Downscaling of Sunshine Duration for a Complex Terrain Based on the Shaded Relief Image and the Sky Condition

Experiments were carried out to quantify the topographic effects on attenuation of sunshine in complex terrain and the results are expected to help convert the coarse resolution sunshine duration information provided by the Korea Meteorological Administration (KMA) into a detailed map reflecting the terrain characteristics of mountainous watershed. Hourly shaded relief images for one year, each pixel consisting of 0 to 255 brightness value, were constructed by applying techniques of shadow modeling and skyline analysis to the 3m resolution digital elevation model for an experimental watershed on the southern slope of Mt. Jiri in Korea. By using a bimetal sunshine recorder, sunshine duration was measured at three points with different terrain conditions in the watershed from May 15, 2015 to May 14, 2016. The brightness values of the 3 corresponding pixel points on the shaded relief map were extracted and regressed to the measured sunshine duration, resulting in a brightness-sunshine duration response curve for a clear day. We devised a method to calibrate this curve equation according to sky condition categorized by cloud amount and used it to derive an empirical model for estimating sunshine duration over a complex terrain. When the performance of this model was compared with a conventional scheme for estimating sunshine duration over a horizontal plane, the estimation bias was improved remarkably and the root mean square error for daily sunshine hour was 1.7hr, which is a reduction by 37% from the conventional method. In order to apply this model to a given area, the clear-sky sunshine duration of each pixel should be produced on hourly intervals first, by driving the curve equation with the hourly shaded relief image of the area. Next, the cloud effect is corrected by 3-hourly 'sky condition' of the KMA digital forecast products. Finally, daily sunshine hour can be obtained by accumulating the hourly sunshine duration. A detailed sunshine duration distribution of 3m horizontal resolution was obtained by applying this procedure to the experimental watershed.

하늘상태와 음영기복도에 근거한 복잡지형의 일조시간 분포 상세화

기상청에서 제공하는 넓은 지역의 수평면 일조시간 정보를 복잡한 산간집수역의 지형특성을 반영한 실제 일조시간 분포도로 변환하기 위해 지형효과를 정량화하기 위한 실험을 수행하였다. 경남 하동군 악양면 단일 집수역을 대상으로 정밀 DEM을 이용하여 그림자모형화 및 공제선분석 기법을 적용하여 일중 시간대별 음영기복도 1년 자료를 제작하였다. 2015년 5월 15일부터 2016년 5월 14일까지 1년 간 지형조건이 서로 다른 3지점에서 바이메탈식 일조계로 측정한 일조시간자료에 음영기복도 상 해당 지점의 휘도값을 추출하여 회귀시킴으로써 맑은 날의 휘도-일조시간 반응곡선을 얻었다. 이 곡선식을 하늘상태(운량)에 따라 보정할 수 있는 방법을 고안함으로써 일조시간 상세화 모형을 도출하였다. 이 모형의 신뢰도를 기존 수평면 일조시간 추정기법과 비교한 결과 추정값의 편의가 크게 개선된 것은 물론, 일적산일조시간 기준 RMSE가 1.7시간으로 지형효과를 반영하기 전보다 37% 이상 개선되었다. 어떤 지역을 대상으로 일조시간을 상세화 하기 위해서는 먼저 대상 지역의 매 시간 음영기복도의 격자점 휘도를 모형에 입력시켜 해당 시간대의 청천 일조시간을 추정한다. 다음에 같은 시간대의 기상청 동네예보(하늘상태)에 의해 구름 효과를 보정한다. 이렇게 추정된 매 시간 일조시간을 하루 단위로 적산하여 그 날의 누적 일조시간을 얻는다. 이 과정을 연구대상 집수역에 적용하여 수평 해상도 3m의 정밀한 일조시간 분포도를 얻을 수 있었다.