[이력서] 학술 발표 : 이어도 종합해양과학기지의 일사자료 비교분석

1. 이어도 종합해양과학기지의 일사자료 비교분석
이상호1,2, 조일성2 , 김부요1,2, 정현석1,2, 임세훈1,2, 이규태1,2, 변도성3, 이주영3
1 강릉원주대학교 대기환경과학과, 2 강릉원주대학교 복사-위성연구소
3 국립해양조사원 해양과학조사연구실
한반도는 지리적으로 70% 이상이 산악이고 밀집된 주변 건물들 때문에 양호한 일사계 관측소
확보 및 정확한 일사자료 생산이 쉽지 않다. 이와 달리 이어도 종합해양과학기지(32.12°N,
125.18°E, 36 m)는 태양광 차폐가 없고 오염되지 않은 대기 환경 때문에(박성화 등., 2009) 일사
관측소로써 최적 여건을 구비하고 있다. 또한 이어도 일사자료는 일사계의 기준자료로
사용될 수 있을 뿐만 아니라 태양복사모델과 위성 관측 자료의 검·보정 등 다양하게 활용될 수
있다. 그러나 이어도 기지는 무인관측소로 일사계 관리가 어렵고, 관측자료가 위성통신으로 실시간
해양조사원으로 전송되는 동안 자료 오류가 발생(김용환 등., 2007) 되기 때문에 정밀한 품질 검사가
요구된다. 이 연구에서는 이어도 기지의 일사자료 활용을 위한 품질검사와 복사모델(GWNU Model;
Zo et al., 2014) 결과 및 CERES 인공위성 자료와 비교 분석 그리고 기준 일사계와 비교관측 등을
수행하였다.
1. 서론
박성화, 이동인, 서길종, 유철환, 장민, 강미영, 정상민, 김동철, 최창섭, 이병걸. 2009: 연구논문:
이어도 해양종합과학기지에서의 에어로솔 수 농도 변동. 한국환경과학회지,18(7), 721-733.
김용환, 민인기, 박철민. 2007: 이어도 해양과학기지의 실시간 관측자료 QC 프로그램의 운용 결과
분석. 2007년도 이어도 연구회 발표논문집, 138-148.
Zo, I. S., Jee, J. B., and Lee, K. T. 2014: Development of GWNU (Gangneung-Wonju
National University) one-layer transfer model for calculation of solar radiation
distribution of the Korean peninsula. Asia-Pacific Journal of Atmospheric
Sciences, 50(1), 575-584.
◆ 참고문헌
이어도 기지의 일사계(EKO 社의 MS-802, 그림 1 참조) 관측 자료 분석을 위해서 위해서 2005년
1월 1일부터 2015년 12월 31일까지의 자료를 사용하였다(2013년 9월 기준 이전 매 10분 평균,
이후 매 1분). 이 자료 검증을 위하여 GWNU 단층 복사모델(공간해상도: 1km×1km; 시간해상도:
매 15분)과 Terra, Aqua, NPP의 CERES 자료(공간해상도: 20km×20km; 시간해상도: 매 초)가
사용되었다(기간: 2013.01.01~2015.12.31). 이때 이어도 일사자료를 기준으로 복사모델과
CERES 자료의 시간 해상도에 맞추어 일치 하였으며 이어도 위·경도를 기준으로 최근린 거리법을
적용하여 공간 일치시켰다.
이어도 일사자료의 비교 관측을 위하여 기준 일사계(KIPP&ZONEN 社의 CMP21, 이하
Reference)는 기상청 기준기를 통해 검교정된 장비이며 기록기는 CR1000을 사용하였다(기간:
2016.07.17 12:10~12:59; 시간해상도: 매 1분).
2. 자료 및 분석
3. 일사 관측자료 품질 검사
그림 2a는 이어도 일사자료로써 2005년부터 2015년까지 각 년도별 빈도분포이고 그림 2b는
2a를 품질검사를 통해 오류 자료를 제거한 빈도분포이다. 이때 발생된 오류의 항목은 파이 차트와
대표적인 사례를 나타내었다(그림 2c와 그림 3 참조). 그리고 그림 4는 품질검사가 완료된 2b 자료의
일평균 시계열로써 -3.80 Wm-2/year의 경향으로 감소하였으며 그 원인은 일사계 반응도 변화와 기상
요소 변화 등 때문이다.
이 연구에서는 이어도 기지의 일사자료 품질검사 및 복사모델과 CERES 센서를 비교분석하였다.
이어도 기지는 해상에 위치한 무인 관측소로 관측장비의 유지 관리가 어려운 실정이다. 이러한 관측
자료 분석을 수행하기 위해서는 기준 일사계와의 비교 관측 및 센서의 반응도 분석이 필요하다. 향후
장기간에 걸친 비교관측을 통해 일사 자료를 검·보정하는 연구를 발표할 것이다.
6. 요약 및 향후계획
그림 6. 두 자료의 시계열 및 차이(a)와 두 자료의 산포도(b) 그리고 카메라로 촬영한 구름 사진(c).
이 연구는 해양수산부 국립해양조사원 “이어도 종합해양과학기지의 복사관측자료 국제화 추진
전략 수립 및 활용연구용역” 과제의 일환으로 이루어졌습니다.
◆ 사사
MS-802
(IEODO)
CMP21
(Reference)
자외선 일사계
b. QC Ater (N=3186)a. QC Before (N=3186) c.
그림 2. 품질검사 이전 자료(a)와 이후 자료(b) 그리고 오류가 발생된 항목(c).
그림 5. 이어도 일시자료와 복사모델의 산포도(a), 이어도 일사자료와 CERES 센서의 산포도(b),
세 자료의 상자그림(c).
a. b.
4. 복사모델, CERES 자료 비교분석
그림 5a는 이어도 기지의 일사자료와 복사모델 계산 결과로써 R과 RMSE는 각각 0.88과 136.88
Wm-2 이었다. 이와 같이 R과 RMSE 값이 양호하지 못한 이유는 복사모델의 입력자료로 사용되는
구름 자료의 부정확성 때문이다. 그러나 그림 5b는 이어도 기지의 일사자료와 CERES 자료와 비교
분석 결과로써 구름 영역에서 R과 RMSE는 각각 0.90과 128.40 Wm-2 이었고 구름 없는 영역에서
R와 RMSE는 각각 0.97과 51.01 Wm-2 로 나타났다. 이렇게 구름 영역에서 다소 큰 차이가 나는
이유는 강수가 발생할 경우 이어도 기지의 장비 관리 및 데이터 품질 유지가 어렵기 때문으로 분석되며,
구름이 포함된 전체 영역에 대한 결과는 0.91과 119.94 Wm-2 이었다.
12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00c.
b.a.
그림 6a는 이어도 기지의 일사계와 기준 일사계의 비교 관측 결과로써 이어도 기지의 일사계는
기준 일사계에 비교하여 약 1.1 % 크게 나타났다. 또한 39분에서 -3.4 %의 큰 차이가 나타났으며,
이는 그림 6c와 같이 구름에 의한 태양에너지가 감쇠되었기 때문이다. 그럼에도 불구하고 두 자료의
R은 0.998 이었으며 Bias와 RMSE는 각각 -3.24과 1.22 Wm-2 이었다(그림 6b 참조).
정밀한 비교관측 자료 분석을 위해서는 최소 2~3일의 자료가 요구되나 이 연구를 이어도 기지에
머무를 수 있는 체류 시간(약 1시간)이 짧고 그 동안 기상 상태가 좋지 않았음에도 불구하고 이어도
기지의 일사계 상태가 비교적 양호한 것으로 판단되며 추후 계속적인 연구를 통하여 충분한 자료 확보
및 재분석을 수행할 것이다.
5. 기준 일사계 비교 관측
마라도
퉁다오
이어도
종합해양과학기지
Atmospheric
Radiation Lab.
Research Institute for
Radiation-Satellite
그림 4. 품질검사 이전/이후 이어도 기지의 일평균 일사 시계열.
QC AfterQC Before
그림 5. 이어도 일시자료와 복사모델의 산포도(a)와 이어도 일사자료와 CERES 자료의 산포도(b).
그림 1. 이어도 기지의 위치와 비교관측 수행.
그림 3. 오류가 발생된 대표적인 사례.
자료 누락
극대값 관측
극소값 관측
반복적인값 관측
반복적인값 관측
불규칙한값 관측