KR20170062298A - 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 mk-prism 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MK-PRISM(Modified Korean Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model) 기법을 풍속 내삽에 적용하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅(co-kriging) 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 해안 지역에서 지형고도와 풍속, 지형고도와 해안선으로부터의 거리를 조합하여 풍속을 결정하고, 가중선형회귀식 계수의 허용 범위를 지형면에 따라 다르게 사용하는 것에 의해 지점(point) 관측자료를 통계적으로 내삽(interpolation)하여 남한 전 지역의 1×1 ㎞ 고해상도 정규격자 풍속 분포도를 생산할 수 있도록 구성됨으로써, 주로 강수량과 기온에만 적용되었던 기존의 MK-PRISM 방법에 남한 전체의 풍속 내삽을 적용할 수 있도록 개선하여 기존의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법에 비해 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 방법이 제공된다.

Description

풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법{Improved Modified Korean Parameter-elevation Regressions on Independent Slopes Model for applying interpolation of wind}
본 발명은 기후를 결정하는데 중요한 역할을 하는 표고(elevation), 거리, 지향면(topographic facet), 해양도(coastal proximity)의 영향을 고려하여 고해상도 격자 자료를 산출하여 특정 지역의 기후 변화에 대한 정보를 제공하기 위한 PRISM(Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model)을 우리나라의 1km 격자에 적합하게 수정한 한국형 PRISM(MK-PRISM ; Modified Korean Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model) 기법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 특정 지점의 사용 여부에 따라 내삽된 값이 급격하게 변화함으로 인해 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅(co-kriging) 방법들의 문제점을 해결할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 주로 강수량과 기온에만 적용되었던 기존의 MK-PRISM 방법에 남한 전체의 풍속 내삽을 적용할 수 있도록 개선하여, 해안 지역에서 지형고도와 풍속, 지형고도와 해안선으로부터의 거리를 조합하여 풍속을 결정하고, 가중선형회귀식 계수의 허용 범위를 지형면에 따라 다르게 사용함으로써, 기존의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법에 비해 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 방법에 관한 것이다.
최근, 집중호우, 폭염, 가뭄 등과 같은 기상이변이 빈번하게 발생하고 그 정도가 점점 심해짐에 따라, 이러한 기상 및 기후변화가 사회 및 경제적으로 미치는 파급 효과도 커지고 있고, 그로 인해, 기상 및 기후변화에 대응하기 위한 기후예측 분야에 대한 중요성이 급속도로 증가하여 기후변화 예측분야의 연구가 활발해지고 있다.
여기서, 기후변화에 대한 영향, 적응 및 취약성 평가를 위해서는 고해상도의 기후변화 시나리오를 제공하는 것이 중요하고, 최근에는, 지역기후에 대하여 1km 해상도 또는 그 이하의 해상도를 요구하는 분야가 늘어나면서, 관측 자료에 기반하여 고해상도의 격자점에서 기후 정보를 제공하기 위한 많은 국내외 연구들이 진행되어 왔다.
그 중, 특히, PRISM(Parameter-elevation Regressions on Independent Slopes Model)은, 거리뿐만 아니라 지형고도, 해양도, 지향면 같은 여러 가지 지리정보를 사용하여 고해상도 자료를 추정하는 방법으로, 국내에서는 이러한 PRISM에 기반하여 한국 지형에 맞도록 개선된 이른바 K(Korean)-PRISM 및 MK(Modified Korean)-PRISM이 지속적으로 개발되어 왔다.
여기서, 상기한 바와 같은 PRISM을 이용한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1521576호에 따르면, 특히, 농경지에서 발생하는 병해충 및 작물 생육환경 등과 관련된 국지기상정보를 생산하기 위해서는 70m 이내의 고해상도 기상정보가 필요하나, 기존의 PRISM이나 K-PRISM 방법은 대부분 100m 이상의 해상도를 가지고 있어 빌딩 주변과 경작지 경계에서 발생하는 국지기상의 변화를 살펴보기에는 미흡하다는 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 기존의 K-PRISM을 개선하여 남한 전역에 대한 30m 해상도의 고해상도의 기상정보를 제공 가능하도록 구성되는 K-PRISM을 이용한 고해상도 기상자료 산출방법 및 이를 이용하여 고해상도의 기상정보를 제공 가능하도록 구성되는 고해상도 기상자료 산출시스템이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같은 PRISM을 이용한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1437112호에 따르면, 특정 조건을 만족시키는 경우에만 적용 가능한 기법인 IS-HYPS(Independent Slopes Hypsometric) 기법을 기존의 MK-PRISM 버전 1.1에 적용함으로써, 대상 격자의 고도가 높고 그 주변에 위치한 관측소들의 고도가 고르지 않은 경우에 오차가 크게 발생하였던 종래의 MK-PRISM 버전 1.1의 단점을 개선할 수 있도록 구성되는 IS-HYPS를 이용하여 개선된 MK-PRISM 방법이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 PRISM을 이용한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1335209호 및 한국 등록특허공보 제10-1335078호에 따르면, 수집된 현재 관측 기후자료를 MK-PRISM 모델에 적용하여 고해상도 격자형 관측 기후자료를 생성하는 단계와; 상기 생성된 고해상도 격자형 관측 기후자료를 이용하여 일 시간규모의 관측 기후값을 산출하는 단계와; 지역기후 모델에서 모의한 현재 기후자료 및 미래 기후자료를 객관분석을 이용하여 고해상도 격자형 현재 기후 자료 및 미래 기후자료를 생성하는 단계와; 상기 생성된 고해상도 격자형 현재 기후자료를 이용하여 일 시간규모의 모델 기후값을 산출하는 단계와; 상기 산출된 모델 기후값을 이용하여 지역기후 모델의 미래기후 시나리오의 변동량을 생성하는 단계와; 상기 산출된 관측 기후값과 상기 생성된 미래기후 시나리오 변동량을 결합하는 단계; 및 상기 결합된 결과의 각 변수별 기후학적 보정을 수행하는 단계를 포함하여, 지역기후 모델에 의해 모의된 저해상도의 기후변화 시나리오 자료가 가진 계통오차 및 계절변동 문제를 해결하고, 1km 이상의 고해상도 지리정보에 따른 기후 특성이 반영된 고해상도 격자형 미래기후변화 시나리오 자료를 생성하여 신뢰성 있는 정보를 제공할 수 있도록 구성되는 고해상도 격자형 미래기후변화 시나리오 자료 생성 방법이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, PRISM을 한국 지형에 맞도록 개선한 MK-PRISM을 이용한 여러 가지 방법들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 MK-PRISM 방법들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 종래의 다양한 연구에서 기상 또는 기후의 공간적인 분포는 중요한 정보로 활용되고 있으며, 특히, 격자 형태의 고해상도 풍속자료는 수문학적 연구, 고해상도 수치기상 예측모델의 검증, 풍력자원의 평가 등에 널리 활용되고 있다.
여기서, 이러한 격자 형태의 풍속자료는 원격탐사 자료의 분석, 수치모델링 또는 통계적 내삽(interpolation) 등의 방법으로 생산하는 것이 일반적이며, 국내에서는 1997년부터 기상청에서 운영하는 자동기상관측망이 지속적으로 증가하여 격자 풍속자료를 생산하는데 활용 가능한 자료가 풍부해짐에 따라 통계적 내삽에 기반한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 종래의 내삽 방법들은 상대적으로 풍속 관측지점이 부족한 산지와 해안 지역에서의 풍속 분포를 재현하는데 한계가 있는 것이 지적된 바 있으며, 이러한 문제점을 극복하기 위해, 종래, 관측자료가 부족한 지점에서 지형고도 자료를 활용하여 부족한 자료를 보완할 수 있도록 구성되는 이른바 공동크리깅(co-kriging) 방법이 이용되고 있으며, 이러한 공동크리깅 방법은 지형이 상대적으로 복잡한 남한 전체의 풍속 내삽에 있어서 다른 방법들에 비해 상대적으로 유리한 것으로 알려져 있다.
반면, PRISM과 MK-PRISM은 이전까지는 강수량과 기온의 내삽에만 활용되었고, MK-PRISM에 풍속 내삽을 적용하기 위한 지금까지의 연구는 제주도와 지리산, 일부 사례 지역을 대상으로만 진행되었을 뿐, 일부 사례 지역의 풍속 내삽이 아닌 남한 전체의 풍속 내삽에 적용할 수 있도록 하기 위한 기술내용은 제시된 바 없었다.
따라서 상기한 바와 같이, 상대적으로 풍속 관측지점이 부족한 산지와 해안 지역에서의 풍속 분포를 재현하는데 한계가 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 모델의 문제점을 해결하기 위하여는, 내삽 방법의 효용성은 그 방법이 적용되는 지역의 범위 및 지형적 특성에 의해 달라질 수 있는 점을 감안하여, 일부 사례 지역이 아닌 남한 전체의 풍속 내삽에 적용 가능하도록 기존의 MK-PRISM을 개선함으로써, 기존의 MK-PRISM이 가지고 있는 장점을 유지하면서도 종래의 MK-PRISM 및 공동크리깅 모델에 비해 보다 정확하고 광범위한 지역의 풍속 내삽에 적용할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 모델을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[ 선행기술문헌 ]
1. 한국 등록특허공보 제10-1521576호 (2015.05.13.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1437112호(2014.08.27.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1335209호(2013.11.25.)
4. 한국 등록특허공보 제10-1335078호(2013.11.25.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 특정 지점의 사용 여부에 따라 내삽된 값이 급격하게 변화함으로 인해 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 주로 강수량과 기온에만 적용되었던 기존의 MK-PRISM 방법에 남한 전체의 풍속 내삽을 적용할 수 있도록 개선함으로써, 기존의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법에 비해 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 해안 지역에서 지형고도와 풍속, 지형고도와 해안선으로부터의 거리를 조합하여 풍속을 결정하고, 가중선형회귀식 계수의 허용 범위를 지형면에 따라 다르게 사용함으로써, 기존의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법에 비해 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM(Modified Korean Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model) 및 공동크리깅(co-kriging) 방법의 문제점을 해결하기 위해, 상기 해안 지역과 상기 능선에서 향상된 모의결과를 제공하기 위한 처리를 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행시키도록 구성되는 개선된 MK-PRISM 방법에 있어서, 상기 처리는, 분석을 위한 입력자료 및 매개변수 값을 입력받는 분석자료 입력단계; 상기 분석자료 입력단계에서 입력된 데이터에 근거하여 탐색 격자를 생성한 후, 내삽지점을 설정하고 기지점 탐색을 행하는 입력자료 처리단계; 상기 입력자료 처리단계에서 탐색된 기지점에 대한 가중치를 계산하여 지형고도-풍속의 가중선형회귀식을 산출하는 회귀식 산출단계; 상기 회귀식 산출단계에서 산출된 상기 지형고도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하여 풍속을 계산하는 풍속계산단계; 미리 정해진 기준에 근거하여 상기 풍속계산단계에서 풍속이 계산된 상기 기지점이 해안선이나 능선 인근인지 아닌지를 판단하는 지형판단단계; 및 상기 지형판단단계의 판단 결과 해안선이나 능선 인근인 경우, 해양도-풍속의 가중선형회귀식을 산출하고, 상기 해양도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하여 풍속을 계산한 후, 상기 풍속계산단계에서 계산된 풍속과 미리 정해진 일정 비율로 병합하는 것에 의해 최종 풍속을 결정하고, 해안선이나 능선 인근이 아닌 경우는 상기 풍속계산단계에서 계산된 풍속을 그대로 최종 풍속으로 결정하는 풍속결정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법이 제공된다.
여기서, 상기 방법은, 상기 풍속결정단계에서 결정된 풍속이 마지막 지점인지를 판단하는 종료지점 판단단계; 및 상기 종료지점 판단단계의 판단 결과, 마지막 지점이 아닌 경우는 다음 지점에 대한 풍속을 계산하는 과정을 반복하고, 마지막 지점인 경우는 분석을 종료하는 반복 및 종료단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분석자료 입력단계는, 상기 입력자료로서, 지형고도자료, 사면방향 자료, 해양도 자료, 해양마스킹 자료, 기지점 자료 및 지형면 자료를 포함하는 데이터를 입력받는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 회귀식 산출단계는, 상기 기지점에 대한 가중치로서, 클러스터 가중치, 거리 가중치, 고도 가중치, 해양도 가중치 및 사면방향 가중치를 각각 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 회귀식 산출단계는, 이하의 수학식을 이용하여 각 기지점에서의 가중치를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
(여기서, W는 기지점의 가중치, Fd는 거리의 중요도, Wd는 거리 가중치, Fz는 지형고도의 중요도, Wz는 지형고도의 가중치, Wc는 클러스터 가중치, Wp는 해양도 가중치, Wf는 사면방향에 따른 가중치를 각각 나타냄)
또한, 상기 풍속계산단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 지형고도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하는 것에 의해 각 기지점의 풍속 값을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00002
(여기서, Y는 각 기지점의 풍속, β1은 가중선형회귀식의 기울기, β0는 가중선형회귀식의 절편, X는 각 기지점의 지형고도, β1m은 가중선형회귀식의 기울기가 허용되는 최저값, β1x는 가중선형회귀식의 기울기가 허용되는 최고값, wi는 각 기지점의 가중치, xi와 yi는 각 기지점에서의 지형고도와 풍속을 나타냄)
아울러, 상기 풍속계산단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 가중선형회귀식의 기울기(β1)의 최대 허용 범위 값(β1x)을 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
(여기서, mean은 평균, std는 표준편차를 각각 나타냄)
더욱이, 상기 풍속결정단계는, 상기 지형판단단계의 판단 결과 해안선이나 능선 인근인 경우, 이하의 수학식을 이용하여 상기 가중선형회귀식의 기울기(β1)의 허용 범위(β1m 및 β1x)를 지형면에 따라 다르게 적용하여 상기 풍속을 결정하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 상기 가중선형회귀식의 기울기의 허용 범위를 지형면에 따라 달리 적용하는 것에 의해 동일 지형면에서 급격한 기울기(β1)의 변화를 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00004
(여기서, β1xn은 각 격자에서 사용할 새로운 β1의 최대 허용값, β1x는 사용자가 지정한 초기 최대 허용값이며, T는 각 격자의 지형면 분류로서 계곡(vally), 사면(slope), 능선(ridge)으로 구분되고, β1x는 광역 최적화 기법을 사용하여 결정되며, β1mn은 각 격자에서 사용할 새로운 β1의 최소 허용값을 각각 나타냄)
또한, 상기 풍속결정단계는, 상기 지형판단단계의 판단 결과 해안선이나 능선 인근인 경우, 상기 풍속계산단계에서 계산된 풍속(A)과 상기 해양도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하여 새로이 계산된 풍속(B)을 3:7의 비율로 결합하여(A(30%) + B(70%)) 상기 최종 풍속을 결정하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 상기 가중선형회귀식의 기울기의 허용 범위를 지형면에 따라 달리 적용하는 것에 의해 급격한 기울기의 변화를 방지하여 유사한 풍속이 연속적으로 나타나는 상기 해안선이나 상기 능선 지역에서의 풍속 모의 성능을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 해안선이나 상기 능선 인근 지역에 대한 풍속과 아닌 지역에 대한 풍속의 결정을 각각 구분하여 결정하는 것에 의해 상기 해안선이나 상기 능선 인근 지역에 대한 풍속을 결정하는 과정이 해당 지역에서의 빠른 풍속을 재현하는 역할을 하여 상기 해안선이나 상기 능선 인근 지역에 대한 풍속 모의 성능이 향상될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 개선된 MK-PRISM 방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM(Modified Korean Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model) 및 공동크리깅(co-kriging) 방법을 이용한 기후정보 제공시스템들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 기후정보 분석 및 제공시스템에 있어서, 입력자료를 수신하기 위한 입력부; 상기 입력부를 통하여 입력된 상기 입력자료에 근거하여 분석을 행하는 분석부; 및 상기 분석부에 의해 분석된 결과를 출력하는 표시부를 포함하여 구성되고, 상기 분석부는, 상기에 기재된 개선된 MK-PRISM 방법을 이용하여 상기 입력자료의 분석을 수행하도록 구성됨으로써, 해안이나 능선 인근 지역에서 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기후정보 분석 및 제공시스템이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 주로 강수량과 기온에만 적용되었던 기존의 MK-PRISM 방법에 남한 전체의 풍속 내삽을 적용할 수 있도록 개선하고, 가중선형회귀식에 기반한 풍속결정단계에서 해안 지역에서 지형고도와 풍속, 지형고도와 해안선으로부터의 거리를 조합하여 풍속을 결정하고, 가중선형회귀식 계수의 허용 범위를 지형면에 따라 다르게 사용하는 것에 의해, 특정 지점의 사용 여부에 따라 내삽된 값이 급격하게 변화함으로 인해 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법들의 문제점을 해결하여 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있다.
도 1은 기존의 MK-PRISM 방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용된 2014년 4월의 우리나라 남한 지역의 관측지점 분포현황을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 적용된 기상청에서 관측한 남한 지역의 30년간(1981 ~ 2010)의 월평년 풍속을 나타내는 도면이다.
도 5는 2014년 4월과 2014년 10월의 지형고도별 평균 풍속과 관측지점 수의 분포를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 6은 기존의 MK-PRISM에서 지형고도와 풍속의 1차 가중선형회귀식의 기울기를 작성한 후 그 값의 공간적인 분포를 도시한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 결과에서 β1이 양의 값을 나타내는 격자점들을 추출하여 그 값을 통계 분석한 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 도 8은 기존의 방법을 사용하여 결정된 β1의 공간적 분포와 이때의 풍속 내삽 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 사례 지역으로서 광주와 전라남도의 경계인 무등산 관측지점 주변의 풍속 내삽 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에서 분류한 지형면을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에 의해 산출된 β1의 분포와 풍속 분포를 각각 나타내는 도면이다.
도 12는 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM과 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind의 차이점을 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 13은 기존의 공동크리깅(co-kriging) 방법과 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에 의해 얻어진 풍속 분포를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 특정 지점의 사용 여부에 따라 내삽된 값이 급격하게 변화함으로 인해 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 주로 강수량과 기온에만 적용되었던 기존의 MK-PRISM 방법에 남한 전체의 풍속 내삽을 적용할 수 있도록 개선함으로써, 기존의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법에 비해 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 해안 지역에서 지형고도와 풍속, 지형고도와 해안선으로부터의 거리를 조합하여 풍속을 결정하고, 가중선형회귀식 계수의 허용 범위를 지형면에 따라 다르게 사용함으로써, 기존의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법에 비해 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 개선된 MK-PRISM 방법에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 기존의 MK-PRISM 방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 MK-PRISM 방법은, 지형고도자료, 사면방향 자료, 해양도 자료, 해양마스킹 자료 및 기지점 자료를 포함하는 데이터와 매개변수 값을 통하여 탐색 격자를 생성한다.
다음으로, 내삽 지점을 결정하고, 기지점을 탐색하며, 클러스터 가중치, 거리 가중치, 고도 가중치, 해양도 가중치 및 사면 방향 가중치를 포함하는 기지점 가중치를 계산하여 지형고도-풍속의 가중선형회귀식을 산출한 후, 이러한 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하는 것에 의해 풍속을 결정한다.
그 후, 풍속을 결정해야 하는 지점이 더 있는 경우는 다시 내삽 지점의 결정으로 돌아가서 처리를 반복하고, 마지막 지점인 경우는 분석을 종료한다.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같은 기존의 MK-PRISM 방법은, 미지점의 풍속 값을 이하의 [수학식 1]의 기후값과 지형고도의 가중선형회귀식에 의해 결정한다.
[수학식 1]
Figure pat00005
여기서, Y는 미지점의 풍속이고, β1과 β0는 각각 가중선형회귀식의 기울기와 절편이며, X는 미지점의 지형고도이고, β1m과 β1x는 각각 가중선형회귀식의 기울기가 허용되는 최저값과 최고값이며, wi는 각 기지점의 가중치이고, xi와 yi는 각 기지점에서의 지형고도와 풍속이다.
또한, 각 기지점에서의 가중치는 이하의 [수학식 2]에 의해 결정된다.
[수학식 2]
Figure pat00006
여기서, W는 기지점의 가중치이며 Fd는 거리의 중요도이며 Wd는 거리 가중치이고, Fz는 지형고도의 중요도이며, Wz는 지형고도의 가중치이고, Wc는 클러스터 가중치이며, Wp는 해양도 가중치이고, Wf는 사면방향에 따른 가중치이다.
즉, 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM 모델은 클러스터 가중치를 반영하고 있고, 다중 스케일의 공간자료를 활용하고 있으며, 해양도의 영향이 강한 지역과 약한 지역에서 내삽에 사용할 선형회귀계수의 산정방법이 다르다는 점에서 종래기술의 MK-PRISM 모델과 차이가 있다.
또한, 다중 스케일의 공간자료가 사면방향과 지형고도 자료에서 활용되고 있고, 이러한 다중 스케일 공간자료는 1×1km 독립 격자단위에서 산출된 사면방향과 지형고도뿐만 아니라, 주변 격자를 고려하여 산출한 대표 사면방향과 평균적인 지형고도 자료들을 의미한다.
여기서, 상기한 도 1에 나타낸 종래기술의 MK-PRISM 방법에 대한 보다 구체적인 내용은, 예를 들면, 본 발명자 등에 의해 작성되어 2014년 11월 30일자로 국립기상과학원에 제출된 연구과제 최종보고서 "미래 상세 풍력-기상자원지도 개발 연구"와 같은 종래기술 문헌 등을 참조하여 당업자라면 누구나 쉽게 이해할 수 있으므로, 여기서는, 설명을 간략히 하기 위해 종래기술의 문헌에 의해 당업자에게 자명한 내용에 대하여는 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같은 기존의 MK-PRISM 방법에 따르면, 강수량과 기온의 내삽만이 가능하였던 이전까지의 종래기술의 MK-PRISM에 풍속 내삽을 적용 가능하도록 개선된 MK-PRISM을 제시하였으나, 이는, 반경 약 50km 이내의 소규모 지역에 대하여만 풍속 내삽의 적용이 가능한 한계가 있는 것이었다.
이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 소규모 지역에 대하여만 적용 가능한 한계가 있었던 기존의 MK-PRISM 방법을 개선하여, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 남한 전체와 같이, 보다 넓은 지역에 걸쳐 풍속 내삽을 적용 가능하도록 개선된 MK-PRISM 모델을 제시하고 이를 MK-PRISM-Wind라 명명하였다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)은, 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM 방법과 달리, 지형고도자료, 사면방향 자료, 해양도 자료, 해양마스킹 자료 및 기지점 자료에 더하여, 지형면 자료를 더 포함하는 데이터를 이용하여 탐색 격자를 생성하고, 지형고도 자료와 사면방향 자료에 각각 레벨을 부여하며, 클러스터 가중치, 거리 가중치, 고도 가중치, 해양도 가중치 및 사면 방향 가중치를 포함하는 기지점 가중치 계산시, 사면 방향 가중치에 지수 계산과정을 더 포함하여 구성된다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)은, 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM 방법과 달리, 가중선형회귀식의 기울기 범위 검토 후 풍속을 계산하며, 이때, 해안선 인근이 아닌 경우는 계산된 풍속(A)을 그대로 최종 풍속으로 결정하고, 해안선 인근인 경우는 해양도-풍속의 가중선형회귀식을 산출하여 기울기의 범위를 검토한 후 풍속(B)을 계산하여, 원래 풍속(A)과 계산된 풍속(B)을 종합하여 최종 풍속(A(30%) + B(70%))을 결정하는 과정을 더 포함하여 구성된다.
아울러, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)은, 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM 방법과 달리, 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토시, 기울기의 허용 범위를 지형면에 따라 달리 적용함으로써 급격한 기울기의 변화를 방지하여 능선, 해안과 같이 유사한 풍속이 연속적으로 나타나는 지역에서의 풍속 모의 성능을 향상시킬 수 있도록 구성된다.
더욱이, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)은, 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM 방법과 달리, 해안선 인근 지역에 대한 풍속과 아닌 지역에 대한 풍속의 결정을 각각 구분하여 결정함으로써, 해안선 인근 지역에 대한 풍속를 결정하는 과정이 해안 지역에서의 빠른 풍속을 재현하는 역할을 하여 해안 지역에서의 풍속 모의 성능이 향상될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)은, 풍속 내삽의 적용이 어려웠던 기존의 MK-PRISM 방법을 개선하여, 도 2에 나타낸 바와 같이 종래의 알고리즘을 수정하는 것에 의해 풍속 내삽에 적용 가능한 모델을 구현할 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)을 이용하면, 기존에 널리 사용되고 있는 공동크리깅(co-kriging) 방법에 비하여도 향상된 모의결과를 제시할 수 있는 장점을 가진다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법(MK-PRISM-Wind)의 보다 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 적용된 2014년 4월의 우리나라 남한 지역의 관측지점 분포현황을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 적용된 기상청에서 관측한 남한 지역의 30년간(1981 ~ 2010)의 월평년 풍속을 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명에 있어서, 내삽 대상은 월평균 풍속이며, 내삽을 통해 생산될 자료의 공간해상도는 1×1 km이고, 2014년에서 월평균 풍속이 가장 빠른 시기인 4월과 가장 느린 시기인 10월에 대하여 검증실험이 수행되었다.
이때, 월평균 풍속자료는 기상청의 종관기상관측 자료와 무인기상관측 자료를 모두 활용하였으며, 이 시기의 관측자료 수는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 4월과 10월에 각각 570개와 569개였다.
또한, 연구지역은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제주도, 울릉도, 독도 등의 도서 지역을 포함한 남한 전체이며, 크게 나누어 내륙과 도서로 구분할 수 있다.
더 상세하게는, 내륙에는 동쪽에 남-북 방향의 태백산맥이 발달하였고, 이 산맥의 중앙에서 분기된 소백산맥이 북동-남서 방향으로 형성되어 있으며, 서부는 동부에 비해 상대적으로 지형고도가 낮고 평야가 발달하였고, 가장 큰 도서는 제주도이며 해발고도는 0 ~ 1,950m의 분포를 보인다.
즉, 이러한 연구지역에서는 겨울과 봄에 북서풍이 강하며, 여름에는 남서풍이 강하고, 가을에는 상대적으로 바람이 약하다는 특성을 나타낸다.
아울러, 도 4를 참조하면, 도 4는 기상청(http://www.kma.go.kr)에서 관측한 남한의 30년(1981 ~ 2010) 월평년 풍속을 나타내고 있고, 이는, 종관 기상관측장비에서 측정된 자료만을 분석했을 때의 결과이다.
더 상세하게는, 도 4를 참조하면, 풍속은 최저 0.8 m/s, 최고 9.9 m/s의 범위를 나타내고, 평균 풍속은 2.3 m/s이며, 봄(3 ~ 5월) 풍속이 2.6 m/s로 가장 높고, 겨울(12 ~ 2월) 풍속은 2.5 m/s, 여름(6 ~ 8월) 풍속은 2.1 m/s, 가을(9 ~ 11월) 풍속은 2.1 m/s이다.
더욱이, 무인 기상관측장비 측정자료가 포함된 최근 4년(2011 ~ 2014)의 월평균 풍속을 분석한 결과에서는, 풍속이 최저 0.1 m/s, 최고 10.0 m/s로 나타나고 있으며, 풍속은 대체로 해안가와 산정부에서 상대적으로 높게 나타났고, 계절평균 풍속은 봄과 겨울에 각각 2.4 m/s와 2.1 m/s로 높고, 여름과 가을에는 1.9 m/s로 낮다.
상기한 바와 같이, 2014년 4월에 남한에서 관측된 풍속은 최소 0.6 m/s, 최대 6.1 m/s, 평균 2.1 m/s 이었으며, 표준편차는 0.9 m/s 이었고, 10월에 관측된 풍속은 최소 0.5 m/s, 최대 6.3 m/s, 평균 1.9 m/s, 표준편차 1.0 m/s 이었다.
이러한 내용으로부터, 평균과 표준편차, 평균과 최저값의 차이는 크지 않은 반면 평균과 최대값 사이의 차이는 크다는 것을 알 수 있고, 이는, 대부분의 지점에서 유사한 풍속이 관측되는 가운데 일부 지점에서 높은 풍속이 관측되고 있다는 것을 의미하며, 이와 같은 사실은 도 5에 나타낸 지형고도별 평균 풍속의 분포에서도 확인할 수 있다.
즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 2014년 4월과 2014년 10월의 지형고도별 평균 풍속과 관측지점 수의 분포를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 대부분의 관측지점이 해발고도 200m 이하 지점에 분포하고, 해발고도 300m 이하에 분포하는 지점이 전체 지점 수의 약 83.7%를 차지하고 있으며, 0 ~ 100m 사이에 위치한 지점들의 평균 풍속은 2.3 m/s로 대체로 800m 이하에 분포한 지점의 풍속에 비해 빠르고, 이는, 0 ~ 100m에 위치한 지점들 중 해양의 영향을 강하게 받고 있는 지점들이 있기 때문인 것으로 판단된다.
반면, 101 ~ 600m에 많은 지점들이 분포하는데 이 위치에서의 평균 풍속은 상대적으로 낮은 값들을 보이며, 해발고도가 점차 증가할수록 관측 지점 수는 감소하고 풍속은 빨라지는 경향을 확인할 수 있다.
이와 같이, 풍속의 공간적인 분포 특성을 파악하기 위해서는 상대적인 고도 차이를 살펴볼 필요가 있으나, 도 5에 나타낸 표를 통해서도 풍속이 해양도와 지형고도의 영향을 받고 있음을 충분히 알 수 있으며, 도 5에 나타낸 표를 통해 상대적으로 높은 지형고도에는 측정 지점이 많지 않다는 것도 알 수 있다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 관측지점은 상대적으로 낮은 지형고도에 편중되어 분포하고, 이는 지형고도와 풍속의 가중선형회귀식에서 양의 관계를 실제적으로 관찰할 수 있는 지점이 제한적일 수 있다는 것을 암시한다.
계속해서, 도 6을 참조하면, 도 6은 기존의 MK-PRISM에서 지형고도와 풍속의 1차 가중선형회귀식의 기울기(식 1의 β1)를 작성한 후 그 값의 공간적인 분포를 도시한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 상대적으로 지형고도가 높은 지점에서 관측된 자료가 존재하거나 해안 지역에서의 빠른 풍속이 관측된 지점에서 기울기가 양을 값을 보이는 반면, 그 외의 지역에서는 음의 기울기가 나타나거나 기울기가 0에 가깝고, 이와 같은 현상은 4월과 10월에서 동일하게 나타난다.
따라서 이러한 현상은 계절적 요인보다는 관측지점의 편중에 의해 나타난 것으로 판단할 수 있으며, 도 6에서 특히 관심 있게 살펴봐야 할 현상은 산정부와 같은 지점에서 관측된 자료가 있을 때, 이 지점으로부터 일정거리까지 선형회귀 기울기 값이 강한 양의 상관관계를 보이는 원형의 영향반경이 나타난다는 점으로, 충청남도 서북부와 내륙, 소백산맥의 산지 등에서 이와 같은 현상이 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같은 기존의 MK-PRISM은 기본적으로 지형고도와 풍속의 1차 가중선형회귀식(수학식 1)에 의해 미지점의 풍속을 결정하며, 이때, 가중선형회귀식의 기울기(β1)는 양의 관계를 전제로 한다.
그러나 상기한 바와 같이, 풍속 관측 결과에서는 두 변수가 양의 상관관계를 갖지 않는 경우가 존재하며, 이때 β1은 음의 값이 된다.
더 상세하게는, 상기한 수학식 1에서, 가중선형회귀식의 기울기의 허용범위 최소값(β1m)을 0으로 설정하면 β1이 음의 값이 되었을 때 β1은 0으로 수정되며, 이와 같은 과정을 통해 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM은 지형고도와 풍속 사이에 음의 관계가 나타나는 것을 허용하지 않고, 다만 지형고도가 증가하여도 풍속이 증가하지 않을 수는 있으므로 0의 β1은 허용한다.
아울러, 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM은, 상기한 수학식 1에서 가중선형회귀식의 기울기의 허용 범위 최대 값(β1x)을 설정함으로써 과도한 β1 값의 사용을 방지하며, 이는, β1이 과도하면 지형고도가 높은 지점에서의 풍속이 과대 추정될 수 있기 때문이다.
이에, 본 발명에서는, 관측값을 통계적으로 분석하여 상기한 β1x을 결정하도록 하였다.
더 상세하게는, 도 7을 참조하면, 도 7은 도 6의 결과에서 β1이 양의 값을 나타내는 격자점들을 추출하여 그 값을 통계 분석한 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
여기서, 도 7에 있어서, 각 값의 단위는 m/s/m이며, 도 7에 나타낸 바와 같이, 4월과 10월의 최대값은 각각 0.1531과 0.2008이었고, 평균은 각각 0.0024와 0.0028이었으며, 표준편차는 4월에 0.0039, 10월에 0.0043이었다.
또한, β1x는 β1의 3 시그마를 사용하여 결정되고, 즉, 3 시그마는 정규분포 자료에서 99.7%의 자료를 포함하므로, 따라서 이를 벗어나는 값은 매우 예외적인 것으로 판단할 수 있다.
이에, β1의 최대 허용 범위 값은, 이하의 [수학식 3]과 같이, 3 시그마를 사용하여 결정되었다.
[수학식 3]
Figure pat00007
여기서, 상기한 [수학식 3]에 있어서, mean은 평균, std는 표준편차를 의미하며, 상기한 바와 같이 하여 구해진 4월의 β1x는 0.0141, 10월의 β1x는 0.0157이었다.
계속해서, 도 8을 참조하면, 도 8은 β1m과 β1x를 사용하여 결정된 β1의 공간적 분포와 이때의 풍속 내삽 결과를 나타내는 도면이다.
도 8에 있어서, β1의 공간적인 분포를 살펴보면, 대부분의 지역에서 그 값이 0 ~ 0.002의 값을 보이고 일부 지역에서 양의 값을 보이며, 양의 값이 나타나는 지역이 특정 관측지점으로부터 원형의 영향반경 형태로 나타나는 것은 도 6의 결과와 동일하고, 이는, β1을 최대값과 최소값의 범위 내로 조정하는 기존 방식으로는 β1이 양의 값을 보이는 지역과 그렇지 않은 지역으로 극명하게 구분되는 현상을 개선할 수 없었다는 것을 의미한다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 이렇게 결정된 β1을 사용하여 내삽된 풍속 내삽면을 살펴보면, β1의 공간적인 분포특성이 일부 지역의 내삽면에 문제를 발생시키고 있음을 알 수 있다.
즉, 도 8에서 화살표는 풍속이 급격하게 변하는 지역을 가리키고 있으며, 이러한 지역들은 β1이 급격하게 변하는 경계 지역과 일치한다.
도 9를 참조하면, 도 9는 사례 지역으로서 광주와 전라남도의 경계인 무등산 관측지점 주변의 풍속 내삽 결과를 나타내는 도면이다.
도 9에 있어서, 이곳에서는 무등산 관측지점을 중심으로 원형상의 높은 풍속대가 나타나고 있고, 무등산 관측지점은 ASTER GDEM(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model)의 공간해상도를 1km로 낮춘 자료를 기준으로 했을 때 해발고도 778m에 위치하고 있으며, 2014년 4월의 풍속이 4.9 m/s이었다.
이에 비해, 무등산 지점으로부터 반경 60km 내에 분포한 15개의 관측지점은 해발고도 9 ~ 200m에 위치해 있으며, 풍속은 1.1 ~ 2.3 m/s의 분포를 나타내었다.
즉, 2014년 10월의 경우, 무등산 지점의 풍속은 4.7 m/s이었고, 다른 지점들의 풍속은 0.8 ~ 2.0 m/s의 분포를 나타내었으며, 이로 인해 무등산 지점으로부터 일정 반경 내에서는 지형고도와 풍속 사이에 강한 양의 관계가 나타나고 있었으나, 무등산 지점이 내삽에 포함되지 않는 지역에서는 지형고도와 풍속 사이의 관계가 0에 가까웠다.
이에 따라, 무등산 지점이 내삽에 사용된 지역의 산정부에서는 4.0 m/s 이상의 높은 풍속이 나타나고 있었고, 그 외 지역의 산정부에서는 2.5 m/s 이내의 풍속이 나타나고 있었으며, 2014년 10월의 풍속 분포에서도 역시 무등산으로부터 일정 반경 내에 위치한 산정부에서는 4m/s의 높은 풍속이 나타났으나, 그 외 지역의 산정부에서는 2.0m/s 이내의 풍속이 나타나고 있었다.
특히, 인근 유사 지형임에도 불구하고 β1의 급격한 변화로 인해 내삽된 풍속 역시 급격하게 변하는 문제가 발생하고 있었으며, 도 9는 이와 같은 사례를 잘 보여주고 있다.
더 상세하게는 도 9에 있어서, 지점 (A)와 지점 (B)는 동일 능선에 위치해 있으나, 두 지점의 풍속은 각각 3.7m/s와 1.7m/s로 큰 차이를 보이 있고, 이는 (A) 지점의 β1은 무등산 지점을 사용하여 결정되었고, (B) 지점의 β1은 무등산 지점을 사용하지 않고 결정되었기 때문이며, 이때의 (A) 지점의 β1은 0.0027이고, (B) 지점은 0.0003이었다.
계속해서, 지형면 자료를 이용하여 상기한 바와 같은 기존의 MK-PRISM 모델의 문제점을 개선하는 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같은 기존의 MK-PRISM에서는 모든 격자에서 같은 값의 β1x와 β1m을 사용하였고, 아울러, 기존의 MK-PRISM은 지형고도와 풍속 사이의 관계에서 음의 관계를 허용하지 않기 때문에 β1m은 0을 사용하고 있었다.
그러나 상기한 바와 같이, 이와 같은 개념은 특정 관측자료의 사용 여부에 따라 β1의 급격한 변화를 초래하고 있었으며, 이에, 본 발명에서는, 이와 같은 현상을 제어하기 위해 이하의 [수학식 4]와 [수학식 5]를 기존의 MK-PRISM 모델에 추가하고, 이렇게 수정된 모델을 MK-PRISM-Wind라 명명하였다.
즉, [수학식 4]와 [수학식 5]는 β1의 허용 범위인 β1m과 β1x를 지형면에 따라 다르게 사용하도록 한 것이다.
[수학식 4]
Figure pat00008
[수학식 5]
Figure pat00009
여기서, 상기한 [수학식 4] 및 [수학식 5]에 있어서, β1xn은 각 격자에서 사용할 새로운 β1의 최대 허용값이고, β1x는 사용자가 지정한 초기 최대 허용값이며, T는 각 격자의 지형면 분류으로 계곡, 사면, 능선으로 구분된다.
또한, 본 발명에 있어서, β1x는 광역 최적화 기법을 사용하여 결정되었으며, 4월의 경우에는 0.005, 10월에는 0.006을 사용하였고, β1mn은 각 격자에서 사용할 새로운 β1의 최소 허용값으로, 이 값은 β1xn과 β1x를 사용하여 결정된다.
따라서 상기한 [수학식 4] 및 [수학식 5]에 의하면, 능선에서 최대 허용값은 커지고 사면과 계곡으로 갈수록 작아지며, 최소 허용값 역시 최대 허용값에 따라 달라지므로, 동일 지형면에서 β1이 급격하게 변하는 것을 방지한다.
아울러, [수학식 4] 및 [수학식 5]에서 사용되는 0.4, 0.7, 1.0, 0.2의 값은 시행착오(Trial and Errors) 과정을 통해 결정된 값이다.
더욱이, 지형면 분류 방법에는 종래 여러 가지 방법들이 제시된 바 있으나, 본 발명에서는, 지형면 분류는 Elevation Standardized TPI(Topographic Position Index)를 이용하여 분류하였다.
즉, 종래의 방법들의 공통점은 지형고도, 지형경사, 기복량에 근거하여 지형면을 분류하는 것이나, 지형면 분류항목과 계산방식에서는 차이가 있고, 이 중에서 Weiss(2001)의 방법은 TPI를 활용하여 3개의 지형면(Valleys, Slopes, Redges)을 분류하였고, TPI와 지형경사를 조합하여 6개 유형(Ridges, Upper Slopes, Steep Slopes, Gentle Slopes, Lower Slopes, Valleys)의 지형면을 분류하였으며, 이는, 분류 유형과 활용 가능한 도구 등을 고려했을 때 가장 활용이 용이하다.
이에, 본 발명에서는 3개의 지형면 분류 방법을 사용하였으며, 지형면 분류에는 ArcGIS 9.3의 확장 도구인 Land Facet corridor Designer(Jenness et al., 2013)를 이용하였고, 이 프로그램은 웹에서 무료로 다운로드 받을 수 있다.
또한, 지형면 분류과정에서 TPI는 DEM의 중심 격자와 주변 격자의 표고 차이에 의해 결정되고, 이때, 표고 차이는 분석에 이용되는 주변 격자의 범위, 인접거리(neighborhood distance)에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에서는, 목표 공간해상도(1km)와 광역적인 지형면 분류를 위해 인접거리(neighborhood distance)를 10km로 설정하였다.
즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 본 발명에서 분류한 지형면을 나타내는 도면이다.
또한, 도 11을 참조하면, 도 11은 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에 의해 산출된 β1의 분포와 풍속 분포를 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 도 11에 있어서, 좌측은 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에 의해 얻어진 β1의 분포이고, 우측은 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에 의해 얻어진 풍속 분포를 각각 나타내고 있다.
도 11에 나타낸 바와 같이, β1의 공간적인 분포를 살펴보면, 도 8에서 나타났던 값의 극단적인 변화가 완화되었음을 알 수 있으며, 4월 β1의 공간적인 분포에서는 개선효과가 특히 뚜렷하였음을 확인할 수 있다.
아울러, 10월 β1의 공간적 분포는 도 8에 비해서는 많이 개선되었지만 일부 지역에서는 여전히 β1이 급격하게 변하기도 하며, 이는 10월 풍속의 편차가 4월에 비해 크기 때문인 것으로 판단된다.
즉, 도 11에 나타낸 결과로부터, β1의 공간적인 분포를 개선한 것이 풍속 분포의 개선으로 이어졌다는 것을 알 수 있으며, 4월과 10월 풍속 분포도 모두에서 능선을 따라 유사한 풍속이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 화살표 지점들은 도 8에서 동일 능선임에도 풍속이 급격하게 변한 지점이었으나 도 11에서는 이 지점들에서 유사한 풍속들이 연속적으로 나타나고 있고, 이와 같은 모델의 개선 효과는 10월의 풍속 분포도에서도 확인할 수 있다.
이 외에도, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에서의 풍속분포 개선효과는 다른 지역의 능선, 평지 및 구릉지에서도 확인할 수 있다.
즉, 대구와 소백산맥 지역의 풍속분포에서 능선을 따라 상대적으로 높은 풍속이 나타나고 있고, 이와 같은 분포는 도 8에서는 묘사되지 않고 있었으며, 또한, 전라북도 서부 지역을 살펴보면, 해안으로부터 내륙에 걸쳐 나타나는 풍속 변화가 도 8에 비해 더욱 점진적으로 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 결과들을 통해, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind는 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM에 비해 더욱 타당한 풍속 분포도를 생산할 수 있다는 것을 알 수 있으며, 이는, 지형면 분류를 토대로 한 지형고도-풍속의 가중선형회귀식 계수에 대한 적절한 조절이 모델 개선에 주요하였음을 의미한다.
아울러, 도 12를 참조하면, 도 12는 도 1에 나타낸 기존의 MK-PRISM과 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind의 차이점을 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
즉, 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 기존의 MK-PRISM에서는, 예를 들면, 도 11에서 화살표가 가리키는 곳과 같이, 특정 지점의 사용 여부에 따라 내삽된 값이 급격하게 변화함으로 인해 능선을 따라 나타나는 풍속이 잘 재현되지 않으나, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind 방법에서는 이와 같은 현상이 나타나지 않으며, 해안선과 능선을 따라 풍속의 분포가 매우 타당하게 재현되고 있음을 확인할 수 있으므로, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind는 기존의 MK-PRISM과 확실한 차이점이 있는 것임을 알 수 있다.
계속해서, 도 13을 참조하면, 도 13은 기존의 공동크리깅(co-kriging) 방법과 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에 의해 얻어진 풍속 분포를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 13에 있어서, 도 13은 2011 ~ 2014년의 평균적인 봄철 풍속 분포를 각각 나타내고 있으며, 도 13에 나타낸 결과로부터, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind 방법이 해안선을 따라 나타나는 높은 풍속대 및 능선을 따라 나타나는 높은 풍속대를 보다 정확하게 재현하고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind 방법은 기존의 MK-PRISM 뿐만 아니라, 현재 널리 사용되고 있는 공동크리깅(co-kriging) 방법에 비하여도 보다 우수한 성능을 나타내는 것임을 알 수 있다.
이상, 상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 기존의 풍속 내삽을 위해 개발된 MK-PRISM을 남한 전체에 적용하고 문제점을 분석하여 기존 모델을 개선하였으며, 이를 위해, 지형면 분류를 토대로 동일한 지형면에서는 가중선형회귀식의 기울기가 급격하게 변하지 않도록 기존 모델을 개선한 MK-PRISM-Wind 모델을 제시하였다.
이때, 지형면은 계곡, 사면, 능선으로 분류하였으며, 지형면의 분류에는 지형고도로 표준화한 TPI(Topographic Position Index)를 활용하였고, 그것에 의해, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind에 의해 산출된 풍속 분포도에서는 능선에서 유사한 풍속이 연속적으로 나타났으며, 평야 및 구릉 지역에서도 풍속의 변화가 이전 모델에 비해 더욱 점진적으로 변화하였고, 이를 통해 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind가 이전 모델에 비해 더욱 타당한 풍속 분포를 산출할 수 있으며, 남한 전체의 풍속을 내삽하는데 유용하게 활용될 수 있다는 것을 확인하였다.
즉, 본 발명에 따른 MK-PRISM-Wind를 이용하여 생산되는 남한 전체의 1km 고해상도 풍속 분포도는, 미래 기후변화 시나리오 자료의 통계적 다운스케일을 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 수치기상 예측모델의 초기 입력자료 및 검증자료로서도 활용될 수 있고, 또한, 지속가능한 신재생에너지 자원확보를 위한 풍력에너지 자원평가를 위해서도 활용될 수 있으므로, 다양한 연구에서 폭넓게 활용 가능할 것으로 기대된다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 주로 강수량과 기온에만 적용되었던 기존의 MK-PRISM 방법에 남한 전체의 풍속 내삽을 적용할 수 있도록 개선하여, 가중선형회귀식에 기반한 풍속결정단계에서 해안 지역에서 지형고도와 풍속, 지형고도와 해안선으로부터의 거리를 조합하여 풍속을 결정하고, 가중선형회귀식 계수의 허용 범위를 지형면에 따라 다르게 사용하는 것에 의해, 특정 지점의 사용 여부에 따라 내삽된 값이 급격하게 변화함으로 인해 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM 및 공동크리깅 방법들의 문제점을 해결하여 해안 지역과 능선에서 보다 향상된 모의결과를 제공할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 풍속 내삽에 적용하기 위해 개선된 MK-PRISM 방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (11)

  1. 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM(Modified Korean Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model) 및 공동크리깅(co-kriging) 방법의 문제점을 해결하기 위해, 상기 해안 지역과 상기 능선에서 향상된 모의결과를 제공하기 위한 처리를 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행시키도록 구성되는 개선된 MK-PRISM 방법에 있어서,
    상기 처리는,
    분석을 위한 입력자료 및 매개변수 값을 입력받는 분석자료 입력단계;
    상기 분석자료 입력단계에서 입력된 데이터에 근거하여 탐색 격자를 생성한 후, 내삽지점을 설정하고 기지점 탐색을 행하는 입력자료 처리단계;
    상기 입력자료 처리단계에서 탐색된 기지점에 대한 가중치를 계산하여 지형고도-풍속의 가중선형회귀식을 산출하는 회귀식 산출단계;
    상기 회귀식 산출단계에서 산출된 상기 지형고도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하여 풍속을 계산하는 풍속계산단계;
    미리 정해진 기준에 근거하여 상기 풍속계산단계에서 풍속이 계산된 상기 기지점이 해안선이나 능선 인근인지 아닌지를 판단하는 지형판단단계; 및
    상기 지형판단단계의 판단 결과 해안선이나 능선 인근인 경우, 해양도-풍속의 가중선형회귀식을 산출하고, 상기 해양도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하여 풍속을 계산한 후, 상기 풍속계산단계에서 계산된 풍속과 미리 정해진 일정 비율로 병합하는 것에 의해 최종 풍속을 결정하고, 해안선이나 능선 인근이 아닌 경우는 상기 풍속계산단계에서 계산된 풍속을 그대로 최종 풍속으로 결정하는 풍속결정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 풍속결정단계에서 결정된 풍속이 마지막 지점인지를 판단하는 종료지점 판단단계; 및
    상기 종료지점 판단단계의 판단 결과, 마지막 지점이 아닌 경우는 다음 지점에 대한 풍속을 계산하는 과정을 반복하고, 마지막 지점인 경우는 분석을 종료하는 반복 및 종료단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 분석자료 입력단계는,
    상기 입력자료로서, 지형고도자료, 사면방향 자료, 해양도 자료, 해양마스킹 자료, 기지점 자료 및 지형면 자료를 포함하는 데이터를 입력받는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회귀식 산출단계는,
    상기 기지점에 대한 가중치로서, 클러스터 가중치, 거리 가중치, 고도 가중치, 해양도 가중치 및 사면방향 가중치를 각각 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회귀식 산출단계는,
    이하의 수학식을 이용하여 각 기지점에서의 가중치를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.

    Figure pat00010


    (여기서, W는 기지점의 가중치, Fd는 거리의 중요도, Wd는 거리 가중치, Fz는 지형고도의 중요도, Wz는 지형고도의 가중치, Wc는 클러스터 가중치, Wp는 해양도 가중치, Wf는 사면방향에 따른 가중치를 각각 나타냄)
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 풍속계산단계는,
    이하의 수학식을 이용하여, 상기 지형고도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하는 것에 의해 각 기지점의 풍속 값을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.

    Figure pat00011


    (여기서, Y는 각 기지점의 풍속, β1은 가중선형회귀식의 기울기, β0는 가중선형회귀식의 절편, X는 각 기지점의 지형고도, β1m은 가중선형회귀식의 기울기가 허용되는 최저값, β1x는 가중선형회귀식의 기울기가 허용되는 최고값, wi는 각 기지점의 가중치, xi와 yi는 각 기지점에서의 지형고도와 풍속을 나타냄)
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 풍속계산단계는,
    이하의 수학식을 이용하여, 상기 가중선형회귀식의 기울기(β1)의 최대 허용 범위 값(β1x)을 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.

    Figure pat00012


    (여기서, mean은 평균, std는 표준편차를 각각 나타냄)
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 풍속결정단계는,
    상기 지형판단단계의 판단 결과 해안선이나 능선 인근인 경우, 이하의 수학식을 이용하여 상기 가중선형회귀식의 기울기(β1)의 허용 범위(β1m 및 β1x)를 지형면에 따라 다르게 적용하여 상기 풍속을 결정하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    상기 가중선형회귀식의 기울기의 허용 범위를 지형면에 따라 달리 적용하는 것에 의해 동일 지형면에서 급격한 기울기(β1)의 변화를 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.

    Figure pat00013


    (여기서, β1xn은 각 격자에서 사용할 새로운 β1의 최대 허용값, β1x는 사용자가 지정한 초기 최대 허용값이며, T는 각 격자의 지형면 분류로서 계곡(vally), 사면(slope), 능선(ridge)으로 구분되고, β1x는 광역 최적화 기법을 사용하여 결정되며, β1mn은 각 격자에서 사용할 새로운 β1의 최소 허용값을 각각 나타냄)
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 풍속결정단계는,
    상기 지형판단단계의 판단 결과 해안선이나 능선 인근인 경우, 상기 풍속계산단계에서 계산된 풍속(A)과 상기 해양도-풍속의 가중선형회귀식의 기울기 범위를 검토하여 새로이 계산된 풍속(B)을 3:7의 비율로 결합하여(A(30%) + B(70%)) 상기 최종 풍속을 결정하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    상기 가중선형회귀식의 기울기의 허용 범위를 지형면에 따라 달리 적용하는 것에 의해 급격한 기울기의 변화를 방지하여 유사한 풍속이 연속적으로 나타나는 상기 해안선이나 상기 능선 지역에서의 풍속 모의 성능을 향상시킬 수 있는 동시에,
    상기 해안선이나 상기 능선 인근 지역에 대한 풍속과 아닌 지역에 대한 풍속의 결정을 각각 구분하여 결정하는 것에 의해 상기 해안선이나 상기 능선 인근 지역에 대한 풍속을 결정하는 과정이 해당 지역에서의 빠른 풍속을 재현하는 역할을 하여 상기 해안선이나 상기 능선 인근 지역에 대한 풍속 모의 성능이 향상될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 MK-PRISM 방법.
  10. 청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 개선된 MK-PRISM 방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
  11. 해안 지역이나 능선을 따라 나타나는 풍속이 정확히 재현되지 않는 단점이 있었던 종래기술의 MK-PRISM(Modified Korean Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model) 및 공동크리깅(co-kriging) 방법을 이용한 기후정보 제공시스템들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 기후정보 분석 및 제공시스템에 있어서,
    입력자료를 수신하기 위한 입력부;
    상기 입력부를 통하여 입력된 상기 입력자료에 근거하여 분석을 행하는 분석부; 및
    상기 분석부에 의해 분석된 결과를 출력하는 표시부를 포함하여 구성되고,
    상기 분석부는,
    청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 개선된 MK-PRISM 방법을 이용하여 상기 입력자료의 분석을 수행하도록 구성됨으로써,
    해안이나 능선 인근 지역에서 향상된 모의결과를 제공할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기후정보 분석 및 제공시스템.
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