1. 서 론
2. 자료 및 분석 방법
2.1 강수량계 가열 시스템 제작
2.2 실내 실험
2.3 실외 실험
3. 결과 및 고찰
3.1 실내실험을 통한 강수량계 가열 시스템 검증 및 내부 가열 온도 선정
3.2 실내실험을 통한 강수량계 가열 시스템 반응시간 비교 결과 및 표면 가열 온도 선정
3.3 실외 실험을 통한 검증 결과
4. 결 론
1. 서 론
온실 가스 배출량이 증가함에 따라 지구 온난화는 심각해지고 있으며, 이에 따른 극한 기상현상(가뭄, 홍수, 폭염, 폭설 등)으로 인해 식량 문제, 경제적 손실, 재난 이주와 같은 문제가 발생하여 사회경제적으로 심각한 영향을 미치고 있다(WMO, 2023). 또한, 2020년부터 이어진 라니냐 현상의 냉각 효과에도 불구하고 대기 온도가 상승함에 따라 엄청난 양의 수증기가 발생하여 생성된 구름은 산악지역을 통과할 때 폭우와 폭설을 발생시킬 가능성을 높이고 있다(Zheng et al., 2023; Conroy, 2023).
해외 사례로는 중국 동북부에서 2021년 폭설로 인해 약 152,000명이 영향을 받았으며, 교통 마비, 농작물 피해 등으로 44억 9600만 위안(약 6억 4500만 달러)의 경제적 손실이 발생하였다(Li et al., 2023). 또한, 2021년 북극의 차가운 대기 영향으로 미국 남부와 중부 주 전역에 직접적인 영향을 끼친 눈 폭풍의 경우, 240억 달러의 재산 피해와 텍사스주에서는 수 백명의 사망자가 발생한 것으로 추정되는 피해가 발생하였다(Bolinger et al., 2022; NCEI, 2021).
국내 사례의 경우 2022년 12월에 발생한 대설 및 한파를 동반한 강풍으로 인해 주택, 비닐하우스, 축사 등의 시설물 피해와 농작물 피해로 총 149억원의 재산 피해가 발생하였다(MOIS, 2023).
적설현상은 수 많은 피해를 주기도 하지만 지구의 복사 균형에 중요한 역할을 하며(Li et al., 2018), 전 세계 인구 1/6 이상의 수분 공급 및 농업 등의 경제 활동에 미치고 있다(Barnett et al., 2005). 이러한 강설 현상의 정확한 관측은 기후변화의 영향으로 불확실성이 크며 강수량 증가로 인해 일일 적설량은 감소하나, 극한 강설량이 증가하고 있어 강설을 통한 수자원 확보와 폭설로 인한 재난 대비를 위한 수치모델의 생산, 검증, 자료 동화, 인공지능 학습을 위해 필요하다(Patricola et al., 2022; Wu et al., 2021; Quante et al., 2021; Huang et al., 2020; Li et al., 2020; Kawase et al., 2020).
대표적인 강수 관측 장비는 무게식 강수량계와 전도형 강수량계로 나뉘며, 일반적으로 겨울철 고체 강수(눈, 우박, 진눈깨비) 측정을 위해서는 고체 강수를 녹이지 않고 측정이 가능한 무게식 강수량계 사용이 권장된다(WMO, 2018a). 하지만 무게식 강수량계는 전도형에 비해 구매 비용이 높고 수집 용량을 초과하게 되면 넘쳐흐르는 문제로 주기적인 관리가 필요하다. 또한 동결 및 증발 방지를 위해 부동액을 사용함에 따라, 운송 및 보관의 문제와 환경보호 지역에서는 무게식 강수량계 사용이 금지되는 문제가 발생할 수 있다(Nitu and Wong, 2010).
반면, 전도형 강수량계는 수수구가 낙엽이나 이물질로 막히지 않는 이상 연속 측정이 가능하지만, 고체 강수를 측정하기 위해 수수구에 별도의 가열 장비를 통해 고체 강수를 녹여 관측하는 방식을 사용한다. 하지만 전도형 강수량계의 장비 성능에 따라, 무게식 강수량계에 비해 가열에 의한 증발 손실로 인해 약 15~66%의 과소 측정과 측정 지연(30분~1시간 이상)이 발생하고 있다(Kochendorfer et al., 2020; Grossi et al., 2017; Karki, 2012; Savina et al., 2012).
고체 강수량 측정을 위해 가열된 전도형 강수량계의 성능 평가와 전달 함수(Transfer function) 개발을 통해 문제를 해결하고자 하였으나, 증발이 최소가 되고 측정 지연을 해결하기 위한 방안은 제시되지 않았다(Kochendorfer et al., 2020; WMO, 2018b). 특히 전도형 강수량계 가열 시스템에 관한 과학적 기술적 근거가 거의 없으며 강설 관측을 위해 효과적인 전도형 강수량계의 가열 시스템이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 구매 비용이 저렴하고, 유지보수가 용이한 전도형 강수량계의 가열 시스템을 개발하여 현업에 사용하는 전도형 강수량계와 실·내외 비교 실험 결과를 토대로 전도형 강수량계 가열시스템의 기준을 제안하고자 한다.
2. 자료 및 분석 방법
2.1 강수량계 가열 시스템 제작
본 연구에서는 겨울철 고체 강수 관측 정확도 향상을 위해 강수량계 가열 시스템을 가변적으로 제어가 가능한 전도형 강수량계를 개발하였다. 강수량계 가열 시스템은 강수량계 수수구(Fig. 1(a)), 강수량계 외부(Fig. 1(b)), 강수량계 내부(Fig. 1(c))를 일정한 온도로 개별 제어가 가능하도록 제작하였다. 강수량계 수수구에 쌓이는 눈을 가열하기 위해 Fig. 1(a) 위치에 실리콘 러버(Silicon rubber) 타입의 호퍼형 히터를 장착하여 직접 가열이 가능한 구조로 제작하였으며, 눈이 많이 오는 지역에서 강수량계가 눈에 묻히는 것을 방지하기 위해 Fig. 1(b) 위치에는 원통형 히터를 부착하였다. 강수량계 내부와 배수구 결빙 방지를 위해 Fig. 1(c) 위치에 세라믹 타입의 저항 히터를 사용하였다. 강수량계 수수구와 외부는 80℃까지 가열이 가능하며, 내부는 70℃까지 가열성능을 갖춘 히터를 제작에 활용하였다. Table 1은 실험을 위해 제안한 강수량계(Customized)와 기성품 강수량계(Ready-made;기상청 납품 제품)의 주요 사양에 대한 비교표를 나타내었다.
Table 1.
Specifications comparison between the customized and ready-made precipitation gauge
2.2 실내 실험
실내 실험은 제안한 강수량계와 기성품 강수량계의 가열 장치에 대한 반응시간 비교와 수수구의 적정 가열 온도를 도출하기 위해 국립기상과학원 대형 항온항습챔버(이하 챔버; Chamber)를 활용하여 실험하였다. 실내 실험을 위해 사용된 챔버의 규격 및 사양은 Table 2와 같다.
제안한 강수량계와 기성품 강수량계를 챔버 내부에 배치하여 챔버 내부 온도를 0℃로 설정하여 실험을 진행하였다. 온도 설정 기준은 눈의 경우 외부 기온이 0~5℃, 평균기온 1.5℃ 미만(90 %이상의 경우)인 날에 발생한다고 하였으며(Grossi et al., 2017; Das and Prakash, 2011), 한국의 대표관측지점에서 적설 전 기온 분포(0.4~3.6℃)에 대한 선행 연구를 참고하여 설정하였다(Kim et al., 2022).
강수량계 가열 시스템의 가열 온도변화(30·40·50·60·70℃)에 따른 적정 온도와 가열 시스템의 반응시간을 분석하기 위해 Fig. 2와 같이 열화상카메라(FLIR E76)를 활용하여 강수량계 표면 온도를 측정하였다(FLIR, 2017). 제안한 강수량계(Fig. 2(a))와 기성품 강수량계(Fig. 2(b))의 측정은 제작된 강수량계의 수수구 아랫면(Sp1), 강수량계 바디(Sp2), 수수구 수직면(Sp3)과 기성품 강수량계의 수수구 아랫면(Sp4), 수수구 수직면(Sp5), 대형 챔버 내부(Sp6) 총 6개 지점의 온도를 측정하였다.
또한, 가열 온도변화(30·40·50·60·70℃)에 따른 강수량계 측정 성능을 분석하기 위해 눈송이(Snow flake) 타입의 얼음을 사용하여 강수량계(제안한 강수량계와 기성품 강수량계)의 측정량을 비교하였다. 이 때, 눈송이 생성은 분사식 얼음 생산 방식을 사용하는 제빙기(BREMA GB902)를 사용하였다(BREMA, 2021). 이 실험을 통해 강수량계 가열 온도에 따라 증발되어 생기는 측정 오차를 비교하여 최적의 가열 온도를 확인하고자 하였다. 실험은 고정밀 저울(Readability: 0.1mg)을 사용하여 동일 무게(약 300 g)의 눈송이 타입 얼음을 측정하고, 수수구에 평평하게 얼음을 배치하였다.
Table 2.
Specifications of constant temperature and humidity chamber
2.3 실외 실험
실외 실험은 실내 실험 결과에 대한 검증을 위해 수행하였으며, Fig. 3과 같이 대관령 구름물리선도센터(Cloud Physics Observation Center, CPC)에서 2022년 12월부터 2023년 3월까지 실험을 수행하였다(KMA, 2023). 강수량계는 WMO와 기상청 설치기준에 따라 콘크리트 베이스(약 10 cm)위에 설치하였으며, 강수량계 간 이격 거리는 3 m로 하였다(KMA, 2019; WMO, 2018a). 또한, 바람의 영향으로 인한 관측 오차를 최소화하기 위해 모든 강수량계에 바람막이를 부착하였다(Grossi et al., 2017). 낙엽과 벌레 등의 이물질로 인해 수수구가 막히는 현상을 방지하기 위해 주 1회 수수구를 점검하여 청소하였다. 실외 실험은 적설 현상이 발생하였을 때, 10, 15, 20, 25, 30℃로 각각 가열 시스템의 온도가 다른 전도형 강수량계 9조의 관측값을 비교·분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 실내실험을 통한 강수량계 가열 시스템 검증 및 내부 가열 온도 선정
제안한 강수량계의 가열 장치는 챔버 내부 온도가 가열 시스템의 작동 조건(4℃)이 되면 즉각 작동하였으며, 수수구와 외부 가열 장치는 설정 가열 온도(30℃)를 일정하게 유지하는 경향이 나타났다(Fig. 4). 또한 내부 가열 장치는 눈이 내릴 때 한국 대표관측지점인 대관령의 최저기온(-14.1℃)을 참고하여(Kim et al., 2022), 챔버 온도를 영하 15℃로 설정하여 2시간 동안 실험을 진행하였다. 이때, 내부 가열 장치의 온도는 30, 40, 50, 60, 70℃로 설정하였으며, 그 결과 강수량계 내부 온도는 Table 3과 같이 나타났다. 가열 장치의 온도가 30, 40, 50, 60℃인 경우 강수량계의 내부를 0℃ 이상으로 유지하지 못하였으며, 70℃ 조건에서만 강수량계 내부온도를 0℃ 이상으로 유지하는 것으로 보아 내부 가열 시스템은 70℃이상이 적합한 것으로 판단된다.
Fig. 4.
Verification of operating conditions of precipitation gauge heater (30℃). The blue line represent funnel temperature of rain gauge. The yellow line is outside temperature of rain gauge. The black line is the ambient temperature measured by a thermometer attached to the rain gauge. The gray line is inside temperature of rain gauge. The brown line is temperature of chamber
Table 3.
Internal temperature as heating temperature changes
| Parameters | Temperature of internal heating apparatus | ||||
| 30℃ | 40℃ | 50℃ | 60℃ | 70℃ | |
| Min | -7.5 | -7.3 | -5.8 | -2.9 | 4.1 |
| Max | -5.3 | -5.1 | -3.2 | 0.2 | 5.1 |
| Avg. | -6.5 | -5.6 | -3.5 | -0.3 | 4.7 |
3.2 실내실험을 통한 강수량계 가열 시스템 반응시간 비교 결과 및 표면 가열 온도 선정
Fig. 5는 제안한 강수량계의 가열 온도(30, 40, 50, 60, 70℃)에 따른 수수구 표면 온도 변화를 나타낸다. 기성품 강수량계의 가열 시스템은 제안한 강수량계 보다 약 20~30분 늦게 동작하였으며, 이는 기성품 강수량계의 가열 장치가 외부온도에 즉각적으로 반응하지 못함을 시사한다. 또한, 제안한 강수량계는 설정한 가열 온도를 일정하게 유지하지만, 기성품 강수량계의 경우 수수구 표면온도가 25℃ 까지 상승 후 하강을 반복하는 특성이 나타났다.
강수량계 수수구 표면 가열 온도(30, 40, 50, 60, 70℃) 선정을 위해 눈송이 타입의 얼음(300 g)을 이용하여 가열에 의해 녹은 물의 질량 측정을 진행한 실험 결과는 Table 4와 같다. 제안한 강수량계의 수수구 가열 온도가 증가할수록 강수량 측정값이 낮아지며, 이는 수수구 가열 온도가 높아짐에 따라 증발에 의한 측정 손실이 증가하는 것으로 판단된다. 또한, Fig. 6과 같이 기성품 강수량계는 2시간이 지나도록 다 녹이지 못하지만, 제안한 강수량계는 가열 온도가 30℃일 때, 눈송이를 녹이는데 평균 106분 소요되었다. 앞서 Table 4에서 제안한 강수량계의 가열 온도가 30℃일 경우 측정 손실이 가장 낮은 점과 열화상 카메라를 이용하여 시간변화에 따른 온도분포 결과, 수수구 가열시스템은 직접 가열방식으로 관측량의 차이가 가장 적은 온도인 30℃로 하는 것이 가장 적합할 것으로 판단된다.
반면, 기성품 강수량계에서 발생한 측정 지연과 얼음을 녹이지 못하는 문제는 온도 측정 센서(Fig. 7(c))가 수수구에 접촉하여 가열 시스템(Fig. 7(d))을 작동하는 구조에서 기인한 것으로 사료된다. 즉, 수수구 표면 온도는 Fig. 5에서 나타낸 것과 같이 약 25℃ 까지 가열되지만 온도센서의 접촉부(Fig. 7(e)) 부근에 얼음이 없거나 가열 시스템의 작동온도(4℃) 보다 높아지면 작동하지 않기 때문이다.
Table 4.
The mass of water measured by melting the same amount of snowflake (300 g)
3.3 실외 실험을 통한 검증 결과
총 4건의 관측 사례에서 히터의 오작동 사례를 제외한 3건을 분석하여 Table 5로 나타내었다. 실내 실험 결과에서 도출한 적정 수수구 가열 온도(30℃) 이하에서는 관측값의 차이가 유의미하게 나타나지 않았으나, 제안한 강수량계가 기성품 강수량계보다 측정 시간이 약 1~2 시간 빠른 것으로 나타났다(Fig. 8). 기성품 강수량계의 측정 지연이 발생한 이유는 Fig. 9와 같이 강수량계 외부(Figs. 9(a)~9(c)), 수수구 테두리(Figs. 9(c) and 9(e)), 수수구의 수직면(Figs. 9(d) and 9(e))을 적절히 가열하지 못하는 문제로 인해, 수수구에 눈이 쌓여 즉각 녹지 않아 측정 지연이 발생하는 것으로 사료된다. 이에 따라 겨울철 적설 관측을 위한 강수량계는 강수량계 외부, 수수구 테두리, 수수구 수직면을 모두 가열할 수 있고 외부 기온에 반응하여 제어가 가능한 강수량계가 필요한 것으로 판단된다.
Table 5.
As a result of measurements by snow case
4. 결 론
본 연구는 겨울철 적설 관측을 위해 전도형 강수량계 가열 시스템의 가열 온도, 위치, 제어 방식을 도출하기 위해 수행되었다. 이를 위해 강수량계 수수구, 외부, 내부 온도를 가변적으로 제어가 가능한 전도형 강수량계를 제작하여 기성품 강수량계와 비교 실험하였다. 실험은 국립기상과학원이 보유하고 있는 대형 항온항습챔버에서 실내실험을 수행하였으며, 그 결과를 검증하기 위해 대관령 구름물리선도센터에서 실외 실험을 수행하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
1) 강수량계 가열 시스템 동작을 위한 온도센서는 강수량계 외부 또는 가열 시스템에 영향이 없는 곳에 설치하는 것이 적합하며, 내부 및 배수구의 결빙 방지를 위해 내부 가열 온도는 70℃이상이 적합한 것으로 판단된다.
2) 강수량계 수수구 가열 장치의 경우 직접적으로 수수구를 직접 가열하는 방식이 간접 가열하는 방식보다 고체 강수를 액화하는 성능이 높았으며, 증발을 최소화하고 관측 성능을 높이기 위한 수수구 가열 온도는 10~30℃로 나타났다.
3) 겨울철 고체 강수의 측정 지연시간을 줄이기 위해서 강수량계 가열 장치의 위치는 강수량계 외부, 수수구 테두리, 수수구 수직면 모두 가열이 필요한 것으로 확인되었다.
가변식 가열 시스템을 적용하여 제안한 강수량계를 활용하여 겨울철 고체 강수 측정을 위해 실·내외 실험을 수행한 결과, 강수량계 가열 시스템의 위치, 가열 온도, 제어방식에 대한 위와 같은 결과를 도출하였다. 이를 통해 겨울철 고체 강수 측정을 위한 강수량계 가열 시스템의 운영 조건의 명확화와 가열 시스템 적용으로 적설 관측자료 신뢰도 향상이 가능할 것으로 판단된다. 다만, 본 연구는 겨울철 단기 관측으로 도출된 결과로써, 향후 본 연구에서 제안한 강수량계를 활용한 겨울철 고체 강수 측정의 장기 비교 관측연구가 필요할 것으로 사료된다.
