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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.39 No.1 pp.89-102
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.39.1.89

Analysis of Meteorological and Radiation Characteristics using WISE Observation Data

Hankyung Lee1, Joon-Bum Jee2*, Jae-Sik Min1, Sangil Kim1, Jung-Hoon Chae1
1Research Center for Atmospheric Environment, Hankuk University of Foreign Studies, Yongin-si 17035, Korea
2Research Institute for Radiation-Satellite, Gangneung-Wonju National University, Gangneung-si 25457, Korea
Corresponding author: rokmcjjb717@gmail.com+82-33-640-2397+82-33-640-2320
20171023 20180218 20180221

Abstract

We analyzed the meteorological and radiation characteristics of Seoul metropolitan area using data from energy flux towers that were installed and operated by the Weather Information Service Engine (WISE). The meteorological and radiation variables included temperature, pressure, wind speed, wind direction, relative humidity, surface temperature, rainfall amount, upward and downward solar radiation, upward and downward longwave radiation, albedo and emissivity from 14 energy flux stations located in the Seoul metropolitan area from July 2016 to July 2017. According to the monthly data during the period, the albedo is low and emissivity is high at the Jungnang station in the urban and opposite at Bucheon station in the suburban area. For a station in natural state, the albedo was higher than urban stations because solar radiation reflects effectively. Relatively high temperatures were shown at stations located in urban area with low albedo and high emissivity, in general. However, temperature was high at Gajwa and Ttukseom stations, the albedo was relatively high due to the station environment surrounded by glass wall buildings and the Han river. In the station located in suburban area, both emissivity and temperature were low. Among these stations, Bucheon station had the highest emissivity values because the surface temperature was relatively lower than that of the suburban area. As a result, the albedo decreased and the emissivity increased at stations in urban areas. Additionally, Seoul metropolitan area had less than 100Wm−2 of net radiation, which implied that radiation energy could be absorbed in the atmosphere.


WISE 관측자료를 이용한 기상 및 복사 특성 분석

이 한경1, 지 준범2*, 민 재식1, 김 상일1, 채 정훈1
1한국외국어대학교 대기환경연구센터, 17035, 경기도 용인시 처인구 모현면 외대로 81
2강릉원주대학교 복사-위성연구소, 25457, 강원도 강릉시 죽헌길 7

초록

차세대도시농림융합기상사업단의 에너지수지타워 관측자료를 이용하여 수도권 기상과 복사특성에 대하여 분석하 였다. 서울 수도권에 위치한 총 14개 에너지수지타워의 기온, 풍속, 상대습도, 지표면 온도, 강수량, 단파 및 장파 복사 량과 복사관측자료를 이용하여 산출한 알베도와 방출률을 분석하였다. 월별 자료에 따르면, 도시에 위치한 중랑지점에 서 알베도는 낮고 방출률은 높은 특성을 나타냈고 교외지역인 부천지점에서는 반대의 특성이 나타났다. 자연적인 지표 상태에서는 태양복사에너지를 효과적으로 반사하여 대부분 중랑지점보다 알베도가 높게 나타났다. 연 평균 기온이 비교 적 높게 나타난 지점들은 서울 도심에 위치하고 있었으며, 알베도가 대체적으로 낮게 분포되었다. 가좌지점과 뚝섬지점 은 관측 기온이 높았지만, 관측소 주변 유리벽 건물 및 한강으로 둘러싸인 환경으로 알베도가 비교적 높게 나타났다. 교외지역에 위치하고, 기온이 낮았던 지점들은 대체로 낮은 방출률을 나타냈다. 그 중 부천지점에서는 다소 높은 방출 률이 나타났는데, 이는 관측지점 주변이 논과 밭으로 구성되어 있어 교외지역의 관측지점보다 지표면 온도가 상대적으 로 낮게 관측되었기 때문이다. 결과적으로 도심지일수록 알베도는 감소하고, 방출률은 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 또한, 서울 지역의 순 복사량이 100Wm−2 이하로 나타나 에너지가 대기 중에 흡수된 것으로 볼 수 있다.


    Ministry of Science, ICT and Future Planning
    2017R1E1A1A03070224

    서 론

    태양복사에너지는 대기로 입사되면서 장파복사 또 는 현열, 잠열의 형태로 변환되거나 지표면으로 입사 된다(Iqbal, 1983). 지표면으로 입사되는 복사에너지는 지표에 의해 반사되어 대기로 투과되거나 대기 중에 흡수된다(Arya, 2001). 이러한 과정에서 복사수지는 대기 안정도 또는 지표면 상태에 따라서 열과 수분 등의 교환이 일어나며 도시지역, 교외지역과 같이 상 이한 지표면 특징에 따라 서로 다른 경향을 나타낸다 (Jung et al., 2011a; Kounouhewa et al., 2013). 도시지 역 대부분은 시멘트 또는 아스팔트와 같은 인공 구조 물 등으로 구성되어 있기 때문에 인공피복률이 높아 지고, 이로 인한 알베도 및 방출률의 변화가 복사수 지에 영향을 미치면서 도시에서만 나타나는 열적 특 성을 가진다(Oke, 1982; Kolokotroni and Giridharan, 2008; Lee et al., 2010: Song et al, 2014). 이러한 열 적 특성은 도시 열섬 및 극단적인 기상 현상을 발생 시키기도 하여 예상치 못한 피해가 일어나기도 한다 (Lee et al., 2008; Grimmond, 2006). 이러한 이유로 최근 도시 기상 및 복사에너지수지에 대한 연구의 중 요성이 증가하고 있다(Park et al., 2015).

    도시기상의 상세한 예측과 과학적인 이해를 위해서 는 도시 내 복사에너지수지의 체계적인 이동 매커니 즘이 분석되어야 한다(Jung et al., 2011b). 이를 위해, 도시 및 교외 지역을 대상으로 한 복사에너지 관측 수행과 관측 자료에 대한 연구가 필요하다. 실제로 지역 관측 특성 분석을 위해 집중 관측 등이 수행되 고 연구가 진행되어 왔다(Jee et al., 2010: Kahng et al., 2013; Chae et al., 2014; Kwon et al., 2014; Park et al., 2014; Chrysoulakis et al., 2015; Park et al., 2015; Feigenwinter et al., 2017; Park et al., 2017). Kounouhewa et al.(2013)은 서아프리카 베냉 지역을 대상으로 관측자료를 이용하여 월별, 계절별 순복사 경향을 연구하였으며, 맑은 날과 흐린 날에 대한 단파복사를 비교하여 분석하였다. Feigenwinter et al.(2017)은 스위스 바젤에서의 도시 현열 및 잠열 공간적 분포에 대하여 연구하였다. 우리나라에서는 Jung et al.(2011a)이 여름철 대구 경북지역을 대상으 로 장파, 단파복사 및 기온, 상대습도 관측을 통해 도시와 교외지역의 복사량 특성과 도시 고유의 열환 경에 대하여 분석하였으며, 후속 연구로써 관측된 장 파 및 단파복사수지를 이용하여 도시 상층대기의 특 징과 열특성을 파악하였다(Jung et al, 2011b).

    차세도시농림융합기상사업단(Weather Information Service Engine (WISE), 이하 WISE)은 우리나라에서 도시화 및 인구밀도가 가장 높은 서울 및 수도권 지 역을 대상으로 도로, 방재 등의 융합적인 기상 서비 스 제공을 위해 도시기상 관측시스템을 구축하였다 (Chae et al., 2014). 이들 중 에너지수지타워는 2013 년 중랑과 광화문지점 2곳으로 시작하여 현재는 서 울, 수도권지역에 총 14개의 에너지수지타워를 구축 하고 관측을 수행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 모든 에너지수지타워 관측자료가 수집된 2016년 7월 이후의 자료를 이용하여 서울 및 수도권지역의 기상 과 복사특성을 분석하고자 한다. 분석방법으로는 일, 월 그리고 시간변화에 따른 특성을 시계열 및 박스 플롯 분석을 수행하였고 최종적으로 공간분석을 통하 여 관측지점의 관측환경에 따른 공간분포를 분석하였 다. 논문은 총 4장으로 구성되었다. 서론에서는 연구 배경과 필요성에 대하여 이미 서술하였고 2장에서는 관측 자료 및 분석 방법에 대하여 기술하였다. 3장에 서는 관측자료에 나타난 특성을 분석 및 기술하였으 며 마지막 장에서는 도시에너지수지 관측자료에 나타 난 특성을 요약하였고 결과에 대하여 제언하였다.

    자료 및 방법

    관측 자료

    WISE에서는 도시기상현상과 에너지수지 특성에 대한 과학적 이해를 위하여 수도권지역에 도시기상 관측시스템인 에너지수지타워를 설치하였다. 2013년 2소를 시작으로 현재는 총 14소(중랑, 광화문, 가좌, 구로, 안양, 여의도, 부천, 송도, 일산, 용인, 노원, 성 남, 강남, 뚝섬)에서 설치하여 관측이 수행되고 있다 (Table 1). Figure 1에서 보여지는 바와 같이 중랑 (201), 광화문(202), 가좌(205), 구로(206), 여의도 (208), 노원(213), 강남(215), 뚝섬(216) 8소는 서울 내에 설치되어있으며, 안양(207), 부천(209), 송도 (210), 일산(211), 용인(212), 성남(214) 6소는 서울외 곽의 수도권지역에 설치되어 있다. 에너지수지타워에 서는 기온, 습도, 풍향, 풍속과 같은 일반 기상요소와 순복사에너지(하향단파, 하향장파, 상향단파, 상향장 파), 현열속, 잠열속, CO2 농도, CO2 플럭스, 지표면 온도 등이 관측된다(Park et al., 2014). 추가적으로 구름에 의한 복사 차폐를 분석하기 위해 중랑지점에 서 관측된 WISE 운고계 자료를 이용하였다. 운고계 관측고도는 15000 m이며, 공간해상도는 10 m, 시간 해상도는 1분으로 연속 관측된 것이다(Choi and Park, 2014). 본 연구에서는 수도권지역의 기상 및 복 사 특성을 분석하기 위해 2016년 7월부터 2017년 7 월까지 13개월의 관측자료를 이용하였다.

    분석 방법

    본 연구에 사용된 에너지수지타워의 관측요소는 기 온, 풍향, 풍속, 상대습도, 지표면 온도, 강수량, 상향, 하향 단파복사량과 장파복사량 그리고 순복사량 그리 고 지표면 알베도와 방출률이다. 관측요소 중 단파, 장파복사 및 지표면 온도자료를 이용하여 알베도와 방출률을 산출하였다. 알베도는 하향단파복사량과 상 향단파복사량을 이용하여 얻을 수 있다. 복사관측기 기의 특성을 고려하여 태양의 고도가 10° 이상인 경 우에 알베도를 산출하였다(Kipp & Zonen, 2014). 방 출률은 흑체표면에서 방출되는 복사에너지는 절대온 도의 4제곱에 비례한다는 스테판-볼츠만의 법칙 (Stephan-Boltzmann’s low; Arya, 2001)을 이용하여 구할 수 있다(Liu and Padilla, 2016). 즉, 관측된 지 표면 온도와 상향장파복사량을 이용하여 산출 가능하 다. 알베도와 방출률의 산출 식은 아래와 같다(Sup: 상향단파복사, Sdn: 하향단파복사, Lup: 상향장파복사, σ: 스테판-볼츠만 상수 5.67×10−8 Wm−2 K−4 , Ts: 지표 면 온도)

    A l b e d o = S u p S d n
    (1)

    E m i s s i v i t y = L u p σ T S 4
    (2)

    기상 관측자료와 알베도와 방출률을 포함한 복사수 지 자료를 이용하여 시간, 일, 월 그리고 연평균 분 석을 수행하였다. 먼저 도시지역인 중랑과 도시 주변 지역인 부천지점의 시간, 일, 월 평균 등의 시계열 분석과 박스플롯분석을 통하여 기상 및 복사특성을 분석하였다. 분석결과를 기반으로 연누적 또는 평균 하여 관측환경에 따른 특성을 분석하였고 수도권지역 의 변수별 공간분포를 분석하였다.

    결 과

    관측자료 특성

    WISE 관측자료 중 2016년 7월부터 2017년 7월까 지 13개월의 관측자료를 분석하였다. 관측된 기상 요 소 및 복사수지 자료의 일반적인 일변화 경향을 파 악하기 위하여 맑은 날과 강수가 있었던 날을 우선 적으로 분석하였다. 대표적으로 구름 없이 맑은 날이 었던 2017년 6월 18일과 강수 현상이 일어났던 2017년 6월 25일의 중랑 관측자료를 사용하였다. Figure 2는 중랑 에너지수지타워 관측자료 중 기온, 풍향, 풍속, 강수, 상대습도, 지표면 온도의 일변화를 나타낸다. 맑은 날인 2017년 6월 18일에는 야간에 낮아졌던 기온이 주간에 다시 상승하고, 해가 지면서 다시 감소하는 일반적인 경향을 보여주었다. 지표면 온도는 야간에는 대기보다 더 낮아졌다가 주간에는 대기보다 두 배 이상 상승하는 현상을 나타냈다. 상 대습도는 기온과 반대로 야간에 상승하고, 주간에는 감소하는 현상을 보였다. 풍속은 야간에는 2 m s−1 였 으며, 정오 이후로 상승하면서 16시경에는 4 m s−1까 지 관측되었다. 이후로 풍속은 야간에 다시 감소하였 다. 2017년 6월 25일에는 오전에 구름 많은 날씨로 인해 지표면 온도가 감소하였으며, 주간 기온도 크게 상승하지 못하였다. 13시경에 강수가 시작되면서 기 온과 지표면 온도가 야간과 유사하게 감소하였고, 상 대습도는 급격하게 상승하였다.

    Figure 3은 중랑지점의 하향 및 상향 복사와 알베 도, 방출률에 대한 2017년 6월 18일과 2017년 6월 25일의 일변화를 보여준다. 순 단파복사량은 하향단 파복사량과 상향단파복사량의 차이(Sdn-Sup)를 나타 내며, 순 장파복사량은 하향장파복사량과 상향장파복 사량의 차이(Ldn-Lup)를 나타낸다. 수평면 일사량을 나타내는 하향단파복사량은 맑은 날인 2017년 6월 18일 오전부터 상승하기 시작하여 태양복사가 주변 건물 및 장애물에 의한 영향이 최소화되는 정오시간 에 최대 복사량(866.6Wm−2 )이 관측되었고, 이후 다 시 감소하는 경향을 보였다(Fig. 3a). 구름의 영향을 보기 위해 운고계 관측 자료를 추가로 분석하였다. 18일은 맑은 날로 거의 구름이 생성되지 않았으나, 오전 8시경 약 5 km 상공에서 구름이 관측되었다 (Fig. 3b). 실제로 운고계 구름이 관측된 시간에 단파 복사량 감소 현상이 나타났다. 상향 및 하향 장파복 사량은 야간에도 꾸준히 방출되며, 주간 시간대에 약 간 상승하였다. 맑은 날의 상향장파복사량은 항상 하 향단파복사량보다 크기 때문에 순 장파복사는 음의 값이 유지된다. 따라서, 단파복사가 없는 야간에는 지면 냉각 효과가 빠르게 나타난다. 순복사량(Snet- Lnet)은 야간에는 음의 값을 보이며, 주간에는 하향단 파복사와 같은 경향으로 상승함을 보여주었다. 맑은 날의 복사수지 경향은 선행연구에서의 관측자료 분석 과 유사하게 나타난다(Kounouhewa et al., 2013). Figure 3c에서는 맑은 날의 단파 및 장파복사로 계산 된 알베도와 방출률의 일변화를 보여준다. 알베도는 단파복사가 존재하는 낮 시간에 상승하며, 오전 8시 부터 오후 18시 사이에 0.1-0.15을 나타낸다. 일반적 으로 아스팔트의 알베도는 0.12-0.13로 알려져 있다 (Jung et al, 2011a). 중랑 에너지수지타워에서 관측된 복사수지를 이용하여 계산된 알베도는 도시지역의 알 베도 일변화 경향을 적절하게 나타낸 것으로 보인다. 방출률은 장파복사만 일어나는 야간 시간에 높게 나 타나며, 높은 단파복사량이 존재하는 낮 시간 동안에 는 감소하는 경향을 보였다. 흐리고 강수가 있었던 25일에는 강수현상이 일어났던 시간대에 하향단파복 사, 순 단파복사, 순복사량이 0Wm−2으로 감소하였 다(Fig. 3d). 운고계 관측자료를 분석해보면 오전부터 약 2-3 km 상공에 구름이 관측되었으며, 구름이 관측 된 시간대에 단파복사량이 감소되는 것을 볼 수 있 다(Fig. 3e). 단파복사량의 일변화 경향은 Fig. 2에서 보여진 지표면 온도의 경향과 동일하게 나타났다. 구 름이 낀 흐린 날씨 또는 강수 현상이 일어날 때, 상 향장파복사와 하향장파복사량의 차이는 맑은 날보다 크지 않다. 또한, 강수현상이 일어난 시간대에 단파 복사가 줄어들어 알베도는 감소하였고, 방출률은 야 간 시간대에 증가하였다(Fig. 3c, f).

    시간분석

    중랑지점 관측자료의 분석기간에 대한 시간별 변화 를 박스플롯으로 나타내었다(Fig. 4). 앞장에서 서술 한 바와 같이 기온은 하향단파복사가 증가하는 주간 에는 상승하고, 야간에는 감소하는 경향을 나타낸다. 지표면 온도 또한 같은 변화 경향을 보이는데, 주간 과 야간의 변화 폭의 차이가 더 크게 나타난다. 지표 면 온도는 기온보다 태양에너지에 더욱 민감하게 반 응하였다. 풍속은 야간에는 감소하고 주간에는 상승 하는 경향을 보이며, 상대습도는 야간에 증가하고 주 간에 감소하는 경향을 나타냈다. 순 단파복사와 순 장파복사의 차이를 나타내는 순 복사량은 하향단파복 사량과 동일하게 주간에만 상승하는 경향을 나타내며, 야간에는 음의 값을 가진다. 하향단파복사와 상향단 파복사의 비로 산출된 알베도는 주간에 상승하며, 일 출과 일몰시간에 감소하는 경향을 보인다. 계절별 특 징과 일출 및 일몰 시간이 다르기 때문에 오전과 저 녁시간 때에 알베도 변화 폭이 크게 나타났다. 알베 도는 날씨 변화와 계절에 따라 다양하게 영향을 받 아 박스플롯의 변화폭과 오차는 일정한 경향을 나타 내지 않은 것으로 보인다. 상향장파복사량과 지표면 온도를 이용하여 산출되는 방출률은 하향단파복사가 없는 야간에 높게 나타나며, 주간에는 감소하는 경향 을 보인다. 각 관측요소의 연평균 시간별 변화추이는 앞서 서술했던 맑은 날에 대한 시간별 변화추이와 유사한 경향을 보였으나, 구름과 강수 또는 맑은 상 태 등에 의하여 변화 폭과 평균을 벗어나는 오차들 도 나타났다. 특히, 박스플롯의 분포가 특정한 경향 을 나타내면서도 변화 폭이 넓게 나타나는 부분은 우리나라 일변화 또는 계절 변화가 큰 것으로 볼 수 있다.

    월 자료 분석

    관측지점의 주변 환경과 노면 상태가 기상변수와 복사량 변화에 미치는 영향을 살펴보기 위해 14개 지점 중 대표적으로 도시 지역에 설치된 중랑 에너 지수지타워와 교외지역에 설치된 부천 에너지수지타 워 자료를 분석하였다. Figure 5는 중랑 에너지수지 타워와 부천 에너지수지타워의 관측자료 중 기온, 풍 향, 풍속, 강수, 상대습도 자료의 월별 평균을 나타낸 다. 중랑과 부천지점에서 월 평균 기온은 2016년 8 월에 가장 높았고, 2017년 1월에 가장 낮게 관측되 었다. 부천지점은 중랑지점보다 평균 약 1.68 °C 가량 낮게 관측되었다. 건물 및 차량 등에 의해 인공열이 존재하는 도시지역과 논과 녹지대가 존재하는 비도시 지역의 관측환경 차이로 나타난 현상으로 볼 수 있 다(Jung et al., 2011a). 2016년 여름은 전국적으로 무 더위가 이어지면서 기상청에서는 서울의 폭염일수가 20일로 1973년 이래 최대 폭염일수를 기록했다고 보 도하였다. 8월의 평년 기온은 25.7 °C인데, 기상청에 서 발표한 2016년 8월의 서울 평균 기온은 28.0 °C였 다. 중랑 에너지수지타워에서 관측된 기온 자료는 28.8 °C로 기상청에서 발표한 평균 기온과 유사한 수 치를 보여준다. 월 평균 강수자료는 2016년 7월을 제외하고(600 mm 이상) 월 누적 강수량은 120 mm 이하로 관측되었다. 특히, 2016년 8월은 여름임에도 가을철과 유사하게 낮은 강수량을 기록하였다. 8월의 평년 월 누적 강수량은 364.2 mm인데 반해, 기상청 에서 발표한 월 평균 누적 강수량은 67.1 mm였다. 중랑 에너지수지타워의 8월 월 평균 강수량 또한, 58.5 mm로 매우 낮은 수치를 나타냈다. 부천 에너지 수지타워에서 관측된 기상 자료의 월별 패턴은 중랑 지점과 크게 다르지 않았으나, 풍속에서 차이를 보였 다. 중랑지점에서는 월별 풍속의 차이가 0.50 m s−1 로 풍속의 변화가 크게 나타나지 않았다. 반면, 부천 지점에서는 2016년 7월의 평균 풍속이 0.55 m s−1로 가장 낮았으며, 2017년 2월의 풍속이 1.63 m s−1로 가 장 높게 나타나 여름과 겨울철 사이에 1.0 m s−1 이상 차이를 보였다. 도시 지역에 설치된 중랑 에너지수지 타워는 주변 건물 및 인공적인 요소로 인하여 계절 에 따른 풍속 변화가 크지 않았으나(Kang and Kim, 2017), 교외지역에 설치된 부천 에너지수지타워에서 관측된 풍속은 계절에 따른 풍속 변화가 중랑지점보 다 크게 나타났다. 상대습도는 부천지점이 중랑지점 보다 높게 관측되었는데, 이는 부천 에너지수지타워 주변에 논과 하천이 존재하여 상대습도 관측에 영향 을 미친 것으로 분석된다.

    중랑지점에서의 일별 알베도와 방출률을 살펴보면 방출률은 계절에 따른 변화가 크게 나타났으나, 알베 도는 계절에 따른 변화가 크지 않았다(Fig. 6a). 2017 년 1월의 중랑지점의 알베도가 다른 월보다 높게 관 측되어 알베도가 다소 상승하였다. 도시 지역은 대부 분 아스팔트로 포장되어 있고 눈과 같이 알베도를 상승시키는 요인들이 오랜 시간 유지되지 않기 때문 에 계절에 따른 변화가 크게 나타나지 않았다(Fig. 6b). 방출률은 여름철에는 하향단파복사가 증가하여 지표면 온도가 상승하면서 감소하는 반면, 겨울철에 는 하향단파복사가 줄어들고 지표면 온도가 낮아지면 서 방출률이 증가하였다. 관측지점 주변이 논과 밭인 부천지점은 상향장파복사량이 도심지역에 비해 항상 낮게 관측된다(Fig. 7). 이 결과로 교외지역인 부천지 점의 지표면 온도는 주로 아스팔트로 형성된 도시 지역보다 항상 낮은 것을 알 수 있다. 따라서, 논과 밭과 같은 자연적인 표면 상태는 태양복사에너지를 효과적으로 반사하며, 도시 지역보다 알베도가 높게 나타난다(Jung et al., 2011a). 월별 평균 알베도 추이 를 살펴보면, 2016년 9-12월을 제외하고 부천지점의 알베도가 중랑지점의 알베도 보다 높게 나타났다. 특 히, 겨울철인 1월에 가장 높게 나타났는데 눈 또는 빙판길로 인한 상향단파복사량의 상승이 원인이 된 것으로 분석된다. 방출률은 부천지점이 대체로 중랑 지점보다 높게 나타났는데, 이는 지표면 온도의 영향 으로 볼 수 있다. 부천지점의 연 평균 지표면 온도는 중랑지점보다 약 0.54 °C 낮게 관측되었다. 부천지점 이 중랑지점보다 상향장파복사량이 상대적으로 낮았 으나, 부천지점 관측지가 논과 밭으로 둘러싸여있어 지표면 온도가 낮게 관측되었기 때문에 방출률이 높 게 나타났다.

    공간 분석

    14개 관측지점의 연 평균 기상 자료(연누적강수량) 와 광화문지점을 제외한 13개 지점의 복사량 자료의 변화에 대하여 분석하였다(Fig. 8). 가좌지점(205)의 연 평균 관측기온(15.47 °C)이 가장 높았고, 용인 (212) 지점의 연 평균 관측기온(12.33 °C)이 가장 낮았다. 다 른 지점보다 비교적 높은 기온이 관측된 지점은 가 좌지점을 포함하여 중랑(201), 성남(214), 강남(215), 뚝섬(213)지점이다. 이 지점들의 공통점은 모두 서울 지역이거나 신도시로 개발된 수도권지역으로써 도시 지역으로 분류할 수 있다. 다른 지점보다 비교적 낮 은 기온이 관측된 지점은 용인지점을 포함하여 안양 (207), 부천(209), 일산(211)지점인데, 이 지점들은 모 두 서울 도심을 벗어난 교외지역에 설치되어 있으며 인근에 공원 또는 산이 위치하여 교외지역 또는 교 외에 위치한 주거지역으로 분류할 수 있다. 이 지점 들의 월별 평균 알베도 경향을 분석해보면, 비교적 높은 기온이 나타나는 지점들은 가좌와 뚝섬지점을 제외하고 알베도가 대체적으로 낮게 분포되었다(Fig. 9a). 뚝섬 에너지수지타워는 주변 환경이 한강으로 둘러싸여있어 상향단파복사가 증가하여 알베도가 높 아진 것으로 보인다. 가좌지점은 다른 지점과 비교하 여 상향단파복사량이 높게 나타났다. 가좌지점의 하 향단파복사량은 서울의 다른 지점과 크게 차이가 없 으나, 관측소 주변 유리벽 건물 등이 밀집하여 높은 상향단파복사량으로 알베도가 상승하였다.

    월별 평균 방출률의 경우, 기온이 비교적 낮게 관 측되었던 경기도에 위치한 관측지점에서의 방출률이 대체적으로 낮게 나타났다(Fig. 9b). 부천지점은 다소 높은 알베도가 나타났는데, 이는 앞에서 언급한 바와 같이 관측지가 논과 밭으로 구성되어 있어 도심에 위치한 관측지점과 비교하여 방출률이 낮기 때문인 것으로 분석된다. 관측지점 분석 결과로 관측기기의 설치 인근 환경과 노면 상태에 따라 관측에 많은 영 향을 주는 것으로 분석된다.

    Table 2에서는 각 관측 요소 및 알베도, 방출률의 연평균 최대 값과 최소 값 그리고 모든 지점의 평균 을 보여준다. 기상요소는 14개지점의 값이고 복사에 너지는 13개 지점의 값이다. 강수량은 연누적 강수 량을 나타내었고 태양에너지는 주간에만 관측되므로 연누적에너지로 나타내었다. 복사량이 관측되는 13개 지점 중 하향단파복사량은 일산(211)지점에서 가장 높게 관측되었고, 중랑(201)지점에서 가장 낮게 관측 되었다. 중랑지점에서는 하향단파복사량이 가장 낮 았으나, 평균 지표면 온도가 19.52 °C로 최대 값을 기 록하였으며 하향 및 상향 장파복사량 또한 가장 높 게 나타났다. 반면, 14개 지점 중에서 용인(212)지점 은 최저 기온과 최저 지표면 온도를 나타냈다. 용인 지점에서는 상향장파복사량이 가장 낮아 순 장파복사 량이 가장 작았으며, 구로지점은 하향장파복사량이 가장 낮아 순 장파복사량이 가장 높게 나타났다. 총 13개 지점은 각각 다른 고도에 설치되어있는데, Fig. 10은 고도에 따른 복사량을 나타낸다. 각 관측기기들 은 고도가 높아짐에 따라 복사량이 증가하는 지점도 있으나 대체적으로 감소하는 경향을 보였다. 이 결과 로 수도권 내에서의 관측지점들은 고도가 높아질수록 복사량이 감소하는 특징을 가지는 것을 알 수 있다.

    Fig. 11은 관측 기간(2016년 7월부터 2017년 6월까 지 1년간) 자료를 이용한 서울 및 수도권 지역 관측 요소들과 알베도 및 방출률의 연 평균(누적) 공간 분 포를 나타낸다. 경기도 북동쪽 부근의 관측자료가 부 족하여 서울 및 경기도 남서쪽 부근 위주로 공간 분 포 해석을 하였다. 서울 수도권 지역의 기온장 분포 를 살펴보면, 서울을 중심으로 대부분의 지역이 경기 도보다 높은 기온을 나타냈다. 대부분의 경기도 지역 은 14 °C 이하로 서울 도심보다 낮은 기온장이 분포 되었다. 앞서 지표면 온도를 분석하며 서술한 바와 같이, 지표면 온도의 지역 차이가 훨씬 높게 나타났 다. 기온과 지표면 온도는 유사한 분포를 보이나 안 양지역 부근의 지표면 온도가 높게 나타났다. 풍속은 서울 중심 부근에서 비교적 높게 나타났으며, 서울을 벗어난 경기도는 낮은 풍속이 분포되었다. 서울 도심을 중심으로 상승한 높은 기온은 도시 내 대류 를 더 활발하게 일으키고, 건물 사이로 강하게 발생 하는 빌딩풍 등의 영향으로 서울 중심 풍속이 다소 높게 나타난 것으로 분석된다(Lee and Kim, 2011). 서울 지역의 상대습도는 서해와 인접한 서쪽 부근에 비하여 낮은 상대습도를 나타내며, 서울 도심의 건조 한 환경을 보여준다. 연 누적 하향단파복사량은 지역 별로 큰 차이를 보이지는 않았으나, 노원과 중랑지점 이 위치한 서울 북동지역에서 감소하는 분포를 보였 다. 노원과 중랑지점은 기둥과 전신주 차폐의 영향을 받은 것으로 보인다.

    우리나라는 북반구 중위도에 위치하여 순 단파복사 량과 순 장파복사량의 복사평형을 이룰 것으로 생각 되었으나, 실제 서울 지역의 순 복사량 분포를 보면 전체적으로 100Wm−2 이하로 에너지가 대기 중에 흡수된 것으로 볼 수 있다. 특히, 지표면에서의 방출 이 증가하면서 대기 중의 흡수가 커지는 현상은 도 심지인 서울지역에서 뚜렷하게 나타났다. 알베도와 방출률은 지역별로 큰 차이를 보이지는 않았으나 서 울 대부분 지역의 알베도 분포는 경기도보다 낮게 나타났으며, 방출률은 경기도보다 높게 나타났다. 앞 서 분석한 결과와 마찬가지로 도심지일수록 알베도는 감소하고, 방출률은 증가하는 경향을 보였다.

    요약 및 결론

    본 연구에서는 차세대도시농림융합기상사업단의 에 너지수지타워 관측자료를 이용하여 수도권 기상과 복 사특성에 대하여 분석하였다. 서울 수도권에 위치한 총 14개 에너지수지타워 관측자료 중 2016년 7월부 터 2017년 7월까지 13개월 동안의 기온, 풍속, 상대 습도, 지표면 온도, 강수량, 단파 및 장파복사량 및 관측자료를 이용하여 산출한 알베도와 방출률을 분석 하였다(기상요소는 14개지점, 복사에너지는 13개지점 (광화문지점 제외)).

    맑은 날 기온은 하향단파복사가 증가하는 주간에 상승하고, 야간에는 감소하였다. 지표면 온도 또한 같은 변화 경향을 보이는데, 주간과 야간의 변화 폭 이 크게 나타났다. 순 복사량은 하향단파복사량과 동 일하게 주간에만 상승하는 경향을 보이고, 야간에는 음의 값을 가진다. 알베도는 주간에만 상승하였으며, 강수가 일어난 시간대에는 단파복사가 줄어들어 감소 하는 경향을 보였다. 방출률은 주간에는 감소하고, 하향단파복사가 없는 야간 또는 강수가 일어난 시간 대에 높게 나타났다.

    도시지역인 중랑지점과 교외지역인 부천지점에서의 월별 알베도와 방출률은 차이를 보였다. 도시지역인 중랑지점의 알베도는 계절에 따른 변화가 크게 나타 나지 않았으며, 방출률은 여름에 감소하고 겨울에 증 가하는 경향을 나타냈다. 부천지점은 관측지점 주변 이 논과 밭으로 상향장파복사량이 중랑지점보다 항상 작게 관측되었다. 자연적인 지표 상태는 태양복사에 너지를 효과적으로 반사하여 대부분 중랑지점보다 알 베도가 높게 나타났다. 방출률은 부천지점이 대체로 중랑지점보다 높게 나타났는데, 이는 중랑지점보다 지표면 온도가 낮게 관측되었기 때문이다. 부천지점 이 중랑지점보다 상향장파복사량은 상대적으로 낮았 으나 부천지점 관측지의 영향으로 지표면 온도가 낮 게 관측되었고, 이러한 이유로 부천지점의 방출률이 상대적으로 높게 나타났다.

    연 평균 기온이 비교적 높게 나타난 지점들은 서 울 도심에 위치하고 있었으며, 알베도가 대체적으로 낮게 분포되었다. 가좌지점과 뚝섬지점은 관측 기온 이 높았지만, 관측소 주변 유리벽 건물 및 한강으로 둘러싸인 환경으로 알베도가 비교적 높게 나타났다. 교외지역에 위치하고, 기온이 낮았던 지점들은 대체 로 낮은 방출률을 나타냈다. 그 중 부천지점에서는 다소 높은 방출률이 나타났는데, 이는 관측지 주변이 논과 밭으로 구성되어 있어 도심의 관측지점보다 지 표면 온도가 상대적으로 낮게 관측되었기 때문이다. 도심지일수록 알베도는 감소하고, 방출률은 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 또한, 우리나라는 북반구 중 위도에 위치하여 서울 지역 순 복사량이 100Wm−2 이하로 에너지가 대기 중에 흡수된 것으로 볼 수 있다.

    서울 수도권 지역의 관측 자료 분석으로 서울 도 심지역과 교외지역의 기상 및 복사수지 특성을 파악 할 수 있었다. 관측 자료를 분석 한 결과, 인근 환경 및 노면 상태에 따라 각 지점의 관측 결과가 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다. 관측 자료를 이용하여 산출된 알베도와 방출률은 지역의 기상 특성을 분석 할 때, 용이한 자료로 활용 가능 할 것이다. 향후, 관 측자료 및 산출된 알베도, 방출률은 상세한 도시 기 상 특성 분석 또는 도시 열환경 평가 연구 등에 중 요한 척도로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.

    사 사

    이 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사 업입니다(과제번호: 2017R1E1A1A03070224).

    Figure

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    (a) Landuse (USGS 33-landuse categories) and (b) topographical map (topographic height; unit is meter) over Seoul metropolitan area. The red dots and black and white values indicate geolocation and station number of WISE energy flux stations, respectively.

    JKESS-39-89_F2.gif

    Time series of wind direction, temperature, pressure, relative humidity, wind speed, surface temperature and rainfall on (a) clear day and (b) rainy day at Jungnang (201) energy flux station.

    JKESS-39-89_F3.gif

    Time series of radiation from energy flux tower and cloud back scattering data from ceilometer on (a, b) clear and (d, e) rainy day at Jungnang energy flux station. The albedo and emissivity on (c) and (f) calculated from equation (1) and (2), respectively.

    JKESS-39-89_F4.gif

    The hourly box plot of meteorological variables and radiation properties at Jungnang energy flux station from July 2016 to June 2017. The meteorological variables included temperature, surface temperature, wind speed, and relative humidity. And radiation properties included downward solar radiation, net radiation, albedo, and emissivity.

    JKESS-39-89_F5.gif

    Monthly mean values of meteorological variables and monthly accumulated rainfall at (a) Jungnang and (b) Bucheon energy flux stations from July 2016 to July 2017. Meteorological variables included wind speed, temperature, pressure, rainfall, relative humidity and surface temperature.

    JKESS-39-89_F6.gif

    (a) Time series of daily mean of radiation variables, albedo, and emissivity, and (b) monthly boxplot of albedo at Jungnang energy flux station from July 2016 to July 2017. Radiation variables included upward and downward shortwave radiation and upward and downward longwave radiation.

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    The monthly mean of (a) upward longwave radiation, (b) albedo and (c) emissivity at Jungnang(201) and Bucheon(209) from July 2016 to June 2017.

    JKESS-39-89_F8.gif

    The yearly mean for wind speed, temperature, station altitude, rainfall, relative humidity, pressure, number of data for WISE energy flux stations from July 2016 to June 2017.

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    Time series of monthly mean of (a) albedo and (b) emissivity for WISE flux stations from July 2016 to June 2017.

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    The radiation variables according to altitude of WISE energy flux stations. Radiation variables included upward and downward solar radiations and upward and downward longwave radiations.

    JKESS-39-89_F11.gif

    The distributions of meteorological variables and radiation properties. Meteorological variables included temperature, surface temperature, wind speed and relative humidity. And radiation properties included downward yearly accumulated solar radiation, net radiation, albedo and emissivity.

    Table

    Summary of WISE observation stations. Gwanghwamun (202) station has not observed radiation variables

    Statistics of WISE observation data. The statistical values included maximum, minimum and average. The value in the ( ) means station number. Rainfall and shortwave (SW) radiations are yearly accumulated values

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