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원격 기상 관측소 설정 문제

기상청에서는 지난 수년간 수천 개의 원격 기상 관측소와 기상 기기를 설치해 왔기 때문에 설치 시 해야 할 일과 하지 말아야 할 일에 대해 많은 것을 배웠습니다.

이 도움말에서는 최고 품질의 날씨 데이터를 얻기 위해 기상 관측소를 설정할 때 고려해야 할 7가지 기본 단계에 대해 자세히 살펴봅니다.

1. 사전 현장 테스트
2. 적합한 사이트 선택
3. 고품질 설치 기술
4. 현장 확인
5. 문제 해결
6. 메타데이터 기록
7. 설치 후 고려 사항

시작하기 전에 올바른 기상 기기를 사용하고 있는지 확인하기

한 가지 기억해야 할 중요한 점은 고품질의 데이터를 얻으려면 고유한 애플리케이션에 적합한 기상 관측소를 설치해야 한다는 것입니다. 20분 동안 진행되는 이 웨비나에서는 연구 과학자인 더그 코보스 박사가 다양한 유형의 애플리케이션에 적합한 기상 관측소 유형을 살펴봅니다. 알아보세요:

• 비용 분석에서 데이터 품질과 유지 관리 및 측정 매개변수 조합을 고려해야 하는 이유
• 3시즌과 4시즌 성능 비교
• 저급, 중급 또는 고급 솔루션이 필요한 상황은 무엇이며, 어느 정도 수준으로 가야 할까요?
• 다양한 솔루션의 장단점
• ATMOS 41 기상 관측소는 다른 방법과 어떻게 비교되나요?
• 애플리케이션에서 가격 대비 성능의 최적점은 어디일까요?

1단계: 사전 현장 테스트로 두통 예방하기

좋은 설치를 위해 종종 간과되는 단계 중 하나는 기상 기기를 현장에 가져가기 전에 테스트하는 것입니다. 출발하기 전에 계측기를 설정하여 모든 장비가 제대로 작동하고 필요한 도구가 모두 갖추어져 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 사무실, 마당 또는 가까운 공원에서 장비를 테스트할 수 있습니다. 모든 장착 하드웨어를 한데 모으고 모든 기상 계측기와 센서가 제대로 작동하는지 확인하세요. 배터리로 작동하는 시스템과 태양광 패널이 있는 경우, 충전 중인지 확인하세요. 데이터 수집 시스템이 작동하는지 확인하세요. Campbell Scientific 로거와 같은 프로그래밍 가능한 데이터 로거를 사용하는 경우, 프로그래밍 방법을 이해했는지 확인하세요. 로거 프로그램을 테스트하여 올바르게 작동하고 기록되는지 확인합니다. 현재 많은 데이터 수집 백본이 원격 데이터 전송 기능을 갖추고 있으므로 데이터가 서버로 흘러가고 있고 해당 데이터에 액세스할 수 있는지 확인하세요.

그림 2는 몬태나 메소넷이 옥상에 모든 스테이션을 설치하여 비교 테스트를 수행하는 테스트 현장의 예입니다. 이를 통해 모든 것이 제대로 작동하는지 확인하고 설치에 필요한 모든 장비를 갖추고 있는지 확인할 수 있습니다. 이렇게 하면 설치에 필요한 모든 올바른 도구, 마운팅 하드웨어 및 다양한 위젯을 확보할 수 있습니다.

2단계: 원격 기상 관측소 설치에 적합한 사이트 위치 선택하기

다양한 기상 관측 표준에는 기상 계측기 설치에 대한 모범 사례가 나열된 규칙이 있습니다. 표준 모범 사례 중 하나는 경사가 최소화된 장소를 선택하는 것입니다. 모든 지역에서 가능한 것은 아니지만 가능한 한 경사가 가장 적은 장소를 선택하세요. 또한 기상 관측소는 장애물로부터 멀리 떨어져 있어야 합니다. 세계기상기구 (WMO)에서는 장애물 높이의 최소 10배의 거리를 요구하고 있습니다. 예를 들어, 현장에 2m 높이의 관목이 있는 경우 기상 관측소는 그 관목에서 20m 떨어진 곳에 위치해야 합니다. ASABE 표준은 장애물 높이의 10~50배를 요구합니다.

또 다른 모범 사례는 기상 관측소 높이의 100배에 해당하는 균일한 지형(토지 이용에 변화가 없고 장애물이 없는)에 기상 관측기를 배치하는 것입니다. 따라서 2m 높이에 기상 관측소가 있는 경우, 약 200m의 균일한 페치 거리를 확보하는 것이 가장 좋습니다. 그림 3은 장애물 및 페치에 이상적인 장소로, 일반적인 기상 관측을 위한 최적의 장소입니다.

또 한 가지 주의해야 할 점은 피라노미터와 강우량 게이지에 머리 위 장애물이 있는 경우입니다. 강우량계 위에 장애물이 있으면 강우량 측정에 문제가 생길 수 있습니다. 항상 피라노미터의 "시야율"을 확인하세요. 그림 4를 보면 데이터 로거 아래쪽과 나무 캐노피 아래에 강우량계가 놓여 있습니다. 이와 같은 장애물은 강우량계 데이터를 혼동하게 합니다.

또한 장파장 복사 또는 순 복사계용 피르게오미터를 사용하는 경우, 이러한 기상 계측기는 일반적으로 반구형 또는 180도 시야를 가지고 있습니다. 180도 반구형 시야를 가리는 나무나 건물이 있으면 편향이나 오류의 원인이 될 수 있습니다. 따라서 이러한 유형의 기상 계측기는 탁 트인 하늘에 노출되는 것이 중요합니다.

또한 건물, 포장 도로, 산책로, 심지어 식물이 있는 곳이라면 맨땅과 같이 햇빛에 의해 열을 받아 자연적으로 기온을 상승시키는 모든 물체로부터 멀리 떨어진 곳에 원격 기상 관측소를 설치하는 것이 좋습니다. 그리고 그림 4와 같이 수역 가까이에 기상 관측소를 설치하지 마세요.

위에서 설명한 규칙은 일반적인 기상 관측을 위한 것이며 특수 관측에 반드시 적용되는 것은 아니라는 점에 유의하세요. 그림 5는 WMO의 티어 1 사이트용 가이드의 표준을 보여줍니다.

WMO 가이드라인에서는 최소한의 경사, 낮은 초목, 열원으로부터 100m 떨어진 위치, 수역에서 100m 떨어진 위치를 권장합니다.

기상 관측기와 원격 기상 관측소를 설치할 때 마지막으로 고려해야 할 사항은 미기후 영향입니다. 국지적 우울증에 기기를 설치하지 마세요. 국지적 우울증에서 맑은 날씨가 지속되다가 밤에 기온이 상승하면 특히 기온에 큰 편향이 발생할 수 있습니다.

그림 6은 41개의 일체형 기상 관측소를 테스트하는 ATMOS 옥상 테스트베드의 다이어그램을 보여줍니다. 약 220미터 왼쪽에는 토양 센서, 수문 장비 및 수심 센서를 테스트하는 개울 바닥에 또 다른 METER 테스트 사이트가 있습니다. 두 사이트 사이에는 약 30미터의 고도 변화와 약 220미터의 수평 거리가 있습니다.

최근 저희는 이 두 곳의 저온 상태를 확인했습니다. ZENTRA Cloud 옥상 테스트베드와 개울 바닥 테스트베드 사이에 6℃의 온도 차이가 있는 것으로 나타났습니다. 이를 통해 원격 기상 관측소나 기상 기기를 국지적인 함몰 지역에 설치할 때 발생할 수 있는 오류의 규모를 짐작할 수 있습니다.

또한 사이트 근처의 초목에도 주의를 기울이세요. 식생은 기상 관측소 근처의 대표적인 식생이어야 합니다. 그리고 산등성이에는 측정 편향이 발생할 수 있으므로 날씨 모니터링 시스템을 산등성이에 설치하지 않는 것이 중요합니다. 마찬가지로 옥상은 일반적으로 기상 모니터링 장소로 적합하지 않습니다. 실제로 표준 기관에서는 옥상 난방으로 인해 상당한 기온 편향이 발생하기 때문에 옥상에 설치하는 것을 허용하지 않습니다. (기상청에서는 옥상 테스트베드에서 성능 문제를 찾기 위해 옥상을 사용하지 않는데, 그 이유는 옥상에서 고품질의 기상 관측을 하려는 것이 아니기 때문입니다. 하지만 옥상은 일반적으로 열악한 장소라는 점에 유의하세요.)

특정 미기후를 특성화해야 하는 경우 해당 미기후에 기상 관측소를 위치시켜야 합니다. 통합 해충 관리 또는 모든 종류의 질병 모델링의 경우, 종종 작물 캐노피에서 모니터링을 수행해야 합니다. 동물의 안락함을 측정하는 경우, 동물이 있는 우리 안에 기상 관측소를 설치해야 하며, 그렇지 않으면 측정값이 대표성을 갖지 못합니다. 스포츠 경기장과 같은 도심 지역에서 사람의 쾌적도를 측정하는 경우, 기상 관측소는 스포츠 경기장에 설치해야 합니다. 특정 작물의 '식물 쾌적도'(예: 물을 줄 시기 또는 식물 스트레스)를 측정하려는 경우, 인터넷에서 날씨 데이터를 가져올 수 없습니다. 해당 미기후에 기상 관측기를 설치해야 하며, 그렇지 않으면 측정값이 대표성을 갖지 못합니다.

예를 들어, 그림 8에서 아이다호의 특정 감자 밭의 경우 내야 기상 관측소 데이터와 인터넷의 지역 기상 관측소 데이터가 일치하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 이 동영상에서는 콜린 캠벨 박사가 이러한 현상이 생육도일(GDD) 모델 예측의 정확도에 어떤 영향을 미치는지 설명합니다.

3단계: 원격 기상 관측소 설치 기술 및 모범 사례

현장에 갈 때는 필요하다고 생각하는 것보다 더 많은 도구를 가져가세요. 전용 설치 삽과 지퍼타이, 펜치, 마커, 손전등, 배터리 등 중요한 도구가 들어 있는 전용 도구 상자를 준비하면 현장을 오가는 데 드는 시간을 절약할 수 있습니다.

또한 동물과 사람의 출입을 막기 위해 가림막을 사용하는 것도 고려해 보세요(그림 9).

기상청은 현재 600개에 가까운 원격 기상 관측소를 통해 아프리카에서 가장 큰 규모의 기상 네트워크를 운영하고 있는 TAHMO와 협력하고 있습니다. 아프리카에서는 기상 관측 장비가 노출된 채로 방치되면 종종 물건이 분실되는 경우가 있기 때문에 모든 기상 관측소( ATMOS 41개) 주변에 동물과 사람의 접근을 막기 위해 덮개를 설치합니다. 또한 동물은 계측기를 파괴할 수 있습니다. 동아프리카의 한 연구자는 하이에나가 줄을 잡아당기고 심지어 코끼리가 기상 관측소 전체를 가지고 돌아다니는 문제를 겪기도 했습니다. 따라서 사이트 주변에 울타리를 설치하는 것을 고려해 보세요.

떠나기 전에 마운팅 하드웨어를 단단히 고정하는 것도 중요합니다. 기상청은 텍사스 A&M 대학에 강우 테스트베드를 두고 텍사스 뇌우로 인한 고강도 강우를 연구하고 있습니다. 최근에 이 테스트베드에서 데이터를 가져와서 강우량 이상 징후를 발견했습니다. 가속도계 데이터를 확인한 결과, 모든 기상 관측소가 수평을 벗어난 것을 확인할 수 있었습니다. 그림 10은 기상 관측소를 점검하러 갔던 연구 기술자가 본 것을 아티스트가 재현한 것입니다. 피팅이 미끄러져서 이 테스트베드를 완전히 다시 작업해야 했습니다.

또한 악천후에 대비해 모든 것을 안정적으로 고정할 수 있도록 가이 와이어를 설치해야 합니다. 가이 와이어를 설치하지 않으면 계측기가 세로 방향이 아닌 가로 방향으로 놓이게 됩니다.

풍향 센서의 방향을 자기 방향이 아닌 진북 또는 진남으로 설정하여 자기 편각을 고려하는 것을 잊지 마세요. 또한 온도 센서를 방사선으로부터 보호해야 합니다. 이는 계측기를 선택할 때 고려할 수 있는 사항이지만 간과하기 쉬운 부분입니다. 이것이 왜 중요한지 알아보려면 다음 웨비나에서 더그 코보스 박사가 방사선에 노출된 방사선 센서의 에너지 균형을 살펴보고 방사선으로 인해 발생할 수 있는 오류에 대해 설명하는 웨비나를 시청하세요.

원격 기상 관측소에 새가 접근하지 못하도록 하는 것이 중요합니다. 새는 열린 공간의 높은 곳에 앉는 것을 좋아하기 때문에 열린 공간 한가운데에 있는 기상 관측기는 손상될 위험이 있습니다(예: 강우량계가 막히거나 새가 배변할 때 기압계가 가려질 수 있음). 대부분의 연구자들은 새가 접근하지 못하도록 새 스파이크 링을 부착합니다.

또한 케이블 관리에도 주의를 기울이세요. 전기 연결과 케이블은 모든 환경 계측기에서 가장 많은 문제를 일으키는 원인입니다. 이러한 연결은 매우 중요하지만 손상되기 쉽습니다. 따라서 케이블이 땅을 따라 지나가는 경우 작은 동물이 케이블을 씹을 수 있으므로 유연한 도관으로 케이블을 보호해야 합니다.

그림 13은 원격 기상 관측소의 잘못된 케이블 관리의 예입니다. 케이블이 고정되지 않은 채 매달려 있으면 안 됩니다.

그림 14는 케이블 관리의 좋은 예입니다. 이 설정은 케이지가 있는 케이블 관리 시스템을 사용하여 모든 케이블을 깔끔하게 정리하고 보호합니다. 케이블이 동물에 걸리지 않고 동물이 접근하거나 씹는 것도 어렵지 않습니다.

4단계: 현장 확인

현장을 떠나기 전에 기상 계측기의 수평을 맞추는 것을 잊지 마세요. 수평을 유지하지 않으면 강우량계가 걸리는 부분이나 입구가 변경되어 오차가 발생할 수 있습니다. 풍속계, 풍속계 또는 장파장 복사 센서도 수평을 유지하지 않으면 오류가 발생할 수 있습니다. 그림 15는 수평이 맞지 않은 방사선 센서의 데이터에 어떤 일이 발생할 수 있는지 보여줍니다.

그림 15의 위쪽 그래프는 두 개의 풍속계에서 얻은 데이터를 보여줍니다. 센서 중 하나는 동쪽을 가리키고 있고 다른 하나는 수평입니다. 동쪽을 가리키는 센서가 더 일찍 온라인 상태가 되고 더 일찍 피크에 도달하므로 센서 하나가 수평을 벗어나는 데 따른 오프셋이 있습니다.

그림 15의 아래쪽 그래프는 하늘이 맑은 날에는 태양 복사 센서 중 하나의 보정에 오류처럼 보이는 오프셋이 있음을 보여줍니다. 그러나 마지막 날은 흐린 날로 두 센서가 거의 완벽하게 일치합니다. 따라서 오차는 실제로 센서 하나가 약간 남쪽을 향하고 레벨 센서보다 더 많은 방사선을 포착한 것입니다. 하늘이 흐린 날에는 오차가 보이지 않지만, 하늘이 맑은 날에는 오차를 확인할 수 있습니다. 이러한 유형의 오류는 현장의 단일 센서로는 식별하기 어렵기 때문에 기상 관측기의 수평을 맞추는 것이 중요합니다. 거의 모든 원격 기상 관측소에는 센서의 수평을 맞출 수 있는 버블 레벨이 포함되어 있습니다. ATMOS 41 기상 관측소에는 데이터 스트림에 X 및 Y 기울기를 제공하는 가속도계가 있어 현장에 있는 센서를 방문하지 않고도 원격으로 수평 여부를 확인할 수 있습니다.

또한 사이트를 떠나기 전에 각 측정값의 데이터를 확인하고 그럴듯한지 확인하세요. 따뜻하게 느껴지는 날에 온도 데이터가 춥다고 표시된다면 분명히 문제가 있는 것입니다. 복사 센서를 확인하여 합리적인 수치가 표시되는지 확인하세요. 우리는 사람들이 온도계에 뚜껑을 덮어놓고 한참 후에야 알아차리는 경우를 많이 보았습니다. 데이터를 확인했다면 최대 제곱미터당 1000와트가 아니라 제곱미터당 0와트에 가까운 수치가 표시되는 것을 알 수 있었을 것입니다.

ZENTRA 유틸리티 모바일을 사용하면 블루투스를 사용하여 스마트폰이나 태블릿에서 값을 확인할 수 있습니다. 사이트에 셀룰러 데이터가 있는 경우 스마트폰이나 태블릿에서 ZENTRA Cloud 필드 앱을 사용하여 데이터가 cloud 로 스트리밍되는지 확인할 수도 있습니다.

또한 이러한 도구를 사용해 외출 전에 시스템 전원 공급 장치가 충전 중이고 제대로 작동하는지 확인하세요. 그러면 사무실로 돌아왔을 때 필요한 데이터를 확보할 수 있다는 확신을 가질 수 있습니다.

5단계: 문제 해결

사용 중인 다양한 기상 관측기의 지원 설명서에 액세스할 수 있는지 확인하여 원격 기상 관측소 설정에 발생할 수 있는 문제에 대비하세요. 사용자 설명서(전자 사본 또는 인쇄본), 통합자 가이드, 기술 자료 또는 문제 해결에 필요한 모든 것을 지참하세요. 그리고 계측기 지원 부서의 연락처 정보도 잊지 마세요. 문제가 발생했을 때 도움이 될 수 있습니다.

6단계: 메타데이터 기록

연구자들이 종종 간과하는 한 가지는 데이터를 더욱 의미 있게 만드는 관련 메타데이터를 기록하는 것입니다. 유명한 명언을 기억하세요: "가장 짧은 연필이 가장 긴 기억보다 길다." 기록하지 않으면 데이터를 이해하는 데 필요한 중요한 정보를 잊어버릴 수 있습니다. 기록해야 할 중요한 메타데이터로는 GPS 위치, 현장 고도, 기상 계측기의 높이, 토양이나 물에서 측정하는 경우의 수심 등이 있습니다. 또한 현장의 경사 및 측면, 식생 특성, 장애물, 음영 문제, 건물, 포장 도로 또는 수역에 대한 노출 여부도 기록해야 합니다.

WMO 표준은 현장에 가져가서 몇 가지 메모를 적는 데 도움이 될 수 있는 템플릿을 제공합니다. 하지만 사진도 꼭 찍어두세요. 계측기 설정 사진은 나중에 매우 유용하며, 특히 현장의 파노라마 사진은 매우 중요합니다.

워싱턴 주립대학교의 AG WeatherNet 웹 포털을 방문하면 수백 개에 달하는 모든 기상 관측소의 파노라마 사진을 볼 수 있습니다. 몇 장의 사진을 보면 기상 관측소로서는 완벽한 장소가 아님을 알 수 있습니다. 일부 나무가 WMO 표준을 위반하고 있지만, 이를 알고 있다면 측정값에 더 많은 의미를 부여할 수 있습니다.

계측에 대한 메타데이터도 수집해야 합니다. 그림 19는 ZENTRA cloud 에서 다운로드한 Excel 파일입니다. ZENTRA Cloud 에서 데이터를 다운로드하면 로거에 대한 정보(SIM 카드, 셀 신호, GPS 위치 등)와 센서 일련 번호, 모든 계측기의 이름 등 관련 메타데이터를 모두 얻을 수 있습니다. 펌웨어 버전 등과 같이 메타데이터에 더 많은 의미를 부여하는 추가 필드를 추가할 수도 있습니다. METER는 ZENTRA cloud 의 메타데이터 기능을 지속적으로 개선하고 있으므로 앞으로 더 많은 기능을 기대하세요.

7단계: 설치 후

마지막으로 사무실로 돌아가면 데이터를 일찍 그리고 자주 확인하세요. 원격 기상 관측소에 대한 원격 데이터 액세스는 큰 도움이 됩니다. ZENTRA Cloud 및 기타 원격 데이터 액세스 프로그램을 사용하면 데이터가 이미 그래프로 표시되어 있으므로 사이트의 데이터 이상 징후나 문제를 찾을 수 있습니다. ZENTRA Cloud 에 문제가 있는지 알려주는 알림이 있습니다.

예를 들어 배터리 충전량을 확인하여 배터리 교체 시기를 파악할 수 있습니다. 일상적으로 데이터를 확인하면 고품질의 데이터 세트를 확보하는 데 도움이 됩니다.

원격 기상 관측소 FAQ

기상 측정기의 수평을 맞추고 방향을 잡을 때 어느 정도의 정밀도를 찾아야 하나요?

레벨이 높을수록 좋습니다. x와 y를 00에 맞추는 것이 가장 좋으며, 그렇지 않으면 복사량 오차가 발생합니다. 램버트의 코사인 법칙을 찾아보면 맑은 날에 태양 복사량 측정에서 예상할 수 있는 오차를 알 수 있습니다. 특히 기울기 양동이나 낙하량 계수식 강우량계는 특히 문제가 됩니다. 양동이가 충분히 수평을 벗어나면 강우량 측정값을 수집하지 못합니다. 수평에서 4~5도 벗어나면 데이터에 문제가 생길 수 있으므로 최상의 측정을 위해 스테이션의 수평을 X와 Y 모두 2도 이내로 유지하는 것이 좋습니다.

도시 지역에서 날씨 변수를 측정하기 위한 모범 사례는 무엇인가요? 이러한 종류의 설치에 대한 권장 사항이 있나요?

도시 지역의 미시 환경은 자연 지역보다 더 열악합니다. 따라서 기상 관측소를 두 블록 떨어진 곳이나 그늘 대신 햇볕이 드는 건물 반대편이 아닌 관심 있는 위치에 설치하세요. 미기후 영향도 고려해야 합니다. 많은 도시 지역에서는 미기후 영향을 특성화하고 이해 관계자를 위해 보다 지역화된 관측 자료를 얻기 위해 조밀하게 기상 관측 네트워크를 구축합니다.

원격 기상 관측소 설치와 관련하여 따라야 할 구체적인 체크리스트가 있나요?

체크리스트를 사용하는 것을 적극 권장합니다. 일반적인 설치 체크리스트는 여기에서, 기상 관측소 설치 고려 사항은 여기에서 확인할 수 있습니다.

기상 계측기의 교정 또는 유지보수를 위한 권장 사항이 있나요?

대부분의 계측기는 시간이 지남에 따라 측정값에 어느 정도의 편차가 발생하고 정확도가 떨어집니다. 기상 기기의 정기적인 재보정은 표준 관행입니다. 복사 센서, 습도 센서, 온도 센서 또는 기압 센서의 각 제조업체는 드리프트를 지정하고 센서의 재보정 주기에 대한 권장 사항을 제공합니다. ATMOS 41 태양 복사 센서는 2년마다 교체하는 것이 좋습니다. 기압 및 상대 습도 도터보드에 대해서도 동일한 권장 사항이 있습니다. 센서의 정확성을 중요하게 생각하기 때문에 이러한 구성 요소는 현장에서 교체할 수 있으며, 사용자가 쉽게 교체할 수 있도록 노력했습니다.

빙하 표면처럼 매우 안정적이지 않을 수 있는 장소에 원격 기상 관측소를 설치해야 하는 경우, 이런 상황에 대비해 어떤 방법을 제안하시나요? 

빙하에서는 기상 관측소를 제자리에 고정할 수 있는 충분한 안정성을 확보하기 위해 기둥을 빙하 깊숙이 박아야 합니다. 지표면 위의 높이가 시간이 지남에 따라 변하기 때문에 어려운 상황입니다. 또한 기상 관측소의 존재로 인해 빙하가 녹는 등의 미기후 영향이 발생할 수도 있습니다. 원격 데이터 액세스와 스트림의 사진을 통해 거의 실시간으로 무슨 일이 일어나고 있는지 확인하여 문제가 발생하면 설치를 수정할 수 있다면 좋은 아이디어가 될 것입니다.

ATMOS 41 기상 관측소 및 ZL6 데이터 로거를 살펴보세요.

질문이 있으신가요?

기상 관측소를 애플리케이션에 어떻게 활용할 수 있는지 알아보고 싶으신가요? 저희 과학자들은 수십 년 동안 연구자와 재배자들이 토양-식물-대기 연속체를 측정하는 데 도움을 준 경험을 가지고 있습니다.

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