생활환경 관련자료

환경기상 관측

환경기상 관측

가. 서론

인류는 오랜 옛날부터 농업, 어업 등 인간생활에 많은 영향을 주는 날씨에 대하여 많은 관심을
가져왔으며 근대에 들어와서는 체계적인 측정 방법을 제정하여 정기적인 관측을 실시하고 있고
그 측정 결과에 의한 예보는 실생활에서 중요하게 이용되고 있음.

한편 환경오염이 심각해짐에 따라 대기오염물질의 이동.확산과 관련하여 지상 1 – 2km 고도 이내
의 도시규모에서의 바람, 기온 등에 관한 보다 자세한 측정 자료가 절실히 요구되고 있으며 이러
한 환경 오염과 관련하여 측정하는 기상관측을 기존의 일반적인 기상관측과 구분하여 환경기상관
측이라 함.

주로 미기상에 해당되는 환경기상 항목에는 지상 및 고도별 풍향, 풍속, 기온, 습도, 일사량 자
료등과 이들 자료로 부터 도출되는 혼합고, 역전층, 수직.수평 확산 계수, 대기안정도 등이 널
리 쓰임. 본 자료에서는 이러한 환경기상 항목의 관측 방법에 대하여 설명하고자 함.

나. 측정 방법

(1) 지상기상관측

과거에는 수동식 또는 기계식 장비가 대부분이었으나 최근에는 측정기술이 발달하여 거의 자동화
된 기기로 측정되며 흔히 AWS(Automatic Weather Station)이라는 측정기기로 관측하고 있음.

(가) 풍향.풍속

① 일반적으로 지상 10m 고도에서 측정하며, 주변에 건물이나 나무등에 의한 영향이

없도록 주의하여야 함.

② 측정자료는 대개 1시간 평균치를 사용하며 10분 또는 15분 평균치를 사용하기도 함

③ 또한 수평 확산을 판단할 수 있는 풍향의 표준편차를 계산하는 경우도 있음.

④ 측정 단위로서 풍향은 도 또는 16방위를, 풍속은 m/s를 소수 첫째 자리까지 측정함.

(나) 기온

① 잔디밭위 1.5m고도에서 백엽상 또는 전용 측정 장치내에서 관측

② 수직확산을 결정하는데 중요한 인자이므로 고도별로 측정 센서를 설치하여 관측하는

경우도 있음.

③ 측정치는 대개 매 정시에서의 순간치를 뜻하나 목적에 따라 간혹 1시간 평균치를 사용

하기도 함.

④ 측정 단위는 ℃로써 소수 첫째자리까지 표기함.

(다) 기압

① 날씨 변화와 기압대 이동 등을 파악하는데 유용한 인자

② 측정단위는 hPa단위로 나타냄.

(라) 습도

① 대개 상대습도만을 사용

② 오염물질의 화학반응과 시정장애 현상과 밀접한 관계가 있으며 % 단위로 나타냄.

(마) 강수량

① 산성비, 시정장애, 오염물질의 씻겨내림 등의 연구에 사용활용

② 기록 단위는 mm로 표기함.

(2) 상층기상관측

대기오염물질은 지상 또는 상공에서 배출되어 확산되므로 상층 대기 특성 파악이 중요. 도시규모
에서는 지상부터 약 2km 내외까지의 기상 특성 파악 필요. 국가간 장거리 이동 규명시는 지상
약 3 – 5km 까지의 기상 자료 필요. 상층기상 관측방법으로는 Radio Sonde, SODAR/RASS, 고층기
상탑 이용법 등이 있음.

(가) Radio Sonde

① 원리 : 온도, 기온, 습도 센서를 장착한 센서 상자를 헬륨이나 수소를 채운 풍선에 매달아

비양시키면서 보내온 측정신호를 컴퓨터로 분석하여 측정하는 방법.

② 측정고도 : 풍선 상승고도와 센서의 작동 조건에 따라 달라지나 대개 10 – 35 km 까지

가능.

③ 측정 방법 : 풍향과 풍속은 지상에서 비양하는 풍선(센서상자)를 추적하여 방위각과 고도

각을 계산하고 센서에서 보내오는 기압 변화로 상승 속도를 계산한 후 삼각함수에 의해

일정 고도 구간에서의 평균 풍향, 풍속을 구함.

④ 종류 : Air-Sonde, Tethered Balloon, Rawin-Sonde, Roket-Sonde, Drop-Sonde,

Ozone-Sonde 등 센서 또는 관측방법에 따라 다양하며, 현재 국내에서 사용중인 Radio-

Sonde 의 형태는 다음의 두 종류임.

㉮ Air-Sonde : 403.5 MHz의 주파수 신호를 사용하는 것으로써 수동식 Theodolite를 사용

하며 기압센서의 정확도가 ±3 hPa 정도이고 구름속 관측과 악천후에는 사용이 곤란.

측정고도는 약 5km 정도이고 현재 국립환경연구원, 서울대학교, 한국전력, 연세대학교

등이 보유중.

㉯ Rawin-Sonde : 1,680 MHz대의 주파수를 사용하는 것으로써 자동 추적 Radiotheodolite

를 사용하며 기압센서의 정확도가 ±1 hPa 로 비교적 정확하며 악천후에도 관측이 가

능하며 측정고도는 약 35km까지. 현재 국립환경연구원, 서울대학교에서 보유중.

(나) SODAR/RASS

① 명칭 및 원리 : SODAR(SOnic Detection And Ranging)는 Acoustic Sounder 또는

Acoustic Wind Profiler라고 부르며, 음파를 이용하여 발신된 신호음이 각 기층에서 반사

되어 올 때 기층의 이동에 의해 주파수 변화가 나타나는 것을 Doppler 이론에 의해 컴퓨

터로 계산함으로써 수평 및 수직 방향의 풍향과 풍속을 측정하는 기기.

② 특징 : 컴퓨터에 의해 자동 제어되므로 수 백m까지 원하는 고도 및 평균값에 대해 연속

측정이 가능하지만 소음을 발생할 뿐만 아니라 주변의 측정 환경(소음, 장애물 등)에 민

감하고 신호음의 누적 평균을 사용하므로 순간 측정이 불가능한 단점이 있음.

③ 구성 : RASS(Radio Acoustic Sounding System)는 고도별 기온을 측정하는 장비로서 단

독으로는 측정이 불가능하고 SODAR와 연결되어 가동되며 모든 변수 및 명령어 수행도

SODAR의 기본 프로그램에 의해 제어됨. 측정원리는 SODAR와 동일하게 Doppler효과를

이용하지만 음파대신 전자파(915MHz)를 사용하며 안테나는 각각 발신 및 수신 안테나 2

개로 구성되어 연속 송수신을 함.

④ 보유 기관 : 현재 본 장비 보유 기관으로서는 국립환경연구원이 SODAR/RASS를, 기상연

구소가 mini-SODAR를 가동하고 있는 정도

⑤ 측정 자료 : 국립환경연구원에서 측정하고 있는 자료의 내용은 50m – 920m 고도 사이의

풍향, 풍속, 수직풍속, 바람의 벡터성분, 기온 등을 매 시간 생산중.

⑥ 활용범위 : 고도별 바람 특성 및 대기 난류 특성 조사, 해륙풍 및 도시 대기 순환 연구,

혼합고 및 기온 역전층 분석, 대기오염물질 확산.이동 연구 등.

(다) 고층 기상탑(Meteorological Tower)

① 원리 : 고층 철탑의 원하는 고도에 기상 센서를 설치하여 바람, 온도, 습도, 난류측정기

등의 기상요소를 관측하는 방법.

② 특징 : 부지 확보 및 시설비가 막대하게 소요되는 단점이 있으나 가장 정확하게 측정, 관

리할 수 있을 뿐만 아니라 오염도 측정 기기 설치도 가능한 장점이 있음.

③ 현황 : 국내에는 전용 기상탑이 없으나 미국에는 오래전 부터 St. Louis시의 Brookhaven

National Laboratory(BNL)에 123m기상탑을 이용하여 각종 확산 연구를 수행한 바 있고

Denver시 부근에는 약 300m급(세계최고) 기상탑을 가동중임. 또한 일본의 경우 츠쿠바

소재 기상연구소에 213m의 기상탑을 활용중임.

(라) Tethered Balloon 과 Pilot Balloon

① Tethered Balloon : 센서를 부착한 풍선에 끈을 묶어 오르내리면서 기상 관측을 하는 방

법으로 원칙적으로 Radio Sonde의 일종이지만 센서 자체에 풍향, 풍속계가 달려있고 끈

의 길이에 따라 측정고도가 결정되는 차이점이 있음.

② Pilot Balloon : 풍선만을 비양하고 theodolite로 방위각과 고도각을 측정함. 일정한 시간

간격으로 측정된 방위각 및 고도각과 풍선의 상승속도를 이용하여 삼각함수법에 의해 고

도별 풍향.풍속만을 계산하는 방법으로서 비용이 매우 적게 드는 장점이 있음.

다. 측정 자료의 활용

(1) 역전층과 혼합고

(가) 역전층

① 특징 : 대류권내에서 온도는 고도에 따라 감소하는 것이 보통임. 그러나 경우에 따라

온도가 높아지는 층이 생길 때가 있으며 이 층을 역전층이라 함. 이러한 역전층이 형성

되면 배출된 오염물질은 역전층을 통과하지 못하고 그 층내에 축적되어 고농도를 유발.

② 역전층의 강도 : 기온 역전의 강약 여부는 역전층 하부의 고도, 역전층의 두께, 기온 증가

율로 결정하며 상층기상 관측자료로 알 수 있음.

③ 종류 : 역전층은 그 발생 유형에 따라 복사역전, 침강역전, 이류역전 등으로 구분. 이 중

야간의 복사 냉각에 의해 발생하는 복사역전과 미국 LA지역에서 자주 발생되는 침강역

전이 중요함. 이들 기온 역전 현상을 종류별로 간단히 설명하면 다음과 같음.

㉮ 복사역전 : 지표는 대기보다 쉽게 가열되고 식으므로 주간에 충분히 가열되었던 지표가

야간에 계속 냉각되면 지표부근의 대기 온도가 상층의 대기보다 낮아져 역전층을 형성

하게 됨. 이 역전층은 대개 지표 부근에서 발생되므로 대기오염에 많은 영향을 미침.

㉯ 침강역전 : 고기압 중심에서는 상층의 공기가 서서히 침강하게 되며 이때 하강하는 기

층은 단열 압축에 의해 온도가 올라가게 되어 하층의 대기층 사이에 역전층을 형성함.

이 층은 대개 상층에서 발생되나 매우 안정하고 오염물질의 수직 확산을 억제함.

㉰ 이류역전 : 따뜻한 공기가 차가운 공기위로 이류되면서 나타나는 기온 역전을 말하며

전선역전도 이의 일종임.

(나) 혼합고

① 혼합고란 : 지상의 대기가 난류.확산에 의해 혼합될 수 있는 고도를 말하며 하루중 가장

높은 혼합고도를 일최대 혼합고라 하며 보통 15시경에 나타난다.

② 계산 방법 : 흔히 상층기상 자료에서 지상의 기온을 건조단열 감율선을 따라 그은 선과

환경감율선이 만나는 고도를 혼합고로 결정하며, 보통 혼합고 부근에서는 역전층, 습도

또는 풍향의 급변이 나타남.

③ 온위 이용법 : 혼합고 산정시 온위(potential temperature)를 사용하면 편리함. 온위란

어떤 고도에서의 기온을 일정한 고도(대개 1,000hPa)에서의 기온으로 환산한 값(절대온도

로서)을 말하며 실질적인 온도차를 비교할 수 있음. 즉, 온위 θ는,

θ = T(Po/P)R/Cp = T(1000/P)0.2859

T : 온도(K)

P : 기압(hPa)

R : 기체상수(287 Jkg-1K-1)

Cp: 정압비열(1,004 Jkg-1K-1)

(2) 대기확산모델

ㅇ 대부분의 확산모델에서는 시간별 풍향, 풍속과 혼합고, 대기안정도, 기온 등의 자료가 직접

또는 가공된 형태로 입력됨.

ㅇ 이들 관측자료는 연기상승(plume rise)과 수직.수평 확산 이동을 결정하는 주요 인자들임.

ㅇ 또한 기상관측 자료중 대기안정도를 계산하는데 필요한 인자는 풍속, 고도별 기온변화율,

일사량(또는 운량, 운고), 풍향의 표준편차 등이 있다.

자료제공자 : 건 국 대 학 교 환 경 공 학 과 대 기 오 염 연 구 실
작성자 : 대기물리과 환경연구사 김정수(공학석사)

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