실험실에서 탄생한 대기권, 기상관측 정확도 높여!
# 기상 전문가들은 어떻게 하늘 높은 곳까지 관측할 수 있을까? 정답은 하늘 높이 띄운 ‘라디오존데(radiosonde)’에 있다. 라디오존데는 풍선에 매달려 약 35 km 상공까지 올라가 기온, 습도, 기압 등의 기상상태를 측정하는 관측계이다. 센서와 송신기로 구성되어 있으며, 저렴하면서도 강우나 주야에 관계없이 상공을 관측할 수 있다는 장점 또한 있다.
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)이 기상관측 시스템을 실제 대기권과 동일한 환경에서 평가 가능한 기술을 개발, 관측의 정확도를 향상시키는 데 성공했다.
KRISS 고층기상연구팀*은 기온, 습도, 기압, 태양복사, 풍속 등의 기상요소를 구현하고 정밀 제어할 수 있는 고층기상모사시스템을 개발했다. 또한 해당 시스템을 기반으로 라디오존데의 온도 측정 능력을 0.1 ℃ 수준까지 평가하는 기술 개발에도 성공했다.
◦ 이번 기술을 이용하면 35 km 상공의 성층권까지 기온을 정확하게 측정할 수 있다. 지구온난화, 미세먼지 등과 직결되는 기후변화 예측의 가장 큰 불확실성이 제거되는 것이다.
* KRISS 고층기상연구팀 : 열유체표준센터 연구책임자 김용규 책임연구원 외 KRISS의 온도, 습도, 유동, 광도분야 전문가 10명으로 이루어진 융합연구팀
기온은 기후변화를 직접적으로 알 수 있는 대표적인 1차 지표이다. 지상에서 10 ~ 15 km 높이까지 공기순환이 일어나는 대류권의 기온은 주로 단기적인 날씨예보에 활용하는 반면, 대류권 위 성층권의 기온은 상시 안정적인 상태를 유지하여 장기적인 기후변화 감시에 사용된다.
성층권과 같은 고층기상은 풍선에 라디오존데를 매달아 띄워 관측하는 것이 일반적이다. 이 때, 지상과는 달리 고층에서는 바람과 태양복사로 인해 온도의 측정값에 변화가 발생한다. 실제 측정값과 일치시키기 위해 온도센서를 교정해야 하는 이유다.
지금까지는 다양한 기상요소를 고려하면서 센서를 교정할 수 있는 방법이나 기준이 국제적으로 전무하여, 측정값을 정확하게 평가하는 데 어려움이 많았다.
실험실에서 센서를 교정할 때 가장 큰 어려움은 일정한 바람을 만드는 것이다. 고층기상의 특징인 저온 및 저압 조건에서는 단순히 팬(fan) 만으로 원하는 풍속을 재현할 수 없었다.
KRISS 연구팀은 라디오존데를 다양한 기상 조건에서 풍속 및 태양복사량에 따라 정밀 보정할 수 있는 ‘고층기상모사시스템’과 ‘온도교정기술’을 개발했다. 연구팀은 바람을 만들기 위해 특정 조건에서 일정한 속도로 공기를 흘려보내는 소닉노즐(sonic nozzle)*을 최초로 도입했다.
* 소닉노즐(sonic nozzle) : 공기가 흘러가는 관의 입구보다 출구의 크기를 작게 만들면 특정 압력 조건을 설정할 수 있다. 이 때 방출되는 공기의 양이 일정하도록 하는 제어용 노즐을 소닉노즐이라고 한다.
이번 기술은 대형 챔버에 소닉노즐과 기압제어장치를 설치하고, 원하는 온도와 유속으로 제어된 공기가 흘러가도록 설계되어 있다. 이를 통해 라디오존데는 최대 고도 35 km 까지, 최저 기온 -70 ℃까지 0.1 ℃ 수준으로 정밀 교정할 수 있다. 세계기상기구(WMO)를 비롯한 세계 어느 국가에서도 실현하지 못한 최상위 수준이다.
연구팀을 이끄는 김용규 책임연구원은 “기상청이나 공군 등에서 널리 사용하는 라디오존데를 이제는 국가표준에 맞춰 평가할 수 있게 되었다”며 “국내 기상관측의 신뢰도를 향상시키는 것은 물론, 라디오존데의 국산화에도 기여하여 기상 선진국으로서의 전진기지를 구축할 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 KRISS 주요사업과 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업의 지원을 받았으며, WMO CIMO-TECO* 학술회의에서 발표되었다.
* WMO CIMO-TECO : 세계기상기구(WMO)에서 2년 주기로 개최하는 컨퍼런스. 전세계 기상청 및 기상관측 전문가가 참여하는 대표적인 학술회의다.
[ 연구성과 추가 설명 ]
* 라디오존데(Radiosonde)
- 온도, 습도, 기압, 풍향, 풍속, 오존 농도 등의 기상관측량을 GPS 신호와 함께 지상으로 무선송신할 수 있는 기상관측기기. 온도센서 등의 각종 기상관측용 센서와 GPS 모듈로 구성되어 있다. 지름 2 m 정도의 대형 풍선에 공중으로 띄어 보내면, 최대고도 35 km 까지 5 m/s 정도의 속도로 바람을 타고 올라가 다양한 기상상황을 관측할 수 있다.
- 전체 관측시스템 구성은 라디오존데, 풍선, 지상 무선수신장치로 되어 있다.
- 풍선은 고도가 높아질수록 기압이 낮아지므로 부풀어 오른다. 최고 고도에 도달하면 풍선이 더 이상 팽창할 수 없어 터지게 되며, 풍선에 달려있는 낙하산이 펴지게 되고 라디오존데는 서서히 지상으로 하강한다. 올라가는 위치와 떨어지는 위치는 바람 방향과 세기에 따라 매번 달라지므로 보통 수거하지 않고 1회성 소모품으로 활용한다.
- 날씨예보에서 많이 듣는 “몽골 상공의 차가운 공기가 남하하여 우리나라의 날씨가 추워지겠습니다.” 등의 말에서 상공의 공기가 얼마나 차가운지 알 수 있는 방법이 바로 라디오존데를 수시로 띄워서 고층상태를 모니터링하는 것이다.
- 국제적으로 모든 WMO 회원국들은 주기적으로 라디오존데를 띄워 그 정보를 전 세계와 공유하고 있으며, 우리나라도 포항 기상대에서 항시 관측하고 있다.
연구성과 문답 (Q&A)
- 이번 성과 뭐가 다른가
세계 최초로 성층권 상태인 저온저압 분위기와 태양복사에 의한 온도가열 조건 및 풍선의 상승에 의한 공기유동 효과를 동시에 재현할 수 있는 시스템을 개발하는데 성공했다.
해당 결과는 범지구관측시스템(GCOS) 산하 기준고층기상네트워크(GRUAN)의 리드센터인 독일 기상청 Lindenberg 관측소를 앞서는 수준이다. 궁극적으로 성층권에서 라디오존데의 바람과 태양복사에 의한 온도 변화를 보정할 수 있는 세계 유일의 기술을 개발한 것이다.
- 어디에 쓸 수 있나
1. 기상용 라디오존데 국가표준 소급성체계 구축
기상청이나 공군 등에서 상시 사용하는 라디오존데의 성능을 국가표준에 맞추어 검증할 수 있다.
2. 기상 관측 정확도 향상
라디오존데가 측정하는 온도값이 더욱 정확해짐에 따라 이를 기반으로 하는 기후변화 예측 또한 신뢰성이 향상될 것이다. 추후 지구온난화, 미세먼지 등에 참고로 제시할 수 있는 자료들이 더욱 신뢰성을 가질 것으로 보인다.
3. 국제 태양복사 보정 방법의 변경
이제는 태양복사 온도상승에 의한 보정을 제조회사가 주는 값이 아닌 정확한 측정에 기반할 수 있게 된다. 이 기술이 WMO에 받아들여지면 과거 수 십 년 동안 전 세계 기상청에서 측정된 모든 고층기상 데이터의 수정이 이루어질 수 있다.
4. 신개념 라디오존데 개발
낮에 발생하는 태양에 의한 온도상승 효과와 밤에 발생하는 야간 복사에 의한 온도하강 효과를 모두 실시간으로 보정할 수 있는 새로운 개념의 라디오존데 개발에 활용될 예정이다. 현재 KRISS에서는 두 개의 온도센서를 이용한 신개념 라디오존데 (DTR, Dual Thermometer Radiosonde)를 이용한 고층관측 정확도 향상 연구를 추진하고 있다.
- 에피소드가 있다면?
독일 기상청 소속 연구원 2명이 지난 2018년 12월 KRISS를 방문하여 라디오존데의 태양복사 효과를 공동 연구했다. 앞으로도 지속적인 공동연구로 고층기상관측 오차의 큰 요인인 태양복사 효과를 검증하기로 했다.
[ 연구성과 사진 ]
[ 김용규 책임연구원 프로필 ]
1. 인적사항
- 성 명 : 김 용 규
- 소 속 : 한국표준과학연구원 물리표준본부 열유체표준센터
- 직 위 : 책임연구원
- 전 화 : 042-868-5634
- e-mail : dragon@kriss.re.kr
2. 학력
- 서울대학교 금속공학과 공학사 (1982 ~ 1986)
- 한국과학기술원 재료공학과 공학석사 (1986 ~ 1988)
- 한국과학기술원 재료공학과 공학박사 (1988 ~ 1992)
3. 경력사항
- 1993 ～ 현재, 한국표준과학연구원 책임연구원
- 2003 ～ 2005, 한국표준과학연구원 우대연구원
- 2011 ～ 2013, 한국표준과학연구원 우대연구원
- 2011 ～ 2017, 과학기술연합대학원대학교 측정과학과 교수
- 2012 ～ 2015, APMP 온도기술위원회(TCT) 의장
- 2014 ～ 현재, 국제도량형위원회(CIPM) 온도기술자문위원회(CCT) WG-ENV 멤버
- 2017 ～ 현재, 산업표준심의회 기상기술심의회 위원
4. 수상실적
- 2002 : 국무조정실장상
- 2007 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS인상
- 2013 : 과학기술포상
- 2014 : 기상청장 표창
5. 전문분야 정보
- 온도표준 확립 및 보급, 기상관측 표준체계 구축, 열전에너지 평가 시스템 개발
6. 발표논문 및 특허
- “Correction of solar irradiation effects on air temperature measurement using a dual-thermistor radiosonde at low temperature and low pressure” Meteorol. Appl., 25 (2018) 283-291 등 SCI급 논문 77편
- “복수의 온도센서가 구비된 라디오존데와 이를 이용한 온도측정방법 및 그 보정시스템과 보정 방법” 대한민국 특허 10-17871894 등 국내 등록특허 53건
- “Measuring method of temperature using a radiosonde, correction system thereof and correction method” 필란드 특허 FI 127041 B 등 해외 등록특허 7건
