엘니뇨/라니냐 강도 변화에 따른 국지적 풍력자원의 변동
이순환1,*·이화운2·김동혁2·김민정2·김현구3
1부산대학교 환경연구원, 609-735, 부산광역시 금정구 장전2동 산 30
2부산대학교 대기과학과, 609-735, 부산광역시 금정구 장전2동 산 30
3한국에너지기술연구원, 305-343, 대전광역시 유성구 가정로 102
Analytic Study on the Variation of Regional Wind Resources Associated with the Change of El Niño/La Niña Intensity
Soon-Hwan Lee1,*, Hwa-Woon Lee2, Dong-Hyuk Kim2, Min-Jung Kim2, and Hyun-Goo Kim3
1Institute of Earth Environment System, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
2Division of Earth Environment System, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
3Korea Institute of Energy Research, Daejeon 305-343, Korea
Abstract: In order to clarify the relation between El Niño/La Niña and wind resources of the Korean Peninsula, observed meteorological data for 20 years were used in this study. Although the wind speed tends to decrease in Eurasia Continent, it gradually increases in the peninsula for 10 years. The seasonal variation of wind speed due to El Niño/La Niña development is not so small and negative anomalies of SST tend to lead the beginning of the wind speed increase over the Korean Peninsula. Wind speed variation caused by the global scale meteorological phenomena is more sensitive in mountainous area than in any other areas because of the relatively weak mesoscale forcing at mountainous area.
Keywords: wind resources, El Niño/La Niña, SST anomalies, Korean peninsula, wind variation
요 약: 엘니뇨/라니냐의 강도 변화에 따른 한반도의 풍력자원 변동성을 확인하기 위하여 20년간 장기 지상관측자료를 바탕으로 해석적인 분석을 실시하였다. 장기적으로 유라시아 대륙의 풍속 약화경향에도 불구하고 한반도는 최근 10년간 풍속 증가가 약하게 나타났다. 그리고 엘니뇨와 라니냐에 따른 한반도 풍속은 계절적으로 다양한 형태를 나타낸다. 지 역적으로 음의 해수면 온도 아노말리를 나타내는 라니냐가 발생하면 한반도내 지상풍속이 빨라지는 경향을 가진다. 그 리고 기후변화에 대한 풍속은 중규모의 강제력이 가장 미약한 산악지역에서 가장 민감하게 나타난다.
주요어: 풍력자원, 엘니뇨/라니냐, 해수면온도변동, 한반도지역, 바람변동
서 론
20세기 들어서 시작된 급격한 인구증가와 그에 따 른 에너지소비 증가는 인간 생활에서 새로운 에너지 확보와 환경문제 해결을 요구한다. 현재 각국 정부는 환경학적으로 지속적인 발전을 위한 신재생에너지 등 청정에너지의 확보를 위하여 많은 연구를 활발히 진 행하고 있다. 특히 풍력 에너지는 다른 신재생에너지
에 비하여 기술적인 성숙도가 높고 발전단가가 낮기 때문에 석유계열 에너지를 대체할 수 있는 방안으로 제시되고 있다(WWEA, 2008; GWEC 2008).
한반도는 기상학적으로 경압성이 높은 중위도 지역 에 위치하고 있기 때문에 풍력에너지의 활용가능성이 높게 나타난다(김현구, 2008; 이순환 외, 2009; 이화 운 외, 2010). 그러나 풍력발전단지의 개발에 있어서 풍력자원의 정확한 평가는 필수적이다. 현재 한국에 너지기술연구원과 기상청 등 국가기관에서는 풍력자 원을 평가하여 작성한 한반도 풍력 자원지도가 제작 되어 배포 중에 있다. 풍력자원 지도에는 기본적으로 관측 자료와 수치모의 자료가 사용된다. 그러나 관측
*Corresponding author: [email protected]
*Tel: 82-51-583-2651
*Fax: 82-51-583-2651
자료에 의한 자원 지도 작성은 한반도 지형의 복잡 한 지형으로 인한 연속적인 풍력자원 분포도 작성에 한계가 있기 때문에 대부분 대기수치모형에 의한 수 치자료를 바탕으로 작성한다(Jimenez et al., 2007;
Raichle and Carson, 2009; Kim et al., 2010). 풍력 자원 평가에 필요한 수치계산은 방대한 영역을 대상 으로 장기적으로 이루어지기 때문에, 전산 능력과 그 에 따른 자료 보관 등의 다양한 전산학적인 문제 등 으로 계산 기간을 가능한 최소화하려는 경향이 있다.
전 지구적 기후변화는 한반도의 풍력자원에도 영향 을 미친다. Makkawi et al.(2009)은 4년간의 기상 자 료를 바탕으로 파키스탄의 기류 변화를 분석하고, 이 기간 동안의 풍력에너지 변동을 살펴보았으며, 구교 숙 외(2005)는 서로 다른 온실가스 배출 시나리오 (A2, B2)에 따른 기후 변화 예측 시나리오에서 배출 시나리오에 따라 동아시아 지역 온도차가 최대 2.7도 까지 나타나며, 편서풍속 역시 달라질 수 있음을 보 였다. 그러므로 풍력발전의 장기적인 안정성 차원에 서 지구규모 기류 변동이 한반도 풍력자원 분포에 미치는 영향을 정확히 평가하여야 한다. 따라서 본 연구는 2000년부터 10년간의 관측자료를 바탕으로 특이한 지구규모 기상현상인 엘니뇨와 라니냐 발생에 따른 한반도 풍력자원 시간적인 변동성을 확인하고, 이들에 따른 풍력자원 변동성이 지역적으로 어떻게
동아시아지역의 평균 바람장은 1989년부터 2009년 까지의 30년 자료를 바탕으로 구하였다.
그리고 한반도 기상학적인 풍력 자원 평가는 한국 기상청에서 제공하는 신뢰도 높은 기상관측 자료를 사용하였다. Fig. 1은 본 연구에서 사용된 자료의 위 치를 나타낸 것으로, 본 연구는 전국 76개 유인 관측 소와 610개의 자동 관측장비, 5개의 윈드프로파일러 관측자료, 그리고 비정기적으로 운행하는 비행기에 의한 AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay) 자료를 이용하였다. 기상관측지는 전국에 고르게 분 포하고 있으며, 관측지간의 이격거리는 평균 8 km 정 도이다. 자료의 기간은 GDAS와 동일하게 30년 자료 를 적용하여 평균치를 작성하고, 최근 10년의 자료를 바탕으로 바람자원의 변동성을 분석하였다.
그리고 공간적인 연속성을 확보하기 위하여 현업 수치모형에 의하여 계산된 RDAPS 자료도 풍력자원 분포 특성을 파악하기 위하여 사용되었다. RDAPS (Regional Data Assimilation and Prediction System) 는 한국기상청의 기상예보 모형에서 도출된 기상요소 값으로 30 km 수평격자와 31개의 연직층으로 구성되 어 있다. RDAPS의 기간 역시 관측과 동일하게 10년 으로 하였다.
분석 결과
장기 풍력자원 변동
풍력 에너지 변동성 분석을 위하여 전구규모자료를 바탕으로 동아시아지역의 풍속 변동 경향성을 파악하 였다. Fig. 2는 20년 전구자료를 바탕으로 작성된 풍 속의 아노말리를 나타낸 것이다. 전반적으로 북반구 의 대륙에서 감소추세를 나타내며 남반구에서는 증가 추세를 나타낸다. 동아시아 지역에서는 중국대륙에서 Fig. 1. Location of meteorological observation sites con-
trolled by Korea Meteorological Administration.
감소추세를 나타내며 북서태평양 상에서는 증가추세 를 나타낸다. 이러한 중국 대륙의 풍속감소는 도시의 성장과 이에 따른 거칠기 증가가 지표풍속의 감소에 영향을 준 것으로 판단된다(Jiang et al., 2010). 그리 고 한반도를 중심으로 남서와 북동부에서의 약한 증 가추세를 나타내고 있다. 그림으로 보이지 않았지만, 계절적으로 살펴보았을 때 감소추세가 겨울이 여름보 다 뚜렷하다. 동아시아 지역의 계절별 감소추세는 겨 울과 여름몬순의 약화가 원인으로 판단된다(Xu et al., 2006).
이러한 한반도의 증가 추세를 명확히 살펴보기 위 해 한반도 지역의 장기적인 풍력자원에 대한 분석을 실시하였다. Fig. 3은 본 연구에서 사용된 한반도내 58개 유인관측소의 2009년의 평균풍속을 나타낸 것 이다. 그림에 나타난 풍력등급은 미국 NEI에서 제시 한 값을 기준으로 나타내었다. 먼저 평균 풍속에 따 른 풍력 등급을 보면, 내륙의 대부분의 지역은 평균 풍속이 2 m/s 정도로 낮게 나타난다. 그러나 연안지 역과 산악지역의 경우 풍속이 4 m/s 이상으로 상대적 으로 높게 나타난다. 특히 도서지역의 경우 평균 6 m/s 이상이 나타나는 곳이 있기 때문에 이들 지역에 서의 풍력에너지자원이 풍부하다고 판단할 수 있다.
이러한 분포 특성은 선행 연구의 결과와 유사하게 나타난다(이순환 외, 2009).
이러한 풍력자원분포의 경년변동 경향성을 파악하 기 위하여 한반도내 유인관측소에서 관측된 20년간 의 연평균 풍속과 최대풍속을 살펴보았다. Fig. 4는 20년 동안의 평균 풍속과 최대 평균 풍속값에 대하
여 무차원하여 나타낸 것이다. 그러므로 1에 가까울 수록 평균 풍속에 가깝다는 것을 의미한다. 그림에서 1990년대부터 2000년까지 10년 동안의 평균 풍속은 20년 평균치에 미치지 못하지만 2000년부터 2009년 까지의 연별 평균 풍속은 20년 평균치를 상회한다.
그리고 이러한 경향성은 최대풍속에서 더욱 뚜렷이 나타난다. 그러므로 최근 2000년부터 10년 동안의 평균 풍속은 이전 10년에 비하여 풍속이 약 10% 이 상 증가하였으며, 최대 풍속의 경우 증가율이 20%로 더욱 뚜렷하게 나타난다. 따라서 한반도에서는 최대 풍속에 의한 변동성이 평균 풍속에 대한 변동성보다 Fig. 2. Wind speed anomalies estimated by NCEP GDAS data over East Asia including the Korean Peninsula for 20 years.
Fig. 3. Mean values of wind speed in 58 super sites for 30 years. The color indicates the wind velocity.
크게 나타난다.
기후학적 특성에 따른 한반도 풍력자원 변화 이러한 한반도 내 풍속의 경년 변화는 국지적인 기상장 뿐아니라 기후학적인 변화에도 영향을 받는 다. 따라서 이러한 전지구규모의 기후현상변화가 한 반도내의 풍력자원에 미치는 영향을 파악하기 위하여 엘니뇨와 라니냐 발생시기를 구분하여 풍력자원의 차 이를 비교하였다. 본 연구에서는 연구대상 20년 자료 중 평균풍속이 증가한 최근 10년 자료를 바탕으로 분석하였다. 먼저 Fig. 5는 2000년부터 관측된 동태 평양상 엘니뇨감시구역(5oS-5oN, 170oW-120oW)에서 관측한 해수면온도의 아노말리를 나타낸 것이다.
2000년 이후 엘니뇨와 라니냐가 지속적으로 발생한 것을 볼 수 있다. 특히 2001년 겨울부터 2005년 겨 울까지 비록 강도의 차이는 있지만 엘니뇨가 지속적 으로 나타난다. 동태평양상의 수온 아노말리가 2003 년 봄철에 최대 1.8oC까지 상승하였다. 그리고 2008 년 겨울철에 최대 −1.3oC의 아노말리가 나타났다. 그 러므로 최근 3년간 엘니뇨와 라니냐가 주기적으로 발생하고 있다.
이러한 엘니뇨와 라니냐에 따른 한반도 풍속의 계 절적인 변동을 살펴보기 위하여 엘니뇨와 라니냐 발 생월을 계절적으로 분리하여 각 계절에 따른 한반도 풍속변화를 살펴보았다. Fig. 6은 엘니뇨와 라니냐가 발생한 계절의 한반도 계절별 평균 풍속과 일 최대 Fig. 4. Temporal variation of mean and maximum wind speed normalized by their averaged values for 20 years. Dashed line indicates average level for 20 years.
Fig. 5. Temporal variation of sea surface temperature anomalies over El Niño observation site (5oS~5oN, 170oW~120oW).
풍속의 평균을 나타낸 것이다.
그림의 세로축은 10년 평균 풍속으로 무차원한 풍 속을 나타낸다. 계절적으로 볼 때 엘니뇨와 라니냐 기간 동안 일률적인 한반도 풍속 증감에 관한 정확 한 특징이 나타나지 않는다. 즉 계절적 풍속 변동에 차이가 나타남을 알 수 있다. 엘니뇨의 경우 겨울철 과 여름철의 풍속 증가가 뚜렷하였으며, 라니냐는 봄 철과 가을철에 풍속 증가가 나타났다. 이들의 계절적 인 변동은 중앙 태평양 해상 상공의 동아시아의 기 압 패턴 변화에 의한 것으로 판단된다. 그러나 최대 풍속의 경우 라니냐의 가을을 제외한 전계절에서 10 년 평균 풍속보다 높게 나타났다. 따라서 지구규모의 기후학적인 기류 변동 특성은 평균 바람장보다 최대 풍속장에 민감하게 작용한다고 판단된다. 풍력자원의 경우 최대 풍속에 대한 에너지효율이 중요하기 때문 에 장기 풍력자원 변동성 평가를 위해서는 지구규모 의 기류 변동에 대한 정보를 확보하여야 한다.
Fig. 7과 8은 한반도내 유인 기상대급 관측자료를 이용하여 10년 평균에 대한 엘니뇨와 라니냐 발생시 의 평균풍속과 최대풍속의 변동을 나타낸 것이다. 도 형은 각각 10년 평균풍속에 대한 계절 평균풍속을 백분율로 나타낸 것으로 원과 X는 각각 풍속의 증가 와 감소를 의미한다. 먼저 평균 풍속의 변동성을 살 펴보면(Fig. 7), 엘니뇨 발생시 가을에는 관측 위치에 상관없이 평균 풍속 증가가 명확하게 나타난다. 특히 내륙 산악지역의 풍속 증가가 크게 나타난다. 그러나 다른 계절의 경우 뚜렷한 분포 특징이 나타나지 않 는다. 반면 라니냐의 경우 엘니뇨와 반대로 가을철의
풍속 감소가 뚜렷하다. 그리고 여름철은 한반도 전체 지역에서 풍속 증가가 나타나며 겨울철 역시 10년 평균에 비하여 풍속이 증가하는 경향성을 가진다.
그러나 최대 풍속의 변동 특성은 평균풍속 변동 분포와 달리 지구규모 기류 변동에 따른 계절적 특 성이 명확하게 나타난다(Fig. 8). 먼저 엘니뇨의 경우 가을철을 제외한 모든 계절에서 최대풍소의 감소가 나타나며 지역적으로 중부 내륙지역에서 가장 크게 나타난다. 라니냐 기간 한반도는 가을철을 제외하고 최대 풍속의 크기가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다.
특히 풍력자원이 풍부하다고 판단되는 겨울철과 봄철 에 최대풍속의 증가가 확인되었다. 겨울철에는 내륙 에서 15% 이상 증가하였다. 그리고 봄철 연안지역 역시 높은 증가율을 나타낸다. 따라서 지구규모의 엘 니뇨와 라니냐가 한반도에 미치는 영향이 계절적으로 다르게 나타날 뿐 아니라 지역적으로 달리 나타난다.
입지에 따른 풍속 변동 경향성 분석
지구 규모 기류 변동의 영향에 따른 지역적인 변 동 특성을 명확히하기 위하여 산악, 내륙, 연안 등을 대표하는 각 3개 관측소 자료를 이용하여 이들 지역 에서의 풍력자원 변동성을 살펴보았다. Fig. 9는 10 년 관측자료를 이용하여 산출한 각 영역별 월별 풍 속과 시간별 풍속을 나타낸 것이다.
계절별 변화를 영역별로 살펴보면 산악지역에서는 연중 가장 우수한 풍속을 나타낸다. 반면에 여름에 풍속 약화가 두드러지며 이는 여름철 종관풍속의 약 화에 따른 결과이다. 내륙지역의 풍속은 연중 약한 Fig. 6. Seasonal patterns of monthly mean values for (a) mean and (b) maximum wind speed normalized by their averaged val- ues for 10 years.
Fig. 7. Distribution of seasonal wind speed variation for El Niño and La Niña period in comparison with compared with their 10 years mean values. Closed circles and crosses indicate the increase and decrease of seasonal wind speed, respectively. The values of legend is normalized percentage (%).
풍속을 나타내고 있으며 계절적인 변화가 거의 나타 나지 않는다. 그리고 해안지역의 경우 평균 풍속은
내륙에 비하여 크게 나타나나 계절적인 변동성은 크 지 않다. 연안지역은 봄철 3, 4월에 한시적인 강풍의 Fig. 8. Same as Fig. 7 except for maximum wind speed for each season.
영향으로 평균풍속이 높은 것이 특징이다. 내륙지역 에서는 여름철 국지성 저기압의 강한 발달과 함께 풍속의 증가가 나타난다.
각 영역별 풍속의 일변화를 살펴보면 산악지역은 풍속의 일변화가 가장 뚜렷하고 특히 주야간의 산곡 풍에 의하여 풍속의 일변화가 매우 뚜렷하게 나타난 다. 전체적으로 풍력자원이 풍부하지만 야간에 풍속 이 5 m/s 이상으로 강하게 나타난다. 반면 주간에는 풍속이 감소하는 특성이 있다. 반면 해안지역과 내륙 지역은 전반적으로 풍속이 약하며, 주간 해풍과 대기 불안정에 의한 풍속증가가 뚜렷하게 나타난다. 특히 해안지역에서는 해풍의 발달과 함께 15시에 최고풍 속 4.5 m/s를 나타낸다.
그리고 기후학적인 변동에 따른 지역적 변동성을 보기 위하여 해수면온도 아노말리와 각 영역별 평균
년의 강한 라니냐 뿐 아니라 2009년의 약한 라니냐 때에도 발견된다. 따라서 한반도내 풍속의 시간변동 은 기후학적인 대순환 현상과도 영향을 받고 있음을 의미한다.
또한 각 지역별 반응특성이 다른데, 산악지역의 기 후변화에 대한 풍속 변동성이 매우 민감하게 나타난 다. 반면 내륙의 경우 기후학적인 요인에 따른 풍속 변동이 다른 영역에 비하여 늦게 나타나고 사라진다.
이는 산악지역의 경우, 다른 영역에 비하여 중규모 강 제력보다는 종관규모 강제력이 강하게 작용하지만 연 안지역이나 내륙은 해륙분포에 따른 중규모 강제력이 우세하기 때문에 종관적인 기상현상에 따른 기류 변 동폭이 작다. 또한 내륙의 경우 중규모 강제력 뿐 아 니라 높은 지상 거칠기에 따른 마찰력이 증가하기 때 문에 다른 영역보다 반응성이 낮게 나타난다. 따라서 장기적인 풍력자원 예측을 위해서는 지역적인 기후 반응성의 차이를 고려하여 접근하는 것이 요구된다.
결 론
본 연구는 전지구규모의 기후학적인 현상이 한반도 풍력자원에 미치는 영향을 평가하기 위하여 한반도내 20년간의 지상관측 바람자료를 이용하였다. 본 연구 의 기후학적 현상은 동태평양상의 수온상승에 따른 기후 변화인 엘니뇨와 라니냐이고, 이러한 전구규모 의 기류 변동이 발생하였을 때 한반도의 풍력자원 변동을 정량적으로 분석하였다.
분석결과 아래와 같은 결론을 도출하였다.
1) 북반구의 풍속은 장기적으로 유라시아대륙 특히 중국을 중심으로 약하게 감소하는 추세를 가진다. 이 는 중국의 급격한 도시화에 따른 지표면 마찰 증가 에 따른 것으로 판단된다. 그러나 한반도의 경우 평 Fig. 9. Time variation of (a) monthly and (b) hourly means
wind speed for three areas.
균풍속이 약하게 증가하는 경향성을 가지는데, 이러 한 경향성은 최근 10년 동안 뚜렷하게 나타난다. 최 근 10년간 한반도내 연평균 지상 풍속 증가율은 0.001 m/s/year 이다.
2) 엘니뇨/라니냐와 한반도내 풍속의 관계에서 평 균풍속에 대한 계절적인 변동 경향성이 일관되지 못 하고, 엘니뇨의 경우 겨울철과 여름철의 풍속 증가가 뚜렷하였으며, 라니냐는 봄철과 가을철에 풍속 증가 가 나타났다. 그러나 최대풍속에 의한 분석의 경우 엘니뇨 발생시 평년에 비하여 약하고, 라니냐 발생시 풍속이 증가하는 경향성을 확인하였다.
3) 한반도내 영역별 변동성 분석에서 산악지역은 월별 변동성이 내륙지역보다 크게 나타나며, 일변동 성은 연안지역에서 크게 나타난다. 이는 종관규모와 중규모 기상 강제력의 발생정도에 따른 것으로 풀이 된다.
4) 각지역별 풍속의 시간변동을 보면, 지역에 상관 없이 동태평양상에서 양의 해수면온도 아노말리가 시 작되면 풍속이 감소하기 시작하고, 반대로 음의 아노 말리가 발생하면 풍속은 증가하는 경향을 가진다. 그 러나 산악지역은 이러한 아노말리에 대한 반응성이 빠른 반면 내륙지역은 이러한 반응성이 느리게 나타 난다. 이는 내륙지역의 경우 중규모 강제력이 우세하 고 지면마찰 등에 의하여 종관적인 영향력이 작기 때문에 기후학적인 요인에 대한 반응성 역시 떨어진 다고 볼 수 있다.
감사의 글
본 연구는 정부의 재원으로 한국연구재단(NRF- 2009-353-C00026)의 지원과 한국에너지 기술연구원 의 위탁연구 지원에 의하여 수행되었습니다.
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(검색일: 2010.12.10)
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Fig. 10. Temporal variation of SST anomalies and normalized wind speed for three different area from January 2006 to Decem- ber 2009. Shading indicate the SST anomalies at El Niño observation area, and solid, dashed, and dotted lines mean the normal- ized wind speed at mountaineous, coastal, and inland area, respectively.
2011년 2월 9일 채택
