[이력서] 국내 학술지 : 이어도 종합해양과학기지의 복사관측소 환경 개선 및 국제화 추진 전략
1. 이어도 종합해양과학기지의 복사관측소 환경 개선 및1
국제화 추진 전략2
A Strategy for Environmental Improvement and Internationalization of the3
IEODO Ocean Research Station’s Radiation Observatory4
5
SANG HO LEE1,2
, Il SUNG Zo2
, KYU TAE LEE1,2*
, BU YO KIM1,2
, HYUN SEOK JUNG1,2
, SE6
HUN RIM1,2
, DO SEONG BYUN3
, JU YEONG LEE3
7
1
Department of Atmospheric and Environmental Sciences, Gangneung-Wonju National University,8
Gangneung, Korea9
2
Research Institute for Radiation-Satellite, Gangneung-Wonju National University, Gangneung,10
Korea11
3
Ocean Research Division, Korea Hydrographic and Oceangraphic Administration, Busan, Korea12
13
14
15
16
17
*Corresponding author. E-mail: ktlee@gwnu.ac.kr18
2. ABSTRACT19
정확한 복사 관측자료는 기후 및 날씨뿐만 아니라 해양과 건축 및 농⋅축산 분야20
등 중요하게 활용된다. 특히 이어도와 같은 종합해양과학기지는 주변 환경에 의한 복사21
반사 효과를 최소화할 수 있기 때문에 이상적인 관측소로 평가되며 여기서 생산되는 자22
료는 복사관측의 기준 자료가 될 수 있다. 또한 BSRN(Baseline Surface Radiation Network)23
등 세계복사관측그룹 가입을 위한 필수 장비들(전천과 직달 및 산란 일사계 등)을 갖추24
고 관측소 환경을 개선할 경우 전 세계적인 중요 관측소로 부각될 수 있는 여건을 갖추25
고 있다. 이어도 종합해양과학기지는 2004년 11월부터 일사계 관측을 수행해 왔고 이26
연구에서는 2005년 1월 1일부터 2015년 12월 31일까지의 자료를 분석하였다. 이 연구27
기간에 이어도의 일평균 일사량은 -3.80 W/m2
/year로 감소하였고 그 이유는 자연적 원인28
이외에 관측장비의 센서 반응도 감소 효과가 포함되어 있기 때문이다. 즉 이어도 종합29
해양과학기지의 경우 정밀한 복사 관측자료를 생산하기 위해서는 관측소 환경 개선뿐만30
아니라 관측장비 및 자료 보정이 요구된다. 그리고 한반도의 대기 청정도와 국민 건강31
을 크게 위협하고 있는 중국발 황사와 미세 먼지는 전 세계 과학자들의 중요 관심 대상32
이기 때문에 이어도뿐만 아니라 신안 가거초 및 옹진 소청초 종합해양과학기지 복사 관33
측자료를 통한 공동 대응 근거 마련이 필요하며 그에 따라 이들 복사관측소 환경 및 장34
비 개선 그리고 관측자료 정확성 향상 계획 수립이 시급하다.35
36
The radiation observation data will be used importantly in research field such as climatology,37
weather, architecture, agro-livestock and marine science. The Ieodo Ocean Research Station (IORS)38
is regarded as an ideal observatory because its location can minimize the solar radiation reflection from39
the surrounding background and also the data produced here can serve as a reference data for radiation40
observation. This station has the potential to emerge as a significant observatory and join a global41
radiation observation group such as the Baseline Surface Radiation Network (BSRN), if the surrounding42
of observatory is improved and be equipped with the essential radiation measuring instruments43
(pyaranometer and pyrheliometer). IORS has observed the solar radiation using a pyranometer since44
November 2004 and the data from January 1, 2005 to December 31, 2015 were analyzed in this study.45
During the period of this study, the daily mean solar radiation observed from IORS decreased to -3.8046
3. W/m2
/year due to the variation of the sensor response in addition to the natural environment. Since47
the yellow sand and fine dust from China are of great interest to scientists around the world, it is48
necessary to establish a basis of global joint response through the radiation data obtained at the Ieodo49
as well as at Sinan Gageocho and Ongjin Socheongcho Ocean Research Station. So it is an urgent50
need to improve the observatory surrounding and the accuracy of the observed data.51
52
Key words: Ieodo Ocean Research Station (IORS), Baseline Surface Radiation Network (BSRN),53
pyranometer, solar radiation54
55
4. 1. 서론56
태양 복사와 적외 복사는 대기 중에서 기체들과 에어로졸 및 구름 등에 의하여 흡57
수 또는 산란하며 시⋅공간에 따른 복사 분포는 기후변화와 해양환경 변화를 유도하기 때58
문에 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change; Stocker et al., 2013)에서 중요하게 취급59
하는 요소들이다. 지표면 복사 관측자료는 산업 활동 및 신재생에너지 개발뿐만 아니라60
지구-대기-해양의 에너지 수지와 대기 성분 및 인공위성 알고리즘 검증(Lamquin et al.,61
2012) 등과 관련되어 다양한 분야에 활용된다(Pinker et al., 1995; Hatzianastassiou et al. 2005;62
Lian-Gang et al. 2008). 특히 해양은 지구의 70 % 이상을 차지하고 복사 수지 연구에 중요63
하나 직접적인 복사관측이 어려우므로 인공위성 자료를 활용하고 있다(Sohn,B.J, 1996).64
그러나 위성에 탑재된 센서는 시간 경과에 따라 반응도가 감소하기 때문에 검⋅보정이 필65
연이고 이러한 검⋅보정을 위하여 일부 지역의 정확한 지표면 복사 관측자료가 요구된다.66
선진국에서는 오래전부터 복사 관측기술 및 분석 연구가 활성화되어 있다. 특히67
미국은 복사 관측분야 중 신재생에너지 측면에서 많은 연구가 되었으며 미국 신재생에너68
지 연구소(NREL: National Renewable Energy Laboratory)는 재생에너지 변환 기술과 기후 변69
화 연구를 위한 자료 제공 및 실⋅내외 복사계 검·보정 기술 등을 보유하고 있다. 이러한70
NREL과 NCDC(National Climatic Data Center)는 1995년에 239개 자국 관측소들의 태양 복71
사와 기상자료를 제공하였으며 2007년에는 1,454개 관측소의 자료를 제공한 바 있다. 또72
한 해당 국가별 복사관측 이외에도 전 세계적으로 복사관측 국제협력 프로그램을 운영하73
고 있고 대표적으로 WRC(World Radiation Center)와 BSRN(Baseline Surface Radiation Network)74
(Ohmura et al., 1998) 등이 있다. 특히 BSRN은 국제적인 복사 관측그룹으로서 1988년 1075
월 세계기상기구/국제과학연맹이사회(WMO/ICSU, World Meteorological organization/76
International Council of Scientific Unions)에서 지구의 장기적인 복사 변화 감시를 위하여 설77
립되었고 이 그룹에 등록된 장기간의 품질 높은 복사 관련 자료들은 전 세계 기후와 복78
사 수지 등의 분석에 이용된다(Liang et al., 2010; Zhang et al., 2013; Zhang et al., 2015). 현재79
68여 개 BSRN 관측소(Running:51, Candidate:8, Closed:9)가 운영되며 이들 중 아시아에서는80
일본(Fukuoka, Ishigakijima, Minamitorishima, Sapporo, and Tateno)과 인도(Gandhinagar, Gurgaon,81
Howrah, and Tiruvallur) 및 대만(Lulin and Dongsha Atoll) 그리고 중국(Xianghe) 관측소가 있82
다.83
5. 그러나 국내에서 지상 복사관측의 경우 1969년 기상청에서 최초로 일사관측을 시84
작하여 현재는 40여 개의 전천 일사 및 7개의 직달 일사관측소를 설치 운영 중이고 한국85
에너지기술연구원에서는 전국 16개 관측소에 전천 및 직달 일사계를 설치 운영하고 있다86
(기상청, 2007). 해상 복사관측의 경우 2004년 이어도 종합해양과학기지에서 일사관측을87
시작하였고 현재는 이어도와 신안 가거초 및 옹진 소청초 종합해양과학기지에서 전천 일88
사계를 설치 운영하고 있다(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency, 2016). 이러한 복89
사 관측장비는 주변 건물과 지형 등의 영향이 최소화되는 장소에 설치되어 자료가 생산90
되어야 하나 한반도 대부분 관측소 환경이 양호하지 못하다. 그러나 이어도와 신안 가91
거초 및 옹진 소청초 종합해양과학 기지는 복사관측소로서 매우 우수한 여건을 갖추고92
있다. 또한 이러한 해상관측소는 주변 해양 환경의 균일한 반사 특성 때문에(Rutledge et93
al., 2006) 천리안 위성(COMS: Communication Ocean and Meteorological Satellite) 및 2018년에94
발사될 차세대 정지궤도 기상위성(GK-2A: Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite-2A, GK-95
2B: Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite-2B)의 알고리즘 검·보정 연구에 활용될 수 있96
다.97
이어도와 신안 가거초 및 옹진 소청초 종합해양과학기지는 전문가 근접이 용이하98
지 못하나 입지적 요건이 우수하고 특히 이어도는 공해 상에 위치한 관측소이기 때문에99
(Byun and Cho 2006; Park et al., 2012) 이어도 종합해양과학기지를 국제 복사 관측그룹에 가100
입시킬 경우 국가적 중요 의미가 부여될 수 있다. 따라서 이 연구는 이어도 종합해양과101
학기지의 복사관측소 현황과 관련 자료 분석 및 해상관측소 운영과 활용 방안 등을 분석102
하여 이어도를 포함한 신안 가거초 및 옹진 소청초 종합해양과학기지가 국제적 관측소로103
발돋움하기 위한 기틀 마련이 목적이다.104
105
6. 2. 자료 및 방법106
2.1 복사 관측자료107
이어도 종합해양과학기지는 대한민국 고정식 해양구조물이며 마라도 남서쪽으로108
149 km와 도리시마 서쪽으로 276 km 그리고 서산다오 동쪽으로 287 km 떨어진 북위109
32.12o
N와 동경 125.18o
E에 위치하고 있다. 이어도 기지에서는 2003년 6월부터 기상 및110
해양 관측을 수행하며 복사 관측장비는 Fig. 1과 같이 전천 일사계(pyranometer)와 자외선111
일사계(UV-B radiometer) 및 일조계(sunshine duration meter)를 운영되고 있다(Kim and Choi,112
2006). 특히 전천 일사계는 2004년 11월 25일부터 자료를 생산하여 2013년 9월 이전까113
지는 10분 평균 자료 그 이후부터는 1분 평균 자료로 저장되고 있다. 그리고 이 자료는114
이어도 종합해양과학기지에 설치된 기록기(data logger)에 자동 저장되고 위성 통신으로115
실시간 국립해양조사연구원(KHOA: Korea Hydrographic and Oceanographic Agency)에 전송되116
나 통신 과정의 일부 오류(관측 센서의 오작동과 전송 장치의 오작동 및 작동 중단 그리117
고 자료 수신 및 처리 소프트웨어의 부적절한 대처 등)에 의한 자료 손실 문제가 발생한118
다(Kim et al., 2007). 앞서 설명한 바와 같이 일부 오류 등에 대한 적절한 조치가 필요하119
며 Fig. 2는 이어도 기지의 일사 관측자료에 나타나는 비정상적인 사례들이다. a는 2005120
년 4월 1일에 자료가 누락된 사례, b는 2012년 5월 26일에 극솟값 또는 0 값이 기록된 사121
례, c는 2015년 7월 13일에 극댓값이 기록된 사례 그리고 d-f는 2012년 7월 24일과 2005122
년 2월 1일 및 2007년 5월 17에 장시간 동안 반복적인 값과 불규칙한 값이 기록된 사례123
들을 나타낸 것이다. 이 연구 기간에 Fig. 2의 비정상적 자료를 제거한 일평균 자료의 수124
는 Fig. 3a에 나타내었고 이들 중 2009년 자료는 1년 동안의 365개 중 114개(39.5 %)로 가125
장 낮았으며 2014년 이후에 자료 정상화율은 90 % 이상이다. 그리고 Fig. 3b는 오류 원126
인을 원형 차트로 나타냈고 전체 자료 중 비정상적인 자료에서 반복적인 형태가 7.41 %127
로 가장 높았고 극솟값(6.0 %), 자료 누락(5.6 7%), 불규칙한 값(0.18 %) 그리고 극댓값128
(0.15 %) 순이었다. 따라서 이 연구에서는 이어도 기지의 일사 자료를 활용하기 위해129
2005년 1월 1일부터 2015년 12월 31일까지의 일사 자료에 대한 품질 관리를 수행하였다.130
7. 또한 이어도 기지의 일사계는 Table 1과 같이 2004년 11월부터 현재까지 사용되고131
있기 때문에 시간 경과에 따라 센서 반응도가 급격하게 변화될 수 있으므로 기준 일사계132
와 비교 관측을 수행하거나 태양복사모델을 이용하여 수시로 점검이 요구된다. 따라서133
이어도 종합해양과학기지를 방문하여 2016년 7월 17일 12시 10분부터 12시 59분까지 이134
어도 장비와 기준 장비를 비교 관측을 수행하였다. 비교 관측에 사용된 기준장비는135
Table 1과 같이 강릉원주대학교(GWNU: Gangneung-Wonju National University) 장비이고 기상136
청 기준기와 비교 검정된 것이다(Zo et al., 2016).137
138
2.2 태양복사모델139
복사 관측장비의 검⋅보정을 위한 실외 비교 관측은 최소 2-3일간 수행하는 것이140
바람직하나 관측기간에 날씨 영향을 많이 받는다. 그러나 태양복사모델은 이러한 날씨141
영향 없이 지표면에 도달하는 일사량을 계산 및 비교할 수 있다(Jee et al., 2010). 이 연구142
에서 사용된 GWNU 태양복사모델은 대기를 단일 기층으로 가정하여 오존과 수증기 및143
이산화탄소 등의 흡수 기체와 구름 및 에어로졸들을 Iqbal(1983)에 근거하여 다음과 같이144
계산하였다.145
146
)exp()cos(EII 0,0 λλλ τ−θ= (1)147
148
여기서 λ,0I 와 0E 및 θ 는 각각 파장별 대기 외 일사량과 이심률 및 태양 천정각을 의149
미한다.150
λλλλλλ τττττ=τ wagoar (2)151
152
여기서 λτr , λτa , λτo , λτg , λτwa 는 각각 공기 분자, 에어로졸, 오존, 혼합 기체, 수증기153
에 대한 광학 두께를 의미한다. 이러한 GWNU 모델은 다층 기준 모델(Line-by-Line154
Model; Chou and Suarez, 1999; Garand et al., 2001)을 통해 보정하였고 그 결과 다층 기준 모155
델에 비교하여 약 0.1 % 이내의 오차를 보였다(Zo et al., 2010). 따라서 이 연구에서는156
2013년부터 2015년까지 초단기 기상분석 및 예측시스템(KLAPS: Korea meteorological157
administration's Local Analysis and Prediction System) 자료와 위성 자료를 입력하여 GWNU 모158
9. 3. 결과161
3.1 이어도 종합해양과학기지의 복사 관측자료 분석162
Figures 2-3과 같은 이어도 일사 자료의 품질관리 전/후에 따른 특성 분석 결과는163
Fig. 4에 나타내었다. 이 그림에서 Fig. 4a는 품질관리 전 자료이고 Fig. 3에서 언급한 바와164
같이 비정상적인 자료를 포함하면 일평균 일사량은 약 0.30 W/m2
/year로 증가 경향이 나165
타났다. 그러나 Fig. 4a에서 품질관리를 수행한 결과는 Fig. 4b와 같이 -3.80 W/m2
/year로166
감소하였고 이러한 경향은 장비 설치 후 시간 경과에 따른 센서 반응도 감소가 중요 원167
인이다. 따라서 양질의 일사 자료를 생산하기 위해서 추후 직달 일사계와 산란 일사계168
및 태양추적장치가 설치되면 BSRN recommended quality checks V2.0(Long and Dutton, 2010)에169
의거하여 Table 2-3과 같이 실시간 품질 관리가 필요하다.170
Figure 4와 동일한 기간에 이어도 종합해양과학기지와 한반도 13개 지상관측소(광171
주, 대구, 목포, 부산, 서산, 서울, 수원, 원주, 인천, 전주, 청주, 춘천, 포항)의 월평균 일172
사량은 Fig. 5에 나타내었고 이 그림에서 이어도와 한반도의 월평균 일사량은 모두 감소173
경향을 보이고 Fig. 6과 같이 이들의 상관계수(R)는 0.81 그리고 편이(Bias)와 평균제곱근174
오차(RMSE)는 각각 –32.95와 89.21 W/m2
이었다. 즉 지상관측소는 대부분 관측소 환경이175
양호하지 못하고 구름과 강수량 및 에어로졸 등이 복잡하게 작용하기 때문에 복사 관측176
자료가 양호하지 못하여 이어도 해상관측소 자료와의 상관성이 높지 못하다. 그러나 이177
어도 종합해양과학기지의 복사 관측자료는 주변 환경 효과가 포함되지 않고 지표면 반사178
가 일정하기 때문에 지상 복사관측소 기준값으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 인공위성179
알고리즘 검⋅보정 등을 위하여 매우 중요하게 활용될 수 있다. 그리고 Fig. 5와 마찬가지180
의 13개 한반도 관측소와 이어도의 기온 변화는 Fig. 7에 나타내었다. 이 그림에서 이어181
도는 한반도보다 저위도 지역으로서 이 연구 기간에 월평균 최저 기온이 영하로 내려가182
지 않았고 최고 기온은 28℃ 이었으며 2012년 5-8월 기온 관측자료가 누락되어 있다.183
즉 이어도와 한반도 내륙에 대한 월평균 기온의 상관계수는 Fig. 6보다 높았으며 이러한184
원인은 기온이 일사량보다 주변의 환경 영향에 덜 민감하기 때문이다. 특히 기온 변화185
10. 는 복사 효과 이외에 수증기 등에 의한 온실효과 그리고 구름과 공기 이동에 따른 역학186
적 현상이 중요하기 때문에 한반도와 이어도 종합해양과학기지의 기후 연관성은 추가적187
인 심층 분석이 요구된다. 그리고 이어도 기온은 5 ℃ - 28 ℃까지 변화하나 한반도는 이188
어도보다 기온 변화 정도가 크게 나타나 최근의 전 지구 온난화에 따른 기온 변화는 저189
위도보다 고위도에서 더 급하게 발생한다는 이론과 잘 일치하고 있다.190
191
3.2 일사량 비교 관측192
이어도와 강릉원주대학교의 복사 관측장비는 Table 1, Fig. 1과 같으며 Fig. 8a에 나타193
낸 바와 같이 1분 평균한 이어도 관측자료는 강릉원주대학교 장비값보다 다소 높게 나타194
났다. 그 이유로서 이어도 관측장비는 2004년 11월 설치될 당시 정확한 보정을 수행하195
지 않았기 때문에 그 당시의 관측값은 기준값보다 높게 나타났을 것으로 추정되고 그 이196
후로 장비 센서의 반응도가 점차 감소하여 현재 상태가 된 것으로 판단된다. 즉 현재197
두 장비의 상관계수는 Fig. 8b에 나타낸 바와 같이 0.998로 높았으며 편이와 평균제곱근오198
차는 각각 -3.24와 3.71 W/m2
이었다.199
200
3.3 이어도 관측자료와 태양복사모델 결과 비교201
Fig. 9와 같이 이어도 관측자료(Fig. 9a)와 GWNU 모델 계산 결과(Fig. 9b)는 Fig. 10과202
같이 0.972의 높은 상관성을 나타내면서 모두 시간에 따라 감소하였고 이들 두 자료의203
변화 경향 분석을 위하여 Fig. 9와 같은 기간의 기상요소 자료들을 Fig. 11에 나타내었다.204
지표면의 복사 변화에 가장 큰 영향을 주는 기상 요소는 구름과 수증기량이고 이 연구205
기간에 이들 두 요소가 Fig. 11a, 11b와 같이 증가하고 있기 때문에 Fig. 9에서 이어도 관측206
자료와 복사모델 계산 결과의 감소는 필연이다. 그러나 Fig. 11c-11d에서 에어로졸과 오207
존이 감소하므로 자외선과 가시광선 파장 영역의 지표면 일사량의 증가요인이나 구름과208
수증기보다 에어로졸과 오존 효과가 훨씬 작기 때문에 Fig. 9와 같이 지표면 복사 관측자209
료 및 복사모델 계산 결과 감소는 타당한 것으로 판단된다. 이 연구는 이어도의 복사210
관측자료 검⋅보정을 위한 복사모델을 활용하였으며 전체 연구 기간(2005년 1월 1일-2015211
11. 년 12월 31일)에 관측자료의 변화 경향은 복사모델 결과와 일치하였으나 무엇보다도 기212
준 장비와 이어도 관측장비의 정밀한 비교 관측이 우선되어야 한다.213
214
215
12. 4. 이어도 종합해양과학기지 복사관측소 국제화 전략216
서론에서 설명한 것처럼 이 연구는 이어도와 신안 가거초 및 옹진 소청초 종합해217
양과학기지 복사관측소 국제화를 위하여 이들 관측소의 BSRN 가입이 목적이며 그 일환218
으로 이어도 등의 국내 종합해양과학기지와 상황이 유사한 국외관측소의 특성 및 유지관219
리 현황 그에 따른 국내 종합해양과학기지 복사관측소의 국제화 방안을 다음과 같이 요220
약 및 분석하였다.221
222
4.1 국외 해상 복사관측소의 특성223
4.1.1 Chesapeake Light House224
Chesapeake Light House는 Fig. 12a와 같이 미국의 버지니아 해양으로부터 동쪽으로 약225
50km 떨어진 북위 36.90o
N과 서경 75.71o
W에 위치하여 이어도 종합해양과학기지와 유사226
하다. 그리고 이 관측소는 1965년 등대 역할을 위해 만들어졌고 1997년부터 NASA227
CLAMS(Chesapeake Lighthouse and Aircraft Measurements for Satellites)와 COVE(CERES Ocean228
Validation Experiment)인 두 연구 단체는 기상 에어로졸 관측과 위성 자료의 정확도 검증229
및 향상을 위하여 현재까지 운영되고 있다(Bryan et al., 2016). 특히 이러한 관측소는 바다230
로 둘러싸여 있어 지표면 알베도의 계절 변화가 없고 주변 환경에 의한 태양복사 차폐가231
없기 때문에 직접적인 복사관측뿐만 아니라 현재 운용 중인 Terra/Aqua/Suomi NPP 위성에232
탑재된 CERES(Clouds and the Earth Radiant Energy System) 센서와 검⋅보정에 활용되고 있다233
(Rutledge et al., 2006). 또한 복사 관측장비는 미국의 Eppley Inc.와 네덜란드의 Kipp &234
Zonen Inc. 장비들을 갖추고 있으며 이들 장비는 주변 환경 영향 최소화를 위하여 타워의235
옥상에 설치되어있다. 그리고 해염으로부터 일사계를 관리하기 위해 Fig. 12c와 같이 저236
장 탱크에서 빗물을 이용하여 매일 일출 전에 유리돔을 자동 세척한다(NASA COVE 2012).237
238
4.1.2 Minamitorishima Island239
Minamitorishima Island는 Fig. 13a와 같이 북위 24.29o
N과 동경 153.98o
E에 위치하고240
1935년부터 기상관측을 시작하여 최근에는 자동기상관측장비와 라디오존데 및 복사관측241
13. (전천 일사, 직달 일사, 산란 일사, 장파복사; Fig. 13b) 그리고 대기오염 관측(에어로졸의242
광학두께, 이산화탄소, 메탄, 일산화탄소, 오존 전량 등)을 수행한다(Ohtake et al., 2015).243
그리고 이 관측소는 일본 기상청 직원과 자위대가 항시 거주하여 2-3개월마다 교대로 관244
리 운영되고 있다. 또한 Fig. 13c와 같이 일사계에 자동 세정 장치를 부착하여 55분-00분245
동안 청정수로 장비 세척 및 바람 건조를 수행한 후 매시간 00분-55분까지 관측을 수행246
한다(WRMC BSRN 1998). 이러한 자동 세정장치 사용 여부에 따른 일사량은 약 6%의 오247
차를 유발한다(Osamu et al., 2010).248
249
4.2 BSRN 관측소의 유지관리250
BSRN 관측소에서 복사 관측자료는 각 BSRN 지점 전문가(관리책임자)들과 WRMC251
(World Radiation Monitoring Center) 큐레이터에 의해 다음과 같은 과정을 수행한다. 우선252
관측소 복사 자료 파일의 지점 이름, 형식, 줄 수 등에 대해 검사를 수행하며 품질 관리253
도 함께할 수 있는 BSRN-Toolbox(Schmithüsen et al., 2012)를 사용한다. 이러한 품질 관리254
는 BSRN recommended quality checks V2.0(Long and Dutton, 2010)에 의거하여 진행된다. 그255
러나 때에 따라 굴절과 구름 등에 의해 다중 산란과 기온 역전 및 야간 복사 상쇄 등이256
발생하기 때문에 1단계 품질관리인 물리적 한계치(physically possible limits) 시험을 수행하257
여 범위를 벗어나는 자료들을 검사한다. 그리고 2단계 품질관리의 경우 태양 추적 장치258
의 태양 조준 오차와 센서 오작동으로 인한 오류가 발생하기 때문에 비교시험(comparison259
test)을 통해 범위를 벗어나는 자료들을 검사한다. 따라서 각 BSRN 관측소의 파일 검사260
및 품질 관리가 완료된 파일들은 WRMC로 전송되며 WRMC 큐레이터에 의해 추가 검사261
를 한다. 이때 오류가 발생하면 큐레이터는 BSRN 지점 전문가에게 이 사실을 통보하여262
시정할 것으로 요청하나 오류가 발생하지 않을 경우 이 파일들은 서버 및 PANGAEA로263
업로드되어 유지 관리되고 있다.264
265
4.3 국내 종합해양과학기지 복사관측소의 국제화를 위한 개선 및266
운영 방안267
복사 시⋅공간 자료는 기상 및 해양환경 변화의 중요한 요소이고 이어도 등의 종합268
해양과학기지 복사 관측자료는 학술적 목적뿐만 아니라 다양한 분야에서 중요하게 활용269
14. 될 수 있다. 특히 이어도 종합해양과학기지의 복사관측소가 국제적인 관측 그룹에 가입270
할 경우 대한민국 과학기술 발전과 국위선양 효과를 창출할 수 있으며 또한 이어도 종합271
해양과학기지에 대한 고유 영역 주장 근거로 중요한 의미가 제공된다.272
앞서 설명한 Chesapeake Light House는 해상관측소이고 Minamitorishima Island는 작은273
섬에 설치된 관측소이며 이들 중 특히 Chesapeake Light House는 국내 종합해양과학기지와274
관측 환경이 매우 유사하다. 그러나 이들 관측소는 관측 요원이 상시 거주하는 유인관275
측소이나 이어도 등의 종합해양과학기지는 무인관측소이기 때문에 관측장비의 관리와 자276
료 분석을 위하여 세심한 주의가 요구된다. 즉 BSRN 관측소의 경우 장비의 관리 때문277
에 전문가 거주가 중요하나 국내 종합해양과학기지는 무인관측소로서 BSRN 가입을 위278
하여 특별한 대책이 필요하다.279
이어도 복사관측소의 경우 현재 오래된 전천일사계만 운영되고 있기 때문에 국제280
화를 위해 전천과 직달 및 산란 일사계 설치가 필수적이다. 그리고 이들 복사 장비는281
시간 경과에 따른 센서 반응도가 감소할 뿐만 아니라 BSRN에서 1-2 % 이내의 정확도를282
요구하기 때문에 적분구 및 절대 복사계 등을 이용한 주기적 검.
보정이 요구된다. 또한283
이어도 종합해양과학기지의 경우 복사 관측장비에 부착될 수 있는 해염 제거를 위하여284
Chesapeake Light House와 Minamitorishima Island와 같은 자동세척 장비 등의 특수 장치와285
원격 감시용 CCTV 설치도 필연이다.286
이어도 복사관측소는 전 세계적으로 많지 않은 희귀관측소이고 특히 이어도뿐만287
아니라 신안 가거초 및 옹진 소청초 종합해양과학기지의 복사 관측자료는 한반도 대기288
청정도와 국민 건강을 크게 위협하고 있는 중국발 황사와 미세먼지 등에 따른 대기 질289
정보를 포함하고 있기 때문에 전 세계 과학자들의 중요 관심 대상이다. 즉 중국에 의하290
여 오염되는 한반도의 대기는 대한민국 자체적으로 해결하기가 쉽지 않기 때문에 이어도291
등의 해상 복사관측소가 국제관측그룹에 가입하고 관련 복사 관측자료를 세계 학술대회292
등을 통하여 발표하여 전 세계 공동 대응할 수 있는 근거를 마련하는 것이 필요하다.293
따라서 국내 종합해양과학기지의 복사관측소 환경 및 장비 개선 그리고 관측자료의 정확294
15. 성 향상 계획 수립은 한반도의 대기 질과 기후변화 감시 및 국위선양 등을 위한 선택 아295
닌 필수 요소이다.296
297
16. 5. 요약 및 결론298
정확한 복사 관측자료는 기상과 해양 그리고 건축 및 농⋅축산 등 다양한 분야에299
서 중요하게 활용될 뿐만 아니라 복사 장비 개발과 인공위성 자료 검증 그리고 신재생에300
너지와 연계되어 학술 가치 이외에 높은 경제성을 인정받을 수 있다. 특히 이어도 종합301
해양과학기지는 주변 환경이 우수한 해상관측소이나 세계복사관측그룹 가입을 위한 필수302
장비들(전천과 직달 및 산란 일사계 등)이 아직 완전하게 갖추어지지 못하고 있기 때문303
에 일부 장비를 보완하고 관측소 환경을 개선할 경우 대한민국뿐만 아니라 전 세계적으304
로 중요한 관측소로 부각될 수 있는 여건을 갖추고 있다.305
이 연구에서는 이어도 종합해양과학기지의 관측장비와 환경 및 자료 등을 분석306
하였다. 그 결과 이어도의 일사 관측자료를 품질 관리한 일평균 일사량이 –3.80307
W/m2
/year로 감소하였고 그 원인은 일사계 센서 반응도가 감소되기 때문이다. 그리고308
한반도의 13개 지상관측소와 이어도 종합해양과학기지의 월평균 일사량의 상관계수는309
0.81이었고 이와 같이 상관성이 양호하지 못한 이유는 지상관측소의 환경이 양호하지 못310
하고 구름과 강수량 및 에어로졸 등이 복잡하게 작용하기 때문이다. 즉 이어도 종합해311
양과학기지의 복사 관측자료는 주변 환경 효과가 포함되지 않고 지표면 반사가 일정하기312
때문에 지상 복사관측소의 기준값으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 인공위성 알고리즘313
검⋅보정 등을 위하여 매우 중요하게 활용될 수 있다.314
이 연구는 이어도 등 종합해양과학기지의 복사관측소 및 관측자료 국제화를 위315
한 것으로서 이러한 관측소의 환경을 개선하여 국제적인 관측그룹에 가입할 경우 대한민316
국 과학기술 발전과 국위선양 효과를 창출할 수 있으며 또한 이어도 종합해양과학기지에317
대한 고유 영역 주장 근거로 활용될 수 있다. 그러나 이어도 종합해양과학기지의 복사318
관측소에는 복사관측 이외 다른 목적으로 설치된 여러 관측 장비가 복사관측의 장애 요319
소로 작용하고 있어 일부 환경 개선이 요구되며 복사관측소 국제화를 위한 필수 장비들320
의 설치 운영이 시급하다. 특히 이어도 복사관측소는 신안 가거초 및 옹진 소청초 등을321
포함하여 많지 않은 희귀한 해상관측소일 뿐만 아니라 중국발 황사 및 미세먼지 등 대기322
17. 질 정보도 포함하기 때문에 전 세계적으로 중요 관심 대상이다. 따라서 이어도 등의 해323
상 복사관측소는 국제관측그룹에 가입하여 관련 자료의 희귀성뿐만 아니라 한반도의 기324
후변화와 대기오염 문제 해결을 위한 기초자료로 활용될 것으로 사료되기 때문에 이들325
복사관측소의 환경 및 장비 개선 그리고 관측자료 정확성 향상은 선택이 아닌 필수 요소326
이다.327
328
329
19. 참고문헌(References)334
Bryan,F., D.Fred, A.Robert, S.Greg, M.Jay, and R.Dave, 2016. Status and Operations of the335
Chesapeake Light (CLH). 14 th BSRN Scientific Review and Workshop - Canberra, Australia 26-336
29 April 2016.337
Byun,D.S., and Y.K.Cho, 2006. Estimation of the PAR irradiance ratio and its variability under clear-338
sky conditions at Ieodo in the East China Sea. Ocean Science Journal, 41(4): 235-244.339
Chou,M.D., and M.J.Suarez, 1999. A solar radiation parameterization for atmospheric studies. NASA340
Tech. Memo, 104606: 40.341
Garand,L., D.Turner, M.Larocque, J.Bates, S.Boukabara, P.Brunel, F.Chevallier, G.Deblonde,342
R.Engelen, and M.Hollingshead, 2001. Radiance and Jacobian intercomparison of radiative transfer343
models applied to HIRS and AMSU channels. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,344
106(D20): 24017-24031.345
Hatzianastassiou,N., C.Matsoukas, A.Fotiadi, K.Pavlakis, E.Drakakis, D.Hatzidimitriou, and346
I.Vardavas, 2005. Global distribution of Earth's surface shortwave radiation budget. Atmospheric347
Chemistry and Physics, 5(10): 2847-2867.348
Iqbal, 1983. An introduction to solar radiation. Academic press, Canada, 390 pp.349
Jee,J.B., Y.D.Kim, W.H.Lee, and K.T.Lee, 2010. Temporal and Spatial Spatial Distributions of Solar350
Radiation with Surface Pyranometer Data in South Korea. Korean Earth Science Society, 31(7): 720-351
737.352
Kim,B.C., and B.K.Choi, 2006. Variation of underwater ambient noise observed at IORS station as a353
pilot study. Ocean Science Journal, 41(3): 175-179.354
Kim,Y.H., I.K.Min, C.M.Park, 2007. Report of Applying the Quality Program on the Real-time355
Observation data of Ieodo Ocean Research Station. Society of Ieodo Research, 138-148.356
Korea Hydrographic and Oceanographic Administration (KHOA), 2016. Ieodo, A Strategy for357
Environmental Improvement and Internationalization of the Ieodo Ocean Research Station’s358
Radiation Observatory, 122 pp.359
Lamquin,N., C.Mazeran, D.Doxaran, J.H.Ryu, and Y.J.Park, 2012. Assessment of GOCI radiometric360
products using MERIS, MODIS and field measurements. Ocean Science Journal, 47(3): 287-311.361
Liang,S., K.Wang, X.Zhang, and M.Wild, 2010. Review on estimation of land surface radiation and362
energy budgets from ground measurement, remote sensing and model simulations. IEEE Journal of363
Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 3(3): 225-240.364
Lian-Gang,L., Y.Fei, D.Xinyuan, G.Jingsong, W.Huiwu, and W.Chuanjie, 2008. Direct observation of365
radiative flux in the southern Yellow Sea. Ocean Science Journal, 43(2): 115-126.366
20. Long,C., and E.G.Dutton, 2010. BSRN Global Network recommended QC tests, V2. x.367
NASA COVE, 2012. Chesapeake Light House National Aeronautics and Space Administration Clouds368
and the Earth Radiant Energy System Ocean Validation Experiment. http://cove.larc.nasa.gov/369
Accessed Oct 2012.370
Ohmura,A., E.G.Dutton, B.Forgan, and C.Frohlich, 1998. Baseline Surface Radiation Network371
(BSRN/WCRP): New precision radiometry for climate research. Bulletin of the American372
Meteorological Society, 79(10): 2115.373
Ohtake,H., J.G.da Silva Fonseca, T.Takashima, T.Oozeki, K.i.Shimose, and Y.Yamada, 2015. Regional374
and seasonal characteristics of global horizontal irradiance forecasts obtained from the Japan375
Meteorological Agency mesoscale model. Solar Energy, 116: 83-99.376
Osamu,L., 2010. Measurement of Radiation in Japan Meteorological Agency. Davos – Switzerland,377
October 2010.378
Park,S.H., S.M.Jang, D.I.Lee, W.S.Jung, J.H.Jeong, S.A.Jung, C.H.Jung, S.I.Kim, S.E.Kim, 2012. The379
Variation of Aerosol Number Concentrations in Relation with 3D Wind Components in the Ieodo380
Ocean Research Station. Atmosphere. Korean Meteorological Society, 22: 97-107.381
Pinker,RT., R.Frouin, and Z.Li, 1995. A review of satellite methods to derive surface shortwave382
irradiance. Remote Sensing of Environment, 51(1): 108-124.383
Rutledge,C.K., G.L.Schuster, T.P.Charlock, F.M.Denn, W.L.Smith Jr, B.E.Fabbri, J.J.Madigan Jr, and384
R.J.Knapp, 2006. Offshore Radiation Observations for Climate Research at the CERES Ocean385
Validation Experiment: A New “Laboratory” for Retrieval Algorithm Testing. Bulletin of the386
American Meteorological Society, 87: 1211-1222.387
Schmithüsen,H., R.Sieger, and G.König-Langlo, 2012. BSRN Toolbox V2. 0–a tool to create quality388
checked output files from BSRN datasets and station-to-archive files. PANGAEA.389
Sohn,B.J, 1996. The Impact of Clouds on the Surface Longwave Radiation Budget. Asia-Pacific Journal390
of Atmospheric Sciences, 32(2): 229-242.391
Stocker,T., D.Qin, G.Plattner, M.Tignor, S.Allen, J.Boschung, A.Nauels, Y.Xia, B.Bex, and B.Midgley,392
2013. IPCC, 2013: climate change 2013: the physical science basis. Contribution of working group393
I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.394
Trenberth,K.E., J.T.Fasullo, and J.Kiehl, 2009. Earth's global energy budget. Bulletin of the American395
Meteorological Society, 90(3): 311.396
WRMC BSRN, 1998. Minamitorishima Island. World Radiation Monitoring Center Baseline Surface397
Radiation Network. http://bsrn.awi.de/ Accessed Oct 1998.398
Zhang,T., P.W.Stackhouse, S.K.Gupta, S.J.Cox, and J.C.Mikovitz, 2015. The validation of the GEWEX399
SRB surface longwave flux data products using BSRN measurements. Journal of Quantitative400
21. Spectroscopy and Radiative Transfer, 150: 134-147.401
Zhang,T., P.W.Stackhouse, S.K.Gupta, S.J.Cox, J.C.Mikovitz, and L.M.Hinkelman, 2013. The402
validation of the GEWEX SRB surface shortwave flux data products using BSRN measurements: A403
systematic quality control, production and application approach. Journal of Quantitative404
Spectroscopy and Radiative Transfer, 122: 127-140.405
Zo,I.S., J.B.Jee, W.H.Lee, K.T.Lee, and Y.J.Choi, 2010. Distribution of Surface Solar Radiation by406
Radiative Model in South Korea. Climate Change Research, 1(2): 147-161.407
Zo,I.S., J.B.Jee, and K.T.Lee, 2014. Development of GWNU (Gangneung-Wonju National University)408
one-layer transfer model for calculation of solar radiation distribution of the Korean peninsula. Asia-409
Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 50(1): 575-584.410
Zo,I.S., J.B.Jee, K.T.Lee, and B.Y.Kim, 2016. Analysis of solar radiation on the surface estimated from411
GWNU solar radiation model with temporal resolution of satellite cloud fraction. Asia-Pacific412
Journal of Atmospheric Sciences, 52(4): 405-412.413
Zo,I.S., J.B.Jee, K.T.Lee, and B.Y.Kim, 2016. Radiometer Measurement Intercomparison using414
Absolute Cavity Radiometer in Regional Radiometer Center at Tsukuba, Japan. New and Renewable415
Energy, 12(4): 5-13416
417
22. Table captions418
Table. 1. Specifications of the Ieodo Ocean Research Station (IORS) and the reference419
(GWNU) pyranometer in this study.420
Table 2. BSRN recommended quality checks V2.0 possible limits.421
Table 3. BSRN recommended quality checks V2.0 comparison limits.422
423
23. List of Figures424
Fig. 1. Radiation observatory and instruments of the Ieodo Ocean Research Station (IORS).425
Fig. 2. Abnormal solar radiation (W/m2
) observed at the Ieodo Ocean Research Station (IORS):426
a) Missing value (April 1, 2005), b) Minimum value (May 26, 2012), c) Maximum value427
(July 13, 2005), d) Repeated value Ⅰ (July 24, 2012), e) Repeated value Ⅱ (February 1, 2005),428
and f) Irregular value (May 17, 2007).429
Fig. 3. a) The numbers of available data after the quality control and b) the details of the error430
as percentage of the total data for the year of 2005-2016.431
Fig. 4. Time series of daily mean solar radiation (W/m2
) with a) before and b) after quality432
control at the Ieodo Ocean Research Station (IORS) for the year of 2005-2016.433
Fig. 5. Time series of monthly mean solar radiation (W/m2
) with a) the Ieodo Ocean Research434
Station (IORS) and b) Korean peninsula for the year of 2005-2016.435
Fig. 6. Scatter plot of monthly solar radiation (W/m2
) data between the Ieodo Ocean Research436
Station (IORS) and the Korean peninsula for the year of 2005-2016.437
Fig. 7. Time series of monthly mean temperature (℃) with a) the Ieodo Ocean Research Station438
(IORS) and b) the Korean peninsula for the year of 2005-2016.439
Fig. 8. a) Time series of 1-minute solar radiation (W/m2
) and b) scatter plot between the Ieodo440
Ocean Research Station (IORS) and reference (GWNU) pyranometer for July 17, 2016441
12:10-12:59 Korea Standard Time (KST).442
Fig. 9. Time series of daily accumulated solar radiation (MJ/m2
) with a) observation data and443
b) GWNU solar radiation model at the Ieodo Ocean Research Station (IORS) for the year of444
2013-2015.445
24. Fig. 10. Scatter plot of daily accumulated solar radiation (MJ/m2
) between the Ieodo Ocean446
Research Station (IORS) and the GWNU solar radiation model for the year of 2013-2015.447
Fig. 11. Meteorological data of the Ieodo Ocean Research Station (IORS) for the year of 2013-448
2015: a) cloud amount, b) total precipitable water (cm), c) aerosol optical depth, and d) toal449
ozone amount (DU).450
Fig. 12. a) Chesapeake Lighthouse radiation observatory, b) radiation measuring instruments,451
and c) cleaning device. (NASA COVE 2012).452
Fig. 13. a) Minamitorishima Island radiation observatory, b) radiation measuring instruments,453
and c) automatic cleaning device (WRMC BSRN 1998).454
25. Table 1. Specifications of the Ieodo Ocean Research Station (IORS) and the reference
(GWNU) pyranometer in this study.
IORS GWNU
Model (Manufacturer) MS-802 (EKO Inc.) CMP21 (Kipp & Zonen Inc.)
ISO 9060 classification Secondary Standard Secondary Standard
Serial Number 01089 100396
Sensitivity [mV/W/m2
] 7.10 8.22
Manufacturing Data March, 2002 April, 2010
Observed Data November, 2004 January, 2012
455
26. Table 2. Baseline Surface Radiation Network (BSRN) recommended quality checks V2.0
possible limits.
Parameter
Maximum Physically
Possible Limits [W/m2
]
Minimum Physically
Possible Limits [W/m2
]
Shortwave global radiation
(Downwelling)
1005.1S 2.1
0a +µ×× -4
Shortwave direct radiation
(Downwelling) 0aS µ× -4
Shortwave diffuse radiation
(Downwelling)
5095.0S 2.1
0a +µ×× -4
Longwave radiation
(Downwelling)
700 40
Note: θ is the solar zenith angle of )cos(0 θ=µ , 0S is the solar constant at mean earth-sun
distance and AU is the earth-sun distance of 2
0a AU/SS = .
456
457
27. Table 3. Baseline Surface Radiation Network (BSRN) recommended quality checks V2.0
comparison limits.
Parameter Maximum/Minimum Comparison Limits [W/m2
]
Ratio of shortwave global
and shortwave sum
(diffuse + direct)
)50I,75(08.1
II
I
92.0 shortglo
shortdiffshortdir0
shortglo
>°<θ<
+×µ
<
)50I,9375(15.1
II
I
85.0 shortglo
shortdiffshortdir0
shortglo
>°<θ<°<
+×µ
<
Ratio of shortwave diffuse
and shortwave global
)50I,75(05.1
I
I
shortglo
shortglo
shortdiff >°<θ<
)50I,9375(10.1
I
I
shortglo
shortglo
shortdiff
>°<θ<°<
Longwave down and
air temperature
25TIT4.0 4
alongdown
4
a +σ<<σ×
Note: θ is the solar zenith angle of )cos(0 θ=µ , σ is the stephan-boltzman constant of 5.67
×10-8
in W/m2
/K4
, Ta is the air temperature in kelvin, shortgloI is the shortwave global
radiation (downwelling) in W/m2
, shortdirI is the shortwave direct radiation (downwelling) in
W/m2
, shortdiffI is the shortwave diffuse radiation (downwelling) in W/m2
, longdownI is the
longwave radiation (downwelling) in W/m2
.
458
28. Fig. 1. Radiation observatory and instruments of the Ieodo Ocean Research Station (IORS).
459
460
29. a) Missing value b) Minimum value
c) Maximum value d) Repeated value Ⅰ
e) Repeated value Ⅱ f) Irregular value
Fig. 2. Abnormal solar radiation (W/m2
) observed at the Ieodo Ocean Research Station
(IORS): a) Missing value (April 1, 2005), b) Minimum value (May 26, 2012), c) Maximum
value (July 13, 2005), d) Repeated value Ⅰ (July 24, 2012), e) Repeated value Ⅱ (February 1,
2005), and f) Irregular value (May 17, 2007).
461
462
30. a) Numbers of data available after Quality Control b) Quality Control details
Fig. 3. a) The numbers of available data after the quality control and b) the details of the error
as percentage of the total data for the year of 2005-2016.
463
31. a) Before Quality Control
b) After Quality Control
Fig. 4. Time series of daily mean solar radiation (W/m2
) with a) before and b) after quality
control at the Ieodo Ocean Research Station (IORS) for the year of 2005-2016.
464
465
32. a)
b)
Fig. 5. Time series of monthly mean solar radiation (W/m2
) with a) the Ieodo Ocean Research
Station (IORS) and b) Korean peninsula for the year of 2005-2016.
466
33. Fig. 6. Scatter plot of monthly solar radiation (W/m2
) data between the Ieodo Ocean Research
Station (IORS) and the Korean peninsula for the year of 2005-2016.
467
468
34. a)
b)
Fig. 7. Time series of monthly mean temperature (℃) with a) the Ieodo Ocean Research Station
(IORS) and b) the Korean peninsula for the year of 2005-2016.
469
470
35. a) b)
Fig. 8. a) Time series of 1-minute solar radiation (W/m2
) and b) scatter plot between the Ieodo
Ocean Research Station (IORS) and reference (GWNU) pyranometer for July 17, 2016 12:10-
12:59 Korea Standard Time (KST).
471
472
36. a) b)
Fig. 9. Time series of daily accumulated solar radiation (MJ/m2
) with a) observation data and
b) GWNU solar radiation model at the Ieodo Ocean Research Station (IORS) for the year of
2013-2015.
473
474
37. Fig. 10. Scatter plot of daily accumulated solar radiation (MJ/m2
) between the Ieodo Ocean
Research Station (IORS) and the GWNU solar radiation model for the year of 2013-2015.
475
476
38. a) b)
c) d)
Fig. 11. Meteorological data of the Ieodo Ocean Research Station (IORS) for the year of 2013-
2015: a) cloud amount, b) total precipitable water (cm), c) aerosol optical depth, and d) toal
ozone amount (DU).
477
39. a)
b) c)
Fig. 12. a) Chesapeake Lighthouse radiation observatory, b) radiation measuring instruments,
and c) cleaning device. (NASA COVE 2012).
478
40. a)
b) c)
Fig. 13. a) Minamitorishima Island radiation observatory, b) radiation measuring instruments,
and c) automatic cleaning device (WRMC BSRN 1998).
479
