DOI: 10.5532/KJAFM.2011.13.1.041
ⓒ Author(s) 2011. CC Attribution 3.0 License.
북한지역 상세격자 디지털 일사량 분포도 제작
최미희1·윤진일2*
1(재)국가농림기상센터, 2경희대학교 생태시스템공학과 (2011년 3월 13일 접수; 2011년 3월 28일 수정; 2011년 3월 28일 수락)
A Sub-grid Scale Estimation of Solar Irradiance in North Korea
Mi-Hee Choi1 and Jin I. Yun2*
National Center for Agro-Meteorology, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea
2Department of Ecosystem Engineering, Kyung Hee University, Yongin 446-701, Korea
(Received March 13, 2011, Revised March 28, 2011; Accepted March 28, 2011)
ABSTRACT
Reliable information on the surface solar radiation is indispensable for rebuilding food production system in the famine plagued North Korea. However, transfer of the related modeling technology of South Korea is not possible simply because raw data such as solar radiation or sunshine duration are not available. The objective of this study is restoring solar radiation data at 27 synoptic stations in North Korea by using satellite remote sensing data. We derived relationships between MODIS radiation estimates and the observed solar radiation at 18 locations in South Korea. The relationships were used to adjust the MODIS based radiation data and to restore solar radiation data at those pixels corresponding to the 27 North Korean synoptic stations. Inverse distance weighted averaging of the restored solar radiation data resulted in gridded surfaces of monthly solar radiation for 4 decadal periods (1983-1990, 1991-2000 and 2001-2010), respectively. For a direct application of these products, we produced solar irradiance estimates for each sub-grid cell with a 30 m spacing based on a sun- slope geometry. These products are expected to assist planning of the North Korean agriculture and, if combined with the already prepared South Korean data, can be used for climate change impact assessment across the whole Peninsula.
Key words: Solar irradiance, Geospatial climatology, MODIS, North Korea
I. 서 론
지면도달일사량(solar surface insolation)은 태양-지 구에너지시스템연구의기초자료로서수치모형이나 기후모형의입력변수로사용된다. 지상에서관측하는 수평면전천일사량은 시·공간적 제약이 커서 모형의 입력변수로사용하기가어려운실정이다. 우리나라의 경우총 70여개표준관측소가운데 22개소에서만지 면도달일사량관측자료를수집할수있으며관측기간
도다른요소에비해짧아이용가능한자료는 1983년 도 이후 관측값인 것으로 알려져 있다(산업자원부, 2006).
일사관측자료의시·공간적한계극복을위해다른 기상요소를활용하여일사량을추정하는경험식이연 구되어왔다. 보편적으로쓰이는것이일사-일조관계식
으로 Choi et al.(2010)이 국내 18개 기상대의 25년 간일 단위자료로 Angstrom-Prescott 계수를도출하 여미관측기상대의일사량을추정한바있다. 이방법
* Corresponding Author : Jin I. Yun ([email protected])
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을이용하여추정된미관측기상대의일사량자료와실 측일사량자료를합치면좀더신뢰성있는 수평면일 사량분포도를만들수있다.
복잡지형에서 일사수광량 분포도는 수평면 일사량 대신경사면일사수광량(solar irradiance)으로표현되는 데, 현실적으로식물의생육과관계가있는것은경사 면일사수광량으로서 시간별수평면일사수광량을기하 학적방법에의해보정하여얻는다. 시간별일사량대 신임의경사면의일적산일사수광량을알아낼수있는 지형보정계수를 고안함으로써이방법의실용성을높 이고 남한 전역의일사수광량 분포도제작에 사용한
사례가있다(Yun, 2009). 남한과는달리 만성적인 식
량부족과 사막화를 겪고 있는 북한의경우 남한보다 산지비율이더높아적지적작(適地適作)과적지적수(適 地適樹)를위한기후자원의부존현황, 특히일사수광량
의 분포를파악하는일이 중요하다. 그러나북한지역 에서는실측일사량자료가없는 것은 물론, 일사량추 정을위한 일조시간자료도구할수없기때문에새로 운방안을강구해야한다.
본연구에서는위성영상으로부터추정된일사자료를 기반으로남한일사수광량분포도제작에적용하였던일 사추정용소기후모형을북한지방에확장시켜평년(1983- 2000) 및 10년단위(1983-1990, 1991-2000, 2001-2010)
일사수광량분포도를 제작하고변동양상을가시화하 고자하였다.
II. 재료 및 방법
2.1. 북한기상대일사자료복원
남한지역의경우기상관측소 18지점의평년(1983- 2000) 및 10년 단위(1983-1990, 1991-2000, 2001-
2010) 일사관측자료를기상청으로부터확보하였다. 그
러나 북한은일사관측자료를 수집할 수 없기 때문에 반응예측모형에 요구되는자료의입력을위해서기상 위성자료와남한의일사량을이용하여북한일사량을 산출하고자하였다(Fig. 1).
정지기상위성은한시간이내로시간분해능이높은 일사량자료이긴하나공간해상도가낮은단점이있다.
반면 극궤도위성은 재방문주기가 상대적으로 길지만 공간분해능이 높은 장점이 있다. 1km 공간해상도를
가진 MODIS (moderate resolution imaging spectro- radiometer)는 NASA EOS (Earth Observing System)
의일환인 Terra와 Aqua위성에탑재된센서로서기존
NOAA AVHRR (Advanced Very High Resolution
Radiometer)에비해채널이풍부하고공간해상도가높
은자료를제공한다. 초기에는구름에의해자료의결 측이발생하여자료획득율이극히낮았지만, 4차원자 료동화등자료채우기(gap filing) 방법을이용하여실 용수준으로개선되었다(Jang et al., 2010). 최근 한반 도 지역을대상으로 동일지점을일 4회 이상 촬영한
MODIS 위성영상 순간 값을 토대로 일평균 복사량
을산출하고낮의길이를적용하여 2006년의일별적
산일사량 분포도를 제작한 바 있다(Jang et al.,
2009; Ryu et al., 2008). 본연구에서는 이일사량 분
포도상에서남한지역 18개일사관측기상대의위치에해 당하는격자점의추정값을발췌하여실측일사값과비교 함으로써선형관계를확인하였다. 각지점별로 MODIS
위성영상기반의일사량을독립변수로두고, 관측일사 량(1983-2000 및 1983-1990, 1991-2000, 2001-2010
평균)을 종속변수로둔 선형관계식을 도출하였다. 이 과정에서위성영상추출값과실측값간의비교를통해 Fig. 1. Locations of 18 solar radiation stations in South Korea (triangle) and 27 synoptic stations in North Korea (circle).
2배이상차이가나는값을제거하였다.
다음에는위성영상기반일사추정분포도로부터 27개
북한기상대의지리적위치에해당하는픽셀의일사값 을 추출한 다음, 남한지역에서 1983-2000 및 10년
단위 기간(1983-1990, 1991-2000, 2001-2010)에 각 각 도출된 선형관계식을 적용하여 각시기별 수평면 일사량자료를얻었다.
2.2.지형보정계수적용
경사면에서 자라는 농작물이나 수목의 생장반응은 수평면일사량이아닌경사면에입사하는일사에너지의
총량이다. Yun(2009)이고안한지형보정계수를이용하
면지면도달일사량관측자료로부터임의경사면의하 루적산 일사수광량을큰오차 없이추정할수있다.
이 지형보정계수는 수평면 청천일사량(clear sky
radiation)에대한경사면청천일사량의비율로계산된
다. 수평면일사량은 연중 날짜별, 시간대별로 계산할 수있는데, 대기가없다는가정하에수평의지표면에 도달하는 일사량, 즉대기외일사량의 한시간 적산값 을 x0라두면, 실제대기를투과해서지면에도달하는
일사량은관측시점의태양고도(α)에따라직달성분(xb0)
및 산란성분(xa0)으로 배분되며, 각각 다음식에 의해
추정할수있다(Gates, 1980).
(1) (2)
여기서 τ는태양복사의대기투과율상한값으로서 0.8
로알려져있는데, 청천조건에서연직상방으로부터입 사할경우대기외일사의 80%까지산란되지않고직접
지구표면에도달한다는의미이다. 은대기투과율 상한값이태양고도가낮아짐에따라함께낮아져직달 일사 성분을감소시키는것을모의한다. 이들 식으로 계산된 직달 및산란 두가지 일사성분을합치면 수 평의지면에도달하는시간대별청천일사량(xi)이된다.
경사면일사량은시간에따른태양고도및방위각의 변화가수광면의기하학적형태와반응하여수평면일 사량과다른 양상을보인다. 정확하게 경사면에도달 하는일사량을계산하기위해서는경사면일사량의요 소들인직달성분, 산란성분, 반사성분을고려해야한다.
산란성분을계산하는방법은광학적등방성(isotrophy)
과비등방성(anisotrophy) 모델로나눠지는데본연구
에서는 Gate(1980)의 식에 의해 추정되며 수광면의
각도에무관하며천공개방도(sky view factor)에만의 존한다.
(3)
여기서 는 1을최대값으로하는천공개방도이 다. 경사면일사량에서직달성분은다음식으로표현된 다(Kondratyev and Federova, 1977). 관측시점의 태
양고도각과방위각은 각각 α, β이고, b는 경사향, 경 사도 a는경사도를나타낸다.
(4)
매시간대별 ya, yb두 가지 성분을합친 것이 청천 조건에서경사면이받는일사수광량(yi)이다. 수평면청 천일사량(xi)과경사면청천일사량(yi)을이용하여매시
일사보정계수를계산한다음일별로적산한것이지형 보정계수이다.
2.3. 북한지역일사수광량분포추정
기상위성과일사경험식으로추정된 27개미관측기상 대 평년(1983-2000) 및 10년 단위(1983-1990, 1991- 2000, 2001-2010) 일사량을 5대강과산맥분포를고려 하여 나눈 5개의 권역별로 거리역산가중평균을 구해
270m해상도의 수평면 전천일사기후도를 작성하였다.
북한전역을 구성하는 885개 표준유역에 대하여
Yun(2009)이제시한방법에따라인접지형에의한그
늘지역(hill shade)을 찾고 지형보정계수를 계산하여
수평면전천일사기후도에적용함으로써 30m 간격사 면격자점의 1983-2000 평균 및 10년단위 평균일사 수광량으로변환하였다.
III. 결과 및 고찰
2.1. 위성기반추정일사와실측일사간관계
MODIS위성영상기반의일사량을독립변수로두고,
관측 일사량(1983-2000 및 10년 단위)을 종속변수로 둔회귀분석을실시하여 Fig. 2와같은선형관계식을 도출하였다. 같은지역의위성영상이라할지라도구름 의경시적인분포에따라획득률의차이가발생하므로 시간규모가다른 1983-2000 및 10년단위 일사량분
포를 2006년 MODIS 추정자료와 비교하는 것은 상
xb0 x0τ
sinα1 ---
sinα
=
xa0 x0 –0.271 0.294τ
sinα1 ---
⎝ – ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞
sinα
=
sinα1 ---
ya xa0 cos2 a
⎝ ⎠2---
= ⎛ ⎞ cos2 a
⎝ ⎠2---
⎛ ⎞
yb xb0{cosαcos β b( – )sinα sinαcosα+ } ---sinα
=
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당한 불확실성을전제로한다. 이런전제조건 하에서
2006년 MODIS 추정일사량은 1983년부터 2010년까 지 서로 다른 시기의 실측일사량 변이 가운데 80%
이상을설명할수있다(Fig. 2).
MODIS 추정일사량에따른 실측일사량의변화속도
가 평년(1983-2000)에비해 1983-1990, 2001-2010년
이 더커지는양상을보여주었다. 각각의독립변수는 위성기반 추정일사로 고정되어 있으므로 실측일사량 양상과같이북한평년수평면일사량보다 1983-1990,
2001-2010년이 더 크게 추정된다. MODIS위성영상
기반의일사량이하루 평균 25 MJ/m2 이상인구간에
서는 실측일사량의변동폭이커지는양상을보였는데
(Fig. 2), MODIS위성영상의인접한주변 지형으로부
터반사되어들어오는부가적인일사량과주변지형에 의해차단되는일사량의영향을고려하지못하는알고
리즘오차때문인것으로판단된다(Jang, 2009)
2.2.북한지역상세일사수광량분포
북한지역 일사수광량은 하지가 들어 있는 6월에
519.0 MJ/m2인것으로나타났으며, 동지가들어있는
12월은 198.3 MJ/m2로 가장 적었다. 남한의 경우와 비교하면 월별 일사량 가운데 12월(224.6 MJ/m2)이 가장 낮은 것은 같은 경향이나남한의 최대값이 5월
(549.6 MJ/m2)에 나타난 점과는 차이가 있다. 북한 평년적산일사량은 2,000 MJ/m2에서 5,826 MJ/m2범 위이고평균은 4,354 MJ/m2이다.
Fig. 2. Relationships between the 2006 MODIS-derived radiation and those observed for 4 different periods at 18 locations in South Korea (A: 1983-2000, B: 1983-1990, C: 1991-2000, D: 2001-2010).
Fig. 3. Temporal changes and geographical distribution of annual solar radiation in North Korea during the recent 3 decades (A: 1983-1990, B: 1991-2000, C: 2001-2010).
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계절별로분포특징을분석해보면여름철은서쪽평 야지대에서 일사량이 풍부한반면 중부 고원지대 및 동부해안에서 적은 경향을 보이며, 겨울철은 반대로 서해안에 가까운개성, 평양의일사량이동해안지역
보다적다. 이같은현상은북한, 만주를포함한동아 시아기압계분포의계절적특성때문으로추정되지만,
정확한원인을알기위해서는먼저추정일사분포의신 뢰성부터확보해야할것이다.
10년 단위(1983-1990, 1991-2000, 2001-2010) 일 사수광량분포를비교해보면 90년대에감소하는경향
을보이나, 2000년대로갈수록증가한것으로나타났
다(Fig. 3). 1991-2000년은 80년대에 비해 7%정도
감소했고 2001-2010년은 90년대에 비해 9%증가를
보였다. 남한의 일사량이 1990년대 이후 증가추세를
보인 반면 2000년대에부터증가하는 경향을보인 것
과 같이(Choi et al., 2010; 기상청, 2008), 북한의 일사량도동일한경향을보였다.
시간규모가다른 위성자료와남한의자료를기반으 로개발된선형관계식을북한의일사량추정에도입함 으로써추정값의신뢰성이불분명함에도불구하고추 정분포도의경향과결과는크게 나쁘지않았다. 그러 나추후북한의원자료를획득하여국지일사추정기술 을개발할수있다면북한지역의상세일사량분포도를 개선시킬수있을것으로기대된다.
적 요
기근과산림황폐화를겪고있는북한지역에대해농 업기후구분을위해일사자원의분포현황을파악하는 일이매우중요하지만원자료의획득이어렵기때문에 남한에서사용중인국지일사추정기술의적용이불가능 하다. 따라서본연구에서는남한지역에서위성영상을 기반으로 한 추정 일사자료와 관측소실측 일사자료 간의선형관계식을작성하였다. 이관계식을북한기 상대위치좌표에해당하는위성영상기반일사량값의 보정에사용함으로써 27개기상대의일사자료를복원 하였다. 복원된 27개지점일사자료를기반으로거리 역산가중평균법에의해평년(1983-2000)과 10년단위 (1983-1990, 1991-2000, 2001-2010) 월별 수평면일사 량 분포도를제작하였다. 북한 DEM자료를이용하여 885개표준유역에대해지형인자를산출한다음지형 보정계수를이용한경사면일사수광량을 30m 해상도
의격자형수치자료로제작하였다. 제작된일사기후도 는북한의농업발전계획은물론이미제작완료된남한 일사기후도와결합하여한반도의기후변화영향및생 태반응평가등에활용될수있을것이다.
감사의 글
이연구는기상청기후변화감시·예측및국가정책
지원 강화사업(RACS 2010-4014)의지원으로 수행되
었습니다.
REFERENCES
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