Applicability of Daily Solar Radiation Estimated by Mountain Microclimate Simulation Model (MT-CLIM) in Korea

(1)

DOI: 10.5532/KJAFM.2012.14.4.260

MT-CLIM 프로그램을 이용한 일별 일사량 추정의 국내 적용성 검토

심교문*·김용석·이덕배·강기경·소규호 국립농업과학원농업환경부기후변화생태과

(2012

년

10

월

25

일접수

; 2012

년

11

월

7

일수정

; 2012

년

11

월

8

일수락

)

Applicability of Daily Solar Radiation Estimated by Mountain Microclimate Simulation Model (MT-CLIM) in Korea

Kyo Moon Shim

^*

, Yong Seok Kim, Deog Bae Lee, Ki Keong Kang and Kyo-Ho So

Climate Change & Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science (Received October 25, 2012; Revised November 7, 2012; Accepted November 8, 2012)

ABSTRACT

Accuracy of daily solar radiation estimated from a Mountain Microclimate Simulation Model (MT- CLIM) was assessed for seven observation sites with complex topography in Uiseong County. The coefficient of determination (R

²

) between the observed and the estimated daily solar radiation was 0.52 for 7 sites for the study period from 1 August to 30 September 2009. Overall, the MT-CLIM overestimated the solar radiation with root mean square error (RMSE) of 3.83MJ m

⁻²

which is about 25% of the mean daily solar radiation (15.27MJ m

⁻²

) for the study period. Considering that the pyranometer’s tolerance is

±

5% of standard sensor, the RMSE of MT-CLIM was too large to accept for a direct application for agricultural sector. The reliability of solar radiation estimated by MT- CLIM must be improved by considering additional ways such as using a topography correction coefficient.

Key words

: MT-CLIM, Root mean square error, Solar radiation, Complex topography

I. 서 론

복사에너지는 지구상에 생물이 존재하도록 만들어 주는 가장 기본적인 조건(환경)이며, 생태계의 일차 생 산에 필수불가결한 요소(자원)라 할 수 있다. 식물에 의해 흡수된 복사에너지는 광합성 과정을 거쳐 화학적 에너지로 변환되고, 궁극적으로 탄수화물 형태로 식물 체 내에 저장된다. 다음으로 초식동물이 이 저장 에너 지를 이용하여 몸을 불리고, 육식동물은 초식동물을 섭취함으로써 간접적으로 이 에너지를 이용한다(윤, 2009). 이와 같이 농업생태계의 일차 생산예측에 있어 서 중요한 기상요소인 복사에너지 즉, 일사량은 기온

및 강수량과 달리 장기적으로 관측하는 곳이 적어서 우리나라의 농업예측분야의 적용에는 실효성이 다소 낮은 실정이다. 현재, 우리나라는 기상청 산하의 기상 대(45지점)와 관측소(34지점) 및 자동기상관측소(470지 점) 중에서 전체의 4.4%인 24지점에서만 일사량을 관 측하고 있다(KMA, 2012a; KMA, 2012b). 우리나라 는 지형이 매우 복잡하여 좁은 국토면적인데도 불구하 고 지역에 따른 기후의 변이가 심하다. 따라서, 기상 이변시대에 대응하여 농작물의 재해경감 및 품질향상, 농작물 재배치, 농업관측의 정확도 제고 등을 위해서 는 기온과 강수량뿐만 아니라 일사량의 관측지점을 확 대하거나, 일사량의 추정 기법을 농업분야에 실용화하

* Corresponding Author : Kyo Moon Shim

([email protected])

(2)

는연구가선행되어야할것이다

.

일사량추정관련국 내의 선행연구에서

Yun(2009)

^은 ^기상청^소관 ^기상대

에서측정한

‘

일적산수평면일사량

’

을토대로임의경 사면 상의

‘

^일^{적산경사면일사량}

’

^을^비교적 ^정확하고

간편하게알아낼수있는지형보정계수를고안하여복 잡지형에적용한결과를보고하였다

.

반면에

,

국외에서 는관측지점의기상요소를입력변수로미관측의임의 지점의일사량을추정하는컴퓨터프로그램의개발과 이들을생태적및생리적모델의인터페이스로활용하 는 연구를수행하였다

(Running and Hungerford, 1983;

Running

et al.

, 1987).

본연구는

1989

년미국몬테나주립대학교에서개발

한

MTCLIM(A Mountain Microclimate Simulation Model)

컴퓨터 프로그램을 이용하여

(Hungerford

et al.,

1989)

^국내 ^{복잡지형의}^일간 ^일사량을 ^추정하고

,

실측 일사량과비교·분석을통해

MT-CLIM

프로그 램의국내복잡지형의적용가능성을검토하였다

.

II. 재료 및 방법

2.1.연구지역의개요

연구지역은 경북 의성군 일대로

(

^남북

37km,

^동서

54km), 1

읍

17

면

399

리로구성된전형적인 분지지역 이고

,

농업생산이큰비중을차지하는 군

(

郡

)

이다

.

또 한 의성군은 지리적으로 동서가 뚜렷이 구분되는데

,

동쪽은산지로사과재배등밭농사가발달되어있고

,

서쪽은 평야지로 논농사가 발달되어 있다

(Uiseong,

2012).

따라서경북 의성군은농업지역이면서도복잡

지형을 갖추고있어서

,

^일사량^추정

MT-CLIM

^프로

그램의 국내적용가능성검토에 적합한 지역으로판 단된다

.

2.2.일사량검증용기상관측

MT-CLIM

프로그램으로추정한일사량을검증하기

위한 실측자료를수집하기위해서해발고도와경사방 향등을고려하여주변에장애물이없는경북의성군 일대에

7

개지점을 선정한후

(Fig. 1, Table 1),

온·

습도

,

^강우량

,

^일사량^기록계^등이^포함된^{기상관측장}

비를 설치하였다

.

온·습도

(Model HOBO H8 Pro RH/Temp, Onset Computer Corporation, USA)

^는

센서로거일체형으로

10

분간격으로측정하여저장하였 고

,

^강우량

(Model 3554WD, Spectrum Technologies,

Inc., USA)

은 강우 이벤트마다 측정하여

1

시간 간격 으로 기록계에 저장하였으며

,

^일사량

(Model 3670I, Spectrum Technologies, Inc., USA)

은

1

분 간격으로 측정하여기록계에저장하였다

.

2.3. 일사량추정 MT-CLIM프로그램

본연구에서 활용한

MT-CLIM

컴퓨터 프로그램은

기준 지점의일별 최고및최저온도

,

일별강수량관 측자료를이용하여임의지점의온도

,

강수량

,

일사량 및습도를추정하는프로그램으로써임의지점의기상 환경요소인위도

,

^경도

,

^경사도

,

^경사방향^등이^요구된

다

(William, 2003).

일별기상자료는

7

개지점에서측 정한 일별기온과강수량자료를이용하였고

,

^관측지

점의 위도와 경도는 위성측위계

(Model GeoExplorer

및

Pathfinder 2.80, Trimble Inc, USA)

를사용하여 측 정하였다

.

그리고국토지리정보원으로부터

1:5000

수치 지형도를입수하여주곡선정보로부터

TIN(triangulated irregular network)

^표면을 ^생성하고

,

^해상도

30m

^의

수치고도모형

(DEM; digital elevation model)

으로 변 환하였다

.

^이

DEM

^에서 ^{기상관측장비가} ^설치된

7

^개

Fig. 1.

Locations of the 7 observation sites (quadrangle) on the elevation map of Uiseong County.

Table 1.

Geographical features at 7 observation sites over Uiseong County

Site # Elevation (m) Slope

(deg) Aspect

(deg) Remark

US_1 622.9 16.7 201.6 Mountain

US_2 453.6 25.3 179.6 Mountain

US_3 295.3 20.1 287.6 Upland(Soybean)

US_4 171.9 6.4 213.8 Middle school

US_5 133.0 2.3 349.1 Elementary school

US_6 60.0 0.0 Flat Paddy(Rice)

US_7 50.0 0.0 Flat Paddy(Rice)

(3)

지점의경사도및경사방향을추출하였다

.

예시로

, US_1

관측지점의 초기화 파일과

MT-

CLIM

^{프로그램에}^의해 ^계산된^{출력파일을}

Fig. 2

^에

나타내었다

.

출력파일의 요소로는 일별 최고기온

(Tmax),

최저기온

(Tmin),

평균기온

(Tday),

강수량

(Prcp),

포차

(VPD; Vapor Pressure Deficit),

일사량

(srad),

낮의길이

(daylength)

등이 있다

.

여기서

,

일사 량과낮의 길이를곱해서일간적산일사량을추정한 다음

,

일사센서

(Model 3670I)

에의해 얻은실측일사 량과비교하여추정값의신뢰도를검증하였다

.

III. 결과 및 고찰

3.1. 조사지점의기상실측 3.1.1. 기온(평균, 최고, 최저)

2009

년

8

월

1

일부터

9

월

30

일까지

61

일간 경북의 성군 일대의

7

개 지점에서 관측된 평균기온은

19.3~21.6

^o

C

범위였다

(Table 2).

평균기온이 가장 높 게관측된지점은주변환경이벼논인

US_6

^지점으로

21.6

^o

C

^이었으며

,

^가장 ^낮게 ^관측된 ^지점은 ^해발

622.9

미터의 산지에 설치한

US_1

지점으로

19.3

^o

C

이었다

.

^이들 ^두^지점의^{평균기온의}^차이는

2.3

^o

C

^이

었다

.

다음으로

,

조사기간 동안의 일 최고기온의 평균의 범위는

25.5~28.3

^o

C

이었으며

(Table 2),

가장 낮게 관측된지점은평균기온과마찬가지로

,

해발고도가가 장 높은 곳에 설치된

US_1

지점

(25.5

^o

C)

이었지만

,

가장높게관측된지점은폐교된중학교부지에설치 한

US_4

^지점

(28.3

^o

C)

^이었다

.

^이들 ^두 ^지점의 ^일

최고기온의평균의차이는

2.7

^o

C

이었다

.

평균기온이 가장 높게 관측되었던

US_6

^지점의 ^일 ^{최고기온의}

평균은

27.5

^o

C

로

US_4

지점보다낮게 관측되었는데

,

이는

US_6

^지점 ^주변 ^벼논의 ^물에 ^의한 ^낮 ^시간의

대기냉각효과로판단된다

.

마지막으로

, 7

개관측지점의조사기간동안의일최 저기온의 평균은

15.6~17.1

^o

C

^{범위이었다}

(Table 2).

일최저기온의평균이가장높게관측된지점은벼논 근처에 설치한

US_7

^지점으로

17.1

^o

C

^이었으며

,

^가

Fig. 2.

Initialization file (left fig.) of US_1 site and output file (right fig.) calculated by MT-CLIM.

Table 2.

Averaged temperature at 7 observation sites for 61 days from 1 August through 30 September 2009

Observed elements US_1 US_2 US_3 US_4 US_5 US_6 US_7

Mean air temp. (

^o

C) 19.3 19.7 20.5 21.1 21.4 21.6 21.5

Maximum air temp. (

^o

C) 25.5 26.2 26.9 28.3 27.5 27.5 27.6

Minimum air temp. (

^o

C) 15.6 15.6 15.6 15.7 16.5 16.9 17.1

Table 3.

Accumulated precipitation and solar radiation at 7 observation sites for 61 days from 1 August through 30 September 2009

Observed elements US_1 US_2 US_3 US_4 US_5 US_6 US_7

Precipitation (mm) 179.6 128.3 141.0 143.0 181.6 133.1 147.8

Solar radiation (MJ m

⁻²

) 901.5 854.7 885.7 1017.3 916.2 981.3 964.0

(4)

US_2, US_3

지점들로

3

개 지점 모두

15.6

^o

C

이었다

.

따라서지점들간의일최저기온의평균간의차이는최 고

1.5

^o

C

이어서

,

평균기온 및최고기온의평균의지 점간의차이보다적은것으로조사되었다

.

3.1.2. 강수량 및 일사량

2009

년

8

월

1

일부터

9

월

30

일까지

7

개지점의누적

강수량은

128.3~181.6mm

범위로관측지점간에는최고

53.3mm

차이를나타내었다

(Table 3).

강수량이가장많 이관측된지점은초등학교의기상관측노장에설치한

US_5

^지점으로

181.6mm

^이었고

,

^다음으로^{해발고도가}

높은산지에설치한

US_1

지점이었다

(179.6mm).

반면

에강수량이가장적게관측된지점은

US_2

^지점으로

조사기간동안의누적강수량은

128.3mm

이었다

.

7

^개 ^지점의 ^조사기간 ^동안의 ^일사량의 ^합은

854.9~1,017.3MJ m

⁻² 범위로 관측지점간에는 최고

162.4MJ m

⁻²차이를나타내었다

(Table 3).

누적일사 량이가장 많은관측지점은폐교된중학교부지에설 치된

US_4

지점으로

1,017.3MJ m

⁻² 이었고

,

가장 적은관측지점은해발고도

453.6

^미터의^산지에^설치한

US_2

지점이었다

(854.9MJ m

⁻²

).

이들간의조사기간 동안누적일사량의차이는

162.4MJ m

⁻²^이었다

.

3.2.조사지점의일사량추정

각조사지점에서관측한일별기상요소

(

최저기온

,

최 고기온

,

강수량

)

와주변환경요소

(

위도

,

경도

,

경사도

,

경 사방향

)

를입력변수로하여

, MT-CLIM

컴퓨터프로그램 을구동시켜각조사지점의일간추정일사량의변화를

Fig. 3

^에^{나타내었다}

. MT-CLIM

^컴퓨터^{프로그램에}^의

해서 추정된 조사기간 동안의 누적일사량은

998.0~

1088.5MJ m

⁻²^범위로^실측^{일사량보다}

7.0~23.9%

^과대

추정되는것으로조사되었다

. 7

개지점중에

US_4

지 점의일사량은실측결과와마찬가지로가장높게추정

되었지만

,

일사량이 가장 낮게 추정된 지점은

US_3

지점으로실측결과와는다른결과를나타냈다

.

즉

,

실

측 일사량은

US_2

지점이 가장 낮았고

, US_3

지점

은

US_2

지점다음으로낮게관측된지점이었다

.

3.3. 일사량의실측값과추정값의비교

의성군 일대의

7

^개 ^{조사지점에서}

2009

^년

8

^월

1

^일

부터

9

월

30

일까지

61

일간측정한일사량자료와동 일지점에서

MT-CLIM

^컴퓨터^{프로그램으로}^이용하여

추정한일사량 자료를비교하면

Fig. 4

와 같다

.

전체

적으로

MT-CLIM

^일사량^추정^{프로그램이}^조금^과대

추정하는것으로분석되었고

(US_6

지점을제외한모

든지점의추세선의기울기가

1.0

이상이었음

),

결정계

수

(R

²

)

는

0.52

이었다

.

관측지점의주변 환경이 학교 인

2

곳

(US_4, US_5)

을제외하면결정계수가다소높 아져서 대부분의 관측지점이

0.6

^이상의 ^{결정계수를}

나타냈다

. US_4

와

US_5

지점의 결정계수는 각각

0.23, 0.52

^으로^조사지점^중에서^{상대적으로}^낮았다

.

예시로

,

조사지점중에서해발고도가가장 높은곳

인

US_1

지점과가장 낮은 곳인

US_7

지점의추정

일사량과실측일사량의일간변화를나타내면

Fig. 5

와같은데

,

추정일사량이 절대값에서는차이가있으 나

,

관측 일사량의 일간 변화의 경향과 유사하였다

.

대체로낮은일사량구간에서는과대추정되는경향이 었고

,

^높은 ^일사량^{구간에서는}^과소 ^추정되는 ^경향이

었는데

,

이런 조사결과는 그외 다른 조사지점에서도 비슷하였다

.

Fig. 3.

Diurnal variation of the estimated solar radiation at 7 sites from 1 August to 30 September 2009.

Fig. 4.

Relationship between the observed and the estimated

daily solar radiation at 7 sites for 61 days from 1 August

through 30 September 2009.

(5)

3.4. MT-CLIM 프로그램의국내적용성검토

7

개조사지점의조사기간동안의추정일사량의편차 평방근오차

(RMSE)

^는

3.02~4.74MJ m

⁻²^범위이고^전체

평균은

3.83MJ m

⁻² 이었다

.

조사기간동안의일적산

일사량의평균은

15.27MJ m

⁻²^으로^본 ^연구에서^확인

된추정오차

3.83

은일평균일사량의

25%

정도에해 당한다고볼수있다

.

본연구에서사용한일사센서의 허용오차가표준센서의

±5%

인점을감안하면

25%

의

RMSE

는실용성이떨어진다고판단할수있다

.

따라서

MT-CLIM

컴퓨터프로그램을이용한 일별추정 일사

량이농업분야에서실용성을높이기위해서는

Yun(2009)

이제시한지형보정계수뿐만아니라

,

^{태양위치에}^따른

주변 지형에의한일사량 간섭효과고려등신뢰도를 개선할추가연구가수행되어야할것이다

.

적 요

MT-CLIM

컴퓨터 프로그램을이용한 일사량추정

의국내적용성검토를위하여경북의성군일대에

7

개관측지점을설정하고실측일사량과프로그램에의 한추정일사량을비교검증하였다

.

^추정^일사량을^실

측일사량과비교한결과

,

둘사이에결정계수

0.52

의

선형관계가확인되었고

,

^{전체적으로는}^과대 ^추정되는

것으로조사되었다

. MT-CLIM

프로그램에의한일사 추정값의

RMSE

^는 ^평균

3.83MJ m

⁻² ^이어서

,

^일 ^평

균 일사량

15.27MJ m

⁻²의

25%

정도에 해당되었고

,

본연구에서사용한일사센서의허용오차가표준센서 의

±5%

인 점을 감안하면

25%

의

RMSE

는실용성이 떨어진다고 판단할수 있다

.

따라서

MT-CLIM

프로 그램을국내농업분야에적용하기위해서는지형보정 계수등신뢰도를개선시킬추가적인방법들이모색되 어야할것으로판단된다

.

감사의 글

본연구는농촌진흥청국립농업과학원농업과학기술 연구개발사업

(

과제번호

: PJ00852202)

의 지원에 의해 이루어진것임

.

REFERENCES

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Fig. 5.