KR101339937B1 - 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법 - Google Patents

냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR101339937B1 KR1020120154298A KR20120154298A KR101339937B1 KR 101339937 B1 KR101339937 B1 KR 101339937B1 KR 1020120154298 A KR1020120154298 A KR 1020120154298A KR 20120154298 A KR20120154298 A KR 20120154298A KR 101339937 B1 KR101339937 B1 KR 101339937B1
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Abstract

본 발명은 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 풍속에 따라 냉기집적효과를 보정하여 보다 정확한 냉기집적효과를 추정할 수 있는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명은 일 최저기온을 추정함에 있어서 바람효과를 고려하여 보다 정확하게 일 최저기온을 추정할 수 있는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.

Description

냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법{QUANTIFICATION SYSTEM FOR WIND EFFECT ON DAILY MINIMUM TEMPERATURE WITHIN COLD AIR POOLS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 풍속에 따라 냉기집적효과를 보정하여 보다 정확한 냉기집적효과를 추정할 수 있는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
냉기호(cold air pool)는 기온 역전층이 산간지, 또는 분지 골짜기에 발생한 경우 그 고도의 온난한 기층보다 하위는 찬 공기가 쌓여 있게 되는데 이것을 냉기호라 한다. 골짜기에서도 냉기호가 형성되며 골짜기의 일부가 급격히 좁아지고 곡류가 격심하여 냉기가 쌓이는 경우 마치 하천의 물이 상류에서 하류로 흘러 몇 개의 댐에 저수되는 것과 같이 냉기호는 몇 개라도 형성될 수 있다. 특히, 냉기를 배출할 수 없는 분지와 같은 지형은 쉽게 냉기호를 형성하는 조건이 된다. 예를 들어, 보통 경사지를 이용한 과수원에서 동해나 상해를 받는 부분이 사면 저부인 것은 이러한 냉기호에 해당되기 때문이다.
과원이 냉기호 지대에 위치하면 겨울철 수체의 동해, 봄철 꽃눈의 상해로 인한 수목의 피해는 물론 재배농가의 경영손실이 발생하기 쉽다. 냉기호가 자주 형성되는 곳의 국지기후는 종관기후와 큰 차이를 나타낼 수 있고 서식하는 동식물의 생태 역시 주변의 평균을 벗어나기도 한다. 따라서 냉기호 지대의 야간기온 특히 일 최저기온 추정은 농업기상학의 오래 된 과제이기도 하다. 현실적으로 가장 유망한 추정기술은 기상관서에서 관측한 최저기온을 냉기호 지대의 지표특성(주로 GIS 공간정보 이용)에 따라 보정하는 것인데, 토지규모가 조방적인 외국에서는 관심이 덜한 반면 규모가 영세하고 지형이 복잡한 국내에서는 최근 괄목할 만한 성과를 거두고 있다. 이들 중 널리 쓰이는 것은 야간 지표복사로 인한 찬 공기 배수효과를 토대로 한 것으로, 이 때 집수역의 출구 부근이 도로, 제방 등 인공구조물에 의해 폐쇄된 경우 찬 공기 집적효과를 반영한다.
하지만, 이러한 기존의 냉기호 지대 일 최저기온 추정 방법도 기온 실측치가 예측치보다 높은 경우가 발생되고 있다. 따라서, 이를 보다 정확하게 추정할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
1. Stigter, K., 2010: Applied Agrometeorology. Springer Inc., 1100pp. 2. Yun, J. I., 2010: Agroclimatic maps augmented by a GIS technology. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 12, 63-73. (In Korean with English abstract)
본 발명의 목적은 보다 정확한 냉기호 지대 일 최저기온 추정 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고, 추정된 기온을 온난대 효과와 냉기집적 효과로 보정하여 일 최저기온을 추정하는 일 최저기온 추정 모듈과, 상기 일 최저기온 추정 모듈에서 일 최저기온이 추정된 지역의 풍속을 판단하는 풍속 판단 모듈, 및 상기 풍속 판단 모듈에서 상기 지역의 풍속이 일정 풍속 이상이라고 판단된 경우, 상기 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분을 보정하는 추정오차 보정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템을 제공한다.
상기 일 최저기온 추정 모듈은, 상기 온난대 효과를 연산하여 상기 추정된 기온을 보정하는 온난대 효과 연산 모듈과, 상기 냉기집적 효과를 연산하여 상기 추정된 기온을 보정하는 냉기집적 효과 연산 모듈, 및 상기 기온이 추정된 지역이 폐쇄 집수역일 경우, 고도별 냉기 집적량을 연산하여 상기 추정된 기온을 보정하는 폐쇄 집수역 보정 모듈을 포함한다.
상기 온난대 효과 연산 모듈은,
Figure 112012108228334-pat00001
에 의해 온난대 효과(
Figure 112012108228334-pat00002
)를 연산하며, 상기
Figure 112012108228334-pat00003
은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차, 상기
Figure 112012108228334-pat00004
는 기후학적인 기온일교차 최대값, 상기
Figure 112012108228334-pat00005
는 최대역전강도, 상기
Figure 112012108228334-pat00006
는 고도, 상기
Figure 112012108228334-pat00007
은 일정 고도를 의미한다.
상기 냉기집적 효과 연산 모듈은,
Figure 112012108228334-pat00008
에 의해 냉기집적 효과(
Figure 112012108228334-pat00009
)를 연산하며, 상기
Figure 112012108228334-pat00010
은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차, 상기
Figure 112012108228334-pat00011
는 기후학적인 기온일교차 최대값, 상기
Figure 112012108228334-pat00012
는 냉기유입량 평균값을 의미한다.
상기 폐쇄 집수역 보정 모듈은, 냉기집적 효과에 임의고도
Figure 112012108228334-pat00013
에 작용하는 냉기집적량을 적용한
Figure 112012108228334-pat00014
에 의해 폐쇄 집수역 보정을 수행하며, 상기
Figure 112012108228334-pat00015
는 임의고도
Figure 112012108228334-pat00016
에 작용하는 냉기집적량으로서,
Figure 112012108228334-pat00017
이며, 상기
Figure 112012108228334-pat00018
는 냉기호 기저(
Figure 112012108228334-pat00019
)에서의 냉기집적량으로서 집수역의 실제지형과 냉기호 수면 높이(
Figure 112012108228334-pat00020
) 간 고도편차(
Figure 112012108228334-pat00021
)를 냉기호 면적(m2)과 곱하여 얻어지는 저수용량과, 냉기집적량(
Figure 112012108228334-pat00022
)을 부피단위로 환산한 집수역 냉기집적총량 간 비율로부터 계산되고, 상기
Figure 112012108228334-pat00023
는
Figure 112012108228334-pat00024
가
Figure 112012108228334-pat00025
의 37%로 줄어드는 고도(scale factor)이다.
상기 일정 풍속은 0.2m/s이며, 상기 추정오차 보정 모듈은,
Figure 112012108228334-pat00026
에 의해 추정오차를 보정하며, 상기
Figure 112012108228334-pat00027
는 상기 기온이 추정된 지역의 평균 풍속이다.
또한, 본 발명은 일 최저기온 추정 모듈로 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고, 추정된 기온을 온난대 효과와 냉기집적 효과로 보정하여 일 최저기온을 추정하는 단계와, 상기 일 최저기온 추정 모듈에서 일 최저기온이 추정된 지역의 풍속을 풍속 판단 모듈로 판단하는 단계, 및 상기 풍속 판단 모듈에서 상기 지역의 풍속이 일정 풍속 이상이라고 판단된 경우, 추정오차 보정 모듈로 상기 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법을 제공한다.
상기 온난대 효과(
Figure 112012108228334-pat00028
)는,
Figure 112012108228334-pat00029
이며, 상기
Figure 112012108228334-pat00030
은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차, 상기
Figure 112012108228334-pat00031
는 기후학적인 기온일교차 최대값, 상기
Figure 112012108228334-pat00032
는 최대역전강도, 상기
Figure 112012108228334-pat00033
는 고도, 상기
Figure 112012108228334-pat00034
은 일정 고도를 의미한다.
상기 냉기집적 효과(
Figure 112012108228334-pat00035
)는,
Figure 112012108228334-pat00036
이며, 상기
Figure 112012108228334-pat00037
은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차, 상기
Figure 112012108228334-pat00038
는 기후학적인 기온일교차 최대값, 상기
Figure 112012108228334-pat00039
는 냉기유입량 평균값을 의미한다.
상기 일 최저기온 추정 모듈로 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고, 추정된 기온을 온난대 효과와 냉기집적 효과로 보정하여 일 최저기온을 추정하는 단계는, 상기 일 최저기온을 추정함에 있어 폐쇄 집수역에 대한 보정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 폐쇄 집수역에 대한 보정은, 냉기집적 효과에 임의고도
Figure 112012108228334-pat00040
에 작용하는 냉기집적량을 적용한
Figure 112012108228334-pat00041
에 의해 수행하며, 상기
Figure 112012108228334-pat00042
는 임의고도
Figure 112012108228334-pat00043
에 작용하는 냉기집적량으로서,
Figure 112012108228334-pat00044
이며, 상기
Figure 112012108228334-pat00045
는 냉기호 기저(
Figure 112012108228334-pat00046
)에서의 냉기집적량으로서 집수역의 실제지형과 냉기호 수면 높이(
Figure 112012108228334-pat00047
) 간 고도편차(
Figure 112012108228334-pat00048
)를 냉기호 면적(m2)과 곱하여 얻어지는 저수용량과, 냉기집적량(
Figure 112012108228334-pat00049
)을 부피단위로 환산한 집수역 냉기집적총량 간 비율로부터 계산되고, 상기
Figure 112012108228334-pat00050
는
Figure 112012108228334-pat00051
가
Figure 112012108228334-pat00052
의 37%로 줄어드는 고도(scale factor)이다.
상기 풍속 판단 모듈에서 상기 지역의 풍속이 일정 풍속 이상이라고 판단된 경우, 추정오차 보정 모듈로 상기 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분을 보정하는 단계에서, 상기 일정 풍속은 0.2m/s이며, 상기 추정오차 보정 모듈에 의한 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분의 보정은,
Figure 112012108228334-pat00053
에 의해 수행되며, 상기
Figure 112012108228334-pat00054
는 상기 기온이 추정된 지역의 평균 풍속이다.
본 발명은 일 최저기온을 추정함에 있어서 바람효과를 고려하여 보다 정확하게 일 최저기온을 추정할 수 있는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템의 개념도.
도 2는 야간 복사 냉각에 의해 발생된 최저기온의 가상 프로필을 나타낸 개념도.
도 3은 악양계곡의 위치맵.
도 4는 25 냉기일의 이른 아침에 기준 지역에서 관측된 풍속과 온도 예측 오류 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 5는 냉기호 3개 지역(도 3의 5, 6, 7 지역)에서 예측된 일 최저기온에 대해서 기존 모델(빈 원, empty circle)과 바람효과가 적용된 본 발명에 따른 모델(채워진 원, solid circle)의 성능을 비교하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법의 순서도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템의 개념도이며, 도 2는 야간 복사 냉각에 의해 발생된 최저기온의 가상 프로필을 나타낸 개념도이다.
본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 일 최저기온 추정 모듈(100)과, 풍속 판단 모듈(200), 및 추정오차 보정 모듈(300)을 포함한다.
일 최저기온 추정 모듈(100)은 공간기후모형으로 일 최저기온을 예측한다. 이는 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고 추정된 기온의 추정오차를 보정한다. 또한, 이를 위해서, 최저기온 추정 모듈(100)은 온난대 효과 연산 모듈(110)과 냉기집적 효과 연산 모듈(120), 및 폐쇄 집수역 보정 모듈(130)을 포함한다.
온난대 효과 연산 모듈(110)은 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률(-0.65℃/100m)에 따라 추정된 고도가 다른 지점의 기온에 대해서 추정오차를 보정한다. 여기서, 온난대 효과는 도 2에 도시된 바와 같이, 표준유역 기저(
Figure 112012108228334-pat00055
)로부터 일정 고도(
Figure 112012108228334-pat00056
) 이상에서 적용하며 최대역전강도(
Figure 112012108228334-pat00057
)에 도달할 때까지 고도(
Figure 112012108228334-pat00058
)에 따라 증가한다. 이러한 온난대 효과는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012108228334-pat00059
수학식 1에서,
Figure 112012108228334-pat00060
은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차,
Figure 112012108228334-pat00061
는 기후학적인 기온일교차 최대값,
Figure 112012108228334-pat00062
는 최대역전강도,
Figure 112012108228334-pat00063
는 고도,
Figure 112012108228334-pat00064
은 일정 고도를 의미한다. 여기서,
Figure 112012108228334-pat00065
은 테더존데(Tethersonde) 등 경계층 관측장비에 의해 직접 확인할 수 있으며, 계곡 기저로부터 대체로 200m 정도이다.
냉기집적 효과 연산 모듈(120)은 저지대에 냉기가 집적되는 효과를 연산하기 위한 것으로서, 내륙산간지역과 같은 복잡한 지형에서는 야간에 차가워진 공기가 사면을 타고 흘러내려 저지대에 집적되고 이 일대의 기온이 하강하게 되는데, 이것을 냉기집적효과로 표현한다. 이는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012108228334-pat00066
수학식 2에서,
Figure 112012108228334-pat00067
은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차,
Figure 112012108228334-pat00068
는 기후학적인 기온일교차 최대값,
Figure 112012108228334-pat00069
는 냉기유입량 평균값이다.
경사를 따라 이동하고 집적되는 냉기량은 찬 공기의 흐름(cold-air drainage)이 물의 흐름과 동일하다는 가정 하에 GIS 수문함수를 이용하여 30m 격자단위로 모의한다. 주어진 격자에 유입되는 냉기량은 반경 150m 안에 포함되는 주변 격자의 냉기유입량 평균값(
Figure 112012108228334-pat00070
)으로 평활화하는 과정을 거치며, 냉기유입량 평균값이 가지는 냉각효과는 수학식 2와 같이 로그함수로 나타낼 수 있다.
지표면의 복사냉각속도는 야간 운량과 풍속, 전날 일사량 등에 의해 달라지므로 기상조건은 냉기집적 및 온난대 효과에 영향을 미친다. 이를 반영하기 위해 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차(
Figure 112012108228334-pat00071
)와 기후학적인 기온일교차 최대값(
Figure 112012108228334-pat00072
)에 의해
Figure 112012108228334-pat00073
과
Figure 112012108228334-pat00074
를 조절한다.
폐쇄 집수역 보정 모듈(130)은 출구가 도로나 제방에 의해 막힌 폐쇄 집수역(enclosed catchments)에서는 찬 공기가 원활하게 배수되지 못하고 고여 있는 현상을 보정한다. 이는 냉기호에 해당하는
Figure 112012108228334-pat00075
이하 지역에 대해 고도별 냉기 집적량(
Figure 112012108228334-pat00076
)을 계산하여 기존의
Figure 112012108228334-pat00077
에 합산하여 해결할 수 있다. 즉,
Figure 112012108228334-pat00078
보다 높은 지역은 냉기류(
Figure 112012108228334-pat00079
)만으로 표현하고,
Figure 112012108228334-pat00080
이하는 계곡사면을 따라 흘러내린 찬 공기로 형성된 냉기호의 냉기집적량(
Figure 112012108228334-pat00081
)을 합산하여 기온하강분(
Figure 112012108228334-pat00082
)을 표현한다. 이는 아래의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012108228334-pat00083
수학식 3에서
Figure 112012108228334-pat00084
는 임의고도
Figure 112012108228334-pat00085
에 작용하는 냉기집적량으로서, 이는 아래의 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
Figure 112012108228334-pat00086
수학식 4에서,
Figure 112012108228334-pat00087
는 냉기호 기저(
Figure 112012108228334-pat00088
)에서의 냉기집적량으로서 집수역의 실제지형과 냉기호 수면 높이(
Figure 112012108228334-pat00089
) 간 고도편차(
Figure 112012108228334-pat00090
)를 냉기호 면적(m2)과 곱하여 얻어지는 저수용량과, 냉기집적량(
Figure 112012108228334-pat00091
)을 부피단위로 환산한 집수역 냉기집적총량 간 비율로부터 계산된다. 또한,
Figure 112012108228334-pat00092
는
Figure 112012108228334-pat00093
가
Figure 112012108228334-pat00094
의 37%로 줄어드는 고도(scale factor)이다.
하기에서는 전술된 구조의 최저기온 추정 모듈(100)을 이용하여 추정된 일 최저기온을 검증하였다.
도 3은 악양계곡의 위치맵이고, 도 4는 25 냉기일의 이른 아침에 기준 지역에서 관측된 풍속과 온도 예측 오류 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 냉기호를 대표할 수 있는 지점의 기상자료를 얻기 위해 선행연구를 통해 상습 냉기호 형성지대로 알려진 악양계곡 기저부(속칭 '무딤이들', 1번 지점)에 무인기상관측장비(SL100, STA Corporation, Korea)를 설치하고 2011년 6월 1일부터 2012년 5월 31일까지 365일 간 기온, 일사, 강수, 풍향, 풍속을 1분 간격으로 측정하고, 로거에 저장된 자료를 CDMA 방식으로 10분에 한번씩 수집하였다. 냉기호의 '수면높이'(
Figure 112012108228334-pat00095
)를 벗어난 계곡의 서쪽 사면 농장('햇차원' 해발 276m, 2번 지점), 동쪽 사면의 사찰('금봉사' 해발 326m, 4번 지점), 북쪽 사면의 사찰('수곡사' 해발 284m, 3번 지점)에서 풍속과 풍향을 측정하여 이 역시 10분 간격으로 수집하였다.
분석 대상일은 맑은 날씨 및 사면 활강류 수렴 등 두 조건을 만족하는 날짜로서, 첫 번째, 맑은 날 기준은 인근 기상관서(경남 진주, 전남 순천)의 0600LST 전운량이 0.5 미만이고, 무딤이들의 일교차가 13℃ 이상인 경우이며, 두 번째, 찬 공기 수렴 조건으로는 0501-0600LST 사면 활강류의 풍향이 계곡 기저를 향하는 것으로, 2번 지점(경사향 동남동)은 서풍계열(WNW~N)이며 3번과 4번 지점(경사향 남서)은 동풍계열(NNE~ESE)일 때이다. 이 두 조건을 만족하는 날은 1년 중 25일로서 각 날짜에 대해 Kim et al. (2011)의 방법에 의해 무딤이들 지점의 0501-0600LST 한 시간 평균기온을 추정하였다. 이때, 악양계곡의 배경기온으로는 기상청 방재기상관측망(AWS) 가운데 악양과 가장 가까운 곳인 화개(지점번호 906)와 하동(지점번호 932)의 평균기온을 사용하였다.
이렇게 해서 추정된 25일간의 기온을 실제 측정된 기온과 비교하여 추정오차를 산출하고 이를 같은 시간대의 풍속과 비교한 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 바람이 강해질수록 추정오차가 커지는 경향이 뚜렷하였다.
이 오차를 종속변수로 두고 같은 시간대 실측 풍속을 독립변수로 두어 기온추정오차에 대한 바람의 영향을 경험식으로 표현하면 풍속 1m/s 증가는 음의 방향으로 추정오차 2℃ 증대에 해당한다. 기존 최저기온 추정모형에서 청명무풍 야간에 찬 공기의 유입과 축적에 의한 기온하강효과가 냉기호 중심에서 최대 4℃에 달하는데, 바람이 불면 기온 하강효과가 줄기 시작하여 풍속이 2m/s이면 거의 사라진다는 의미이다. 무딤이들에서는 분석에 이용된 25일 동안 이 시간대에 풍속이 최대 2m/s까지 관측되었으므로 이 오차를 제거하지 않는다면 기존 모형의 실용성이 반감될 것이 확실하다. 다행히 풍속에 따른 하강효과 감쇄 관계가 명확하고 직선적이라 얻어진 회귀식을 기존 모형의 보정에 사용할 수 있을 것으로 보인다. 직선의 Y축 절편값이 0.4℃인데 회귀계수에 의하면 이것은 풍속 0.2m/s에 해당하므로 만약 풍속이 0.2m/s 이하이면 기존 방법을 수정 없이 사용하고, 그 이상일 경우 기존 냉기집적효과(℃)에 풍속에 따른 감쇄분(℃)만큼 보정해주면 된다. 즉, 계곡의 양쪽 사면에서 흘러내리는 서로 다른 풍향의 사면 활강류가 계곡 바닥에서 수렴되는 과정에서 상부의 따뜻한 공기가 냉기호 내부로 혼입되어 냉기호 효과를 상쇄하여 기온의 실측치가 예측치보다 높은 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 후술되는 바와 같이, 일정 강도 이상의 바람에 의해 냉기호 효과가 상쇄되는 상쇄분을 보정하여 보다 정확하게 일 최저기온을 예측할 수 있도록 한다.
풍속 판단 모듈(200)은 일 최저 기온이 추정된 지역의 풍속을 판단한다. 이때, 해당 지역의 풍속이 0.2m/s 이상일 경우, 후술될 추정오차 보정 모듈(300)에 의해 추정된 일 최저 기온을 보정한다.
추정오차 보정 모듈(300)은 풍속 판단 모듈(200)에서 판단된 일 최저기온이 추정된 지역의 풍속이 0.2m/s 이상일 경우, 냉기집적효과에 풍속에 따른 감쇄분을 보정한다. 이는 아래의 수학식 5와 같이, 기온하강분에 평균풍속을 추가하여 수행할 수 있다.
Figure 112012108228334-pat00096
수학식 5에서,
Figure 112012108228334-pat00097
는 지상 2m에서 관측된 60분간 평균풍속이며, 풍속효과에 의한 승온은 냉기집적효과를 벗어날 수 없다.
다음은 상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템과 기존 모델의 성능을 비교하여 설명한다.
도 5는 냉기호 3개 지역(도 3의 5, 6, 7 지역)에서 예측된 일 최저기온에 대해서 기존 모델(빈 원, empty circle)과 바람효과가 적용된 본 발명에 따른 모델(채워진 원, solid circle)의 성능을 비교하기 위한 그래프이다.
냉기호 수몰지대에 해당하는 지점 세 곳(도 3의 5, 6, 7 지역)에 대해 선발된 25일간 매일 0501-0600LST의 평균기온을 바람효과 결합 모형에 의해 추정하고 그 결과를 기존 모형(Kim et al., 2011)에 의한 추정결과와 비교하였다. 풍속자료는 WindStation 프로그램(Lopes, 2003)에 의해 모의된 바람벡터를 이용하였는데, WindStation은 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equation)과 k-e 모델, 지형의 거칠기에 따른 지표면 전단응력을 고려하여 대상지역의 바람벡터를 산출한다. 프로그램 입력자료로는 악양계곡에서 가장 가까운 방재기상관측망 화개 및 하동 AWS의 10m 풍속과 광주기상대 00UTC의 925hPa 바람자료를 사용하였고, 경계층 대기안정도는 WindStation 내 최대치(0.004℃/m)로 설정하였다(Lopes, 2011). 약양계곡의 수치고도모형(DEM)과 지표피복도(LULC)를 30m 격자해상도로 준비하여 악양계곡을 중심으로 하는 24.6×24.6km의 구역에 대해 300m 격자 바람장을 모의하였다. 모의결과 중 지상 2m의 풍향풍속을 ASCII Grid파일로 변환하여 HOBO 설치지점 세 곳에 해당하는 격자값을 추출하였다.
검증을 위한 실측기온은 세 지점에 설치된 자동온도기록계(HOBO Pro, Onset Corporation, USA)로부터 수집하였으며 측정간격은 5분이었고 0501-0600LST 평균값을 사용하였다. 도 5는 전술된 세 지점에서 기존 모델과 바람효과를 결합한 본 발명에 따른 새로운 모형에 의해 각각 추정된 기온값을 실측 기온과 비교한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 냉기호 형성이 의심되는 25일 동안 이 시간대에 세 지점에서 기록된 실측기온은 영상 13℃에서 영하 8℃로 범위가 넓었는데, 기존 방법에 의한 추정값이 대체로 1:1 라인보다 아래 쪽에 분포되는 반면, 새로운 방법에 의한 추정기온은 1:1 라인을 더 잘 따르는 것으로 보인다. 즉 기존 방법을 따르면 최저기온 추정치가 실제보다 더 낮은 경향을 보이지만 풍속효과를 적용함으로써 이런 경향이 크게 개선되었다. 육안에 의한 이러한 차이는 평균오차(mean error)를 계산해보면 기존 방법에서 -1.33인데 반해 새로운 방법으로는 -0.37로 크게 완화된 사실로부터 더욱 확실해진다. 추정오차의 평균평방근(RMSE)은 세 지점 평균 1.7에서 1.2로 30% 감소하였는데, 5번 지점의 경우 2.0에서 1.4로, 6번 지점은 1.5에서 1.2로, 7번 지점은 1.7에서 1.0으로 모두 오차 개선효과를 볼 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 일 최저기온을 추정함에 있어서 바람효과를 고려하여 보다 정확하게 일 최저기온을 추정할 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 후술할 내용 중 전술된 본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템의 설명과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 일 최저기온을 추정하는 단계(S1)와, 풍속을 판단하는 단계(S2), 및 추정오차를 보정하는 단계(S3)를 포함한다.
일 최저기온을 추정하는 단계(S1)는 기상관서로부터 배경기온을 얻어 일 최저기온 추정 모듈로 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고 추정된 기온의 추정오차를 보정한다. 이를 위해서, 일 최저기온을 추정하는 단계(S1)는 온난대 효과를 연산하는 단계(S1-1)와, 냉기집적 효과를 연산하는 단계(S1-2), 및 폐쇄 집수역 보정을 수행하는 단계(S1-3)를 포함한다.
온난대 효과를 연산하는 단계(S1-1)는 온난대 효과 연산 모듈로 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 추정된 고도가 다른 지점의 기온에 대한 추정오차를 보정한다. 이는 전술된 수학식 1과 같이 수행될 수 있다. 또한, 온난대 효과는 표준유역 기저(
Figure 112012108228334-pat00098
)로부터 일정 고도(
Figure 112012108228334-pat00099
) 이상에서 적용한다.
냉기집적 효과를 연산하는 단계(S1-2)는 냉기집적 효과 연산 모듈로 저지대에 냉기가 집적되는 효과를 연산하여 적용한다. 이는 전술된 수학식 2와 같이 수행될 수 있다.
폐쇄 집수역 보정을 수행하는 단계(S1-3)는 폐쇄 집수역 보정 모듈로 출구가 도로나 제방에 의해 막힌 폐쇄 집수역에서 찬 공기가 원활하게 배수되지 못하고 고여 있는 현상을 보정한다. 이는 냉기호에 해당하는
Figure 112012108228334-pat00100
이하 지역에 대해 고도별 냉기 집적량(
Figure 112012108228334-pat00101
)을 계산하여 기존의
Figure 112012108228334-pat00102
에 합산하여 수행할 수 있으며, 전술된 수학식 3과 같이 수행될 수 있다.
풍속을 판단하는 단계(S2)는 풍속 판단 모듈로 일 최저기온을 추정하는 지역의 풍속을 판단하여 추정된 일 최저기온이 풍속에 의해서 오차가 발생되는지 판단한다. 이때, 해당 지역의 풍속이 0.2m/s 이상일 경우, 후술될 추정오차를 보정하는 단계(S3)를 수행한다.
추정오차를 보정하는 단계(S3)는 풍속을 판단하는 단계(S2)에서 일 최저기온을 추정한 지역의 풍속이 0.2m/s 이상이라고 판단된 경우, 일 최저기온을 추정하는 단계(S1)에서 추정된 일 최저기온을 추정오차 보정 모듈로 보정한다. 이는 기온하강분에 평균 풍속을 추가하여 수행될 수 있으며, 전술된 수학식 5와 같이 수행할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 최저기온 추정 모듈 200: 풍속 판단 모듈
300: 추정오차 보정 모듈

Claims (11)

  1. 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고, 추정된 기온을 온난대 효과와 냉기집적 효과로 보정하여 일 최저기온을 추정하는 일 최저기온 추정 모듈과,
    상기 일 최저기온 추정 모듈에서 일 최저기온이 추정된 지역의 풍속을 판단하는 풍속 판단 모듈, 및
    상기 풍속 판단 모듈에서 상기 지역의 풍속이 일정 풍속 이상이라고 판단된 경우, 상기 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분을 보정하는 추정오차 보정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일 최저기온 추정 모듈은,
    상기 온난대 효과를 연산하여 상기 추정된 기온을 보정하는 온난대 효과 연산 모듈과,
    상기 냉기집적 효과를 연산하여 상기 추정된 기온을 보정하는 냉기집적 효과 연산 모듈, 및
    상기 기온이 추정된 지역이 폐쇄 집수역일 경우, 고도별 냉기 집적량을 연산하여 상기 추정된 기온을 보정하는 폐쇄 집수역 보정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 온난대 효과 연산 모듈은,
    Figure 112012108228334-pat00103
    에 의해 온난대 효과(
    Figure 112012108228334-pat00104
    )를 연산하며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00105
    은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00106
    는 기후학적인 기온일교차 최대값,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00107
    는 최대역전강도,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00108
    는 고도,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00109
    은 일정 고도를 의미하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉기집적 효과 연산 모듈은,
    Figure 112012108228334-pat00110
    에 의해 냉기집적 효과(
    Figure 112012108228334-pat00111
    )를 연산하며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00112
    은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00113
    는 기후학적인 기온일교차 최대값,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00114
    는 냉기유입량 평균값을 의미하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 폐쇄 집수역 보정 모듈은,
    냉기집적 효과에 임의고도
    Figure 112012108228334-pat00115
    에 작용하는 냉기집적량을 적용한
    Figure 112012108228334-pat00116
    에 의해 폐쇄 집수역 보정을 수행하며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00117
    는 임의고도
    Figure 112012108228334-pat00118
    에 작용하는 냉기집적량으로서,
    Figure 112012108228334-pat00119
    이며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00120
    는 냉기호 기저(
    Figure 112012108228334-pat00121
    )에서의 냉기집적량으로서 집수역의 실제지형과 냉기호 수면 높이(
    Figure 112012108228334-pat00122
    ) 간 고도편차(
    Figure 112012108228334-pat00123
    )를 냉기호 면적(m2)과 곱하여 얻어지는 저수용량과, 냉기집적량(
    Figure 112012108228334-pat00124
    )을 부피단위로 환산한 집수역 냉기집적총량 간 비율로부터 계산되고,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00125
    는
    Figure 112012108228334-pat00126
    가
    Figure 112012108228334-pat00127
    의 37%로 줄어드는 고도(scale factor)인 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 일정 풍속은 0.2m/s이며,
    상기 추정오차 보정 모듈은,
    Figure 112012108228334-pat00128
    에 의해 추정오차를 보정하며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00129
    는 상기 기온이 추정된 지역의 평균 풍속인 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 시스템.
  7. 일 최저기온 추정 모듈로 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고, 추정된 기온을 온난대 효과와 냉기집적 효과로 보정하여 일 최저기온을 추정하는 단계와,
    상기 일 최저기온 추정 모듈에서 일 최저기온이 추정된 지역의 풍속을 풍속 판단 모듈로 판단하는 단계, 및
    상기 풍속 판단 모듈에서 상기 지역의 풍속이 일정 풍속 이상이라고 판단된 경우, 추정오차 보정 모듈로 상기 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 온난대 효과(
    Figure 112012108228334-pat00130
    )는,
    Figure 112012108228334-pat00131
    이며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00132
    은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00133
    는 기후학적인 기온일교차 최대값,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00134
    는 최대역전강도,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00135
    는 고도,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00136
    은 일정 고도를 의미하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉기집적 효과(
    Figure 112012108228334-pat00137
    )는,
    Figure 112012108228334-pat00138
    이며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00139
    은 전날 최고기온과 당일 아침 최저기온 간 일교차,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00140
    는 기후학적인 기온일교차 최대값,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00141
    는 냉기유입량 평균값을 의미하는 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 일 최저기온 추정 모듈로 기상관서로부터 배경기온을 얻어 표준대기기온감률에 따라 고도가 다른 지점의 기온을 추정하고, 추정된 기온을 온난대 효과와 냉기집적 효과로 보정하여 일 최저기온을 추정하는 단계는,
    상기 일 최저기온을 추정함에 있어 폐쇄 집수역에 대한 보정을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 폐쇄 집수역에 대한 보정은,
    냉기집적 효과에 임의고도
    Figure 112012108228334-pat00142
    에 작용하는 냉기집적량을 적용한
    Figure 112012108228334-pat00143
    에 의해 수행하며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00144
    는 임의고도
    Figure 112012108228334-pat00145
    에 작용하는 냉기집적량으로서,
    Figure 112012108228334-pat00146
    이며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00147
    는 냉기호 기저(
    Figure 112012108228334-pat00148
    )에서의 냉기집적량으로서 집수역의 실제지형과 냉기호 수면 높이(
    Figure 112012108228334-pat00149
    ) 간 고도편차(
    Figure 112012108228334-pat00150
    )를 냉기호 면적(m2)과 곱하여 얻어지는 저수용량과, 냉기집적량(
    Figure 112012108228334-pat00151
    )을 부피단위로 환산한 집수역 냉기집적총량 간 비율로부터 계산되고,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00152
    는
    Figure 112012108228334-pat00153
    가
    Figure 112012108228334-pat00154
    의 37%로 줄어드는 고도(scale factor)인 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 풍속 판단 모듈에서 상기 지역의 풍속이 일정 풍속 이상이라고 판단된 경우, 추정오차 보정 모듈로 상기 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분을 보정하는 단계에서,
    상기 일정 풍속은 0.2m/s이며,
    상기 추정오차 보정 모듈에 의한 냉기집적 효과에 상기 풍속에 따른 감쇄분의 보정은,
    Figure 112012108228334-pat00155
    에 의해 수행되며,
    상기
    Figure 112012108228334-pat00156
    는 상기 기온이 추정된 지역의 평균 풍속인 것을 특징으로 하는 냉기호 지대 일 최저기온에 미치는 바람효과 정량화 방법.
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