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1. 서 론

기상청은 지상기상관측을 위해 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS; 103개)와 종관기상관측장비(Automated Synoptic Observing System, ASOS; 510개) 613개소를 설치 및 운영하고 있으며, 지상기상관측 기본요소로는 기온, 습도, 풍향, 풍속, 강수량 등이 있다. 과거 기온과 습도 관측에 백엽상이 사용되었으나 관측장비의 전산화와 소형화로 인하여 부피가 작은 차광통이 사용되고 있으며, 1990년대 AWS 관측망의 확대로 인해 도입되어 전국에 설치되었다.

차광통에 대한 선행연구로는 2018년 벨기에 왕립 기상연구소에서 백엽상과 자체 개발한 차광통의 1년간 기온 관측값을 비교한 연구(González Sotelino et al., 2018)와 미국에서 산림 기상관측 목적으로 개발한 저가형 간이 차광통의 성능 평가를 위해 기존 차광통과 기온 관측값을 비교한 연구(Holden et al., 2013), 미국 지상기상관측소 네트워크의 대기 온도 측정 시스템을 주기적 갱신하기 위하여 차광통 교체 시 기후학적 기온 데이터 불연속성 평가를 위해 차광통 간 기온 관측값을 비교한 연구가 있다(Lin et al., 2001). 또한 2018년 캐나다 기상청에서 백엽상 통풍 방식과 재질, 하단 구조물에 따른 기온 관측값 차이를 비교한 연구를 수행한 바 있다(Hoover and Yao, 2018). 수치모델을 활용한 연구로는 2021년 중국에서 차광통 길이와 외경이 다른 차광통 2종을 관측 및 CFD (Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 비교한 바 있다(Yang et al., 2021).

본 연구와 가장 유사하게 다수의 차광통을 비교한 연구로는 일본 츠쿠바 센터에서 수행한 비교실험으로 WMO와 일본 기상청에서 기온 관측 데이터의 품질 보장을 목적으로 차광통 특성을 명확히 파악하기 위하여 강제통풍식 차광통 6종과 자연통풍식 차광통 4종을 상호 비교하였다(Aoshima et al., 2010). 다른 연구로는 2019년 프랑스 국립과학연구센터에서 WMO에 2008-2009년 등록된 18종의 각기 다른 형식의 차광통과 백엽상 29개를 설치하여 기온 관측값을 비교하였으며, 이를 통해 확인한 기온 오차를 물리모델(semi-emporocal)을 이용하여 개선하였다(Bernard et al., 2019).

연구 결과에 따르면 주변의 환경 변화를 측정하는 기상관측기의 최근접 환경에 포함되는 차광통이 구조, 재질에 따라 관측에 영향을 미치는 것으로 밝혀진 바 있다(Sakalis, 2022). 그러나 대부분 신규로 개발하는 차광통 성능 연구가 주로 이루어지고 있으며, 차광통 규격에 대한 연구는 미비한 편이다. 따라서, 본 연구에서는 소형백엽상과 국내 유통되고 있는 9종의 차광통을 비교하고 내부 구조를 확인하여 차광통에 대한 최소한의 규격을 제시하고자 하였다.

2. 자료 및 분석 방법

본 연구를 위해 보성 표준기상관측소 노장에 소형백엽상 1조, 자연통풍식 차광통 6조, 강제통풍식 차광통 3조를 설치하였다(Table 1). 소형 백엽상(Stevenson screen, SS)과 차광통(Solar Radiation Shield, SRS) 내에는 온습도 센서(VAISALA; HMP155)를 설치하여 기온과 습도를 관측하였다. 차광통 구조물 설치는 KS 및 WMO에 명시된 기준인 콘크리트 구조물(열원)로부터 20 m 이상 이격, 관측기 간 3 m 간격을 유지하는 규정을 준용하여 설치하였다(KMA, 2016; WMO, 2018; KMA, 2019).

Table 1

Details of Shape and Material of Solar Radiation Shields

분석 기간은 2020년 9월 1일부터 2021년 8월 31일까지이며(1년), 분석 자료는 1분 간격으로 수집된 소형백엽상 및 차광통 관측자료와 보성군 ASOS (258)에서 관측된 1시간 간격의 기상관측자료를 사용하였다(Fig. 1).

Fig. 1

Picture of the Solar Radiation Shield Comparison Experiment

소형 백엽상을 기준으로 차광통 9종의 기온, 습도 관측값 차이를 비교하였으며, 특이점을 보이는 차광통을 기상요소(일사량 등)에 따른 원인을 유추하여 보았다. 또한 동일 제조사 차광통 간 통풍방식에 따른 기온과 습도 관측값 차이를 확인하여 통풍방식에 따른 차이가 있는지 확인하였다. 그리고 1년간 관측을 수행한 차광통과 온습도센서의 오염도를 조사하고 세부 구조를 확인하였다.

기온과 습도 관측값 비교를 위해 평균오차(mean bias)와 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE) 통계분석 기법을 사용하였다. 센서와 차광통의 오염 위치과 형태를 확인하였으며, 오염정도의 순위를 매겨 비교하였다. 차광통 구조 분석을 통해 플레이트 크기와 형상, 내부 설치 구조물의 형태를 확인하였다.

3. 관측값 비교 결과

3.1 소형백엽상 기준 차광통 관측자료 비교

소형백엽상을 기준으로 9종의 차광통 관측자료를 비교하였으나, 이 중 3종(D, G, H)의 차광통에서 특이점을 보여 나머지 6종의 차광통 관측자료만 통계분석을 수행하였다(Fig. 2). 그 결과 기온의 평균오차 0.02 ℃, RMSE 0.21 ℃, 상대 습도의 평균오차 -0.75%, RMSE 1.56%로 나타났다. 기온과 습도의 차이는 대부분 검정 허용오차인 기온 ± 0.3 ℃, 습도 ± 5% (그래프 점선) 내에 밀집되어 비교적 유사한 것으로 판단되었다.

Fig. 2

Scatter Plot of Air Temperature (a) and Relative Humidity (b) Difference between SRS and Small

특이점을 보인 3종의 차광통 관측값을 기상환경에 따른 영향을 분석한 결과 D 차광통의 경우, 일사량 증가에 따라 기온 차이가 증가하는 경향(일사량 ≥ 2 MJ/m², 평균오차 0.11 ℃, RMSE 0.28 ℃)을 보였으며, 이와 같은 특징을 보이는 이유는 태양 복사에 의한 영향을 다른 차광통에 비하여 잘 차단하지 못하는 것으로 판단되었다(Fig. 3). 또한, G와 H 차광통의 경우 여름철 장마기간 고습 환경이 유지된 후 다른 백엽상 및 차광통에서는 상대 습도가 낮아 짐에도 불구하고 100%를 측정(소형백엽상 관측 약 80~90%)하는 경향이 확인되었다(Fig. 4). 여름철(6, 7, 8월) 상대 습도가 80% 이상일 때, 평균오차와 RMSE, 최대오차가 각각 G 차광통에서는 3.51%, 5.08%, 19.20%, H 차광통에서는 3.52%, 5.44%, 19.50%로 다른 차광통(평균 -0.60%, 2.15%, 7.46%)에 비해 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 장기간 고습 환경에 노출 시 차광통이 내부의 습도 센서를 보호하지 못하여 이런 결과를 보인 것으로 판단되며 차광통의 구조적인 특성으로 인해 발생한 것으로 사료된다.

Fig. 3

Scatter Plot of Air Temperature Difference between D SRS and Small

Fig. 4

Scatter Plot of Relative Humidity Difference between G and H SRS and Small

3.2 통풍방식에 따른 차광통 비교

차광통의 통풍방식에 따른 차이를 확인하기 동일제조사의 통풍방식이 다른 차광통을 비교하였다. (B, C와 D, E와 F, G는 각각 동일 제조사)특이점을 보인 D와 G 차광통을 제외한 크기와 형태가 유사한 강제통풍식 2조(C, E)와 자연통풍식 2조(B, F)를 비교하였다. 그 결과 기온의 평균오차는 0.01 ℃, RMSE는 0.21 ℃, 습도의 평균오차는 -0.52%, RMSE는 1.73%로 비교적 유사한 차이를 보였다. 또한, 동일 제조사간 통풍방식에 대해 비교가능한 B와 C 차광통을 비교한 결과 기온의 평균오차는 0.01 ℃, RMSE는 0.07 ℃, 상대 습도는 각각 0.22%, 0.53%로 더 작은 차이를 확인할 수 있었다(Fig. 5). 이 결과로 보아 차광통의 통풍방식에 상관없이 사용 가능한 것으로 판단되나 실제 노장 설치 시 강제통풍식의 경우, 통풍팬의 작동상태의 모니터링과 장애 시 교체 등의 관리가 필요하여 원격지 등 무인화된 지역에 사용되는 것에는 다소 무리가 있다고 판단된다.

Fig. 5

Scatter Plot of Air Temperature (a) and Relative Humidity (b) Difference between SRS and Small. Red Dot Indicates Nature Ventilation Type of SRS and Blue is Forcing Ventilationl

4. 차광통 구조 및 특징분석

1년간 보성 표준기상관측소 노장에서 관측한 차광통과 온습도 센서를 철거하여 오염도와 손상 여부를 확인하고 차광통을 분해하여 세부 구조 및 각 차광통별 특징을 확인하였다.

관측 후 온습도 센서 오염도는 C > E > I > G > A > F (H) > B (D) 순으로 나타났으며(H, D 차광통 센서는 특이사항이 있어 분석 시 제외함), 강제통풍식 차광통이 자연통풍식 차광통보다 오염이 더 심하게 나타나는 특징을 확인할 수 있었다(Fig. 6).

Fig. 6

Observation Sensor (VAISLA; HMP155) Pollution Level at SRS in 1 Year

오염은 주로 센서 상단 부위에 집중되어 있었으며, 관측지(보성표준기상관측소)의 주풍향(북서풍) 방향의 한쪽 면 위주로 오염이 집중되는 형태를 보였다. C 차광통과 E 차광통에 설치되었던 센서에서는 상부 필터에 눌린 자국을 확인할 수 있었다. 이 차광통들은 강제통풍식 차광통으로 통풍통 등의 구조물로 인해 내부가 다소 좁게 제작된 것으로 판단되며, 이점은 센서 설치 시 주의가 필요해 보인다. 그 외 관측 중 특이사항으로는 H 차광통 습도 값에 이상이 있어 온습도 센서를 교체하였고, D 차광통에서 센서가 이탈되어 복구한 이력이 있다.

차광통 오염도는 대체로 유사하게 나타났으나, 온습도 센서와 마찬가지로 강제통풍식 차광통이 자연통풍식 차광통보다 조금 더 오염되는 특징을 확인할 수 있었다. 오염물질은 대체로 플레이트 상부와 차광통 하단 받침에 집중되어 있었으며, 강제통풍식 차광통은 통풍팬과 그 주변에 더 집중적으로 오염이 되는 것을 확인할 수 있었다.

차광통을 분해하여 세부 구조를 확인하고 각 차광통의 플레이트 형상을 확인하여 보았다. 실험에 활용된 9종의 차광통은 나선형 구조를 가진 A 차광통을 제외한 모든 차광통이 중앙이 뚫린 접시형 플레이트 적층 구조를 보이고 있었다. F, G 차광통의 플레이트 외경이 가장 컸으며(200 mm), H 차광통의 플레이트 외경이 가장 작았다(104 mm). 플레이트의 색상은 외부는 모두 유백색을 띄고 있었으며, 내부의 경우 D, E, I는 외부와 같은색으로 유백색이었으나 B, C, F, G, H의 경우 검은색, A 차광통은 검은색과 백색 이중으로 구성되어 있었다. B, C, D, E, F, G, H 차광통의 경우 상부가 평평한 형태인 반면, A, I 차광통은 상부가 볼록한 구조를 가지고 있었다. 또한 D, E, F, G, H 차광통은 내경이 상부에서 끝나는 반면 A, B, C, I 차광통은 내경이 하부로 말려 있는 구조였다(Fig. 7). 이러한 형태적 차이로는 내경이 평평하게 끝나는 플레이트는 아래에서 비스듬히 볼 때 센서가 그대로 보여 노출되는 반면, 내경이 말려 있는 구조는 내부로 말린 부분이 내부에 임시적인 격벽을 형성하여 센서가 외부에서 보이지 않았다. 또 다른 구조적 특징으로는 D 차광통의 경우 내부 설치 센서 상단부 정도의 높이에 뚫린 고깔 형태의 구조물이 설치되어 있었다. 동일 제조사의 자연통풍식과 강제통풍식의 경우 플레이트 크기와 구조가 유사한 형태를 띠고 있으나, 강제통풍식의 경우 내부에 통풍팬이 설치된 원통형 구조물인 통풍통(통풍팬이 고정된 원통)이 설치된 것을 확인할 수 있었다. C, E 차광통의 경우 통풍통이 나사 등으로 고정되어있는 반면, G 차광통의 경우 원통이 차광통 하판에 홈으로 끼워 고정하는 형식으로 다소 고정력이 약한 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7

SRS Plate Cross Section Internal Flatness (a, b) and Internal Roll (c, d)

5. 결론 및 제언

소형 백엽상과 국내 판매 중인 차광통 9종의 온습도 관측값 비교 결과 대체적으로 유사한 차이를 보였으나, 일부(D, G, H) 차광통에서 차이가 나타났다. 차이가 나타나는 차광통을 기상요소 변화에 대해 분석해본 결과, 일사량 증가와 장마기간 고습에 노출된 후 차이가 나타남을 확인하였다. 차광통 구조 분석 결과 대부분 플레이트 적층형 구조를 가지고 있으며, 플레이트 구조는 내경이 평평하게 끝나는 형태와 내경이 말려 있는 구조로 구분할 수 있었다.

비교 결과와 구조 분석을 통하여 다음과 같이 차광통의 최소 규격 요건을 유추하였다.

차광통의 통풍 방식의 경우에는 자연통풍식과 강제통풍식이 모두 유사한 결과를 보여, 통풍방식에 상관없이 사용가능한 것으로 보이나, 통풍팬의 관리와 강제통풍형 차광통에 설치한 센서의 오염이 더 심하게 나타난 것으로 미루어 보아 직접 관리가 어려운 원격지에 설치 시 강제통풍식 차광통 선택에 주의가 필요하다고 판단된다.

본 연구는 국내에서 구입 가능한 국내외 차광통 9종만 비교하여 누락된 차광통이 있을 수 있으며, 차광통과 마찬가지로 규격이 정해지지 않는 백엽상에 대한 비교 또한 이루어지지 않았다. 그리고 실험의 가장 이상적인 결과인 최적의 차광통의 크기, 재질에 대한 세부적인 제시 또한 불가능하다는 한계가 있다. 하지만 본 실험에서 제시한 최소한의 규격을 토대로 이상적인 차광통 및 백엽상 규격을 마련하여 지상 기상관측장비 도입 시 차광통 성능에 대한 성능 시험 또는 기술 규격 마련이 가능할 것으로 사료된다.

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