낙동강 강정고령보에서 관측된 플럭스의 지표면에 따른 특성 비교
강금아1·구해정1·변재영1,*·박영산2·정현숙1
1국립기상연구소 응용기상연구과, 156-720, 서울특별시 동작구 여의대방로16길 61
2국립기상연구소 황사연구과, 156-720, 서울특별시 동작구 여의대방로16길 61
Comparison of Surface Fluxes Based on Landuse Characteristics Near Gangjeong-Goryeong Weir of the Nakdong River
Keumah Kahng1, Hae-Jung Koo1, Jae-Young Byon1,*, Young-San Park2, and Hyun-Sook Jung1
1Applied Meteorological Research Division, National Institute of Meteorological Research, Seoul 156-720, Korea
2Asian Dust Research Division, National Institute of Meteorological Research, Seoul 156-720, Korea
Abstract: This study investigates energy fluxes measured near Gangjeong-Goryeong Weir of the Nakdong River of South Korea for more than a year, from July 2011 to September 2012, in order to analyze the applicability of the data for future impact analyses. Each of the two study sites is located in a rural area, surrounded by agricultural fields, and an urban industrial area. Sensible and latent heat fluxes are analyzed according to the wind direction. In the summertime, when the wind blows from the river, sensible heat tends to decrease and latent heat tends to increase at both sites. This result is considered to be caused by moisture transfer from the river. Bowen ratio, energy balance closure, momentum flux, and stability are analyzed as well. The Bowen ratio of the rural agricultural site turns out higher than that of the urban site regardless of the season. The energy balance closure is higher at the agricultural site compared to the urban area, which is mainly due to exclusion of the storage term calculation at the urban site. The momentum flux is greater at the urban site both in winter and summer. The instability lasts longer during daytime and in the summertime, when there is a strong turbulence. The data from these sites are appropriate to be used in analyzing the impact of river in surrounding areas for future studies.
Keywords: Gangjeong-Goryeong Weir, surface energy fluxes, energy balance, turbulence, stability
요 약: 본 연구에서는 낙동강 강정고령보 근처에서 2011년 7월부터 2012년 9월까지 1년 이상 관측된 에너지 플럭스 자료의 분석을 통해 강 주변 농경지와 도시에 따른 플럭스 특징을 알아보고 향후 영향평가에 활용 가능한 자료인지 평 가하고자 하였다. 연구 대상지는 농경지로 둘러싸인 시골지역과 도시공단 지역에 위치하였다. 현열 및 잠열 플럭스를 풍향에 따라 분석하였다. 여름에 바람이 강쪽에서 불어올 때 두 관측지점 모두 현열은 감소하고 잠열은 증가하는 형태 를 보였다. 이는 강으로부터 전달된 수분에 의한 것으로 파악된다. 보웬비, 에너지 수지 닫힘, 운동량 플럭스, 안정도에 대한 분석 또한 이루어졌다. 두 지점간 보웬비를 비교한 결과 전 계절에 걸쳐 도시 지역의 보웬비가 농경지 지역의 보 웬비보다 더 높았다. 에너지 수지 닫힘은 도시 지역에서 더 낮게 나타났는데 이는 도시 지역에서 저장항 계산이 배제 되었기 때문으로 보인다. 운동량 플럭스는 여름과 겨울 두 계절 모두 도시 지역에서 더 높게 나타났다. 강한 난류를 보
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이는 주간과 여름에 불안정한 상태가 장시간 지속되었다. 이들 지점에서 관측된 자료는 향후 강이 주변지역에 미치는 영향에 대한 연구에 사용하기 적절한 것으로 보인다.
주요어: 강정고령보, 지표 에너지 플럭스, 에너지 수지, 난류, 안정도
서 론
도시 및 하천 개발 사업은 자연환경에 대한 지표 이용도를 변화 시키고, 이러한 지표이용도의 변화는 국지 기상·기후 변화의 중요한 요인이 될 수 있다 (Lim et al., 2009; National Institute of Meteorological Research, 2011). 최근, 서울의 청계천 복원 사업의 일환으로 수행된 도심 하천복원에 따른 기온변화 조 사·연구에서 복원 전에 비해 하천주변의 기온이 하 강한 것으로 분석됨에 따라(Kim et al., 2008) 지표피 복의 변화가 국지 기상특성 변화에 영향을 줄 수 있 음이 제기 되었다.
대규모 지표이용도를 변화시키는 공사의 사례로 댐 공사와 보 건설을 들 수 있다. Kim et al. (2008)은 수계 지역에서 나타날 수 있는 주요한 국지적 기상 특징을 두 가지로 설명하였는데, 첫 번째로 잠열 흡 수 및 비습 증가에 의한 기온의 하강으로 작용하는 증발효과이며, 다음으로는 대기와 수표면 사이에서 일어나는 현열전달 효과이다. 따라서, 댐 건설에 의 해 조성된 인공호수는 수분 공급원으로서 열원 또는 냉원으로 인공호수 지역의 기상과 기후에 영향을 미 칠 수 있게 된다(Lee et al., 1990).
하천 등의 개발에 의한 국지기상특성의 변화를 정 확하게 평가하는 일이란 매우 어려운 실정이다. 하지 만 최근 대규모 지표 개발과 관련하여 국지기상 및 기후 변화에 관한 연구의 중요성이 부각됨에 따라 관측과 수치모의를 이용한 다양한 연구들이 진행되어 오고 있다. Jeon et al. (2002)은 낙동강 수계에 인공 댐의 건설이 주변 국지기상에 미치는 영향을 분석하 여 안동댐과 임하댐의 경우 기온의 연간 상승률이 댐 건설전보다 감소하였음을 설명하였다. 또한 이 연 구에서는 안개발생일수의 증가가 가장 두드러진 것으 로 나타났는데, 이는 기온보다 수온이 높은 경우 수 표면에서 대기로의 증발이 일어나며 증발된 수분이 응결되어 안개나 구름의 발생이 증가할 수 있기 때 문이라고 하였다. Jeon (2005)은 낙동강 하구둑 건설 전·후의 기상환경변화를 보기 위해 인근 김해공항에 서 관측된 기상자료를 분석하여, 하구둑 건설 후 평
균기온이 약 0.79oC 상승하고, 강수량은 약 45.7 mm 증가하였다고 밝혔다. 특히, 야간과 새벽의 악시정 발생빈도는 하구둑 건설전에 비해 약 2-3배 가량 증 가한 것으로 보고하였다. 그러나 이는 하구둑 건설에 의한 기온변화와 대기중 수분량의 증가로 인한 강수 량 변화와 함께 지구 온난화에 의한 기온 상승 효과 와 종관적인 기후변화가 복합적으로 작용한 것으로 더욱 상세한 분석이 필요하다고 하였다. Saaroni and Ziv (2003)는 이스라엘 텔 아비브시에 있는 공원내의 호수 효과를 관측하였다. 주간에 호수 풍하측에서는 풍상측에 비해 낮은 기온, 높은 습도, 그리고 낮은 열 스트레스 지수가 지속적으로 관측되었다. 호수에 의한 기온 저감은 풍상측에서 뜨거운 지면을 통과한 공기가 상대적으로 시원한 물 위를 지나 풍하측에 도달할 때, 지면과 대기에서 교환되는 현열플럭스가 차단되면서 생긴 것으로 판단된다고 보고하였다. 이 에 따라 주간에는 작은 수(水)면적이라도 주변 40 m 반경에서는 쾌적한 환경을 제공하는 것으로 결론내 었다.
지표이용도 변화에 의한 기상환경 변화 분석을 위 해서는 분석 대상 지역에서의 건설 전·후에 대한 장 기간의 기상관측이 필요하다. 그러나 수치모형을 이 용한 연구는 단기간의 관측자료만으로도 지표이용도 민감도 실험을 통하여 댐 등의 건설 전·후에 대한 영향 효과 분석이 가능하다. Jeon and Lee (2002)는 중규모 수치모형 MM5 (Fifth-Generation Penn State/
NCAR Mesoscale Model)를 이용하여 안동댐 건설에 의해 형성된 인공 호수의 유무에 따른 기온, 혼합비, 잠열 및 현열의 변화를 비교하였다. 야간의 기온이 호수가 형성되지 않은 경우 0.5oC이었으며 호수가 형 성되었을 때는 호수가 열원의 역할을 하여 1.2oC로 상승하였다. 혼합비는 야간의 수분 증가로 인해 0.1 g kg−1에서 0.46 g kg−1으로 증가하였다. 잠열은 일 사가 강한 낮에 50 W m−2에서 131.1 W m−2으로 증가 하였고 현열은 호수 형성으로 인해 크게 감소하였다.
Nagarajan et al. (2004)은 캐나다 중규모 모형 MC2 (Canadian mesoscale compressible community)를 이 용하여 호수의 유무에 따른 잠열과 현열 플럭스의
변화를 조사하였다. 하층의 기온이류와 수면 온도는 현열 플럭스에 영향을 끼쳤다. 호수가 없는 경우에는 지표 풍속이 잠열 플럭스에 영향을 주지만 호수가 있는 경우 수분 가용도(moisture availability)와 대기 지표층 안정도가 잠열 플럭스에 영향을 주었다. Do et al. (2010)은 중규모 모형 MM5와 CALMET을 이 용해 부산지역 도심의 주요 복개하천 7개소의 복원 에 따른 기온 저감 효과를 정량적으로 살펴보았는데 복원으로 인한 피복 변화는 시가화 된 지역에 약 2oC 정도의 기온감소 효과를 일으키는 것으로 나타났다.
최근 대규모 국가하천 개발사업으로 낙동강 유역에 보를 건설하였으며, 보는 일정수위까지 하천의 흐름 을 막아 보 상류를 저수지 형태로 만들기 때문에 보 가 설치되기 전에 비해 하천의 수면적이 증가할 수 있다. 이러한 수면적 변화는 인근지역의 기온, 안개, 강수 등에 영향을 미칠 수 있다. 또한 수면적 변화는 하층의 수증기, 열, 운동량 플럭스 변화에 가장 민감
하게 작용할 수 있다. 따라서 개발공사에 따른 주요 에너지 및 난류 교환 과정을 이해하고 그 양을 측정 하기 위하여 플럭스 변화에 대한 조사 및 연구가 필 요하다. 그러나 개발하천 지역을 대상으로 한 기상관 측 연구는 아직까지 많지 않다. 이를 위해 국립기상 연구소에서는 2010년 3월부터 수자원 개발에 따른 수환경변화가 상대적으로 큰 낙동강 지역의 강정고령 보, 칠곡보, 구미보를 대상으로 37개소에 이르는 국 지기상 관측망을 구축하였다(National Institute of Meteorological Research, 2011, 2012). 국지기상 관측 망에서는 일반적인 기상요소뿐만 아니라 에너지 플럭 스 관측을 수행하고 있다. 보 공사에 따른 플럭스 변 화 연구를 위해서는 장기간의 관측과 플럭스 관측 자료의 신뢰성 확보가 필요하다. 그러므로 본 연구에 서는 관측된 지표 플럭스 자료의 물리적 특성 분석 과 이를 통한 자료 검증을 하고자 한다.
Fig. 1. Maps of meteorological stations around the Nakdong River and the flux stations, N3 and N7 (Source (bottom): Daum map (http://map.daum.net)).
자료 및 분석방법
관측환경
낙동강 지역의 보 건설에 따른 기상영향 조사를 위 하여 낙동강 강정고령보, 칠곡보, 구미보 주변지역에 플럭스 타워 6개소 및 자동기상관측장비(AWS) 31개 소를 운영하고 있다(Fig. 1). 본 연구에서는 강정고령 보 주변에 위치한 두 플럭스 타워에서 관측된 자료를 사용하였다. 2010년 10월부터 관측을 시행하였으며 강 의 서쪽에 위치한 N3 지점과 동쪽에 위치한 N7 지점 이 그 대상이다(Fig. 2). 두 지점의 거리는 약 2.5 km 이며 각 지점에 대한 설명은 Table 1에 나타내었다.
N3 지점은 농경지에 위치하여 있으며 지면에서 약 8 m 높이에 플럭스 시스템이 설치되어있다. N7 지점 은 대구광역시 성서공단 내 2층 건물 옥상(약 10 m)에 위치하여 있으며 관측타워(약 15 m)에 플럭스 시스템 이 설치되어 있다. N3에 설치한 장비는 Table 2에 나 타내었으며 N7의 경우 토양관측관련 장비와 시정계를 제외하고 N3와 동일한 장비가 설치되어 있다. 에디 공 분산 방법을 이용한 플럭스 요소 관측을 위해 3차원 풍향풍속계와 H2O/CO2 가스 분석기가 설치되어있으며 그 외 순복사계, 토양열 플럭스 센서/토양수분센서/토 양온도센서(N7 제외), 온습도계, 프로펠러형 풍향풍속 계, 시정계(N7 제외) 등이 설치되어있다.
Fig. 2. Pictures of (a) N3, surrounded by an agricultural field, and (b) N7, located on top of a two-story building.
분석방법
본 연구에서는 1년 이상의 플럭스 자료 분석을 위 해 N3 지점과 N7 지점에서 2011년 7월 20일부터 2012년 9월 5일까지 관측한 자료를 사용하였다. 에디 공분산 방법으로 관측된 잠열 플럭스, 현열 플럭스, 토양열 플럭스, 순복사량, 운동량 플럭스 등을 대상 으로 하였으며 30분 평균값을 사용하였다. 잠열 플럭 스와 현열 플럭스는 10 Hz 원시자료를 기반으로 한 30분 평균값을 대상으로 품질검사를 하였다. H2O에 대하여 Webb Pearman Leuning (WPL; Webb et al., 1980) 농도 보정을 하였고 평면 맞추기 회전(planar fit rotation)방법에 의한 좌표변환 및 스파이크 제거 를 하였다(Hong et al., 2009). 플럭스는 다음과 같이 분석을 실행하였다.
하천을 중심으로 동서 방향의 플럭스 변화를 조사 하고 지점간의 차이를 분석하고자 기상특성이 뚜렷한 겨울(2011년 11월-2012년 2월)과 여름(2012년 6월-8 월)에 대하여 분석하였다. 맑은 날에 대해서만 분석
을 하기 위하여 N7에서 관측된 단파복사(incoming shortwave radiation)가 구름 등에 의해 감쇄되는 양 이 상대적으로 적게 나타난 날을 선택하였다. 그중 장시간 지속적으로 동풍 또는 서풍이 부는 날의 자 료만 선택하여 최종적으로 분석에 활용한 겨울철과 여름철의 동풍, 서풍사례는 Table 3에 나타내었다. 각 계절별 풍향에 따라 잠열, 현열, 지열 플럭스, 그리고 순복사량을 평균하여 일변화를 나타냈다.
보웬비 및 순복사 중 현열 또는 잠열 에너지로 활 용되는 비율을 조사하기 위하여 잠열에 대한 현열의 비인 보웬비, 순복사량에 대한 현열비, 그리고 순복 사량에 대한 잠열비를 나타냈다. 품질검사로 인한 잠 열 및 현열 플럭스의 스파이크가 각각 제거됨에 따 라 제거된 시각과 같은 시간에 해당하는 N3와 N7 지점의 모든 요소 값을 제거함으로써 자료분석 조건 을 동일하게 하였다. 일별 비는 주간(9:01-17:00) 30 분 평균자료를 요소별로 누적하여 계산하였다. 보웬 비의 경우 절대값이 10 이상, 순복사량에 대한 현열 및 잠열 플럭스 비는 절대값이 1 이상인 값을 제거 하였으며 세 비 모두 음수는 제거하였다. 그 후 제거 된 값에 해당하는 시간의 다른 지점의 같은 요소의 값을 제거하였다.
도시에서의 지표 에너지 수지는 다음과 같은 식으 로 나타낼 수 있다(Loridan and Grimmond, 2012).
Q*+QF=QH+QE+∆QS+∆QA (1) 여기서 Q*은 순복사량, QF는 인공열(anthropogenic heat), QH는 현열 플럭스, QE는 잠열 플럭스, ∆QS는 저장항, ∆QA는 열의 이류항(advection)을 나타낸다.
이중 QF, ∆QS, 그리고 ∆QA는 직접적으로 관측하기 매우 어렵기 때문에 QF와 ∆QA는 종종 무시되며
∆QS는 간접적으로 추정된다(Loridan and Grimmond, 2012). 따라서 지표 에너지 수지는 다음과 같이 나타 낼 수 있다.
Q*=QH+QE+∆QS (2)
∆QS는 도시 캐노피 내부 공기, 건축물, 그리고 지 Table 1. Information about flux observation sites near
Gangjeong-Goryeong Weir
N3 N7
Lat./Long. 35o49'50.77''N, 128o27'33.72''E
35o50'4.89''N, 128o29'11.95''E Surface type Agricultural field Buildings, asphalt
Elevation 23 m 22 m
Measurement height 8 m 25 m
Surrounding building
height 0 m 10 m
Height from the
surface 8 m 15 m
Table 2. Instruments used at flux observation sites, N3 and N7 (soil sensors and visibility sensor excluded at N7)
Sensor Type Model
CO2/H2O gas analyzer Campbell Sci. EC150 Sonic anemometer Campbell Sci. CSAT3A Net radiometer Kipp & Zonen CNR1 Soil heat flux sensor Hukseflux HFP01 Water content reflectometer
(Soil moisture sensor) Campbell Sci. CS616 Averaging thermocouple
(Soil temperature sensor) Campbell Sci. TCAV Temperature/humidity sensor Campbell Sci. HMP45C
Aerovane R. M. Young 05103
Tipping bucket rain gauge WEDAEN WDR-205 Visibility sensor Vaisala PWD 20
Datalogger Campbell Sci. CR3000
Table 3. Number of days and dates analyzed for each case Easterlies (90±30o) Westerlies (270±30o) Winter 1 day (Feb. 24) 3 days (Jan. 7, 29, Feb. 20)
Summer 6 days
(Aug. 1, 4, 6, 7, 26, 27)
11 days (Jul. 24-31, Aug. 9-11)
면에 저장된 열을 나타내는데(Oke, 1987) 본 연구에 서는 따로 추정되지않았다. 한편 시골에서 ∆QS는 토 양열 플럭스인 QG로 나타낼 수 있다(Arya, 2001;
Grimmond et al, 1993). 토지피복, 지중온도, 토양수 분등이 나타내는 지면상태 값은 지면에서의 가용 에 너지를 현열과 잠열로 분배하며 그 일부를 지중과 교환하는 역할을 한다(Kim et al., 2005).
에너지 수지 닫힘의 정도를 알아보는것은 에디 공 분산 자료를 평가할 수 있는 중요한 검사이다 (Anderson et al., 1984; Verma et al., 1986; Mahrt, 1998; Wilson et al., 2002). 일차 회귀곡선과 에너지 수지 비(energy balance ratio (EBR))를 통해 가용 에 너지(available energy, 순복사량과 토양열 플럭스의 차)와 난류 플럭스(turbulent fluxes, 잠열 플럭스와 현열 플럭스의 합)의 값을 비교하여 각 지점에서의 에너지 수지 닫힘의 정도를 알아보았다. 전 기간 각 요소의 30분 평균 자료에서 가용 에너지와 난류 플 럭스 값을 계산하여 일차 회귀곡선으로 나타내었다.
EBR은 주간 누적 가용에너지에 대한 주간 누적 난 류플럭스의 비로 나타내었다.
운동량 플럭스와 난류 특성은 지면과 대기의 에너 지 및 물질 교환을 이해하는 데에 중요하다. 품질검 사를 수행한 자료로부터 분석기간에 대한 운동량 플 럭스와 대기 안정도 등을 계산하였다. 이를 겨울 (2011년 11월-2012년 2월)과 여름(2012년 6월-8월)으 로 나누어 분석을 실시하였다. 운동량의 연직 플럭스 는 식 (3)과 같이 나타내었다(Arya, 2001; Center for Global Environmental Research, 2003).
(3) 여기서, u*는 지표 마찰 속도를 말하며 ρ 는 공기 밀도로서 1.2 kg m−3을 사용하였다.
대기 안정도는 지표층 안정도 변수인 ζ (= )을 사용하였다. 여기서 z는 지표면 고도 위에서부터 관 측된 높이, d는 영면변위를 뺀 높이이며 L은 오브코 프 길이로서 식 (4)와 식 (5)와 같이 나타낸다(Arya, 2001; Dupont and Patton, 2012; Weber et al., 2010).
(4)
(5) k=0.4는 von Kármán 상수, g=9.8 ms−2는 중력 가 속도를 나타내며, T는 초음파 풍향풍속계에 의해 계 산되어진 온도를 사용하였다. 연직 열 플럭스 는 식 (5)를 사용해 계산하여 식 (4)에 삽입하였다.
결 과
열 플럭스 및 순복사량
Fig. 3과 Fig. 4는 풍향에 따른 플럭스를 나타낸다.
Fig. 3은 겨울철, Fig. 4는 여름철의 맑은 날에 대한 각 지점 및 바람 분포별 평균 지표 플럭스를 나타낸 다. 겨울철 각 지점에서 동풍이 불 때와 서풍이 불 때 순복사량의 차이가 있음에도 불구하고 잠열 플럭 스가 두 풍향에서 비슷한데 이것은 비율로 따지면 서풍이 불 때 순복사량에 대한 잠열 플럭스의 비가 상대적으로 높음을 나타낸다. 그러나 겨울철의 동풍 사례로 활용한 날은 단 하루이므로 이것을 겨울철 동풍과 서풍의 전반적인 차이라고 보기에는 어렵다.
지점간 비교를 해보면 농경지인 N3에서 잠열이 더 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. 여름철의 경우 강 동쪽 지점인 N7에서 동풍이 부는 경우와 서풍이 부 는 경우를 비교하면 서풍이 불 때 현열 플럭스는 감 소하며 잠열 플럭스는 증가하는 것을 알 수 있다 (Fig. 4(b)). 이는 National Institute of Meteorological Research (2011)의 2011년 4월-6월 사례 결과와 일치 하며 이러한 결과는 서풍이 발생할 때 낙동강의 영 향으로 상대적으로 습도가 높은 바람이 N7쪽으로 불 어오지만 동풍이 부는 경우 상대적으로 더 건조한 성서공업단지에서 바람이 불어오기 때문에 나타난 것 으로 보인다. 또한 N3에서도 동풍이 부는 경우와 비 교해보면 서풍이 불 때 잠열이 80 W m−2가량 감소하 는 것을 볼 수 있다(Fig. 4(a)).
Fig. 5는 현열과 잠열, 그리고 순복사량의 비중을 나타낸 것으로, Fig. 5(a)는 현열과 잠열 플럭스의 비 율을 설명하는 보웬비를 나타낸다. 일반적으로 사막 에서는 보웬비가 10 정도로 나타나고 반건조지역 (semi-arid regions)에서는 2-6, 온대림과 온대초원 (temperate forests and grasslands)에서는 0.4-0.8, 열 대우림(tropical rain forest)에서는 0.2이며 열대해양 (tropical oceans)에서는 0.1정도이다(Nobel, 1999).
Fig. 5(a)에서 전체적으로 N7이 더 높은 보웬비를 보 τ=–ρu'w'=ρu*2
z d– ---L
L –u*3 k g
T---
⎝ ⎠⎛ ⎞ w'T'( ) ---
=
QH=ρCpw'T'
w'T'
이고 있으며 습한 여름보다는 건조한 겨울에 보웬비 가 증가하는 것을 볼 수 있다. N3는 주로 0에서 3까 지의 분포를 보이며 N7은 주로 9까지의 분포를 보인 다. 전 기간 평균을 했을 때 N3는 0.705이며 N7은 2.604이다. N7은 성서공단의 가장자리에 위치한 지점 으로서 주변이 대부분 건물과 포장된 도로로 이루어 져있기 때문에 농경지에 있는 N3보다 상대적으로 더 건조하여 이러한 결과를 나타낸 것으로 볼 수 있다.
N3는 초원지역, N7은 반건조 지역의 값을 나타내는 등 지표 플럭스 관측 자료는 지역적 특징을 잘 대표 하는 것으로 보인다.
다음으로 Fig. 5(b)와 (c)는 각각 순복사량에 대한 현열 및 잠열 플럭스의 비를 나타낸다. 여기에서 지 열 플럭스의 비는 나타나있지 않지만 상대적으로 작 은 값인 것을 감안하면 (b)와 (c)는 서로 상반되는
형태를 보여야 한다. 앞서 언급한 보웬비에 대한 설 명과 마찬가지로 N3는 농경지에 위치해 식생의 영향 을 많이 받아 N7보다 더 습한 지역이기 때문에 순복 사량에 대한 잠열 플럭스 비가 N7보다 더 높으며 반 대로 순복사량에 대한 현열 플럭스 비는 더 낮음을 볼 수 있다. 전기간 평균을 했을 때 순복사량에 대한 현열 플럭스 비의 경우 N3가 0.224, N7이 0.386, 그 리고 순복사량에 대한 잠열 플럭스 비의 경우 N3가 0.350, N7이 0.183이다. 또한 강우량이 많고 높은 기 온으로 인해 증발이 활발하게 발생하는 여름에 순복 사량에 대한 잠열 플럭스 비가 겨울보다 더 높으며 순복사량에 대한 현열 플럭스 비는 더 낮음을 볼 수 있다. 이 결과에서 플럭스 관측이 기상학적인 계절 특성과 일치하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 6은 가용 에너지와 난류 플럭스 값을 일차 회 Fig. 3. Diurnal variation of fluxes (QE: latent heat flux, QH: sensible heat flux, Q*: net radiation, and QG: soil heat flux) mea- sured at (a) N3 and (b) N7 during easterlies (left) and westerlies (right) in winter 2011.
귀곡선으로 나타낸 것이다. 이상적인 닫힘은 가용 에 너지에 대한 난류 플럭스의 기울기가 1이고 절편이 0일 때 나타난다(Wilson et al., 2002). 주로 미국과 유럽의 평평한 산림지역에 위치한 22개의 FLUXNET 지점에서는 기울기가 최소 0.53에서 최대 0.99였으며 평균 0.79±0.01이었다(Wilson et al., 2002). FLUXNET 연구 이외에도 보통 10-30%의 불균형이 발생하며 아 주 균질하고 평평한 지역에서도 불균형이 나타난다고 한다. N3에서의 기울기는 FLUXNET 지점의 최소 기울기와 비슷한 0.54이며 N7에서는 그보다 더 적은 0.43의 기울기를 보인다. 에너지 수지 닫힘은 주로 낮은 식생이 있는 지역보다 산림 지역에서 더 좋은 결과를 나타내는데 산림 지역은 주로 대기 환경과 분리되어있고 저장항이 큰 영향을 미치지 않으며 산 림 지역이 농경지보다 더 균질하기 때문이다(Thomas and Foken, 2007). N7에서 닫힘이 더 낮게 나타나는
이유 중 하나는 가용에너지 계산에서 저장항 및 토 양열 계산이 배제되었기 때문이다. 한편 일차 회귀방 식 방법은 각 요소에 랜덤오차(random error)가 없다 는 전제하에 이루어진다(Meek et al., 1998). 전 기간 EBR에서는 이 랜덤오차를 평균함으로서 장기 자료에 대한 총괄적인 에너지 수지 닫힘을 제공한다는 장점 이 있으나 30분 자료의 편차를 무시하는 경향이 있 다(Wilson et al., 2002). 전기간 주간 EBR은 N3에서 0.622, N7에서는 0.565로 Wilson et al. (2002)에서 나타난 전기간 EBR 결과(최소 0.34, 최대 1.69, 평균 0.84) 범위 내에 포함된다. 일차 회귀방식에서 나타난 결과보다 더 좋은 결과를 보이며 N7에서는 여전히 저장항 및 토양열 계산이 이루어지지 않은 관계로 N3보다 더 낮은 값을 보인다. Foken (2008)에 의하 면 닫힘 문제는 항상 난류 플럭스가 가용 에너지보 다 낮은 값으로 나타나면서 발생되었는데 난류 플럭 Fig. 4. As in Fig. 3, but for summer 2012.
스와 토양열 플럭스의 과소평가, 또는 순복사량의 과 대평가가 주된 원인으로 꼽혔다. 이는 에너지 수지 닫힘 관련하여 꾸준하게 제기 되어온 현상이다. 순복 사량의 경우 센서의 정확도가 높기 때문에 순복사량 에 의한 문제라고 보기에는 어려우며 주로 복잡한
에디 공분산 방법으로 인한 난류 플럭스의 문제라고 종종 거론되었다. 또한 토양열 플럭스가 과소평가되 는 이유로 저장항의 계산이 제대로 이루어지지 않는 것도 원인으로 꼽혔다. 그러나 요즘에는 데이터의 질 과 정확도가 향상됨에 따라 이러한 원인들이 미치는 Fig. 5. Daily averaged (a) Bowen ratio, (b) ratio of sensible heat flux to net radiation, and (c) ratio of latent heat flux to net radiation at N3 and N7 from July 20, 2011 to Sept. 5, 2012.
영향은 점점 줄어들고 있는 것으로 보인다. 플럭스 자료의 평균 시간단위를 늘리거나 공간 평균을 구함 으로서 더 큰 난류 구조를 포착할 수 있는데 이를 통해 여러 연구에서 에너지 수지 닫힘이 더 높게 나 타났다(Finnigan et al., 2003; Mauder and Foken, 2006; Meijninger et al., 2006). 이는 앞서 거론한 이 유 외에도 더 큰 난류 구조가 에너지 수지 닫힘에 영향을 미치는 것으로 해석될 수 있다(Foken, 2008).
운동량 플럭스
Fig. 7은 운동량 플럭스의 일변화를 나타내는 것으 로 주간에 가장 높은 값을 보이며 지점간 차이 또한 주간에 가장 크다. 겨울과 여름, 두 계절 모두 N7에 서 운동량 플럭스가 더 높게 나타난다. 한편 여름에 는 야간에도 운동량 플럭스가 비교적 높은 값을 나 타낸다. 이는 Fig. 8과 같이 여름철 야간에 풍속이 높게 나타나기 때문이다(Kwon and Oliveira Júnior, Fig. 7. Diurnal variation of momentum flux at N3 and N7 in (a) winter 2011 and (b) summer 2012.
Fig. 6. Energy balance closure at (a) N3 and (b) N7 during July 20, 2011 to Sept. 5, 2012.
Fig. 8. Diurnal variation of wind speed at N3 and N7 in (a) winter 2011 and (b) summer 2012.
Fig. 9. Relationship between momentum flux and wind speed at N3 and N7 for (a) winter 2011 and (b) summer 2012.
Fig. 10. Relationship between momentum flux and stability at N3 and N7 for (a) winter 2011 and (b) summer 2012.
2004). 풍속에 따른 운동량 플럭스 증가율은 N7에서 더 높으며 특히 겨울철에 N3에 비해서 더 높은 값을 보이고 있다(Fig. 9). Weber et al. (2010)은 1년간 도 시와 농경지의 운동량 플럭스 차이는 6%로 도시가 더 높았으며 수평 바람속도가 가장 높은 가을과 겨 울에 두 지점의 차이가 컸다고 하였다.
Dupont and Patton (2012)은 대기 안정도를 다섯단 계로 나누었다. −20≤z/L<−0.2는 자유대류(free convection),
−0.2≤z/L<−0.01은 강제대류(forced convection), −0.01
≤z/L<0.02는 근중립(near-neutral), 0.02≤z/L<0.6은 안정한 상태로 전이(transition to stable), 0.6≤z/L<20 은 안정(stable)한 상태를 나타낸다. Fig. 10에서 대기 가 중립 상태에 가까울수록 운동량 플럭스가 최대값 을 보이며 그 외 강한 불안정 또는 매우 안정된 대 기 상태일 때에는 운동량 플럭스가 급격히 감소한다.
z가 |L|보다 아주 작으면 시어효과(shear effect)가 부 력효과(buoyancy effect)보다 더 강해 그로 인해 난류 가 발생하고 평균풍속이 증가하여 운동량 플럭스가 크다. 반면 z가 |L|보다 아주 크면 부력효과가 시어효 과보다 더 중요시되며 평균 풍속이 줄어들고 운동량 플럭스가 작아진다(Arya, 2001; Dupont and Patton, 2012). Fig. 11은 겨울과 여름의 안정도 일변화를 백 분위수(percentile)로 나타낸 것이다. 양 끝은 각각 10 백분위수와 90백분위수를 나타내며 앞서 언급한 대 기 안정도 경계값인 −0.2, −0.01, 0.02, 0.6은 빨간선 으로 나타내었다. 난류가 활발하게 일어나는 주간에 는 대기가 주로 불안정하며 겨울보다는 여름에 불안 정한 상태가 상대적으로 더 길게 지속된다. 또한 여 름에는 겨울에 비해 두 지점간의 안정도 차가 크게 나타나는데 특히 N7에서 중립으로 나타나는 경우가 증가하였다.
결 론
지표이용도의 변화에 따른 플럭스 영향을 분석하기 위하여 낙동강 강정고령보 근처에 설치된 플럭스 자 료의 특성을 분석하고 검증하였다. 분석된 플럭스 자 료는 낙동강을 중심으로 동쪽과 서쪽의 두 개 지점 에서 관측된 자료이다. 강의 동쪽에 설치된 지점(N7) 은 공단으로서 도시를 대표하는 지역이고, 강의 서쪽 지점(N3)은 농경지를 대표하는 지역이다.
플럭스의 계절에 따른 분석을 위해 여름과 겨울철 동풍과 서풍 사례의 분석 결과 여름철 N3에서는 동 풍, N7에서는 서풍이 불어올 때 잠열이 증가하는 형 태를 보였다. 이는 낙동강에서 습도가 높은 바람이 불어오면서 나타난 결과로 보이나 추후 관측자료가 더 누적되면 사례일수를 증가한 분석이 필요하다. 두 계절 모두 농경지에서 잠열이 더 높게 측정되어 관 측되는 지표 특성을 잘 나타내고 있다. 현열과 잠열 을 이용한 보웬비 분석에서도 N7은 반건조 지표특성 을, N3는 초원에 해당하는 값을 보여 지점별 특성을 잘 나타내고 있다. 에너지 수지는 일차 회귀곡선의 경우 N3에서 54%, N7에서 43% 그리고 EBR의 경 우 N3에서 62%, N7에서 56%의 닫힘을 보였는데 N7에서 더 낮게 나타나는 것은 저장항과 토양열 계 산이 배제되었기 때문이다.
운동량 플럭스는 N7에서 높게 나타났으며 도시에 서 운동량 플럭스가 증가하는 선행 연구 결과와 일 치하였다. 대기의 안정도로부터 분석된 난류는 겨울 철 강제대류상태에서 최대치를 보인다. 이는 풍속 증 가에 따른 시어의 증가에 기인한다. 반면, 여름철의 지표면은 가열에 의한 지표면 불안정이 강해져 부력 효과가 증가하고 난류는 감소하게 된다.
Fig. 11. Diurnal variation of stability at N3 and N7 in (a) winter 2011 and (b) summer 2012.
본 연구를 통해 수행된 농경지와 도시에서 관측된 에너지 플럭스는 지표 특성에 따른 플럭스의 경향을 잘 나타내고 있으며 장기간의 플럭스 변동 연구에 활용 가능함을 보였다. 본 연구의 관측 대상 지역은 보 건설에 따른 수면적의 변화가 나타나는 지역으로 서 수면적 변화는 에너지 플럭스에 영향을 미치므로 장기간의 플럭스 관측자료를 국지기상 영향평가에 활 용 할 수 있다.
수면적 변화에 의한 국지기상 영향평가를 위해서는 지표이용도 변화 전부터 장기간의 플럭스 관측이 필 요하다. 그러나 본 연구에서는 보 건설 이후에 관측 이 시작되었으며 지표이용도 변화 이후의 관측 자료 만 확보되어 보 건설에 의한 국지기상영향 분석에는 한계가 있다. 그러므로 수치모형에 의한 보 건설 전 후의 영향 분석 실험을 통하여 그로부터 산출되는 난류 플럭스 자료의 검증에 관측자료가 활용되어 향 후의 지표면 변화에 따른 기상 및 플럭스 연구에 기 여할 것이다.
감사의 글
본 연구는 국립기상연구소 주요과제인 “응용기상기 술개발”의 지원으로 수행되었습니다.
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2013년 8월 9일 접수 2013년 9월 3일 수정원고 접수 2013년 9월 14일 채택
