DOI:http://dx.doi.org/10.5389/KSAE.2013.55.1.039
지형조건에 따른 제주도의 일사량 분포 추정
Estimation of Solar Radiation Distribution Considering the Topographic Conditions at Jeju Island
박진기
*․박종화
*,†Park, Jin Ki․Park, Jong Hwa
ABSTRACT
The solar radiation is the primary energy source that drives many of the earth's physical and biological processes and climate change. Understanding its importance to the solar radiation observation is a key to understanding a broad range of natural processes, agricultural, energy and human activities. The purpose of this study is to estimate solar radiation using sunshine duration, and to estimate distribution of solar radiation using a topography factor considering surface slope and aspect in complex terrain. The result of regression analysis between ratio of solar radiation and sunshine duration from 2001 to 2010 shows high R2 value of 0.878.
Regression analyses indicated that topographic attributes including elevation, slope and aspect had significant effects on solar radiation.
The variation of topographic factor with aspect and slope for the summer and winter are considered. The highest month of daily mean solar radiation at Jeju island appears in April of 20.61 MJ ․ m－2․day－1, and the lowest month appears in December of 6.90 MJ ․ m－2․day－1. These results provided useful quantitative information about the influence of topography on solar radiation in the island region.
Keywords: Surface slope; aspect; topographic factor; sunshine duration; meteorological data
I. 서 론*
지구규모로 진행되는 온난화 현상과 기후변화로 인한 영향은 태양에너지를 비롯한 신재생에너지의 개발과 활용의 필요성을 요구하고 있다. 특히 태양에너지는 에너지난이 심각해지면서부터 필요성이 부각되었으나 기술적인 한계와 많은 개발 비용 때문 에 활성화 되지 못하였다. 그러나 최근 정부간 기후변화협의체 (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)에서 논 의된 이산화탄소 저감대책으로 태양에너지의 중요성은 다시 부 각되고 있다. 태양에너지는 지구 생명체의 활동에 필수적일 뿐 아니라, 대기와 해양 운동을 일으키는 주요한 원인이다. 따라서 태양에너지 활용을 위한 일사량 관측의 중요성은 기후변화는 물 론 지구 에너지 분포와 변화의 이해, 태양 복사에너지의 입사, 방출 및 순복사의 분포와 변화뿐 만 아니라, 생물, 의료, 농업, 에너지, 건축분야의 학문 연구 및 산업 활동 등에 필수적이다.
그러나 일사량 관측은 세계적으로도 매우 적게 이루어지고 있으
* 충북대학교 지역건설공학과
† Corresponding author Tel.: +81-43-271-2577 Fax: +81-43-271-5922
E-mail: [email protected] 2012년 11월 20일 투고 2013년 1월 14일 심사완료 2013년 1월 21일 게재확정
며 관측소 수도 기온이나 강수량 관측에 비해 약 1/500 정도 되 는 것으로 알려져 있다 (Thornton and Running, 1999). 국내 의 경우 80여개의 기상관측소와 450여개의 자동기상관측시스템 (Automatic Weather System; AWS)에서 기온이나 강수량은 측 정하고 있지만, 일사량 관측은 22지점에서만 이루어지고 있다.
일사량은 다른 기상요소와 달리 공간적인 상관성이 높은 요소로 서 한 지점의 관측값이 넓은 면적을 대표하는 특성 때문에 적은 수의 관측 장비로도 효율적인 관측망을 구성할 수 있다 (KMA, 2012). 그러나 국내 지형은 국토의 70 % 이상이 산림으로 구성 되어 있고, 평균경사도도 14.3도이며, 국토면적에서 평지로 간주 되는 경사도 5도 이하는 28.2 %에 불과하다 (Yun, 2009). 따라 서 복잡한 국내의 지형을 반영한 정확한 일사량 추정을 위해서 는 경사도와 경사방향을 고려할 필요가 있다. 또한 경사지 등 복 잡한 지형조건의 물수지 및 증발산량 파악을 위해서도 정확한 일사량 추정은 매우 중요하다.
일사량 산정은 기온, 강수량, 일조시간, 운량 등의 기상요소를 이용하여 추정하는 방법으로 많은 연구들이 진행되어 왔다 (Duffie and Beckman, 1991; Baek et al., 2012). 특히, 일사량과 가장 상관성이 높은 기상요소로 알려진 일조시간은 많은 연구에서 일 사량 추정에 활용되었다 (Chegaar et al., 1998; Akpabio and Etuk, 2003; Wang and Zhang, 2010; Jo et al., 2011; Oh et
al., 2012). 그러나 기후변화와 지형조건의 영향요소와 밀접한 관련을 갖는 경사도와 경사방향을 고려한 일사량 추정 연구는 그 복잡성 때문에 매우 적다.
따라서 본 연구에서는 제주도지역을 대상으로 일조시간을 이 용하여 일사량을 추정하고, 경사도와 경사방향의 지형조건을 고 려하기 위하여 지형계수를 산출하고 이를 이용하여 복잡한 지형 의 일사량 분포를 추정하고자 하였다.
II. 재료 및 방법 1. 연구대상지역
제주도는 한반도 남서쪽에 위치하며, 중앙의 한라산을 중심으 로 완만한 경사를 이룬 동서 73 km, 남북 41 km의 타원형 모 양을 하고 있다. 제주도는 화산지형으로 동서사면은 3～5°의 매 우 완만한 경사를 이루며, 남북 방향은 5° 정도로 약간 급한 사 면을 갖고 있다. 제주도는 우리나라 최남단에 위치하여 근해에 난류가 흐르는 온대 기후를 이룬다. 연평균기온은 15.3 ℃로 온 난하며, 최난 월평균기온은 8월에 25.9 ℃, 최한 월평균기온은 1월에 4.5 ℃로 국내에서 가장 연교차가 적은 해양성 기후를 보 인다. 제주도는 섬 중앙에 한라산이 위치하여 경사방향과 경사 도에 따른 특징 파악이 쉽고, 동서남북에 각각 성산, 고산, 서귀 포, 제주 관측소가 위치하여 일사량 추정이 용이한 지형을 가지 고 있다 (Table 1). 성산과 서귀포 기상관측소에서는 기온, 풍향, 풍속, 습도, 강수량 등의 기상요소를 관측하지만 북쪽에 위치한 제주관측소와 서쪽에 위치한 고산관측소는 일사량 관측도 병행 하고 있다.
Table 1 Location elevation, latitude, longitude, aspect and slope
Station Latitude (N) Longitude (E) Elevation (m) Aspect (°) Slope (°)
Seongsan 33° 23′ 126° 52′ 18.4 300 1.85
Gosan 33° 17′ 126° 09′ 70.9 283 2.03
Seogwipo 33° 14′ 126° 33′ 50.2 135 0.90
Jeju 33° 30′ 126° 31′ 19.9 180 0.95
2. 일조시간을 이용한 일사량 추정방법
일사량 관측지점은 기온이나 강우 관측지점에 비해 적기 때문 에 다른 기상요소로부터 추정하는 연구들이 이루어지고 있다. 연 구 결과 일사량과 가장 밀접한 관련성을 갖는 일조시간을 선정 하여 제주도 지역의 일사량을 추정하였다 (Falayid and Rabiu, 2005). 일반적으로 일사량과 일조시간의 관계는 식 (1)과 같이 선형회귀관계로 나타낼 수 있다 (Duffie and Beckman, 1991).
(1)여기서, 는 수평면 전 일사량 (MJ ․ m－2․ day－1)이며, 는 대기밖 일사량 (MJ ․ m－2․ day－1), 는 1일 평균 일사율이 며, 은 일조시간 (h/day), 은 가조시간 (h/day), 은 1일 동안의 일조율이고, , 는 회귀계수이다.
3. 경사도와 경사방향을 고려한 지형계수
일사량은 운량, 연중일수 (Day of Year; DOY), 위도, 태양의 위치, 지형 등의 요소에 영향을 받는다. 전일사량 (global solar radiation)은 태양광이 입사하는 방향에 수직한 평면에 직접 입 사하는 직달일사 (direct solar radiation)와 대기나 구름 등의 영향으로 산란되어 지표면에 도달하는 산란일사 (diffuse solar radiation) 및 지표면에 반사되는 반사일사 (reflected solar radiation)로 구성되며 식 (2)와 같이 표현된다.
(2)여기서, 는 전일사량 (MJ ․ m－2․ day－1)이며, 는 직달일 사량 (MJ ․ m－2․ day－1), 는 산란일사량 (MJ ․ m－2․ day－1),
는 반사일사량 (MJ ․ m－2․ day－1)이다.
경사면에 도달하는 일사량은 해당 지역의 경사도와 경사방향 은 물론, 그 날의 태양고도와 방위각에 따라 달라진다. 그런데 지형의 경사도와 경사방향은 고정되어 있지만 태양 고도와 방 위각은 하루 중 시간대에 따라 변하므로 많은 계산이 필요하다 (Yun, 2009). 직달일사량의 지형계수는 경사도와 경사방향을 고 려하여 산출하기 때문에 운량의 영향으로 반사되는 일사량을 제 외한 청천일사량과 수평면 청천일사량을 구하여 식 (3)과 같이 산출하였다. 식 (4)의 cos 는 경사도와 경사방향이 적용된 지 형을 의미하며, 식 (5)의 cos 는 경사도와 경사방향이 0 일 때 의 수평면 지형을 의미한다 (Kreith and Kreider, 1978; Duffie and Beckman, 1991).
cos cos
(3)
cos sin sin cos cos sin sin cos
cos cos cos cos sin cos cos sin cos
cos sin sin sin
(4)
cos sin sin cos cos cos
(5)여기서,
는 직달일사량 지형계수이며,
는 직달일사량,
는 수평면 직달일사량,
는 태양 입사각,
는 태양 천정각,
은 위도,
는 경사각,
는 태양 적위,
는 경사방향,
는 태양시이다.수평면에서 받는 산란 일사량,
는 식 (6)와 같으며, 경사 각을 고려한 산란 일사량은 식 (7)과 같다 (Hottel and Woertz, 1942; Liu and Jordan, 1960).
cos
(6)
cos
cos
cos
sin
cos
(7)
여기서,
은 대기 중의 공기 분자나 미립자에 의해서 산란 된 천공일사량이다.수평면에서 지표에 반사되는 반사일사량,
는 식 (8)과 같 으며, 경사각을 고려한 반사일사량
는 식 (9)과 같다.
cos
(8)
cos
cos
cos
cos
(9)
여기서,
는 지표면 알베도이며,
은 등방성 지표 반사일 사량이다.따라서 전일사량은 식 (10)와 같이 표현되며, 수평면 전일사량,
는 직달일사와 산란일사의 합으로 식 (11)과 같으므로, 전일사 량의 지형계수
은 식 (12)과 같다.
cos
cos
(10)
(11)
cos
cos
(12)4. 일사량 분포 추정
일사량 분포 추정은 제주, 고산, 성산, 서귀포 기상관측소의 2001년부터 2011년까지의 일조시간과 일사량 데이터를 이용하 였다. 지형계수 산출은 수치지형도에서 경사도와 경사방향을 추출 하여 사용하였고, 지표면 알베도는 MODIS Product 중 MCD43B3 의 구름이나 노이즈가 없는 월별 데이터를 선별하여 이용하였다 (Table 2). 2001～2010년의 제주 및 고산관측소 데이터는 일 조시간과 일사량의 회귀식을 구하기 위해 사용되었고, 제주, 고 산, 성산, 서귀포관측소의 2011년 일조시간은 각 관측소의 일사 량 추정을 위해 사용하였다. 일사량은 경사방향과 경사도에 따라 변하므로 지형계수를 도입하였다. 지형계수는 경사도와 일조시간 에 따라 다르기 때문에 복잡한 지형의 일사량 산출을 위해서 청 천조건의 수평면 일사량과 경사방향과 경사도 지형에서 받는 일 사량 비로 산출하였다. 지형계수는 수평면에서 1의 값을 갖는다.
북반구에서는 남향일 때 일조시간이 북향보다 많기 때문에 1.0 보다 큰 값을 가지며, 북향일 때는 1.0 보다 작은 값을 가진다.
본 연구에서는 제주도 지역의 지형조건을 고려한 일사량 분포는 각 관측소에서 일조시간을 통해 추정한 일사량을 공간적으로 보 간하고 지형계수를 적용하여 추정하였다. 일조시간을 이용해 구
Table 2 Usage data characteristics
Data Type Resolution Year Source
Sunshine duration Table - 2001～2011 KMA
Solar radiation Table - 2001～2011 KMA
Aspect Raster (DEM) 30×30 m - Digital map Slope Raster (DEM) 30×30 m - Digital map
Surface albedo Raster 1×1 km 2011 MODIS
Fig. 1 Relationship of daily solar radiation and sunshine duration ratio measured at two Jeju meteorological stations from 2001 to 2010
Fig. 2 Comparison between observed and calculated daily global solar radiation using equation (1) 한 관측소의 일사량을 공간분포를 나타내기 위한 보간법은 역거
리가중법 (Inverse Distance Weight; IDW)을 사용하였다.
III. 결과 및 고찰
1. 일사율과 일조율의 회귀분석
제주도의 일사량 추정을 위해 2001년부터 2010년까지 10년 동안 제주와 고산관측소에서 관측된 일사량과 일조시간을 이용 하여 일사율과 일조율의 회귀분석을 실시하였다. 여기서, 일사율 (
)은 대기 밖에서 받는 이론적 일사량 (
)과 관측소에 서 관측된 일사량 (
)의 비율이며, 일조율 (
)은 일출에서일몰까지의 시간 (
)과 실제 관측된 일조시간 (
)의 비율로 구 할 수 있다. 일사율과 일조율의 회귀분석 결과는 Fig. 1 및 식 (13)과 같으며 결정계수는 0.878로 높은 상관성을 보였다.
(13)제주도 지역의 일조시간을 이용해 산출한 회귀식의 적합성 분 석을 위해 제주와 고산기상대에서 2011년 관측한 실측치와 계산 된 결과를 비교하면 Fig. 2와 같다. 전반적으로 계산된 일사량은 제주 관측소 (R＝0.982)와 고산 관측소 (R＝0.969)에서 높은 상관관계를 보이고 있으나, 약간 과소평가되는 경향을 보였다.
Fig. 3 Monthly topographic factor trends of solar radiation considering surface slope and aspect at Jeju island 그러나 일조시간과 일사량은 상호 높은 상관관계를 보여 일조
시간을 이용한 미관측지점의 일사량 추정에 유용한 것으로 판단 된다.
2. 경사도와 경사방향을 고려한 지형계수
지형계수는 지형의 특징은 물론 태양 고도 또한 고려해야 하 기 때문에 일사량 산정 목적에 따라서 일, 월, 연 단위로 값이 달라진다. 본 연구에서는 월별 일평균 일사량을 구하기 위하여 월단위로 지형계수를 산출하였다. 지형을 고려한 청천일사량과 수평면에서 청천일사량을 이용하여 산정한 제주도의 지형계수 (
)는 Fig. 3과 같다.지형계수는 월별로 다른 특징을 보이는데 해수부분은 경사각 이 0이기 때문에 1.0의 값을 가지고, 한라산의 남쪽지역은 일조 시간이 북쪽지역보다 많기 때문에 1.0보다 큰 값을 가지며, 북쪽 지역은 1.0보다 작은 값을 가진다. 따라서 제주도 지역의 수평면
에 받는 일사량을 산정하여 지형계수를 적용한다면 경사방향과 경사각에 따라 일사량을 추정할 수 있다.
지형계수는 계절에 따라 서로 다른 특징을 보이는데 1월～3 월, 10월～12월은 태양 고도가 낮아 남향과 북향의 편차가 큰 반면에 4월부터 9월은 태양 고도가 높아 남향과 북향의 지형계 수 편차가 적었다. 특히, Fig. 4와 같이 겨울은 경사방향에 따라 0.5에서 1.8까지 큰 편차를 보이지만 여름에는 경사방향에 상관 없이 0.9에서 1.1 사이의 일정한 형태의 분포를 보였다.
경사도 영향에 의한 지형계수는 Fig. 5와 같이 경사가 높아짐 에 따라 북향의 경우 반비례하여 작아지는 경향을 보였으며, 여 름보다 겨울에 그 경향이 큰 것으로 파악되었다. 반면에 남향의 경우는 경사도가 높아짐에 따라 지형계수도 비례하여 커지는 경 향을 보였다. 계절에 따른 특징으로 겨울에는 경사에 비례하여 1.0～1.7 범위까지 크게 증가한 반면 여름에는 1.0～1.2범위로 변화 폭이 적은 특징을 보였다.
Fig. 4 The variation of topographic factor with aspect for the summer and winter
Fig. 5 The variation of topographic factor with slope for the summer and winter in Jeju island surface facing
3. 지형계수를 적용한 월별 일사량
지형계수를 적용한 월별 일평균 일사량 분포 추정을 위하여 2011년 제주도 지역의 제주, 성산, 고산, 서귀포 관측소의 일조 시간 자료를 사용하였다. 식 (13)에서 얻어진 회귀방정식을 적용 하여 일사량을 추정하고, IDW를 이용하여 공간 내삽을 실시하고 지형계수를 적용하였다. 제주도 지역의 2011년 일사량 분포는 Fig. 6과 같다.
대기밖 일사량은 6월과 7월이 높지만 장마 등 여름철에 집중 되는 강우와 구름의 영향 때문에 4월의 일사량보다 낮게 나타났 다. 월별로는 4월이 가장 높고 12월이 가장 낮은 특징을 보였다.
이와 같이 한라산을 중심으로 고도에 따라 주변지역보다 전반적 으로 높은 것을 알 수 있다. 또한 한라산 남쪽이 북쪽보다 5～
8월을 제외한 나머지 기간에 일사량이 높은 것으로 파악되었다.
따라서 동일 위도라 할지라도 지형계수를 반영하면 지형조건을 반영한 정확한 일사량 추정이 가능한 것으로 파악되었다.
Fig. 6 Spatial distribution of monthly average daily incoming solar radiation considering surface slope and aspect in 2011
Fig. 7 Trend of monthly average daily incoming solar radiation in 2011
Fig. 7은 제주도의 2011년 월별 일평균 일사량의 변동특성을 나타낸 그림이다. 2011년의 일사량은 평년의 일사량 최고 월인 5월과 달리 4월로 20.61 MJ ․ m－2․ day－1로 파악되었다. 이러
한 결과는 평년에 비해 5월의 강우일수가 3일 정도 많았고, 일평 균 일조시간도 5.43 시간으로 평년에 비해 1.68 시간 적은 결과 를 반영한 영향으로 분석된다. 또한 4월의 일조시간은 Fig. 8와
Fig. 8 Comparisons of rainy days and duration of sunshine between normal year and 2011
Fig. 9 Spatial distribution of average daily solar radiation per each village in 2011
같이 월 평균 7.59 시간으로 가장 긴 결과를 반영한 영향으로 판 단된다. 한편 태양고도가 가장 낮은 12월은 일평균 6.90 MJ ․ m－2․ day－1로 일사량이 가장 적은 월로 조사되었다.
제주도에서 일사량이 가장 풍부한 지역은 Fig. 9과 같이 서귀 포시로 일평균 14.42 MJ ․ m－2․ day－1로 나타났다. 서귀포시는 전체 면적의 67.2 %가 남동향 (145°)에서 남서향 (225°)에 위치 하며 6.7°의 평균 경사도를 보이는 특징이 반영된 결과로 해석된
다. 일사량이 가장 적은 곳은 제주시로 12.84 MJ ․ m－2․ day－1 로 지리적인 위치가 북서향 (315°)에서 북동향 (45°)에 71.5 % 가 위치하는 점과 평균 경사도 6.2°의 지형 조건이 가장 큰 영향 을 미친 것으로 생각된다. 또한 동리 단위로는 서귀포시 상효동 이 일평균 14.93 MJ ․ m－2․ day－1로 가장 높은 일사량을 받았 으며, 가장 작은 지역은 제주시 건입동으로 일평균 12.56 MJ ․ m－2․ day－1로 같은 제주도지역에서도 2.37 MJ ․ m－2․ day－1
의 차이를 보였다.
이상과 같이 일사량은 기후변화와 지형조건에 따라 같은 위 도 및 경도일 경우라도 지형조건과 계절별로 차이를 보이고 있 다. 따라서 태양광을 이용한 신재생에너지 활용과 농작물 적지 선정을 위해 토양, 지질 등 다른 조건들과 더불어 하나의 지표 로 고려하기 위해서는 경사와 방향을 고려한 일사량을 먼저 정 확하게 추정하고 이용목적에 따른 최적 지점을 찾는 것이 매우 중요할 것이다.
IV. 결 론
본 연구는 일조시간을 이용하여 일사량을 추정하고, 경사도와 경사방향의 지형조건을 고려할 수 있는 지형계수를 산출하여 제 주도 지형의 2011년 일사량 분포를 추정하였다. 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
1. 제주도의 2001년부터 2010년까지 제주관측소와 고산관측 소의 관측 일사량과 일조시간을 이용한 일사율 (
)과 일조 율 (
)의 회귀분석 결과 결정계수는 0.878로 높은 상관성을 보였다.2. 경사도와 경사방향을 고려하기 위한 지형계수는 계절에 따 라 독특한 특징을 보였다. 북향인 경우, 겨울에 경사가 클수록 낮은 값을 나타내나, 남향인 경우 겨울에 경사가 클수록 높은 경 향을 보였다. 겨울에는 경사방향에 따라 0.5에서 1.8까지 큰 편 차를 보이지만 여름에는 경사방향에 상관없이 0.9에서 1.1 사이 의 분포를 보였다.
3. 2011년 제주도의 일평균 일사량이 가장 많은 월은 4월로 20.61 MJ ․ m－2․ day－1이며, 최저는 12월로 6.90 MJ ․ m－2․ day－1로 조사되었다. 대기밖 일사량이 가장 높은 6월과 7월은 장마 등 호우로 인해 일사량이 적었으며 4월의 일사량이 가장 높고 안정적으로 나타났다.
4. 서귀포시는 남동향 (145°)에서 남서향 (225°)이 전체면적의 67.2 %를 차지하고 6.7°의 평균 경사도 지형으로 이루어져 14.42 MJ ․ m－2․ day－1로 가장 일사량이 풍부한 지역으로 조사되었다.
제주시는 북서향 (315°)에서 북동향 (45°)이 71.5 %를 차지하고 6.2°의 평균 경사도 지형으로 이루어져 12.84 MJ ․ m－2․ day－1 로 일사량이 가장 적었다.
5. 경사도와 경사방향을 고려한 지형계수는 태양광에너지 활 용과 농작물 적지선정 등에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 조 사되었다.
이 논문은 2012년도 정부 (교육과학기술부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (No. 2012 R1A1A2044123)
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