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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.40 No.2 pp.135-148
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.40.2.135

Calibration of Pyranometer with Solar Radiation Intercomparison Observation at Research Institute for Radiation-Satellite, Gangneung-Wonju National University

Joon-Bum Jee1, Il-Sung Zo2*, Bu-Yo Kim2, Kyu-Tae Lee2,3, Myeong-Seon Yoo4, Yong-Joo Lee5, Jeong-Pil Jang3
1Research Center for Atmospheric Environment, Hankuk University of Foreign Studies, Gyeonggi-do 17035, Korea
2Research Institute for Radiation-Satellite, Gangneung-Wonju National University, Gangwon-do 25457, Korea
3Department of Atmospheric & Environmental Sciences, Gangneung-Wonju National University, Gangwon-do 25457, Korea
4Measurement Technology Division, Observation Infrastructure Bureau Observation Policy Division, Korea Meteorological Administrartion, Seoul 07062, Korea
5Meteorological Equipment Verification Team, Meteorological Infrastructure Department, Korea Meteorological Institute, Seoul 03735, Korea
Corresponding author: zoilsung@gwnu.ac.kr Tel: +82-33-640-2397
January 30, 2019 March 28, 2019 April 24, 2019

Abstract


Although the technology for the observation of solar radiation is rapidly developing worldwide, in Korea the guidelines for comparing observations of solar radiation are only now under preparation. In this study, a procedure for intercomparison observations of solar radiation was established which accounts for meteorological and geographical conditions. The intercomparisons among observations by national reference pyranometers were carried out at the Asia Regional Radiation Center, Japan, in 2017. Recently, the result of the calibration of the reference pyranometer of the Korean Meteorological Administration (KMA) has been reported. Using the KMA pyranometer as a reference, comparisons between observations and calibrations were carried out for the standard (B to J) pyranometers of the KMA, and for the reference (A) and the standard pyranometers of the Gangneung-Wonju National University. The intercomparisons were carried out between October 24 and October 25, 2018. The sensitivity constants were adjusted according to the results of the data analysis performed on October 24. On October 25, a post-comparison observation was also performed, and the data of the participating pyranometers were verified. The sensitivity constants were calculated using only data corresponding to a solar radiation of 450.0Wm−2 or higher. The B and I pyranometers exhibited a small error (±0.50Wm−2), and the applied sensitivity constants were in the range 0.08-0.16 μV (Wm−2)−1. For the C pyranometer, the adjustment of the sensitivity constant was the largest, i.e., -0.16 μV (W m−2)-1. As a result, the nine candidate pyranometers could be calibrated with an average error of 0.06Wm−2 (0.08%) with respect to the KMA reference, which falls within the allowed tolerance of ±1.00% (or ±4.50Wm−2).



강릉원주대학교 복사-위성연구소에서 실외 비교관측을 통한 전천일사계 교정

지 준범1, 조 일성2*, 김 부요2, 이 규태2,3, 유 명선4, 이 용주5, 장 정필3
1한국외국어대학교 대기환경연구센터, 17035, 경기도 용인시 외대로 81
2강릉원주대학교 복사-위성연구소, 25457, 강원도 강릉시 죽헌길 7
3강릉원주대학교 대기환경과학과, 25457, 강원도 강릉시 죽헌길 7
4기상청 관측기반국 계측기술과, 07062, 서울시 동작구 여의대방로 16길 61
5기상산업기술원 기상지원본분 측기검정팀, 03735, 서울시 서대문구 통일로 135

초록


전세계적으로 일사계 비교관측 기술은 급격히 발전하고 있지만 국내의 경우 일사 비교관측 표준지침을 준비하 고 있는 실정이다. 본 연구에서는 국내 기상 및 지리적 환경을 고려하여 전천일사계의 비교관측 절차를 정립하였다. 2017년 아시아 지역 복사센터에서는 국가표준 일사계들의 비교관측을 통해 일사계 보정이 이루어졌다. 이때 검교정된 기상청 기준기를 이용하여 기상청의 부기준기들과 강릉원주대의 전천일사계의 비교관측 및 검교정이 수행되었다. 비교 관측 및 검교정은 2018년 10월 24일부터 10월 25일(2일)까지 수행되었으며 비교관측자료를 분석하여 오차분석 및 검교 정을 수행하였다. 보정전 비교관측에 따르면, 전천일사계 부기준기들(B-J)은 기상청 전천일사계 기준기(A)를 기준으로 ±12.0Wm−2 이하의 편차가 나타났고 B와 I 전천일사계는 ±4.0Wm−2 미만의 작은 편차를 보였다. 태양 복사량이 450 Wm−2 이상인 자료들을 이용하여 감도정수의 보정값을 계산하였다. B와 I 일사계(오차 ±0.5Wm−2 이하)를 제외한 일사 계들(오차 ±5Wm−2 이상)은 0.08-0.16 μV (Wm−2)−1 감도정수 변경이 적용되었다. C 일사계는 감도정수의 변화가 가 장 컸으며 감도정수는 −0.16 μV (Wm−2)−1으로 보정하였다. 비교관측에 참가한 9종의 기준기 및 부기준기들의 최종 관 측오차는 0.06Wm−2 (0.08%) 이하였으며 허용범위인 ±1.00% (±4.50Wm−2)로 검교정되었다.



    Korea Meteorological Administration
    KMI2018-05910

    서 론

    전세계적으로 발생하고 있는 기후변화 분석을 위해 복사강제력(radiative forcing)이 이용된다. 즉 기후변 화는 지구가 태양으로부터 흡수하는 에너지와 방출하 는 에너지에 균형이 변화함을 의미한다(IPCC, 2013;Jee et al., 2017). 또한 복사 관측자료는 에너지 수지 연구 중 지표면 에너지 변화 분석에 매우 중요한 관 측자료로 사용되고 있다(Pinker et al., 1996;Tarpley et al., 1996;Jee et al., 2010;Zo et al., 2014). 특히 IPCC 5차 보고서에 활용된 모델 결과와 BSRN (Baseline Surface Radiation Network; Zo et al., 2017) 관측자료 사이에는 최대 10Wm−2의 차이가 발생한다(Wild et al., 2013). 즉, 정확한 복사 관측장 비 및 자료는 기후변화를 비롯한 다양한 연구에 활 용되며 이와 같이 정확한 관측 분석을 위해 다양한 복사계가 활용되고 있다.

    일사계는 지표면에 도달하는 일사량을 관측하는 장 비로 1837년 Pouillet에 의해 발명되었다(Coulson, 1975). 이후 미국과 유럽을 중심으로 일사계가 개발 되었으며 일사계의 표준화는 WMO (World Meteorological Organization) 산하기관인 WRC (World Radiation Center)에 의해 이루어진다. 즉, 1909년부터 전세계 일사계 기준은 스위스에 위치한 WRC에서 맑은 기 상상태일 때 관측된 15종 절대복사계(ACR, Absolute Cavity Radiometer)의 평균값으로 정의되며 매 5년 마다 비교관측을 통하여 정해진다(Fröhlich, 1977, 1991). 이를 국제 직달일사 비교관측(IPC, International Pyrheliometer Comparison)이라 하며 최근에는 2015 년 10월에 12번째 비교관측이 수행되었다(WMO, 2016). 맑은 기상상태에서 관측이 수행되는 이유는 동일 지점에 설치된 일사계일 경우라도 두 장비 사 이의 거리차에 따라 구름 효과가 시간 간격을 두어 관측되기 때문이다. 즉 1분평균 자료의 경우 60초 관 측 자료 중 구름의 영향이 포함된 시간이 동일하지 않다면 큰 오차를 보일 수 있기 때문에 이러한 기상 환경 영향을 배재할 수 있는 맑은 기상상태에서만 교정이 수행된다.

    WRC에서 교정된 지역복사센터(RRC, Regional Radiation Center) 장비들을 이용해 지역 직달일사 비 교관측(RPC, Regional Pyrheliometer Comparison)이 수행된다. 아시아는 1989년 일본에서 처음 RPC가 열렸고(WMO, 1989) 2009년부터 5년마다 RPC가 수 행되고 있으며 이때 전천일사계 비교관측도 함께 이 루어진다(WMO, 2009). 전천일사계를 직달일사계로 비교관측하기 위해 경통을 이용해 전천일사계를 직달 화하였으며(WMO, 2013b)) 이를 맑은 기상상태에서 관측된 7종의 절대복사계 평균값으로 검교정하였다. 기상청에서는 2015년 처음으로 IPC에 참여하여 국내 기준 직달일사계(AHF, Automatic Hickey-Frieden; Zerlaut, 1989) 비교관측을 수행하였다. 그리고 2017 년 일본 츠쿠바에서 열린 RPC에 기상청과 강릉원주 대학교 기준기도 참여하여 직달일사계 및 전천일사계 비교관측을 수행하였다(WMO, 2018).

    2017년 RRC 비교관측 결과는 최근 WMO 보고서 를 통하여 보고되었다. 이 보고서의 결과를 토대로 2018년 10월 강릉원주대학교 복사-위성연구소에서 기 상청 부기준 전천일사계 검교정을 위한 비교관측이 수행되었다. 따라서 본 연구에서는 강릉원주대학교에 서 수행된 전천일사계 비교관측 및 검교정에 대하여 소개하고 실제 활용되고 있는 전천일사계에 대한 비 교관측 분석결과와 검교정 결과에 대하여 논하고자 한다. 비교관측은 교정 전과 후 관측으로 수행하였다. 교정 전 비교관측자료를 이용하여 검교정이 수행되었 으며 이를 토대로 전천일사계의 감도정수(sensitivity constant; 일사계별 고유의 감도로 관측된 미세전류값 과 계산되어 일사량을 산출하는데 사용)를 변경 후 결과를 분석하였다. 또한 이를 통하여 자료 및 품질 관리 그리고 검교정의 중요성에 논하였다.

    연구 자료

    관측환경 및 비교관측

    복사-위성연구소: 강릉원주대학교 복사-위성연구소 에서 운영 중인 복사관측소는 Fig. 1과 같이 (경도 128.87°E, 위도 37.77°N) 6층 건물 옥상(고도 67.23 m)에 위치한다. 관측소에는 전천 영상기(Sky-View, PSV-2000; Kim et al., 2015, 2016), 기상관측 센서 (기온, 기압, 풍향, 풍속 등), AERONET sun-photometer, sky-radiaometer (POM02; Diémoz et al., 2014) 그리고 다양한 복사관련 관측기기(전천과 직달 및 산란 일사계 그리고 적외 복사계와 일조계)가 설 치되어있다.

    비교관측을 위하여 강릉원주대학교 복사-위성연구 소 복사관측소에 설치된 패널 위에 기상청 기준 전 천일사계, 강릉원주대학교 기준 전천일사계, 기상청 부기준 전천일사계 등 10종의 전천일사계를 Fig. 2와 같이 배치하여 비교관측을 수행하였다. 각각의 관측 기기들은 서로간에 차폐, 반사 등의 영향을 받지 않 도록 30 cm 이상의 거리를 두어 설치하였다. 또한 동 일한 평면 위에 수평을 각각 유지하도록 설치하였으 며 동일한 자료수집장치(data logger)에 구성하였다. 비교관측에 참여한 전천일사계에 대한 내용과 상세한 제원은 2.2.1과 2.2.2절에 설명하였다.

    비교관측기간: 일사계 비교관측을 위한 기간은 ISO9060 (1990) 비교관측 기준에 의거하여 맑은 기 상상태로 선정하였다. 비교관측 기간은 2018년 10월 24일과 25일이며 AOD가 0.137 이하였고 구름이 없 는 청명한 맑은 날이 10월 25일 1400 LST까지 유지 되다가 약한 권운 계열의 구름이 유입되기 시작했다. Figure 3은 복사-위성연구소에서 관측된 기상상태의 시계열이다. 기온은 10.0-20.0을 나타내었고 상대습도 는 기온과 반대경향으로 주간에 30.0%로 건조하였고 야간에는 60.0%였다. 기압은 일출과 더불어 상승하 다가 감소하였으며 풍속은 1.0-2.0 m s−1을 유지하였 고 지표면이 강한 태양에너지를 받는 정오를 중심으 로 3.0 m s−1까지 증가되었다. 풍향은 해륙풍의 영향 으로 해안선과 직각방향으로 역전되었다. 주간에 동 풍계열의 바람이 우세하였고 야간에 서풍 또는 남서 풍계열의 바람이 우세하였다. 10월 25일은 10월 24 일과 비교하여 기압은 하강패턴을 보였고 상대습도의 편차가 작았으며 야간에 상대습도가 감소하였다. 그 리고 주간의 풍속이 2.5 m s−1 이하로 상대적으로 약 하였다.

    복사관측소에서 촬영된 2018년 10월 24일과 25일 의 1000과 1200 및 1500 LST의 전천 하늘 영상을 Fig. 4에 나타내었다. 여기서 검정막대는 태양의 직달 광을 차광하여 광원으로부터 이미지가 변화되는 것을 막는 역할을 한다. 24일 1000 LST부터 25일 1200 LST까지 영상(Fig. 4 a)-e))은 맑은 하늘 이미지를 나 타내고 있으나 전체적으로 연무가 존재하기 때문에 탁한 하늘색이 나타나고 있다. 특히 태양을 중심으로 태양복사에너지가 산란되어 청천인 경우와 비교하여 산란영역이 비교적 넓게 나타났다. Figure 4 f)의 하 늘 이미지의 경우 권운 형태의 얇은 구름들이 전체 적으로 나타나고 있어 태양에너지의 급격한 감소 및 변동이 나타날 수 있어 비교관측을 종료하였다.

    전천일사계

    기상청에는 40개소 이상의 전천일사계 관측망이 운영되고 있으며 부기준 전천일사계(기상청 기준 전 천일사계로부터 검교정되어 도(道)를 대표하는 장비) 로부터 주기적으로 검교정된다. 또한 지방기상청별 부기준 전천일사계는 기준 전천일사계(KMA reference) 로부터 주기적으로 검교정된다. 즉 기준 장비는 국내 에 유일하며 이와 유사한 성능을 가진 부기준 장비 를 지역별로 구성한다. 또한 강릉원주대학교의 기준 전천일사계는 강릉원주대학교 복사관측소의 부기준 전천일사계를 검정하는데 사용된다. 부기준 전천일사 계는 주기적으로 복사관측소의 실시간 관측기기 및 이동형 전천일사계의 검교정용으로 활용된다(Kim et al., 2018).

    기준 전천일사계(Reference Pyranometer): 기상 청 기준 전천일사계 정보는 Fig. 5와 같으며 2012년 제 3차 지역복사센터 비교관측에서 처음 검교정된 후 현재까지 기준기로 사용되고 있다(WMO, 2013b)). 제 4차 지역복사센터 비교관측은 2017년 1월 23일부 터 2월 3일까지 총 11일 동안 일본 츠쿠바에서 이루 어졌으며 맑은 기상상태에서 관측된 7종의 지역복사 센터 기준 장비들과의 비교관측을 통해 검교정되었다 (WMO, 2018). 전천일사계를 기준 직달일사계를 통 해 검교정하는 방법은 경통을 이용하는 방법(ISO, 1993)과 직달일사량과 산란일사량을 이용하는 방법 (WMO, 2013a))으로 구분된다. 본 연구에서는 Fig. 6 과 같이 전천일사계를 경통에 연결하여 직달일사계화 하여 기준 직달일사계와의 비교관측을 통해 검교정되 었다. 총 7종의 지역복사센터 기준 직달일사계의 평 균을 기준값으로 정하고 동일한 시간에 관측된 기상청 기준 전천일사계의 일사량과 비교 분석하였다. 분석 결과 기상청 기준 전천일사계의 정확성은 1.000343 ±0.001018로 기준값에 비해 높게 나타났으나 표준오 차 이내의 값으로 기존 감도를 변화 없이 사용하게 되 었다. 강릉원주대학교의 기준 전천일사계의 경우 구매 후 지역복사센터에서 최초 비교관측을 수행하였기 때 문에 오차가 비교적 크게 나타났고 교정과정이 수행되 었다. 비교관측결과 정확성은 1.029341±0.000547로 기 준값과 비교하여 2.80% 크게 나타나 감도정수를 8.68 μV (W m−2)−1에서 8.93 μV (W m−2)−1로 조정하 였다.

    부기준 전천일사계(Standard Pyranometer): 본 연구의 비교관측에 포함되는 장비들은 기상청 및 강 릉원주대학교 기준 전천일사계와 부기준 전천일사계 들이다. Table 1에 비교관측에 참여한 기상청 기준기, 강릉원주대학교 기준기, 기상청 부기준기 등 10종의 전천일사계에 대하여 정리하였다. 본 연구의 기준은 A 장비(기상청 기준 전천일사계)이며 기상청 부기준 전천일사계들(B-H)은 2016년 기상청에서 검교정이 실시된 장비(B-F)와 예비품(G와 H)이다. G와 H 전 천일사계는 이번 검교정을 통하여 신뢰성을 확인 후 부기준 전천일사계로 사용될 것이다. I와 J 장비는 강릉원주대학교 기준 전천일사계와 부기준 전천일사 계이다. 기상청 기준 전천일사계(A)와 강릉원주대학 교 기준 전천일사계(I)는 2017년 일본 지역복사센터 에서 비교관측을 수행하여 검교정이 이루어졌으며 이 전 관측과 비교하여 감도정수의 변경 없이 그대로 사용할 수 있음을 2.2.1절에서 설명하였다. 기준 전천 일사계는 정밀도와 신뢰성이 높은 KIPP&ZONEN사 의 CMP22를 사용하고 있으며 부기준 전천일사계는 기준 전천일사계와 동급 장비(ISO9060 (1990) 기준 secondary standard class)이나 정확도와 민감도가 CMP22에 비해 다소 낮은 KIPP&ZONEN CMP21을 사용하였다.

    연구 방법

    관측자료 분석

    비교관측은 ISO9060 (1990) 및 기상 관측 자료를 통해 맑은 기간만으로 선정하였다(2.1.2절 참조). 전 천일사계는 일출 전 설치하여 수평을 맞추고 유리돔 을 세척하여 깨끗한 환경에서 관측을 수행하였다. 자 료는 1분 평균(1초 샘플링 60개 자료 평균) 자료를 수집하였고 일사관측 자료에 대한 품질관리를 수행하 였다(Long and Dutton, 2002). 맑은 날 일사 관측자 료는 일출 이후 정오까지 증가하다 감소하여 일몰 이후 0 Wm−2가 된다. 이 중 주변 산악과 건물 그리 고 광학경로 길이에 따른 문제를 제거할 수 있도록 관측자료 중 450Wm−2을 설정값으로 정하여 이 이 상의 자료만을 검교정에 이용하였다. 이후 검교정된 전천일사계를 이용하여 다음날 맑은 기상상태에서 비 교관측을 수행하였다. 교정 전과 후의 전천일사계 관 측결과는 기준 전천일사계 관측결과의 시계열과 편차 를 분석하였고 평균 편차(bias)를 의미하는 오차를 계 산하여 비교분석하였다. 비교관측된 자료의 오차 (error, e, 단위:Wm−2)는 식 (1)과 같이 계산하였다.

    e = n = 1 n = N { E s o l a r , n E I s o l a r , n } N
    (1)

    여기서 Esolar는 기준 전천일사계의 전천 태양복사 량이고 EIsolar는 비교관측된 전천일사계의 전천 태양 복사량이며 N은 관측된 자료의 개수이다. 그리고 기 준값의 크기를 고려하여 식 (2)와 같이 기준 전천일 사계의 관측값을 이용하여 정규화 오차(normalized error, e' 단위: %)로 표현할 수 있다.

    e = n = 1 n = N { E s o l a r , n E I s o l a r , n E s o l a r , n × 100 } N
    (2)

    검교정 방법

    일사계는 태양 및 일반적인 기상환경에 노출되어 관측되기 때문에 관측기기 수감부의 민감도가 시간이 지남에 따라 감소된다. 일사관측기기의 검교정은 기 기적인 구조 또는 수감부 등 기계적인 교정과정이 아니다. 관측기기의 기계적인 특징은 그대로 유지하 고 관측된 전기신호를 태양에너지로 변환할 때 이용 되는 감도정수의 값을 변경함으로써 교정이 이루어진 다. 즉 교정 전과 후 동일한 전기신호가 관측기기에 기록되더라도 출력되는 태양복사량이 바뀌게 되는 것 이다. 2.2절의 전천일사계의 수감부에서 관측되는 전 기출력(Vsolar, 단위: μV)은 전천일사계의 제작사에서 제작 후 표준광원을 이용하여 설정된 감도정수(S, 단 위: μV (Wm−2)−1)를 이용하여 전천태양복사량(Esolar, 단위: Wm−2)로 변환된다. 즉 전천태양복사량은 식 (3)과 같다.

    E s o l a r = V s o l a r S
    (3)

    관측에 사용된 전천일사계의 감도정수는 Table 2의 값과 같고 단위 변환하여 Table 2의 감도정수 중 괄 호 속의 값(단위: Wm−2 (mV)−1)으로 쓸 수 있으며 단위변환은 식 (4)와 같다.

    S = 1 , 000 S
    (4)

    즉, 기준 전천일사계에서 관측된 전기출력과 감도 정수가 V1solarS1'이고 비교관측된 일사계의 전기출 력과 감도정수가 V2solar과 S2'라고 할 때 성능이 동일 한 관측기기라고 가정하였을 때 전천 태양복사량은 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.

    V 1 s o l a r S 1 = V 2 s o l a r S 2
    (5)

    그러나 식 (3)의 감도정수는 시간에 따라 그리고 관측환경에 노출된 빈도수에 비례하여 급격하게 감소 되기 때문에 주기적(1년마다)으로 (부)기준 전천일사 계와 비교관측을 수행하여 조정을 통해 적용한다. 기 준 전천일사계의 경우 WRC 비교관측 또는 RRC 비 교관측을 통하여 검교정되며 국가 기준 전천일사계로 암실 및 밀폐공간에 보관되며 주기적인 부기준 전천 일사계의 검교정을 위해서만 사용된다. 부기준 전천 일사계 또한 현업 관측에 활용되지 않고 현업관측용 일사기기의 검교정 비교관측 외에는 밀폐공간에 보관 이 이루어진다. 현업 관측용 전천일사계는 실외의 자 연환경에서 비, 미세먼지, 황사, 안개, 강한 태양광 등 다양한 자연환경에서 24시간 365일 설치되어 운 영되기 때문에 일사계 수감부의 민감도는 급격히 감 쇄된다(Kazadzis et al., 2018).

    따라서 식 (5)의 관계는 성립되지 못하며(V1solarS1' ≠V2solarS2') 비교관측된 관측자료를 이용하면 식 (6) 과 같이 쓸 수 있다.

    V 1 s o l a r S 1 = V 2 s o l a r ( S 2 + x )
    (6)

    여기서 x'는 감도정수의 시간에 따른 감도정수의 감쇄부분이며 식 (7)과 같이 쓸 수 있다.

    x = n = 1 n = N V 1 s o l a r , n S 1 V 2 s o l a r , n S 2
    (7)

    여기서 비교관측 자료의 개수는 N이다. 감도정수 의 감쇄부분을 적용하여 비교관측기기의 최종적인 감 도정수는 S2'+x'로 나타낼 수 있다. 전천일사계의 감 도정수 변경은 비교관측을 통하여 평균 오차(±0.2% = ±0.9Wm−2)을 기준으로 기준값 이상으로 오차가 발생되는 장비들의 감도정수를 변경하였다. 여기서 평균 오차는 맑은 날 정밀한 일사계들 사이에서 발 생될 수 있는 관측량 차이를 의미하며 ISO9060 (1990)을 기준으로 선정하였다.

    검교정 절차

    전천일사계의 검교정을 위해서는 사전 준비가 필요 하다. 먼저 기준 전천일사계가 확정되어야 하며(2.2.1 절 참조) 이를 통하여 검교정하려는 비교관측기기(기 상청 부기준 전천일사계, 강릉원주대학교 기준 및 부 기준 전천일사계(2.2.2절 참조))가 준비되어야 한다. 전천일사계는 민감한 장비이기 때문에 관측환경(전기 및 전산설비, 관측판넬, 기상조건 등)이 잘 갖추어진 관측장소(강릉원주대학교 복사-위성연구소(2.1.1절 참 조))가 필요하다. 관측기기와 관측소가 준비되면 기상 상태를 고려하여 비교관측 일정을 확정하여 수행한다. 검교정을 위해서는 많은 자료를 확보하여야 하고 교 정 후 비교관측 등이 필요하므로 구름 없는 맑은 날 (2.1.2절 참조)이 연속적으로 존재해야 한다. 비교관측 자료는 품질검사를 수행하고 설정값(450Wm−2) 이상 의 태양 복사량의 자료만을 이용한다. 선택된 전천일 사계의 자료는 기준기와의 비교하여(2.3.1절 참조) 오 차가 ±0.2% (또는 ±0.9Wm−2) 미만이면 검교정을 수행하지 않고 허용범위를 벗어나면 검교정 과정을 수행한다(2.3.2절 참조). 검교정 과정은 2.3.2절의 감 도정수에 대한 검사를 수행하고 계산된 감도정수는 부기준 전천일사계에 적용하여 비교관측을 수행한다. 비교관측된 자료는 오차분석을 수행하여 교정된 감도 정수가 타당한지 검사한다. 오차계산은 기준 전천일 사계와 비교하여 ±1.0% (또는 ±4.5Wm−2) 이내로 나타나면 감도정수와 오차를 확정하여 검교정 과정을 종료한다. 만일 오차가 허용범위 이상으로 나타나면 사전 비교관측 이후의 과정을 반복적으로 수행한다. 이상의 전천일사계의 검교정 절차는 Fig. 7과 같이 흐름도로 정리할 수 있다.

    연구 결과

    비교관측

    10월 24일 일사계 설치와 자료수집 프로그램 설정 과정을 거쳐 0900 LST부터 비교관측을 수행하였고 1분 평균 자료를 수집하였다. 기상상태는 AOD가 0.137이하였고 하루 종일 구름 없는 맑은 상태였다. 비교관측된 결과는 0900 LST부터 1530 LST까지 자 료를 이용하여 분석을 수행하였다. Figure 8은 비교 관측한 일사계들의 태양 복사량 및 기상청 기준 전 천일사계와 각각의 전천일사계 사이의 편차 시계열을 나타내었다. 비교적 맑은 상태였고 관측기기의 설치 및 관측오류가 없어 품질관리를 적용한 결과 제거되 는 자료는 없었다. 비교관측에 참여한 기기들은 기상 청 기준 전천일사계를 기준으로 ±12.0Wm−2 이하의 편차를 보였다. 특히, B와 I 일사계는 관측 동안 ±4.0Wm−2 미만의 편차를 보였으며 기존 검교정 이 후 관측기기의 감도변화가 적은 것으로 분석된다. 또 한 F 일사계를 제외한 모든 일사계들의 시간에 따른 편차가 유사한 경향을 보였고 편차의 시계열들이 0 선을 기준으로 상승 또는 하강되어 있어 검교정을 하였을 때 기준 전천일사계와 편차는 급격히 감소할 것으로 분석된다. 특히, C와 G 일사계의 편차가 0선 을 기준으로 멀리 떨어져 있기 때문에 감도정수의 교정수치가 클 것으로 분석된다. 그러나 F 일사계의 경우 다른 일사계와 다른 편차 경향이 나타나고 있 어 일사계의 기기적인 오류가 의심되며 검교정을 수 행하더라도 일정 수준의 오차는 발생할 것으로 분석 된다. 사전관측의 결과에 대한 오차는 Table 3에 정 리하였으며 3.3절에서 교정 후 비교관측 결과와 비교 하여 설명하였다.

    검교정

    비교관측 자료 중 검교정을 위해서는 일정 수준 이 상의 태양복사량을 이용하여 수행한다. 직달일사계의 경우 900Wm−2를 기준으로 진행되나(WMO, 2017) 전천일사계의 경우는 기준값이 존재하지 않아 본 연 구에서는 자료 확보와 비교관측 시기를 고려하여 설 정값 이상의 자료만을 이용하여 검교정을 수행하였다. 검교정 과정은 2.3.2절의 과정을 통하여 기준 전천일 사계와 비교관측기기 사이의 편차를 계산하여 최종적 인 감도정수의 교정을 수행하였다. 검교정을 위하여 사 용된 자료 수는 321개였고 최대 편차는 ±10.0Wm−2 이하였다. B와 I 일사계는 ±0.5Wm−2로 기준 전천일 사계와 오차가 작게 나타났으나 그 외의 일사계들은 ±5.0Wm−2 이상으로 검교정이 필요한 상황이다. 기 존 사용되고 있던 감도정수와 검교정 과정을 거쳐 산출된 감도정수는 Table 2에 정리하였다. Figure 8 과 같이 B와 I 일사계의 경우 교정된 감도정수는 초 기 설정된 감도정수와 비교하여 변화가 크지 않다 (±0.01 이하). 반면에 편차 경향이 컸던 나머지 일사 계들은 최대 0.08-0.16 μV (W m−2)−1 정도 감도정수 가 변경되었다. 감도정수 ±0.15 μV (W m−2)−1는 전천 일사계가 1,000Wm−2의 태양 복사량을 관측한다고 가정하였을 때 식 (3)에 대입해 보면, 전천일사계 오 차는 ±15.0Wm−2 (±1.5%)이다. Figure 8에서 기준 전천일사계와 편차가 가장 크게 나타났던 C 일사계 는 감도정수의 교정값 변화가 가장 큰 −0.16 μV (W m−2)−1으로 나타났다. 초기 감도정수 10.48 μV (W m−2)−1을 기준으로 감도정수를 감소시켜 보정하기 때문에 교정 후 관측에서는 이전과 동일한 전압이 측정되어도 태양 에너지는 증가하여 나타나게 된다. 즉, 이전 교정으로부터 일정 시간이 지났기 때문에 일사계 관측기기의 수감부의 감도가 낮아졌음을 의미 하고 감도정수를 증가시켜 측정되는 태양 복사량을 상승시켜주어야 한다. 대체로 시간이 지남에 따라 수 감부의 민감도는 감소되기 때문에 감도정수는 음의 값으로 보정하게 된다. 본 연구의 교정에서도 대체로 감도정수를 감소시켜 보정해야 하는 일사계가 대다수 였으나 G와 H 및 I 일사계는 증가시켜주어야 하는 결과가 나타났다. G와 H 일사계는 기상청에서 예비 장비로 보유하고 있던 장비이며 실외 검교정은 처음 수행되는 장비이다. 관측장비 제작업체에서 제작 이 후 실내 검교정용 광원은 1,000Wm−2를 유지하여 측정하고 이를 통하여 감도정수를 부여한다. 따라서 실외관측시 약한 태양광에서 수감부의 반응도가 민감 하게 반응하기 때문에 감도정수를 증가시켜 태양 에 너지를 감소시켜야 하는 것으로 분석된다. I 일사계 의 경우 2017년 RRC 복사센터에서 검교정받은 일사 계이고 오차범위(±0.2% 또는 ±0.9Wm−2)을 벗어나 지 않아 감도정수를 변경하지 않았다.

    교정 후 비교관측

    3.2절에서 산출된 감도정수를 적용하여 10월 25일 0900 LST 이후 관측을 수행하였고 비교관측 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 오전에 맑은 기상상태를 보였으 나 오후 시간에 접어들면서 일부 구름이 유입되어 1400 LST이후 관측을 종료하였다. 맑은 날씨를 반영 하듯이 10종의 일사계는 중첩되어 나타난다. 1300 LST부근에 권운계열이 지나가면서 태양복사량이 급 격하게 하락된 것을 확인할 수 있다. Figure 8과 비 교하였을 때 일사계 사이의 태양 복사량 차이가 감 소한 것을 볼 수 있고 기준 전천일사계와의 편차에 서도 0선을 기준으로 증감이 나타나고 있다. I 일사 계를 제외한 대부분의 편차에서 오전에 양의 편차가 나타나고 오후에 음의 편차가 나타나고 있고 F 일사 계를 제외하고는 최대 편차는 ±4.0Wm−2 이하로 보 정 전 ±12.0Wm−2 이하였던 것과 비교하여 정확도 가 향상되었다. 다른 일사계의 편차 패턴과 다르게 나타났던 F 일사계는 0선을 기준으로 편차가 나타나 고는 있으나 보정 후에도 ±5.0Wm−2이상의 오차가 나타나고 있다.

    검교정 전후의 오차를 Table 3에 정리하였다. 비교 관측 중 전천일사계의 수평 확인 및 관측환경 정비 과정 중에 차폐 등으로 인한 오차가 큰 자료는 품질 관리를 적용하여 제거하였다. 오차가 큰 자료에 대하 여 전체적으로 동일한 시간의 자료를 제거하였으며 제거된 자료의 수는 91개였다. 비교관측자료의 비교 를 위하여 교정 전과 후 그리고 설정값(450Wm−2)을 기준으로 오차를 나타내었고 크기에 따른 가중치를 없애기 위하여 기준 전천일사계 관측값으로 정규화된 오차도 같이 정리하였다. 교정 전과 후의 비교관측결 과 최대 오차는 9.20Wm−2 에서 0.70Wm−2 로 약 1/12 정도로 감소되었고 설정값 이상에서도 9.41Wm−2 에서 -0.55Wm−2로 약 1/20로 감소하였다. 오차가 가장 컸던 C 일사계의 경우 오차가 뚜렷하게 감소되 었으며(9.0Wm−2 (1.5%) 이상) 기상상태로 인해 비 교적 오차가 작았던 B와 I 일사계의 경우는 오차가 다소 상승되었다(0.05Wm−2 (0.01%) 이하). 기준 전 천일사계를 기준으로 부기준 일사계의 허용오차는 ±4.5Wm−2 (1.0%) 이하이다. 교정결과에 의하면 비교 관측에 참여한 개별 전천일사계의 오차들은 허용 범 위 내에 모두 포함되었고 9개 전천일사계의 평균 오 차는 0.06Wm−2 (0.08%)로 검교정되었다.

    요약 및 결론

    2017년 기상청 및 강릉원주대학교 기준 전천일사 계는 일본 지역복사센서에서 수행된 태양복사기기 비 교관측 및 검교정 프로그램에 참석하여 교정되었고 최근 보고서가 발간되었다(WMO, 2018). 기상청 기 준 전천일사계의 교정결과에 따라 기상청에서 보유중 인 부기준 전천일사계들의 검교정을 위하여 비교관측 및 교정을 실시하였다. 강릉원주대학교 복사-위성연 구소에서는 기상청 기준 전천일사계를 이용하여 10 종 기기(기상청 부기준 전천일사계와 강릉원주대학교 기준 및 부기준 전천일사계)의 실외 비교관측을 수행 하였고 관측결과를 통하여 감도정수를 교정하였다. 본 비교관측에 참가한 일사계들은 지방기상청의 부기 준 전천일사계와 강릉원주대학교 기준 및 부기준 전 천일사계로서 현업운영중인 일사계의 주기적인 검교 정을 위한 기준기로 활용된다.

    검교정을 위한 비교관측은 2018년 10월 24일과 25 일(2일) 수행되었다. 2018년 10월 24일은 사전 비교 관측을 수행하였고 민감도 변화를 분석하여 감도정수 를 변경하였다. 2018년 10월 25일은 감도정수를 변 경하여 비교관측을 분석하여 교정의 타당성 및 신뢰 성을 확인하였다. 사전 비교관측결과, 일사계들은 기 상청 기준기를 기준으로 ±12.0Wm−2 이하의 편차가 나타났고 B와 I 는 관측 동안 ±4.0Wm−2미만의 작 은 편차를 보였다. C와 G 일사계는 편차가 크게 나 타나 감도정수의 교정값이 클 것으로 분석되었다. 그 리고 F 일사계는 타 일사계와 달리 기준기와 편차 패턴이 다르게 나타났다.

    감도정수 교정을 위한 검교정 분석은 태양 복사량 의 설정값(450Wm−2) 이상일 때만을 이용하였다. B 와 I 일사계는 ±0.5Wm−2로 기준기와 오차가 작았으 나 그 외의 일사계들은 오차가 ±5.0Wm−2 이상으로 검교정이 필요한 상황으로 분석되었다. 편차가 큰 일 사계들은 최대 0.08-0.16 μV (W m−2)−1 정도 감도정 수가 변경되었다. C 일사계는 감도정수의 교정값의 변화가 가장 컸고 감도정수는 –0.16 μV (Wm−2)−1로 교정하였다. 대체로 일사계의 수감부의 민감도가 감 소되기 때문에 감도정수는 음의 값으로 교정하였으나 G와 H 및 I 일사계는 감도정수를 증가시켜주어야 하 는 결과가 나타났다. 특히, G와 H 일사계는 기상청 예비 장비로 이번 비교관측을 통해 감도정수를 증가 시켰다.

    비교관측 결과에 따르면 교정 전과 후의 기준 전천 일사계와의 최대 오차는 9.20Wm−2에서 0.70Wm−2로 약 1/12 정도로 감소되었고 설정값 이상에서는 9.41 Wm−2에서 −0.55Wm−2로 약 1/20로 감소하였다. 기 상상태로 인하여 비교적 오차가 작았던 B와 I 일사 계의 경우는 오차가 다소 상승되었고 오차가 가장 컸던 C 일사계의 경우 오차가 가장 뚜렷하게 감소되 었다. 비교관측에 참여한 9개 기상청 부기준 전천일사 계와 강릉원주대학교 전천일사계의 오차는 0.08Wm−2 (0.08%)로 검교정되었으며 허용오차 ±4.5Wm−2 (±1.0%)의 조건을 충족하였다.

    본 논문은 전천일사계의 검교정을 위한 비교관측 수행과 검교정 과정을 논하였다. 비교관측 결과를 통 하여 일부 일사계의 특징과 운영에 필요한 요건들을 포함하였고 검교정 방법에 대하여 자세히 기술하였다. 검교정된 기상청 부기준기는 40여개소에 설치되어 운영 중인 기상청 전천일사계들의 검교정에 활용된다. BSRN 관측소를 비롯하여 미국의 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 등은 1년마다 복사계 비교관측을 진행한다. 즉 주기적인 일사계 검교정은 일사계 관측자료의 신뢰성과 고품질의 태양 복사량자 료 확보를 위해 필수적이다. 그러나 현업 운영 중인 일사계는 지속적으로 실외 관측환경에 노출되기 때문 에 일사계 유지관리에 문제가 발생될 수 있고 수감 부의 민감도는 급격히 감소된다. 따라서 1년마다 일 사계의 유지관리와 관측자료에 대한 품질관리가 필요 하며 일사계 검교정은 필수적으로 수행되어야만 신뢰 성 있는 자료를 수집 및 관리할 수 있을 것으로 사 료된다.

    사 사

    본 연구는 기상청 <기상·지진 See-At 기술개발연 구>(KMI2018-05910)의 지원으로 수행되었습니다.

    Figure

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    Geographical location and satellite image of Research Institute for Radiation-Satellite (RIRS), Gangneung-Wonju National University (GWNU). The red “+” mark on the satellite image represents RIRS solar radiation site.

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    Photo of solar radiation intercomparison observation at RIRS, GWNU during 24 to 25 October 2018. Orange, sky blue and green color represent KMA reference, KMA standard and GWNU pyranometers summarized at Table 1.

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    Timeseries of meteorological variables at RIRS, GWNU for (a) 24 and (b) 25 October 2018. Meteorological variables are included temperature, relatetive humidity and pressure at 1 m and wind direction and speed at 3 m.

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    Sky view image at RIRS, GWNU when 1000 (upper), 1200 (middle), and 1500 (lower) LST 24 (a, c, and e) and 25 (b, d, and f) October 2018.

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    Photo and specification of KMA and GWNU reference pyranometers (source: KIPP&ZONEN).

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    Photos of KMA pyranometer measurement compared to Pyrheliometer at RRC intercomparison observation in Japan, 2017. Pyranometer mounted in tube (a) and measurement (b).

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    Flowchart of pyranometer calibration by intercomparison observation.

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    Timeseries of solar radiation observed from pyranometer during 0900 to 1530 LST on 24 October 2018. Upper panel is the timeseries of solar radiation and lower panel is the timeseries of difference of solar radiation between KMA reference and intercomparison pyranometer, respectively. And in the lower panel, red line represents zero line.

    JKESS-40-2-135_F9.gif

    Same as Fig. 8 except for during 0800 to 1400 LST on 25 October 2018.

    Table

    Summary of pyranometer participated in solar radiation intercomparison observation at RIRS, GWNU

    Summary of sensitivity constant by pyranometer participated in solar radiation intercomparison observation. Sensitivity constants are included before and after calibration. And values in the parentheses represent S' of equation 4. Shaded boxes have positive change of sensitivity constant after calibration

    Summary of error (normalized error) between KMA reference and standard pyranometer before and after calibration. The light and dark gray boxes represent maximum and minimum values, respectively

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