KR101040595B1 - Method of estimating a atmospheric boundary layer height using a automatic weather system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합층고도를 산출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 간접적인 방법으로 혼합층고도를 산출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for calculating the mixed layer altitude, and more particularly, to a method for calculating the mixed layer altitude by an indirect method.

본 발명에 의한 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법은, 종관기상관측지점의 자동기상관측장비에서 측정된 종관기상관측자료와 상층기상관측자료를 수집하는 제1단계; 종관기상관측자료를 이용하여 간접적인 방법으로 느낌열플럭스를 산출하는 제2단계; 상기 상층기상관측자료와 제2단계에서 산출된 느낌열플럭스를 이용하여 간접적인 방법으로 혼합층고도를 산출하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Mixed layer altitude calculation method using the automatic weather observation equipment according to the present invention, the first step of collecting the longitudinal weather observation data and the upper meteorological observation data measured in the automatic weather observation equipment of the weather observation point; Calculating a feeling heat flux in an indirect manner using synoptic observation data; And a third step of calculating the mixed layer altitude by an indirect method using the upper layer weather observation data and the feeling heat flux calculated in the second step.

본 발명에 따르면, 종관기상관측자료만으로 우리나라 전역의 혼합층고도를 산출함으로써, 적은 비용과 인력으로 혼합층고도를 산출할 수 있는 효과가 있다. 또한, 간단한 방법으로 우리나라 전역의 혼합층고도를 시간별로 산출하여, 다방면의 환경문제를 개선하고 대처하는 입력 자료로 사용할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.According to the present invention, by calculating the mixed layer altitude of the whole country using only the observational observation data, there is an effect that can calculate the mixed layer altitude at a low cost and manpower. In addition, by using a simple method to calculate the altitude of the mixed layer throughout the country, there is an excellent effect that can be used as input data to improve and cope with various environmental problems.

혼합층고도, 대기경계층, 적분법, 종관기상관측자료, 자동기상관측장비 Mixed layer altitude, atmospheric boundary layer, integral method, synoptic observation data, automatic meteorological observation equipment

Description

자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법{METHOD OF ESTIMATING A ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER HEIGHT USING A AUTOMATIC WEATHER SYSTEM}METHODS OF ESTIMATING A ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER HEIGHT USING A AUTOMATIC WEATHER SYSTEM}

본 발명은 혼합층고도를 산출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 간접적인 방법으로 혼합층고도를 산출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for calculating the mixed layer altitude, and more particularly, to a method for calculating the mixed layer altitude by an indirect method.

일반적으로 혼합층(mixed layer)이란, 지면의 영향을 받는 대기층인 대기경계층의 한 부분으로서, 태양복사에 의한 하층대기의 가열에 의해 발생하는 대류와 바람의 연직 시어에 의한 난류에 의한 혼합, 즉 열적 혼합과 기계적 혼합으로 인해 대기가 연직적으로 혼합되어 있는 층을 말한다. 이러한 혼합층에서는 열, 운동량, 오염물질 등이 고도에 관계없이 일정하게 분포되기 때문에, 대기 안정도와 더불어 혼합층고도는 오염물질의 확산 및 수송을 크게 좌우하는 값이다. 따라서 대기오염물질의 영향을 알아보기 위해서는 혼합층고도에 대한 연구가 필수적이다.In general, a mixed layer is a part of an atmospheric boundary layer, which is an atmospheric layer influenced by the ground, and is mixed by convection generated by heating of lower layer atmosphere by solar radiation and turbulence by vertical shear of wind, that is, thermal A layer in which the atmosphere is vertically mixed due to mixing and mechanical mixing. In such a mixed layer, heat, momentum, pollutants, etc. are uniformly distributed regardless of the altitude, and thus the mixed layer altitude, together with atmospheric stability, is a value that greatly influences the diffusion and transport of pollutants. Therefore, the study on the mixed bed altitude is essential to investigate the effects of air pollutants.

대기경계층 내에서 혼합층고도는 태양복사에 의한 부력항과 바람에 의한 시어항에 의해 성장, 소멸하는 일변동을 반복한다. 따라서 현재까지 대기경계층의 혼합층고도를 측정하기 위해서는 지상관측지점에서 존데(sonde)센서를 비양하여, 존데로부터 5초 간격으로 관측한 온도, 온위, 바람 그리고 혼합비와 같은 기상요소 의 연직분포로부터 추정하여야 했다. 이때, 기온의 경우에는 연직변화율이 양에서 음의 값 또는 0으로 변하는 변곡점이나, 온위가 고도에 따라 변하지 않는 고도를 혼합층 고도로 정하였다.In the atmospheric boundary layer, the mixed layer altitude repeats the fluctuations of growth and disappearance by the buoyancy term by solar radiation and the sear term by wind. Therefore, in order to measure the mixed layer altitude of the atmospheric boundary layer to date, the sonde sensor has to be raised at the ground observation point and estimated from the vertical distribution of meteorological factors such as temperature, temperature, wind, and mixing ratio observed at 5 second intervals from the sonde. did. At this time, in the case of temperature, the inflection point at which the vertical change rate changes from positive to negative or zero, or the altitude where the temperature does not change with the altitude is determined as the mixed layer altitude.

그러나 존데를 이용하여 혼합층고도를 측정하는 방법은 그 측정지점이 좁기 때문에, 넓은 범위에 대한 혼합층고도를 측정함에 있어서 시간과 비용, 인력의 면에서 많은 투자가 필요하다는 단점이 있다.However, the method of measuring the mixed layer altitude using the sonde has a disadvantage that the measurement point is narrow, so that a lot of investment is required in terms of time, cost, and manpower in measuring the mixed layer altitude over a wide range.

따라서 적은 비용과 인력을 들여 넓은 지역의 혼합층고도를 정량적으로 산출하는 방법을 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다.Therefore, efforts are being made to develop methods for quantitatively calculating mixed layer altitudes in large areas at low cost and manpower.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 적은 비용과 인력을 이용하여 우리나라 전 지역의 혼합층고도를 산출하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been invented to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for calculating the mixed layer altitude of the entire region using a low cost and manpower.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법은, 종관기상관측지점의 자동기상관측장비에서 측정된 종관기상관측자료와 상층기상관측자료를 수집하는 제1단계; 종관기상관측자료를 이용하여 간접적인 방법으로 느낌열플럭스를 산출하는 제2단계; 상기 상층기상관측자료와 제2단계에서 산출된 느낌열플럭스를 이용하여 간접적인 방법으로 혼합층고도를 산출하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the method of calculating the mixed layer altitude using the automatic meteorological observation apparatus according to the present invention includes a first step of collecting the longitudinal meteorological observation data and the upper meteorological observation data measured by the automatic meteorological observation equipment at the longitudinal observation point. ; Calculating a feeling heat flux in an indirect manner using synoptic observation data; And a third step of calculating the mixed layer altitude by an indirect method using the upper layer weather observation data and the feeling heat flux calculated in the second step.

이때, 제1단계에서 수집된 상층기상관측자료가 존데센서를 이용하여 측정된 값일 수 있다.In this case, the upper weather observation data collected in the first step may be a value measured by using the sonde sensor.

그리고 제2단계에서 느낌열플럭스를 산출하는 간접적인 방법이 PMM(Penman Monteith Method)일 수 있으며, 제3단계에서 혼합층고도를 산출하는 간접적인 방법이 적분법일 수 있다.In addition, the indirect method for calculating the feeling heat flux in the second step may be the Penman Monteith Method (PMM), and the indirect method for calculating the mixed layer altitude in the third step may be an integration method.

본 발명에 따르면, 종관기상관측자료만으로 우리나라 전역의 혼합층고도를 산출함으로써, 적은 비용과 인력으로 혼합층고도를 산출할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by calculating the mixed layer altitude of the whole country using only the observational observation data, there is an effect that can calculate the mixed layer altitude at a low cost and manpower.

또한, 간단한 방법으로 우리나라 전역의 혼합층고도를 시간별로 산출하여, 다방면의 환경문제를 개선하고 대처하는 입력 자료로 사용할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.In addition, by using a simple method to calculate the altitude of the mixed layer throughout the country, there is an excellent effect that can be used as input data to improve and cope with various environmental problems.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 의한 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법은, 제1단계로 종관기상관측자료를 수집한다. 기상청(KMA)에서 운영하는 68개의 종관기상관측지점(ASOS, automatic synoptic observation station)은 국지 기상 주전산시스템과 네트워크로 연결되어, 실시간으로 수집된 기상자료를 국지 기상 주전산기에서 데이터베이스화 하여 제공하고 있다. 이러한 종관기상관측 지점의 평균 공간분해능은 약 60km 정도이며, 본 발명과 관련된 자료는 표 1과 같다.Mixed layer altitude calculation method using the automatic weather observation equipment according to the present invention, the first stage collects the observation weather observation data. 68 ASOS (automatic synoptic observation stations) operated by the Korea Meteorological Administration (KMA) are networked with the local meteorological main computational system, providing a database of the local meteorological data collected in real time. The average spatial resolution of these synoptic observation points is about 60 km, and the data related to the present invention are shown in Table 1.

[표 1]TABLE 1

측정자료(단위)Measurement data (unit) 측정고도Measurement altitude 측정간격Measuring interval 온도(℃)Temperature (℃) 1.5m1.5m

1 시간

1 hours 상대습도(%)Relative Humidity (%) 1.5m1.5m 풍속 및 방향Wind speed and direction 10m10 m 구름의 양Amount of clouds -- 태양 복사량(Wm-1)Solar radiation (Wm -1 ) 2m2 m 지중온도(℃)Underground temperature (℃) 0m0m

그리고 상기 지표면의 데이터 외에 혼합층 상부의 관측자료를 추가적으로 수집하여야 하며, 본 발명에서는 존데센서를 이용하여 측정된 값을 사용한다. 특히 오존존데를 비양할 때 부가적으로 관측되는 연직기온, 습도, 기압 및 고도자료를 이용할 수 있으며, 이러한 오존존데는 매주 1회 비양하고 있다.In addition to the data on the ground surface, additional observation data on the mixed layer should be collected. In the present invention, a value measured using a sonde sensor is used. In particular, additional vertical temperature, humidity, barometric pressure, and altitude data can be used to fertilize ozone sode, and such ozone soda is fertilized once a week.

본 발명의 혼합층고도 산출방법은 우리나라 전 지역에 걸쳐서 한 시간마다 수집되는 종관기상관측자료를 사용하며, 상층 기상에 대한 관측자료는 일주일에 한번 수집되는 존데의 부수적인 데이터를 이용하기 때문에 적은 비용과 인력으로 우리나라 전역의 혼합층고도를 산출할 수 있다.The mixed layer altitude calculation method of the present invention uses synoptic observation data collected every hour over the entire region of Korea, and observation data for upper meteorological data is low cost because it uses subsidiary data of Sonde collected once a week. It is possible to calculate the mixed layer altitudes across Korea by manpower.

본 발명의 제2단계에서는 지상관측자료를 이용하여 간접적인 방법으로 느낌열플럭스를 산출한다. 대기경계층 하부인 지표층에서의 난류운동으로 인한 열과 운동량의 상태를 파악하기 위해서는 느낌열플럭스가 고려되어야 한다. 느낌열플럭스는 빛의 성질을 이용한 신틸로미터와 음파를 통한 통계적인 방법을 이용한 초음파풍속계를 이용하여 직접적으로 측정될 수 있을 뿐만 아니라, 간접적인 방법으로 산출될 수도 있다.In the second step of the present invention, the ground heat data is used to calculate the feeling heat flux in an indirect manner. In order to understand the state of heat and momentum due to turbulent motion in the surface layer below the atmospheric boundary layer, the feeling heat flux should be considered. The feeling heat flux can be measured not only directly by using a scintometer using the properties of light and by using an ultrasonic anemometer using statistical methods through sound waves, but also by indirect methods.

본 발명에서는 간접적으로 느낌열플럭스를 산출하며, 특히 PMM(Penman-Monteith Method)를 사용한다. PMM은 한 고도의 기온과 습도 그리고 풍속자료만으로 접지층의 난류운동을 기술할 수 있는 장점이 있으며, 이는 본 발명에서 자료로 삼고 있는 종관기상관측자료를 이용할 수 있음을 나타낸다.In the present invention indirectly calculate the feeling heat flux, in particular using the Penman-Monteith Method (PMM). PMM has the advantage of describing turbulent motion of the ground layer with only one temperature, humidity, and wind speed data, which indicates that it is possible to use synoptic observation data used as data in the present invention.

이하에서 PMM을 통하여 느낌열플럭스를 산출하는 방법을 간략히 살펴본다.Hereinafter, a brief description will be made of a method of calculating the feeling heat flux through PMM.

PMM으로 느낌열플럭스 산출하기 위하여 먼저 다음의 식을 이용하여

Figure 112009006111675-pat00001
와
Figure 112009006111675-pat00002
를 구한다. To calculate the feeling heat flux in PMM, first use the following equation.
Figure 112009006111675-pat00001
Wow
Figure 112009006111675-pat00002
.

[수식1][Equation 1]

Figure 112009006111675-pat00003
Figure 112009006111675-pat00003

[수식2][Equation 2]

Figure 112009006111675-pat00004
Figure 112009006111675-pat00004

Figure 112009006111675-pat00005
는 마찰속도이며,
Figure 112009006111675-pat00006
는 공기역학저항으로, 운동량, 열 등의 전달에 대한 저항을 의미하는 값이다.
Figure 112009006111675-pat00007
는 데이터를 측정한 고도이고,
Figure 112009006111675-pat00008
는 마찰길이(m)로 0.03m 이며,
Figure 112009006111675-pat00009
는
Figure 112009006111675-pat00010
고도에서의 풍속자료로, 일반적으로 10m 높이에서 측정된 풍속자료를 이용한다.
Figure 112009006111675-pat00011
는 폰카르만(von karman)상수로 0.4의 값을 사용하고,
Figure 112009006111675-pat00012
은 오브코프(Obukhov)길이이며,
Figure 112009006111675-pat00013
과
Figure 112009006111675-pat00014
는 각각 운동량플럭스와 느낌열플럭스에 대한 안정도 보정함수이다.
Figure 112009006111675-pat00005
Is the friction rate,
Figure 112009006111675-pat00006
Is aerodynamic resistance, which means resistance to the transfer of momentum and heat.
Figure 112009006111675-pat00007
Is the altitude of the data measured,
Figure 112009006111675-pat00008
Is the friction length (m) of 0.03m,
Figure 112009006111675-pat00009
Is
Figure 112009006111675-pat00010
For wind speed data at altitude, wind speed data usually measured at a height of 10 m are used.
Figure 112009006111675-pat00011
Uses a value of 0.4 for the von karman constant,
Figure 112009006111675-pat00012
Is the length of Obukhov,
Figure 112009006111675-pat00013
and
Figure 112009006111675-pat00014
Are stability correction functions for momentum flux and feeling heat flux, respectively.

한편,

Figure 112009006111675-pat00015
은 임의의 고도에서의 모닌-오브코프(Monin-Obukhov) 안정도 매개변수로서, 시어(shear)생성에 대한 부력생성의 상대적 중요성을 나타내는 열적 안정도이다.
Figure 112009006111675-pat00016
이면 부력에 의해 난류가 생성되어 대기경계층이 불안정한 상 태이고,
Figure 112009006111675-pat00017
이면 난류에 의한 부력이 소멸되어 대기경계층이 안정한 상태이다. 그리고
Figure 112009006111675-pat00018
이면 부력효과가 대기구조와 역학에 거의 영향을 미치지 않은 중립상태를 나타낸다. Meanwhile,
Figure 112009006111675-pat00015
Is the thermal stability of the Monin-Obukhov stability parameter at any altitude, indicating the relative importance of buoyancy for shear generation.
Figure 112009006111675-pat00016
The turbulence is generated by the buoyancy and the atmospheric boundary layer is unstable.
Figure 112009006111675-pat00017
In this case, the buoyancy caused by turbulence disappears and the atmospheric boundary layer is stable. And
Figure 112009006111675-pat00018
The buoyancy effect is neutral, with little effect on atmospheric structure and dynamics.

수식1과 수식2의 값을 구하기 위하여, 먼저 중립적인 조건을 가정한다. 중립적인 조건에서는

Figure 112009006111675-pat00019
이 무한대의 값을 갖게 되고, 따라서
Figure 112009006111675-pat00020
과
Figure 112009006111675-pat00021
을 포함하는 성분은 각각 0으로 취급된다. 또한,
Figure 112009006111675-pat00022
고도에서의 풍속을 0으로 가정하고
Figure 112009006111675-pat00023
고도에서의 풍속자료인
Figure 112009006111675-pat00024
를 대입한다. 이러한 값을 수식1과 수식2에 대입하여
Figure 112009006111675-pat00025
와
Figure 112009006111675-pat00026
를 산출한다.In order to find the values of Equations 1 and 2, first, a neutral condition is assumed. In neutral conditions
Figure 112009006111675-pat00019
Will have this infinity, so
Figure 112009006111675-pat00020
and
Figure 112009006111675-pat00021
Each component containing is treated as zero. Also,
Figure 112009006111675-pat00022
Assume that the wind speed at altitude is zero
Figure 112009006111675-pat00023
Wind speed data at altitude
Figure 112009006111675-pat00024
Replace with. Substituting these values into Equation 1 and Equation 2
Figure 112009006111675-pat00025
Wow
Figure 112009006111675-pat00026
Calculate

이렇게 중립조건을 가정하여 산출한

Figure 112009006111675-pat00027
와
Figure 112009006111675-pat00028
를 일반화된 PMM인 다음의 수식에 대입하여 중립조건의 느낌열플럭스(
Figure 112009006111675-pat00029
)를 산출한다.Thus, assuming neutral conditions
Figure 112009006111675-pat00027
Wow
Figure 112009006111675-pat00028
Is substituted for the generalized PMM by the following equation.
Figure 112009006111675-pat00029
) Is calculated.

[수식3][Equation 3]

Figure 112009006111675-pat00030
Figure 112009006111675-pat00030

이때,

Figure 112009006111675-pat00031
이며,
Figure 112009006111675-pat00032
는 공기의 정압비열로 1004JKkg-1이고,
Figure 112009006111675-pat00033
는 대기중의 기압이고,
Figure 112009006111675-pat00034
는 물의 증발잠열로 2.5x106Jkg-1이다. At this time,
Figure 112009006111675-pat00031
Is,
Figure 112009006111675-pat00032
Is 1004JKkg -1 as the constant pressure of air
Figure 112009006111675-pat00033
Is the atmospheric pressure,
Figure 112009006111675-pat00034
Is the latent heat of evaporation of water at 2.5x10 6 Jkg -1 .

Figure 112009006111675-pat00035
는 잎의 기공에 관한 저항값으로, 토양의 습윤상태와 계절변화에 따라 식생의 기공상태를 경험식으로 적용한다.
Figure 112009006111675-pat00036
는 공기역학저항을 의미하며,
Figure 112009006111675-pat00037
는 기후적인 저항을 의미한다.
Figure 112009006111675-pat00038
는 온도곡선에 대한 포화수증기압 기울기를 나타내는 경험식이며,
Figure 112009006111675-pat00039
는 태양복사에너지로 기인하는 가용에너지이다.
Figure 112009006111675-pat00035
Is the resistance value of the pore of the leaf, and the pore state of vegetation is applied empirically according to the wet state of the soil and the change of season.
Figure 112009006111675-pat00036
Means aerodynamic resistance,
Figure 112009006111675-pat00037
Means climatic resistance.
Figure 112009006111675-pat00038
Is an empirical equation representing the gradient of saturated steam pressure over a temperature curve.
Figure 112009006111675-pat00039
Is available energy due to solar radiation.

각 항을 수식 3에 대입하여 느낌열플럭스를 산출한다. 그리고 중립조건에서 산출된 마찰속도와 느낌열플럭스를 다음의 수식에 대입하여 오브코프길이를 산출한다.Substitute each term into Eq. 3 to calculate the feeling heat flux. The length of the obcorp is calculated by substituting the frictional velocity and the feeling heat flux calculated in the neutral condition as follows.

[수식4][Equation 4]

Figure 112009006111675-pat00040
Figure 112009006111675-pat00040

수식4에서

Figure 112009006111675-pat00041
는 중력가속도이고,
Figure 112009006111675-pat00042
는 지면온도와 1.5m 높이에서 측정된 기온을 평균한 온도이다.In Equation 4
Figure 112009006111675-pat00041
Is the acceleration of gravity,
Figure 112009006111675-pat00042
Is the average of the ground temperature and the temperature measured at a height of 1.5 m.

다음으로 앞서 구한 값들에 대하여 안정도를 고려하기 위하여 안정도 보정함수를 적용한다.Next, the stability correction function is applied to consider the stability of the previously obtained values.

Figure 112009006111675-pat00043
인 경우, 즉,
Figure 112009006111675-pat00044
이 0보다 크거나 같은 경우에, 안정도 보정함수 는 다음과 같다.
Figure 112009006111675-pat00043
, That is,
Figure 112009006111675-pat00044
If this is greater than or equal to 0, the stability correction function is

[수식5][Equation 5]

Figure 112009006111675-pat00045
Figure 112009006111675-pat00045

그리고

Figure 112009006111675-pat00046
인 경우, 즉,
Figure 112009006111675-pat00047
이 0보다 작은 경우에, 안정도 보정함수는 다음과 같다.And
Figure 112009006111675-pat00046
, That is,
Figure 112009006111675-pat00047
If this is less than zero, the stability correction function is

[수식6][Equation 6]

Figure 112009006111675-pat00048
Figure 112009006111675-pat00048

수식6에서

Figure 112009006111675-pat00049
이다. In Equation 6
Figure 112009006111675-pat00049
to be.

이렇게 구해진 운동량플럭스와 열플럭스에 대한 보정함수를 이용하여, 다시 수식1 내지 수식8을 반복함으로써 안정도를 고려한 마찰속도, 느낌열플럭스 및 오브코프길이를 산출할 수 있다.By using the correction functions for the momentum flux and the heat flux thus obtained, it is possible to calculate the frictional speed, the feeling heat flux, and the ofcope length in consideration of stability by repeating Equations 1 to 8 again.

본 발명의 제3단계에서는 제2단계에서 산출된 느낌열플럭스를 이용하여 혼합층고도를 간접적으로 산출한다.In the third step of the present invention, the mixed layer altitude is indirectly calculated using the feeling heat flux calculated in the second step.

대기경계층내의 혼합층고도는 대기안정도와 지표면 플럭스에 의해 좌우된다. 대기경계층 내 혼합은 한낮에 태양복사에 의한 지표면 가열로 상향하는 느낌열플럭스에 의해 난류와 대류의 수송을 활발하게 촉진시킨다. 열학적인 방법에 기초할 때 역학적인 난류의 역할은 무시되는 것이 일반적이며, 이를 이용하여 혼합층고도 모의할 수 있다. 불안정한 대기의 경우에 열역학적인 방법으로 모의한 혼합층고도가 관측결과의 80~90%를 설명할 수 있다. 이러한 방법으로 시간변화에 따른 혼합층고도의 일변화는 다음의 식으로 산출될 수 있다.The mixed layer altitude in the atmospheric boundary layer depends on the atmospheric stability and the surface flux. The mixing in the atmospheric boundary layer actively promotes the transport of turbulence and convection by the sensational heat flux upwards to the surface heating by solar radiation at midday. It is common to ignore the role of dynamic turbulence when based on thermal methods, which can also be used to simulate mixed bed altitudes. In the case of unstable atmospheres, the mixed bed elevation simulated by thermodynamic methods can account for 80-90% of the observations. In this way, the daily change of the mixed layer altitude over time can be calculated by the following equation.

[수식7][Equation 7]

Figure 112009006111675-pat00050
Figure 112009006111675-pat00050

Figure 112009006111675-pat00051
는 혼합층상부의 온위경도 또는 기온감율로, 상층기상관측 자료로 구할 수 있다.
Figure 112009006111675-pat00052
는 종관기상관측 자료를 PMM으로 산출한 느낌열플럭스, 즉 지표면의 느낌열플럭스이고,
Figure 112009006111675-pat00053
는 혼합층고도에서의 느낌열플럭스 이다.
Figure 112009006111675-pat00051
Is the temperature gradient or temperature reduction of the upper part of the mixed layer, and can be obtained from upper weather observation data.
Figure 112009006111675-pat00052
Is the heat-excitation heat flux calculated from the PMM as PMM.
Figure 112009006111675-pat00053
Is the felt heat flux at the mixed layer altitude.

풍속이 약한 대류의 경우에 지표면에서 방출되는 느낌열플럭스가 고도에 따라 선형적으로 감소한다고 가정하면, 혼합층 꼭대기에서의 느낌열플럭스를

Figure 112009006111675-pat00054
와 같이 매개변수화 할 수 있으며, 이를 대입하고 수식7을 적분하면 다음과 같이 표현할 수 있다.If we assume that the exothermic heat flux emitted from the surface decreases linearly with altitude in the case of convective wind speeds, the exothermic heat flux at the top of the mixed bed
Figure 112009006111675-pat00054
It can be parameterized as follows. Substituting it and integrating Equation 7 can be expressed as follows.

[수식8][Equation 8]

Figure 112009006111675-pat00055
Figure 112009006111675-pat00055

수식8에서

Figure 112009006111675-pat00056
는 혼합층 상부의 온위경도로서, 상층기상관측 자료로부터 구할 수 있다.
Figure 112009006111675-pat00057
는 존데센서로 측정한 혼합층고도이고,
Figure 112009006111675-pat00058
는 느낌열플럭스를 산출하는 초기 시간이며,
Figure 112009006111675-pat00059
는 느낌열플럭스를 산출하는 종료시간이다. 유입계수 C는 종관기상관측 자료와 상층기상관측 자료로부터 계산이 가능한 값이다. 유입계수는 지면과 혼합층간사이에 발생하는 느낌열플럭스의 기울기를 의미하는 것이며, 혼합층고도에서 느낌열플럭스를 0으로 가정하고 지면에서 산출된 느낌열플럭스를 이용하여 기울기를 구한다. 도 1은 유입계수 C와 혼합층고도(a) 및 느낌열플럭스(b)의 관계를 나타내는 그래프이다.In Equation 8
Figure 112009006111675-pat00056
Is the temperature gradient of the upper part of the mixed layer and can be obtained from the upper layer weather observation data.
Figure 112009006111675-pat00057
Is the mixed bed altitude measured by the sonde sensor,
Figure 112009006111675-pat00058
Is the initial time to calculate the feeling heat flux,
Figure 112009006111675-pat00059
Is the end time for calculating the feeling heat flux. The inflow coefficient C is a value that can be calculated from the CIR data and the upper weather data. The inflow coefficient refers to the slope of the felt heat flux generated between the ground and the mixed bed, and it is assumed that the felt heat flux is 0 at the mixed layer altitude, and the slope is calculated using the felt heat flux calculated from the ground. 1 is a graph showing the relationship between the inflow coefficient C, the mixed bed altitude (a) and the feel heat flux (b).

수식8의 적분기호는 관측시작 시간과 종료시간의 합이므로, 제2단계에서 PMM으로 산출한 지표층의 느낌열플럭스를 대입하면, 시간변화와 안정도에 따른 혼합층고도를 다음의 식으로 표현할 수 있다.Since the integrator of Equation 8 is the sum of the observation start time and the end time, the mixed layer altitude according to the time change and the stability can be expressed by the following equation by substituting the feeling heat flux of the surface layer calculated by PMM in the second step.

[수식9][Equation 9]

Figure 112009006111675-pat00060
Figure 112009006111675-pat00060

이상에서 설명한 방법을 적분법이라고 하며, 종관기상관측자료를 통해 산출 한 느낌열플럭스를 이용하면 우리나라 어느 곳에 대하여도 정규기상관측자료만으로 매시간의 혼합층고도를 산출할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법의 효과를 살펴보도록 한다.The method described above is called an integral method, and using the sensation heat flux calculated through synoptic observation data, it is possible to calculate the mixed layer altitude of the hour using only regular meteorological observation data in any place in Korea. Hereinafter, look at the effect of the mixed layer altitude calculation method using the automatic weather observation equipment of the present invention.

도 2는 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도를 나타내는 그래프이다. 도 2(a)는 2005년 1월 5일에 측정된 데이터를 이용한 것이고, 도 2(b)는 2005년 6월 20일에 측정된 데이터를 이용한 것이며, 도 2(c)는 2005년 6월 25일에 측정된 데이터를 이용한 것이다. 본 발명을 사용하는 경우 매시간별로 혼합층의 높이를 산출할 수 있지만, 존데센서를 이용한 관측은 오전 9시와 오후 3시의 두 차례 실시한 데이터를 표시하였다. 본 발명의 혼합층고도 산출방법에서 추정된 혼합층고도는 오전에 발달하여 오후 3시 무렵 수 km까지 발달하다가, 일몰 후 복사냉각으로 인해 열적난류가 억제되는 일변동을 정확하게 나타냄을 알 수 있다.2 is a graph showing the mixed layer elevation calculated by the present invention. FIG. 2 (a) uses data measured on January 5, 2005, FIG. 2 (b) uses data measured on June 20, 2005, and FIG. 2 (c) shows June 2005. The data measured on day 25 were used. In the case of using the present invention, the height of the mixed layer can be calculated every hour, but the observation using the sonde sensor shows data performed twice at 9 am and 3 pm. The mixed layer altitude estimated by the mixed layer altitude calculation method of the present invention is developed in the morning and develops up to several km at about 3 pm, and it can be seen that the sun fluctuations due to radiative cooling after sunset are accurately represented.

도 3은 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도와 존데로 관측한 값을 비교한 그래프이다. 대체적으로 맑고 구름이 적은 날을 선택하여 혼합층고도를 비교하였다. 혼합층고도가 1.85km이상으로 관측된 경우(원으로 표시된 부분)에, 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도는 측정값에 비하여 다소 큰 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도는 열적난류항만으로 추정된 결과로 보이며, 이를 통하여 본 발명의 혼합층고도 산출방법의 한계값은 1.85km 이하인 것으로 판단할 수 있다.3 is a graph comparing mixed layer altitudes calculated by the present invention and values observed with sonde. In general, the mixed layer elevations were selected by selecting sunny days with few clouds. When the mixed layer altitude is observed to be 1.85 km or more (parts indicated by circles), it can be seen that the mixed layer altitude calculated by the present invention is somewhat larger than the measured value. The mixed layer altitude calculated by the present invention seems to be estimated by the thermal turbulence port, and through this, the limit value of the mixed layer altitude calculation method of the present invention may be determined to be 1.85 km or less.

도 4는 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도와 존데로 관측한 값의 상관관계를 나타내기 위하여 월별로 평균한 혼합층고도를 표시한 그래프이다. 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도와 존데로 관측한 혼합층고도는 0.79이상의 상관관계를 보여, 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도를 이용하는 것이 가능함을 보여준다.4 is a graph showing the mixed layer altitude averaged on a monthly basis to show a correlation between the mixed layer altitude calculated by the present invention and the value observed by sonde. The mixed layer altitude calculated by the present invention and the mixed layer altitude observed by sonde show a correlation of 0.79 or more, indicating that it is possible to use the mixed layer altitude calculated by the present invention.

도 5는 본 발명의 혼합층고도 산출방법을 이용하여 우리나라 전 지역을 대상으로 산출한 혼합층고도를 나타내는 도면이다. 임의로 추출한 2008년 9월 7일(a), 8일(b) 및 9일(c) 오후 12시와 3시에 측정데이터를 이용하여 산출하였으며, 관측지점의 지형을 고려하였다. 우리나라 대기경계층의 혼합층고도는 지형에 종속됨을 알 수 있다. 5 is a diagram illustrating a mixed layer altitude calculated for all regions of Korea using the mixed layer altitude calculation method of the present invention. The data were randomly calculated using the measured data at 12 pm and 3 pm on September 7, 2008 (a), 8 (b) and 9 (c). It can be seen that the mixed layer altitude of the atmospheric boundary layer in Korea depends on the terrain.

이상과 같이 본 발명의 혼합층고도 산출방법을 이용하면, 우리나라 전역의 혼합층고도를 산출하여 다방면의 환경문제를 개선하고 대처하는 입력자료로 활용함을 알 수 있다.As described above, when the mixed layer elevation calculation method of the present invention is used, it is understood that the mixed layer elevation is calculated as the input data for improving and coping with various environmental problems.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments. However, the present invention is not limited only to the above-described embodiment, and those skilled in the art to which the present invention pertains can make various changes without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the specific embodiments, but should be construed as defined by the appended claims.

도 1은 유입계수 C와 혼합층고도 및 느낌열플럭스의 관계를 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the relationship between the inflow coefficient C and the mixed bed altitude and the feel heat flux.

도 2는 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the mixed layer elevation calculated by the present invention.

도 3은 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도와 존데로 관측한 값을 비교한 그래프이다.3 is a graph comparing mixed layer altitudes calculated by the present invention and values observed with sonde.

도 4는 본 발명에 의하여 산출된 혼합층고도와 존데로 관측한 값의 상관관계를 나타내기 위하여 월별로 평균한 혼합층고도를 표시한 그래프이다.4 is a graph showing the mixed layer altitude averaged on a monthly basis to show a correlation between the mixed layer altitude calculated by the present invention and the value observed by sonde.

도 5는 본 발명의 혼합층고도 산출방법을 이용하여 우리나라 전 지역을 대상으로 산출한 혼합층고도를 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating a mixed layer altitude calculated for all regions of Korea using the mixed layer altitude calculation method of the present invention.

Claims (4)

종관기상관측지점의 자동기상관측장비에서 측정된 종관기상관측자료와 상층기상관측자료를 수집하는 제1단계;A first step of collecting the weather observation data and the upper weather observation data measured by the automatic weather observation equipment at the observation weather point; 종관기상관측자료를 이용하여 느낌열플럭스를 산출하는 제2단계;A second step of calculating the feeling heat flux using the synoptic observation data; 상기 상층기상관측자료와 제2단계에서 산출된 느낌열플럭스를 이용하여 혼합층고도를 산출하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법.And a third step of calculating a mixed layer altitude using the upper layer meteorological observation data and the feeling heat flux calculated in the second step. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1단계에서 수집된 상층기상관측자료가 존데센서를 이용하여 측정된 값인 것을 특징으로 하는 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법.Mixed layer elevation calculation method using the automatic meteorological observation equipment, characterized in that the upper layer meteorological observation data collected in the first step is a value measured using a sonde sensor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2단계에서 느낌열플럭스를 산출하는 방법이 PMM(Penman Monteith Method)이며,In the second step, the method for calculating the feeling heat flux is a PMN (Penman Monteith Method), 상기 PMM은 상기 1단계에서 수집된 종관기상관측자료를The PMM collects the synoptic observation data collected in the first step. 수식
Figure 112010087297817-pat00066
와 Equation
Figure 112010087297817-pat00066
Wow 수식
Figure 112010087297817-pat00067
에 적용하되,
Figure 112010087297817-pat00068
는 데이터를 측정한 고도이고,
Figure 112010087297817-pat00069
는 마찰길이(m)로 0.03m 이며,
Figure 112010087297817-pat00070
는
Figure 112010087297817-pat00071
고도에서의 풍속자료로서 10m 높이에서 측정된 풍속자료이고,
Figure 112010087297817-pat00072
는 폰카르만(von karman)상수로 0.4의 값을 사용하고,
Figure 112010087297817-pat00073
은 오브코프(Obukhov)길이이고,
Figure 112010087297817-pat00074
과
Figure 112010087297817-pat00075
는 각각 운동량플럭스와 느낌열플럭스에 대한 안정도 보정함수이며,
Figure 112010087297817-pat00076
인 조건을 적용하여 마찰속도(
Figure 112010087297817-pat00077
)와 공기역학저항(
Figure 112010087297817-pat00078
)을 구하는 2-1단계;Equation
Figure 112010087297817-pat00067
Apply to,
Figure 112010087297817-pat00068
Is the altitude of the data measured,
Figure 112010087297817-pat00069
Is the friction length (m) of 0.03m,
Figure 112010087297817-pat00070
Is
Figure 112010087297817-pat00071
Wind speed data at altitude, measured at 10m height,
Figure 112010087297817-pat00072
Uses a value of 0.4 for the von karman constant,
Figure 112010087297817-pat00073
Is the length of Obukhov,
Figure 112010087297817-pat00074
and
Figure 112010087297817-pat00075
Are stability correction functions for momentum flux and feeling heat flux, respectively.
Figure 112010087297817-pat00076
By applying the conditions of
Figure 112010087297817-pat00077
) And aerodynamic resistance
Figure 112010087297817-pat00078
Step 2-1; 2-1단계에서 구해진 공기역학저항(
Figure 112010087297817-pat00079
)을Aerodynamic resistance obtained in step 2-1
Figure 112010087297817-pat00079
)of 수식
Figure 112010087297817-pat00080
에 적용하되,
Figure 112010087297817-pat00081
이며,
Figure 112010087297817-pat00082
는 공기의 정압비열로 1004JKkg-1이고,
Figure 112010087297817-pat00083
는 대기중의 기압이고,
Figure 112010087297817-pat00084
는 물의 증발잠열로 2.5x106Jkg-1이며,
Figure 112010087297817-pat00085
는 잎의 기공에 관한 저항값으로 토양의 습윤상태와 계절변화에 따라 식생의 기공상태를 경험식으로 적용하고,
Figure 112010087297817-pat00086
는 기후적인 저항을 의미하며,
Figure 112010087297817-pat00087
는 온도곡선에 대한 포화수증기압 기울기를 나타내는 경험식이며,
Figure 112010087297817-pat00088
는 태양복사에너지로 기인하는 가용에너지를 적용하여 느낌열플럭스(
Figure 112010087297817-pat00089
)를 산출하는 2-2단계; 및Equation
Figure 112010087297817-pat00080
Apply to,
Figure 112010087297817-pat00081
Is,
Figure 112010087297817-pat00082
Is 1004JKkg -1 as the constant pressure of air
Figure 112010087297817-pat00083
Is the atmospheric pressure,
Figure 112010087297817-pat00084
Is the latent heat of evaporation of water 2.5x10 6 Jkg -1
Figure 112010087297817-pat00085
Is the resistance value of the pore of leaves, and the pore state of vegetation is applied empirically according to the wet state of the soil and the change of season.
Figure 112010087297817-pat00086
Means climatic resistance,
Figure 112010087297817-pat00087
Is an empirical equation representing the gradient of saturated steam pressure over a temperature curve.
Figure 112010087297817-pat00088
Is applied to the available heat from the solar radiation energy
Figure 112010087297817-pat00089
Calculating step 2-2; And 2-1단계에서 구해진 마찰속도(
Figure 112010087297817-pat00090
)와 2-2단계에서 구해진 느낌열플럭스(
Figure 112010087297817-pat00091
)를Friction velocity obtained in step 2-1
Figure 112010087297817-pat00090
) And the feeling heat flux obtained in step 2-2
Figure 112010087297817-pat00091
) 수식
Figure 112010087297817-pat00092
에 적용하되,
Figure 112010087297817-pat00093
는 중력가속도이고,
Figure 112010087297817-pat00094
는 지면온도와 1.5m 높이에서 측정된 기온을 평균한 온도를 적용하여 오브코프길이(
Figure 112010087297817-pat00095
)를 산출하는 2-3단계;Equation
Figure 112010087297817-pat00092
Apply to,
Figure 112010087297817-pat00093
Is the acceleration of gravity,
Figure 112010087297817-pat00094
Is the average of the ground temperature and the temperature measured at a height of 1.5 m.
Figure 112010087297817-pat00095
2-3) calculating; 2-3단계에서 구해진 오브코프길이(
Figure 112010087297817-pat00096
)가 0보다 크거나 같은 경우에는
Figure 112010087297817-pat00097
를 안정도 보정함수로 선택하고, 오브코프길이(
Figure 112010087297817-pat00098
)가 0보다 작은 경우에는
Figure 112010087297817-pat00099
와
Figure 112010087297817-pat00100
를 안정도 보정함수로 선택하되,
Figure 112010087297817-pat00101
를 적용하는 2-4단계; 및 Obkov length obtained in steps 2-3
Figure 112010087297817-pat00096
) Is greater than or equal to 0
Figure 112010087297817-pat00097
Is selected as the stability correction function, and the
Figure 112010087297817-pat00098
) Is less than 0
Figure 112010087297817-pat00099
Wow
Figure 112010087297817-pat00100
As the stability correction function,
Figure 112010087297817-pat00101
Applying 2-4 steps; And 상기 2-4단계에서 선택된 안정도 보정함수와 상기 2-1 내지 2-4단계서 구한 값들을 상기 2-1단계의 수식에 적용하여 마찰속도(
Figure 112010087297817-pat00102
)와 공기역학저항(
Figure 112010087297817-pat00103
)을 구하고, 상기 2-2단계 내지 2-3단계를 반복하여 느낌열플럭스를 산출하는 2-5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법.By applying the stability correction function selected in step 2-4 and the values obtained in steps 2-1 to 2-4 to the equation of step 2-1,
Figure 112010087297817-pat00102
) And aerodynamic resistance
Figure 112010087297817-pat00103
) And 2-5 to calculate the feeling heat flux by repeating the steps 2-2 to 2-3, the method of calculating the mixed layer altitude using the automatic weather observation equipment. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제3단계에서 혼합층고도를 산출하는 방법이 적분법이며,In the third step, the method of calculating the mixed layer altitude is an integral method, 상기 적분법은, The integration method is 수식
Figure 112010087297817-pat00104
로 구해지며,
Figure 112010087297817-pat00105
는 혼합층 상부의 온위경도 또는 기온감율로서 상기 상층기상관측자료로부터 구하고,
Figure 112010087297817-pat00106
는 존데센서로 측정한 혼합층고도이며,
Figure 112010087297817-pat00107
는 느낌열플럭스를 산출하는 초기 시간이고,
Figure 112010087297817-pat00108
는 느낌열플럭스를 산출하는 종료시간이며, 유입계수 C는 지면과 혼합층간사이에 발생하는 느낌열플럭스의 기울기로서 혼합층고도에서 느낌열플럭스를 0으로 가정하고 지면에서 산출된 느낌열플럭스를 이용하여 구해지며,
Figure 112010087297817-pat00109
는 상기 2단계에서 산출한 느낌열플럭스인 것을 특징으로 하는 자동기상관측장비를 이용한 혼합층고도 산출방법.Equation
Figure 112010087297817-pat00104
Is obtained by
Figure 112010087297817-pat00105
Is obtained from the upper layer weather observation data as the temperature gradient or temperature reduction rate of the upper part of the mixed layer,
Figure 112010087297817-pat00106
Is the mixed bed altitude measured by the sonde sensor,
Figure 112010087297817-pat00107
Is the initial time to calculate the feeling heat flux,
Figure 112010087297817-pat00108
Is the end time for calculating the sensation heat flux, and the inflow coefficient C is the slope of the sensation heat flux generated between the ground and the mixed layer. Lose,
Figure 112010087297817-pat00109
Mixed layer height calculation method using automatic weather observation equipment, characterized in that the heat flux calculated in step 2.
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