1. 서 론

강수량은 수자원 관리, 홍수 예보, 기후 변화 감시 등 다양한 응용 분야의 신뢰성을 좌우하는 기본 기상 관측 요소이다. 국내에서 오랜 기간 전도형(tipping bucket) 강수량계가 표준 관측장비로 사용되어 왔으나, 최근 들어 강우와 강설을 질량 기반으로 직접 측정할 수 있고 시간 분해능 및 미세 강수 감도가 우수한 무게식(weighing) 강수량계의 도입이 빠르게 확대되고 있다. 그러나 이러한 도입 확대에 비해, 무게식 강수량계의 설치환경에 관한 국내 표준 규정은 아직 충분히 정비되어 있지 않다. 무게식 강수량계는 설치 높이, 차폐 조건, 바람막이 형식 등에 따라 관측값이 크게 달라질 수 있으며, 특히 바람에 의한 강수 포집 손실은 강설뿐 아니라 강수 관측에서도 무시할 수 없는 오차 요인으로 보고되고 있다(Kochendorfer et al., 2017a; 2017b).

강수 관측의 정확성을 평가하기 위해서는 비교의 기준이 되는 장비의 선정이 무엇보다 중요하다. 세계기상기구(WMO)는 1984년 국제 비교 실험을 통해, 강수량계 수수구를 지면과 동일한 높이에 설치하여 바람에 의한 포집 손실을 구조적으로 최소화한 pit gauge를 강우 관측의 국제 기준 장비로 채택하였다(Sevruk and Hamon, 1984). 이후 Yang et al. (1998)은 다지점 WMO 비교관측 결과를 분석하면서 pit gauge를 강우 관측의 WMO 기준 장비로 인용하였으며, 특정 조건에서 DFIR (Double Fence Intercomparison Reference)이 pit gauge를 대체 할 수 있는 가능성을 보고하였다. 한편 WMO-Solid Precipitation Intercomparison Experiment (SPICE)의 최종 보고 결과 DFIR이 강설 관측 국제 기준으로 채택되었다(Goodison et al., 1998). 즉 강수의 형태에 따라 국제 기준 장비가 구분되며, 강우 관측에서는 pit gauge가, 고체 강수 관측에서는 DFIR이 기준으로 사용되고 있다.

2012년부터 2015년까지 수행된 SPICE에서는 다양한 무게식 강수량계와 바람막이 조합에 대한 보정식이 제안되었으며(Nitu et al., 2018; Kochendorfer et al., 2018), 국내에서는 고창 표준기상관측소가 SPICE의 공식 참여 사이트로 운영되어 강수량계의 국제 비교관측을 수행하였다(Rha et al., 2014). 유사한 선행연구로 국내에서는 Kim et al. (2021)이 고창 표준기상관측소에서 설치환경이 다른 강수량계의 겨울철 관측 특성을 분석하여 설치 높이와 바람막이 조건에 따른 유의미한 차이를 보고하였고, Hong et al. (2018)은 국내 강수량계 종류별 성능시험과 불확도 분석을 수행하였다. 국외에서는 Kochendorfer et al. (2017a)이 단일 바람막이 조건과 바람막이 없는 조건에서의 혼합·고체 강수 측정값을 비교하였으며, Kochendorfer et al. (2017b)은 풍속에 의한 강수 관측 오차의 정량화 및 보정 방법을 제안하였다. 그리고 Kochendorfer et al. (2018)은 무게식 강수량계 보정식을 개발·검증하였고, Smith et al. (2020)은 SPICE 보정식의 다지점 적용성을 평가하였다. 그러나 이들 선행연구는 대부분 고체 강수 또는 혼합 강수, 그리고 겨울철 사례를 중심으로 수행되어, 강우가 절대적 비중을 차지하는 장마기간을 대상으로 pit gauge를 기준으로 한 설치환경별 강우 비교 분석은 상대적으로 제한적이다.

본 연구에서는 관측 전기간 분석과 함께 장마기간 사례를 추가 분석하였으며, WMO가 강수 관측의 국제 기준으로 채택한 pit gauge를 비교의 기준 장비로 설정하였다. 또한 누적 포집률(catch ratio), CSI, BIAS, 풍속 구간별 산포도, 상관계수, RMSE 등 다양한 통계 지표를 종합 적용하여 이전 연구와 차별성을 갖고자 하였다. 고창 표준기상관측소에서 운영 중인 설치환경이 서로 다른 무게식 강수량계 관측자료를 pit gauge를 기준으로 비교 분석하여, 강우 관측에 대한 설치환경별 관측 특성의 차이를 정량적으로 평가하고, 향후 국내 무게식 강수량계 설치 표준 마련을 위한 기초 자료로 제시하고자 한다.

2. 자료 및 분석 방법

본 연구의 비교관측은 국립기상과학원이 운영하는 고창 표준기상관측소에서 수행되었다. 본 관측소는 전북특별자치도 고창군 대산면에 위치하며, 서해안으로부터 약 17 km 내륙의 평탄한 농경지에 자리해있다. 부지면적은 약 5,700평 규모이며, 기상청 고창 종관기상관측장비(ASOS, 지점번호 172)와 함께 국립기상과학원의 지상 비교관측장비(일사계, 강수량계, 강우감지기, 기압계 등)가 함께 운영되고 있다. 고창 표준기상관측소는 기상관측장비의 성능 검증과 신규 도입 비교평가를 위해 설립되었으며, WMO의 지상기상관측 기준 관측망(Global climate observing system Surface Reference Networks, GSRN)요건을 반영하여 장기 연속 비교관측 자료를 생산하고 있다. 관측소의 지형환경에 관한 상세 사항은 Hwang et al. (2025)에 기술되어 있다.

본 비교관측에서는 무게식 강수량계를 서로 다른 설치환경에 동일 기종으로 배치하여 관측 특성을 평가하였다. 첫 번째는 지표면과 수수구의 높이를 일치시켜 바람의 영향을 최소화한 매립형 pit gauge (이하 PIT), 두 번째는 잔디 지표면 위 높이 1.5 m에 설치(이하 FIELD) 하였으며, 세 번째는 WMO에서 강설 비교관측의 기준기로 권고하는 DFIR 내부(높이 약 3 m)에 설치한 형태이다(이하 DFIR). 세 장비는 동일한 부지 내에서 상호 영향을 최소화할 수 있도록 이격하여 배치하였으며, 관측소의 전경은 Fig. 1과 같다. 사용된 무게식 강수량계는 독일 OTT사 Pluvio² 모델로, 강우강도 해상도는 0.01 mm min^-1, 용량은 1,500 mm 이며, 강수입자가 포집통 내부의 부동액·오일 혼합액에 낙하할 때 발생하는 중량 변화를 고정밀 로드셀로 측정하여 강수량을 산출하는 방식이다. 본 기종은 국내 기상청 및 국외 주요 기상기관에서도 표준 기준기 또는 비교 기준기로 널리 운용되고 있어, 장기 안정성과 자료 신뢰도가 확보된 장비로 평가된다.

Fig. 1.

Overview of the Gochang Standard Meteorological Observatory showing installation sites of the three weighing precipitation gauges (A: PIT; B: FIELD; C: DFIR)

분석에 사용된 자료는 2024년 6월부터 2026년 4월까지 약 23개월간 수집된 1분 단위 관측자료이다. 강수자료는 1분 강우강도(Instantaneous Rainfall rate per minute, IRT)를 사용하였으며, 풍속자료는 강수량계 높이와 유사한 1.5 m 고도에서 측정된 1분 평균 풍속을 사용하였다. 관측자료 품질관리(Quality control, QC)는 다음과 같이 수행하였다. 강수자료의 경우 무게식 강수량계 특성상 증발·진동·온도 변화 등에 의해 발생할 수 있는 음수값은 결측 처리하였으며, 결측 및 비정상 플래그 값은 자료 없음(NaN)으로 통일하였다. 풍속자료는 측정하한 미만의 미세 변동과 음수 값을 제거하기 위해 0.1 m s^-1 이하 및 음수값을 분석에서 제외하였다. 장마기간은 기준인 PIT의 강수 연속성을 확인하여 구분하였다. 그 결과 2024년은 6월 22일 첫 강수가 시작되어 7월 28일 까지 5 - 6일 간격으로 강수가 이어지는 것을 확인하여, 2024년의 장마기간은 6월 22일 - 7월 28일(37일)로 설정하였다. 2025년은 6월 13일에 80 mm 로 2024년보다 일찍 강수가 시작되어, 7월 17일(187 mm), 19일(102 mm)에 최곳값을 보인 후 8월 4일까지 강수가 확인되어, 2025년 장마기간은 6월 13일 - 8월 4일(53일)로 설정하였다. 장마기간의 강우강도는 통계값 시인성을 위해 PIT 강우강도를 1시간 단위로 재집계하여 강우강도 구간을 구분하여 비교하였으며, 1분 자료를 1시간 단위로 재집계 시, 해당 시간 내 60개 관측값 중 50% 이상이 유효한 경우에만 유효 시간자료로 인정하였으며, 기준(PIT) 기준 강우강도가 0인 시간은 분석에서 제외하였다. 장마기간은 강수량과 강수 시간이 비장마기간과 구분되므로, 강우강도 따른 특성을 살펴보기 위해 전체 기간 분석과 별도로 장마기간을 구분하여 분석하였다.

설치환경별 강수 포집 특성을 정량적으로 비교하기 위해 다음과 같은 통계분석을 수행하였다. 첫째, 누적 포집률 분석을 통해 기준인 PIT 대비 FIELD와 DFIR의 상대적 강우강도을 비교하였다. 누적 포집률은 분석 대상기간 동안의 누적강수량을 기준기 누적강수량으로 나눈 값으로 정의된다(Kochendorfer et al., 2017b). 둘째, 강수 탐지 성능을 평가하기 위해 임계성공지수(Critical Success Index, CSI)와 평균 편의(BIAS)를 산출하였다. 강수 유무 판정 임계값은 1분 강수량 0.1 mm 를 기준으로 적용하였다. 셋째, 두 장비 간 강수량의 일치도를 정량 평가하기 위해 상관계수(R)와 평균제곱근오차(RMSE)를 계산하였다. 넷째, 풍속에 따른 포집 특성을 파악하기 위해 1.5 m 높이의 풍속을 구간별로 구분한 산포도를 작성하고, 풍속 구간별 포집률 변화 경향을 분석하였다.

3. 결 과

3.1 전기간 비교

Fig. 2는 각 지점의 무게식 강수량계의 강우강도와 일치도 시계열을 나타낸 그래프이다. 맨위 그래프는 기준인 PIT 강우강도 시계열이고, 중간과 아래의 그래프는 기준과 일치도를 색상(두 지점 모두 강수 시 검은색, 비교 지점만 강수 시 붉은색, 기준만 강수 시 파란색)으로 나타낸 그래프와 각 비교지점의 강우강도 시계열(밝은 파란색)이다. Table 1은 전기간 동안 PIT를 기준으로 한 통계분석 결과이다. 누적 포집률 분석 결과 PIT 기준 DFIR은 약 92.9%, FIELD는 약 91.4% 를 포착하였다. 둘 다 PIT보다 과소 측정하는 경향을 보였으며, FIELD가 더 낮은 포착율을 보였다. 1분 강우강도가 작은 값이어서 분당 평균 차이(Mean Bias) 또한 -0.0001 수준으로 아주 작게 나타났으나, 음의 부호로 두 지점 모두 평균적으로 기준보다 낮게 관측되는 것을 확인하였다. RMSE는 DFIR (0.005)가 FIELD (0.006)보다 분당 오차가 작게 나타나는 것으로 보아 DFIR이 PIT와 더 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 상관계수(R)는 두 지점 모두 0.98 이상으로 매우 높은 선형 상관을 보였다. 통계분석 결과 DFIR이 FIELD보다 기준에 더 근접하게 관측하고 있다는 것을 알 수 있었다. 기준 강수 발생을 0.1 mm min^-1 이상으로 한정해 보아도 DFIR 0.91, FIELD 0.89로 두 지점 모두 과소 측정하는 경향을 보이며, FIELD가 DFIR보다 과소 측정 경향이 더 뚜렷하다는 것을 알 수 있었다. 이는 FIELD가 미세 강수에 더 둔감한 것으로 판단 된다.

Fig. 2.

Full-period (Jun 2024-Apr 2026) time series of 1-min rainfall intensity (mm min^-1) and precipitation-occurrence agreement between PIT and DFIR/FIELD

Fig. 3은 풍속에 따른 PIT와 두 지점의 분당 강수를 비교한 산포도이다. Table 2는 풍속 구간별 누적 포집률과 CSI를 산출한 표이다. 풍속이 강해질수록 두 지점 모두 누적 포집률이 낮아지는 것으로 보아 풍속이 강할수록 과소 측정이 심해지고 정확도가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이는 전형적인 강풍 시 강수 포집 손실(wind-induced undercatch) 패턴(Sevruk, 1982)을 보인다. 특히 5 m s^-1 이상 풍속 구간에서 누적 포집률이 DFIR 0.69, FIELD 0.63까지 급격히 낮아지며, CSI 또한 크게 낮아지는 것을 확인하였다. 또한 1시간 단위로 재집계하여 비교하면, PIT 기준 평균 차이가 DFIR 0.28 mm h^-1, FIELD 0.44 mm h^-1로 나타났다. 이는 DFIR -8.4%, FIELD -13.3% 의 오차율로 환산되며, 강풍조건(5 m s^-1)에서 FIELD 는 -21% 까지 확대되었다. 또한 풍속이 약할 때(0 - 2 m s^-1) DFIR 과 FIELD의 차이는 0.04 mm h^-1 였으나, 강풍조건에서는 0.39 mm h^-1 로 커지는 것으로 보아 바람막이의 유무의 효과가 강풍 시 두드러지는 것을 확인하였다. 모든 풍속 구간에서 DFIR이 FIELD보다 우수하게 관측되고 있으며, 풍속이 강할수록 차이가 커지는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 3.

Full-period scatter plot of 1-min rainfall intensity (mm min^-1) for DFIR and FIELD vs. PIT, colored by 1.5 m wind speed class (statistics in Table 1)

3.2 장마 사례 비교

Fig. 4는 2024년과 2025년 장마기간 강우강도에 따른 PIT 기준 산포도이다. Table 3은 강우강도 구간별 누적 포집률과 상관계수를 나타낸 표이다. 2024년 장마기간은 평균 풍속 2.16 m s^-1, 강우발생 시점의 평균 강우강도 18.2 mm h^-1 이었으며, 2025년 장마기간은 평균 풍속 1.85 m s^-1, 강우발생 시점의 평균 강우강도 23.0 mm h^-1 로 나타나 2024년 장마는 상대적으로 바람이 강하고 비는 약했던 반면 2025년 장마는 바람은 약했지만 비가 더 강하고 긴 특징을 확인할 수 있었다. 장마기간 분석 결과 전기간 보다 누적 포집률이 다소 올라가고 RMSE는 유사하게 나타났다. 이는 비장마기간 약한 강우 현상으로 인한 영향이 줄어든 효과로 판단된다. 장마기간 두 해 모두 DFIR이 FIELD보다 우수한 경향은 동일하게 유지되었다. 장마기간 동안 기준인 PIT 관측값의 강우 강도별 관측 차이를 확인해 보았다. 일반적으로 바람에 의한 포집 손실이 강우 과소 측정의 주된 원인으로 알려져 있으나, 본 결과는 풍속 외에 강우강도 자체가 설치환경별 포집 특성에 유의미한 영향을 미침을 시사한다. 강우강도 구간별 풍속은 2.1 - 2.4 m s^-1 로 구간 간 뚜렷한 차이를 확인할 수 없어(0 - 1: 1.39, 1 - 5: 2.12, 5 - 10: 2.32, 10 - 20: 2.24, 20+: 2.29 m s^-1) 앞서 나타난 포집율의 강우강도별 변화가 풍속 혼재효과보다는 강우강도 자체 영향에 기인한 것으로 판단된다. 강한 강우강도(≥ 20 mm h^-1) 구간에서는 DFIR과 FIELD 모두 PIT와의 상관계수가 0.97 - 0.99로 높은 일치도를 보였다. 이는 강우강도가 강할수록 빗방울의 낙하 운동에너지가 커져 바람에 의한 궤적 편향이 감소하고, 설치환경의 차이가 포집 성능에 미치는 영향이 줄어드는 것으로 판단된다. 반면 약-보통 강우강도(1 - 10 mm h^-1) 구간에서는 누적 포집률이 0.80 - 0.85로 강한 강우강도 구간보다 낮게 나타났다. 이로 약한 강우 시에는 설치환경에 따른 포집 편차가 큰 것을 알 수 있었다. 매우 약한 강우(0 - 1 mm h^-1) 구간에서는 누적 포집률이 DFIR 1.41, FIELD 3.21로 1을 크게 초과하는 불안정한 결과가 관측되었다. 이는 통계적 유의성(t-검정)확인 결과 5 - 10 mm h^-1 구간의 낮은 상관계수는 표본수(n=633)가 충분함에도 유의(p<0.001)하여 실제 관계로 판된되나, 1 - 5 mm h^-1 FIELD (R=0.02, p=0.86)는 PIT와 유의한 선형성을 확인할 수 없었고 0 -1 mm h^-1(n=27)은 통계적으로 상관계수 산출하기 불가능하였다. 0 - 1 mm h^-1 구간의 1을 초과하는 강수 포집율은 기준값이 극히 작을 때 비율이 커지는 통계적 특성에 기인하며, 물리적 요인의 가능성 또한 있을 수 있다고 사료된다. 따라서 해당 구간의 결과를 확정적 해석보다는 시사적 관찰로 한정하며, 추후 충분한 표본 확보를 통한 추가 분석이 필요한 것으로 판단된다. 이 결과로 무게식 강수량계의 설치환경 선정 시 바람 조건뿐만 아니라 강우강도 분포 특성도 함께 고려할 필요가 있음을 알 수 있었다.

Fig. 4.

Scatter plot of rainfall intensity (mm h^-1) for DFIR and FIELD vs. PIT during the 2024 and 2025 Changma periods (statistics in Table 3)

4. 결론 및 제언

고창 표준기상관측소에서 동일 기종의 무게식 강수량계를 PIT, DFIR, FIELD의 세 가지 설치환경에 배치하고, 약 23개월간의 1분 단위 관측자료를 WMO 강우 기준기인 PIT를 기준으로 비교·분석하였다. 전기간 통계 분석 결과 두 지점 모두 상관계수는 0.98 이상으로 높은 선형 상관성을 보였으나 PIT 대비 과소 측정 경향을 보였다. 풍속이 강해질수록 두 지점 모두 포집률이 감소하는 전형적인 강풍 시 포집 손실 현상을 확인하였으며, 풍속이 강할수록 FIELD 관측의 차이가 크게 나타났다. 장마기간 분석에서는 전기간 대비 누적 포집률이 다소 향상되었으며, 이는 비장마기간의 약한 강수 사례가 제외된 효과로 판단된다. 모든 강우강도 구간에서 DFIR이 FIELD보다 높은 누적 포집률과 상관도를 유지하였으며, 이 경향은 약한 강우 구간에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. 1시간 강우강도로 설치환경별 과소 측정 오차는 DFIR -8.4%, FIELD -13.3% 였으며, 강풍 조건에서 바람막이가 없는 경우 -21.0% 까지 확대되는 것을 확인하였다. 이상의 결과는 무게식 강수량계의 관측 정확도가 설치환경, 풍속, 강우강도에 따라 복합적으로 달라짐을 알 수 있었다. 특히 기존 선행연구가 주로 풍속 효과에 집중한 것과 달리, 본 연구는 강우강도 자체가 높이 등의 설치환경별 포집 특성에 미치는 영향을 장마기간 사례를 통해 정량적으로 확인하였다는 점에서 차별성을 갖고자 하였다. DFIR 형태 등의 바람막이 설치가 강우 관측 성능 개선에 효과적이며, 특히 약한 강우가 빈번한 조건에서 그 효과가 더욱 중요함을 확인하였다. 본 연구의 결과가 국내 무게식 강수량계 설치 표준 수립을 위한 정량적 근거 자료로 활용되었으면 한다. pit gauge와 DFIR 같은 대형 구조물은 설치 공간과 비용과 관리 부담이 커 전국 단위 현업 관측망에 일괄 적용하기에는 불가능하므로, 평균 풍속이 상대적으로 높은 지점에 보다 견고한 바람막이를 설치하는 등 효율적인 대안을 선별 적용하는 방안이 더 현실적으로 판단 된다. 향후에는 다양한 바람막이 형식·설치 높이 조합에 대한 비교관측을 통해 풍속 및 강우강도 조건별 보정계수(transfer function)를 개발함으로써, 지점별 여건에 맞는 유연한 설치·운영 기준을 마련하는 연구가 필요한 것으로 사료된다.