DOI: 10.5532/KJAFM.2011.13.1.028
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북한지역 평년의 경관규모 기온분포도 제작
김수옥1·윤진일2
*
1(재)국가농림기상센터, 2경희대학교 생태시스템공학과 (2011년 3월 13일 접수; 2011년 3월 25일 수정; 2011년 3월 28일 수락)
Mapping Monthly Temperature Normals Across North Korea at a Landscape Scale
Soo-Ock Kim
1and Jin I. Yun
2*
1
National Center for Agro-Meteorology, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea
2
Department of Ecosystem Engineering, Kyung Hee University, Yongin 446-701, Korea
(Received March 13, 2011, Revised March 25, 2011; Accepted March 28, 2011)
ABSTRACT
This study was carried out to estimate monthly mean of daily maximum and minimum temperature across North Korea at a 30 m grid spacing for a climatological normal year (1971-2000) and the 4 decadal averages (1971-1980, 1981-1990, 1991-2000, and 2001-2010). A geospatial climate interpolation method, which has been successfully used to produce the so-called ‘High-Definition Digital Climate Maps’ (HD-DCM), was used in conjunction with the 27 North Korean and 17 South Korean synoptic data. Correction modules including local effects of cold air drainage, thermal belt, ocean, solar irradiance and urban heat island were applied to adjust the synoptic temperature data in addition to the lapse rate correction. According to the final temperature estimates for a normal year, North Korean winter is expected colder than South Korean winter by 7
oC in average, while the spatial mean summer temperature is lower by 3
oC than that for South Korea. Warming trend in North Korea for the recent 40 years (1971-2010) was most remarkable in spring and fall, showing a 7.4% increase in the land area with 15 or higher daily maximum temperature for April.
Key words
: North Korea, Temperature, Digital climate map, GIS
I. 서 론
고분해능의기후 수치자료는농작물과수목의재배 적지 탐색
,
재해경감,
국토보전,
기후변화영향평가및적응전략수립 등다방면에서의사지원정보로활용되 기때문에기후정보의상세화기술이많이소개되고있 다
.
일반적으로실측기상자료에근거한보간법이가장 흔하게쓰이지만,
격자점별로독립적인회귀식(
계수)
을 도출하여기온이나강수량에미치는표고의영향을추정하는
PRISM (Parameter-elevation Regressions on Independent Slopes Model),
국지기후mapping
기능과함께산림해충의발육단계를예측하는
BioSIM
등 상세화 전용프로그램도 사용되고 있다(Daly
et al., 1994; Johnson
et al., 1999; Regniere
et al., 1996).
그러나이러한기술들은경험에근거한통계학적모형 에의존하기때문에고밀도관측망이없는지역에서는 적용이어렵다
.
실제로우리나라처럼복잡한산악지형 이다수분포하는지역에서는미세지형이나지표특성* Corresponding Author : Jin I. Yun ([email protected])
이국지기온에미치는영향이잘반영된정밀한국지 기후자료가필요하지만이들기술로는미흡하다
.
최근 국내에서는 기상청 종관기후자료의 분해능을 개선하는방법으로서국지규모의정밀한소기후
(small-
scale climate)
추정기술이 개발되어 남한 전 지역에대해농업기후지수및식물의생태반응분포도가제작
되었다
(Yun, 2010).
이들 수치기후도는 종관기상관측망으로 대표되는 중규모기후를지형·지리적 조건을
반영한
30m
격자해상도로 높인 것으로,
국가표준의좌표계 및 메타데이터
(
래스터)
로 제작됨으로써 지리,
지형
,
토양,
토지이용,
식생,
환경등기존의공간자료와중첩분석및통합관리에용이하다
.
그가운데기온 은 식물의 재배환경,
생물계절,
병해충 등과 밀접한관계가 있어 각종생태 모형의 빠질 수없는 입력자 료이며 지구온난화추세에 대응하여 미래 후지 사과 재배적지 변동과포도캠벨얼리 품종
,
복숭아장호원 황도의동해위험분포를추정하는데이용되었다(Kim
et al., 2009; Chung
et al., 2008; Chung
et al., 2009).
지구온난화및기상이변으로인한식물북방한계선 의 북상과 동해발생에관심이 집중되고 있는 가운데 북한과일부만주지역을포함하는한반도생태계의미 래예측을위해북한지역의정밀수치기온자료역시수 요가 많은정보이다
.
남한 지역에대해서는840
개표 준유역에대해냉기유입및온난대효과,
사면일사효과 를반영한소기후추정모형을적용하여30m
격자해상 도의 기온분포도가제작된바있다.
북한의경우에도 표준유역만 설정되면 동일한 소기후모형을 적용하여 고해상도의수치기후자료를생산할수있을것으로판 단된다.
최근 기상청 지원으로 북한지역의 표준유역885
개가 시험적으로 구분되었으므로(Kim and Yun
,2011)
본연구에서는이들 표준유역을대상으로소기후 추정모형을 적용하여 평년 및
10
년 단위(1971- 1980, 1981-1990, 1991-2000, 2001-2010)
월별 최고및최저기온기후도를
30m
해상도로제작하였다.
II. 재료 및 방법
2.1. 북한배경기후도제작
북한지역에 대한
1971-2000
평년 및10
년 단위의 월별최고,
최저기온정밀기후도를작성하기위해서는먼저
270m
해상도의기온배경기후도제작이선행되어야 한다
.
북한에위치한기상관측지점의 실측기온값과 좌표값이 내장된 기상관측소 위치자료
(point)
를 준비하고거리자승역산가중법(inverse distance squared
weighting, IDSW)
으로 공간내삽하였다.
이때 북한의산맥으로 인한 지형적 특성을 고려
, Kim and Yun
(2011)
이 소개한 대권역을5
개의 구역으로 구분하여월별최고및최저기온배경기후도를제작하였다
(Fig.
1).
북한의기온자료는총27
개지점의관측값을확보하였으며
B1
과B4
권역에해당하는남한의표준기상 관측소17
개소의관측값을추가하였다.
2.2. 고도편차보정
해발고도가높은지역이면기온이낮게
,
해발고도가 낮은지역이라면상대적으로기온이높게관측되듯이 기상관서관측값에는그지역의특성이반영되어있다.
종관기상관측지점의기온값을공간내삽했을경우에는 복잡한 지형특성은 제거되고 단순히 기상관측지점의 해발고도만이반영된
“
가상지형”
의기온분포도가만 들어진다.
따라서실제지형과가상지형 간의 고도편 차만큼기온 보정이필요하다.
각 기상관측소의해발 고도를X
축으로하고관측기온을Y
축으로두어평년 기후에 대한 북한의 월별 기온감률을1m
고도차에대한기온변화로써나타내었다
.
이때푄현상과같은 지역적특성을반영하고자남한의경우산맥의분포에 Fig. 1.Geographical areas used for generating background
temperature maps in North Korea.
따라
4
개의권역으로구분하여각권역의기온감률을도출하였는데
,
마찬가지로북한의 백두대간과관서정맥을 기준으로
Fig. 2
와같이3
개구역으로분류하였다
.
각권역에해당하는최고및최저기온감률을계산 한뒤배경기후도의고도편차보정에이용하였다.
2.3.일최저기온소기후모형
대류권내에서기온감률은기본적으로고도가높아 질수록기온이하강하는직선형태이다
.
그러나야간의 경우맑은 날에는지표면의복사냉각에의하여기온 역전현상이나타나게 되고,
이때기상관측소에서 측 정한일최저기온으로고도가높은지역의기온을추 정한다면 실제의 기온은 더 높게 나타나는“
온난대 효과”
가발생한다.
또한임의의지점에서지형적특성에 의해 찬 공기가 유입된다면 기온은 더 떨어지게 되는데 이를
“
냉기집적효과”
라 한다.
이러한 냉기의흐름 및 집적은
GIS
프로그램의 수문 분석 도구를이용하여 표현
,
지형특성 및일교차로써기온냉각효 과를계산할수있다(Chung,
et al., 2006).
종관기상관측소의기온값으로
IDSW
공간내삽을수 행하면 한지점의관측값이 넓은 범위에걸쳐 그 주변을 대표하게된다
.
때문에단순내삽 기온분포에는 관측된 장소의 주변 환경,
즉 도시 근교이거나 또는촌락인지에 따라 도시열섬
(urban heat island, UHI)
효과가실제보다가중되거나
,
부족한경우가발생하게된다
.
따라서 환경부 지표피복도의 도시지역을 격자 당인구 수로 표현한수치인구모형(digital population
model, DPM)
으로“
열섬효과”
를 표현하여 내삽 기온을보정하였다
.
기상관측지점의“
열섬효과”
를추출하고IDSW
내삽에의해작성한“
가상열섬효과”
로부터비관측지점의실제
“
열섬효과”
간편차를구하여적절한계 수를곱해줌으로써UHI
의기온추정오차를계산하였다(Choi
et al., 2003).
2.4. 일최고기온소기후모형
최고기온의경우한낮의일사량에영향을받게되는 데
,
태양의위치에따라수평지역보다 산사면에서햇 빛의입사각도가더커질경우 기온이상승하게되지 만반대편사면은그늘로인해기온이하강할것이다.
또한일사량은날씨의맑고흐림에따라영향을받게 되는데이를일교차로써표현할수있다
.
최고기온보정값 ε는
(1)
이며
,
여기서R은기온일교차이고,
∆TR은수평면과경 사면간일사량편차에의한기온상승분의상한값이다.
υ는 과열지수
(overheating index)
로, 4
시간 동안 수평 면일사수광량(
ϕ0)
과경사면 일사수광량(
ϕt)
간의 차이를표준화한것이다
(Regniere, 1996).
(2)
식
(2)
에서분모는최대일사수광량편차로써,
대기 외일사량값을이용하였다.
경사면일사수광량은Yun
(2009)
이소개한지형보정계수를 이용하여추정된일사량이다
.
2.5. 바다효과보정
바다는지역의기온에큰영향을미치며그효과는 해안으로부터멀어질수록감소하는것으로알려져있 다
.
이러한바다효과(
ε)
를전자기후도제작에반영하여 겨울철의 해안지역 최저기온은 가온 효과를,
여름철 해안지역최고기온은냉각효과를적용하였다.
해안에인접한관측소에서얻은기온값에는이미바다효과가 ε υ R T= ⋅ ⋅∆ R
v ϕt–ϕ0 ϕmax
∆---
= Fig. 2.
Major basins used for deriving independent temperature
lapse rates in North Korea.
포함되었으므로단순히해안으로부터의거리
(
D1)
와기 온편차간회귀식을구할경우 관측소부근지역은오 히려 오차가커지게된다.
따라서내삽 지점으로부터 가장 가까운기상관측소까지의거리(
D2)
의자승에반비례하는관계를추가하여기상관측지점에가까워질수 록기온보정값이작아지도록하였다
.
(3) (4)
여기서 a와 b는회귀계수이며
,
D2가0
일경우기온보정값은
0
이다.
회귀식은월별로나타내었으며,
북한해 안의바다효과는남한의바다효과와동일할것으로간 주하여남한 지역 회귀식을그대로적용하였다.
바다 효과는최고및최저기온배경기후도에소기후모형을 적용하여추정된기후도에최종적으로가감하였다.
최종적으로일부중국대륙을포함한
885
개북한표준유역을대상으로상기모형들을이용하여
1971-2000
평년과
10
년 단위(1971-1980, 1981-1990, 1991-2000,
2001-2010)
일최고 및최저기온을제작하고모든유역을 병합하여북한전역의월별기온분포도를작성하 였다
.
III. 결과 및 고찰
3.1. 북한권역별기온감률
Table 1
은북한3
개지역의월별최고기온 및최저기온감률
(
고도1m
에대한기온변화값을절대값으로표현
)
을나타낸것이다.
일반적으로대기가건조한겨울 철에는기온감률이크고습윤한여름철에는감률이적 으며,
일최고기온보다최저기온의감률이크다.
이러한경향은 동해안에위치한
B-1
지역에서뚜렷한반면
,
백두대간의서쪽에위치한B-2
지역에서는기온감률의계절적인변화가
B-1
지역만큼뚜렷하지않았다.
중국 대륙과 접해있는 북쪽
B-3
지역은 최고기온의경우
3
월과9
월에 기온감률이크게나타났고,
최저기 온의 경우2
월과3
월의 기온감률은 높은 반면4
월 이후로는기온감률이0.0064~0.0072
사이로비슷하게 나타났다. 1
월의경우어느고도에서든동해안과접한B-1
지역의기온이가장 높은경향을보이고,
서쪽의B-2
지역은 그보다낮으며,
북쪽B-3
지역의 기온은가장낮다
. 1
월최고및최저기온감률은B-1
과B-2
는 비슷하였으나B-3
는 상대적으로 완만하게 나타났다(Fig. 3, left). 8
월의 최고 및 최저기온의 경우에는모든권역에서고도에따른기온분포가비슷한경향
을보였고
, B-1
은타구역에비해기온감률이완만하게나타났다
(Fig. 3, right).
권역별기온감율의차이는백두대간에의해 각권역의 지세가 뚜렷이구분되며
인접한대륙
-
해양의분포가다른 데서 기인한다. B-3
는북서풍의영향을직접적으로받고해양과거의격
리된 반면
, B-1
과B-2
는바다와접해있으며특히B-
1
지역의기상관서의상당수가해안과가까워여름철 의 냉각효과가 포함되었을 것이다.
하지만 기온감률 계산에이용된북한의관측지점은남한에비해개수가 부족하여각권역의특징을충분히반영하지못하였을 것으로보인다.
ε a e= ⋅ –bX X D1
D2 ( )2 ---
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞ 106
×
=
Table 1.
Monthly lapse rates derived for three zones in North Korea
Maximum temperature Minimum temperature
B-1 B-2 B-3 B-1 B-2 B-3
Jan. 0.0067 0.0067 0.0049 0.0083 0.0086 0.0068
Feb 0.0064 0.0067 0.0056 0.0082 0.009 0.0079
Mar 0.0062 0.0073 0.0065 0.0072 0.0079 0.0084
Apr 0.0049 0.0062 0.0059 0.0067 0.0064 0.0064
May 0.0048 0.0054 0.0057 0.0068 0.0072 0.0067
Jun 0.0038 0.0056 0.0055 0.0062 0.0073 0.0071
Jul 0.0045 0.0053 0.0051 0.0053 0.0067 0.0068
Aug 0.0054 0.0058 0.0055 0.0060 0.0067 0.0066
Sep 0.0063 0.0066 0.0061 0.0072 0.0067 0.0072
Oct 0.0062 0.0066 0.0056 0.0082 0.0068 0.0071
Nov 0.0065 0.0069 0.0054 0.0078 0.0066 0.0070
Dec 0.0070 0.0064 0.0045 0.0084 0.0076 0.0068
3.2. 북한 기온 분포
소기후모형에 의해 추정된 압록강과 두만강 이남의 북한 지역 평균기온 분포는 평년 1월에 영하 23oC에 서 영상 1oC까지 공간평균 영하 10oC 정도로 나타났 고, 8월에는 영상 8.5oC~25.5oC로 공간평균은 약 21oC 이다. 이는 남한 지역에 비해 3oC(8월)~7oC(1월) 정도 낮은 수치이다. 기온분포를 보면 고원지대인 개 마고원 및 백두산 지역은 기온이 낮고 평야지대와 해 안 지역은 기온이 높게 나타났다. 또한 여름철로 갈수 록 동해안 지역에 비해 서쪽 황해도와 평안도의 기온 이 더 높은 것으로 추정되었다.
10년 단위의 전반적인 기온 변화를 보면 70년대에 서 2000년대 사이에 최고 및 최저기온이 1~2oC 가량 증가한 추세를 보이고 있는데 특히 봄철과 가을철에
두드러지며 상대적으로 겨울철은 기온 증가가 미미하 다. 4월의 평균 일 최저기온은 70년대에 비해 2000년 대에 들어서 전국평균 1.3oC 가량 상승하였다. 9월 최고기온의 경우 70년대에 북한 전국평균이 20.4oC에 서 90년대에 0.8oC, 2000년대에 이르러서 1.5oC 가량 상승하였다. 희천 지역의 경우 관측값으로 인해 기온 의 변화가 크게 나타났다(Fig. 4).
1월 평균 최저기온이 영하 20oC 이하로 내려가는 지역은 2000년대에 북한 전체의 22.1%정도로 평년기 후에서의 22.5%와 큰 차이가 없다. 그러나 1월 평균 최저기온이 영하 10oC 이상인 경우에는 평년기후에서 전체의 13.4%정도였던 것에 비해 2000년대에 들어서 는 전체의 17%까지 확대된 것으로 추정되었다. 일 최 고기온의 증가가 뚜렷한 4월의 경우, 15oC 이상인 북 Fig. 3.
Relationships derived between the maximum (top) or minimum (bottom) temperature and the station elevation for 3
different basins (**significant at 1% level, *significant at 5% level).
한 지역이 평년에는
36.9%
인데 반해2000
년대에44.3%
로 증대되었고,
반면10
oC
이하인지역은평년에 북한 전체의
24.7%
였으나2000
년대에는19%
로축소되었다
.
북한의최고및최저기온기후도는남한에서이미검 증 과정을 거친 소기후모형을 그대로적용한 것으로 냉기침강효과와 온난대효과
,
도시열섬효과,
일사효과및바다효과가남한과동일하게작용할것으로간주하 였다
.
소기후모형의모수에남북한의 차이가존재할 수있을것으로추정되지만기상관측자료의 부족으로 검증이불가능하여진위여부를확인할수없었다.
최 근남한지역에서남서해안과남동해안을구분하고각 각의 특성을 반영한 바다효과가 정량화된 바 있다(Kim
et al.,2010).
본연구에서북한의동해안과 서해안에같은가중치의바다효과를적용하였는데
,
북한 역시해안별특성을반영하는등추후신뢰도의개선 작업이필요하다.
적 요
본연구에서는남한전역기온기후도제작에활용된 소기후모형을북한의
885
개표준유역에동일하게적 용하여 평년(1971-2000)
및10
년 단위(1971-1980, 1981-1990, 1991-2000, 2001-2010)
월별 일 최저기 온과 최고기온을제작하였다.
이를위해 북한의27
개 및 남한17
개 기상대기온자료의단순내삽 기후도를 관측지점고도값으로산출한기온감률을통해 고도차 보정을하였고,
최저기온의온난대효과와 냉기침강효Fig. 4.
A sample map of the 30 m resolution climate model across North Korea showing the monthly average of daily
maximum temperature for September during 1971-1980 (A). Panels B, C, and D stand for deviations from A for 1980s,
1990s, and 2000s, respectively.
과, 도시열섬효과 및 최고기온의 일사효과, 바다효과로 인한 기온 추정오차를 보정하였다. 추정된 평년 월별 평균기온의 북한 전체 공간평균값은 한겨울의 경우 남 한에 비해 7oC, 여름에는 3oC 가량 낮았다. 북한의 1970년대와 2000년대 사이 기온 상승은 봄철과 가을 철에 보다 두드러지는 것으로 나타났다. 평년의 4월 최고기온이 15oC 이상인 지역이 북한 전체의 36.9%
인 것에 비해 2000년대에는 44.3%로 증가된 것으로 추정되었다. 또한 평년 1월의 경우 평균 최저기온이 영하 10oC 이상인 지역은 북한 전체의 13.4%이었으 나, 2000년대에 들어서서 17%로 확장되었다.
감사의 글
이 연구는 기상청 기후변화 감시·예측 및 국가정책 지원 강화사업(RACS 2010-4014)의 지원으로 수행되 었습니다.
