic cloud observation system (ACOS), the accuracy of software was evaluated in 2009 and the hardware was improved to reduce the size and weight in 2010. In 2011, an ACOS (ver. 3) was installed in Geochang observatory. The distance between the observation field for visual image acquisition and the laboratory for image processing was far in Geochang, As the distance becomes farther and farther, there can be errors caused by noise in the transfer of the recorded visual data and the calculation of the amount of clouds and the height of the cloud ceiling. So, a relay device was developed with success to solve this issue.
The weighing and drainage cross-modal precipitation measuring system was the first internationally patented technology in KMA. The trial product was manufactured in 2010. This weighing and drainage cross-modal precipitation measuring system was developed by genuine technology in Korea. Using the
patented duplex structure, automatic draining is possible so that the manual operation is minimized and performance is improvement. Also, in 2011 by the comparative observation with the previously operated precipitation measuring system (the 0.1mm-type inverted rain gauge, the 0.5 mm-type, MPS weighting rain gauge, and Pluvio weighting rain gauge), we attempted to complement the observational errors.
The research of soil sinking conducted (from July to October 2010) in ‘Study on the methods for enhancing the observation accuracy according to the automation of snow observation (II)’ drew some problems that the observational errors could arise from the sinking and uplifting of soil due to moisture beneath the snow measuring plate and the trees because the snow measuring plates are placed on soil without proper ground work as compared to the observation sensor installed on the groundwork. For these problems to be solved, the fixed snow measuring plate for automatic snow observation equipment was developed.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구보고서 ... 2
• 목차 ... 4
• 표 목차 ... 7
• 그림 목차 ... 10
• 요약문 ... 16
• Summary ... 26
• 제 1 장 서론 ... 40
• 제 1 절 연구 개발의 필요성 ... 40
• 제 2 절 연구 목표 및 내용 ... 43
• 제 2 장 초고해상도 기상분석 시스템 및 활용기술 개발 ... 47
• 제 1 절 초고해상도 농업기상 모델 활용 및 예측시스템 개발 ... 47
• 1. LAPS 기반 고해상도 농업기상 분석시스템 개선 ... 47
• (1) 2010년 개발된 LAPS 기반 고해상도 농업기상 분석시스템 ... 47
• (2) 2011년 개선된 고해상도 농업기상 분석시스템 ... 48
• 2. 개선된 초고해상도 분석 시스템 분석 결과 ... 50
• 3. KLAPS/WRF 기반 농업기상 예측시스템 구축 및 적용 ... 57
• (1) KLAPS 및 WRF 기반 농업기상 예측시스템 구축 ... 57
• (2) 예측 모형 검증을 위한 자료 확보 ... 59
• (3) 예측 모형 결과 ... 62
• 4. 연구결과 요약 ... 65
• 제 2 절 한독공동 도시기후분석 기술개발 ... 67
• 1. 도시기후영향분석 시스템 ... 67
• (1) 지형공간정보 개선 ... 67
• (2) 입력자료 개선 전.후의 기후분석 결과 ... 71
• (3) 위성 관측자료와 지상 온·습도 관측을 이용한 검증 ... 73
• 2. MetPhoMod 찬공기 흐름 검증을 위한 관측 ... 79
• (1) 은평구 찬공기 흐름 관측 수행 ... 79
• (2) 결과 ... 83
• 3. CAS 2.0 버전 ... 90
• (1) 일반적인 개선사항 ... 90
• (2) 향후 개선 사항 ... 91
• (3) 한국형 도시기후 분석 모델 구축을 위한 방법론 개선 ... 92
• 4. 도시 지역 관측 자료 분석 ... 93
• (1) SR 영역 도심지역-교외지역 열 환경 분석 ... 93
• (2) DR 영역에서 개발 전·후 열환경 분석 ... 97
• 5. 연구결과 요약 ... 103
• 제 3 장 생명.보건기상 응용모델 개발 ... 105
• 제 1 절 한미공동 대도시 고온건강경보 해상도 개선 ... 105
• 1. 서울시 고온건강경보 상세화 필요성 ... 105
• 2. 클러스터 분석을 통한 상세 도시고온건강지수 개발 ... 108
• 3. 연구결과 요약 ... 114
• 제 2 절 한파건강경보시스템 시험모델 개발 ... 115
• 1. 한파에 따른 보건기상정보의 필요성 ... 115
• 2. 연구 결과 및 고찰 ... 116
• 3. 연구 결과 요약 ... 129
• 제 3 절 기후변화 영향평가의 꽃가루 알레르기 변화 분석 기초모델 개발 ... 131
• 1. 꽃가루 알레르기 진단모델 개발의 필요성 ... 131
• 2. 꽃가루 장기추세 비교 ... 133
• 3. 지역별 일별 꽃가루 감지모델 개발 ... 138
• 4. 내원환자자료를 이용한 꽃가루 알레르기 위험도 모델개발 ... 150
• 5. 연구결과 요약 ... 157
• 제 4 장 세계선도 기상관측장비 개발 및 시험연구 ... 158
• 제 1 절 구름자동관측시스템(Ver. 3) 개발 및 구축 ... 158
• 1. 개요 ... 158
• 2. 시스템 구축현황 ... 159
• 3. 2011년 문산기상대 관측 결과 ... 163
• 4. 2011년도 신규 개발 장비 설치 및 특성 ... 168
• 5. 요약 및 토의 ... 171
• 제 2 절 무게-배수교차식 강수량계 시제품 개선 및 시범운영 ... 172
• 1. 개요 ... 172
• 2. 개발내용 ... 173
• 3. 시제품 개선 및 비교 관측 결과 ... 174
• 4. 요약 및 토의 ... 178
• 제 3 절 적설관측 자동화에 따른 관측정확도 향상방안 연구(III) ... 180
• 1. 개요 ... 180
• 2. 연구방법 ... 181
• 3. 결과 ... 184
• 4. 요약 및 토의 ... 187
• 제 5 장 요약 및 결론 ... 189
• 참고문헌 ... 195
• 부록 1 : 산업기상 응용모델 개발(III) ... 201
• 끝페이지 ... 397