Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 27, No. 3 (2017) pp. 291-300 https://doi.org/10.14191/atmos.2017.27.3.291 pissn 1598-3560 eissn 2288-3266 연구논문 (Article) 제주도고산지역자외선복사의월변화특성과원인고찰 김영아 1) * 최우갑 2) 1) 국립기상과학원환경기상연구과, 2) 서울대학교지구환경과학부 ( 접수일 : 2017 년 5 월 8 일, 수정일 : 2017 년 8 월 6 일, 게재확정일 : 2017 년 8 월 24 일 ) A Study on the Monthly Characteristics of Solar UV Radiation in Gosan, Jeju Young-Ah Kim 1) * and Wookap Choi 2) 1) Environmental Meteorology Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Jeju, Korea 2) School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul, Korea (Manuscript received 8 May 2017; revised 6 August 2017; accepted 24 August 2017) Abstract The monthly-mean irradiance of ultra violet (UV)-B and UV-A observed from 2005 to 2014 and 2012 to 2014, respectively, at noon in Gosan, Jeju, South Korea are analyzed. We compare cloudiness, total ozone, visibility, and relative humidity with an emphasis on the four months from May to August (MJJA), which shows the largest UV radiation. While the incoming UV-B radiation at the top of the atmosphere in Gosan is the largest in June due to the small solar zenith angle, the observed surface UV-B shows an unexpected smaller value in June than those in May, July or August. In June, the meteorological conditions affecting Gosan are completely dominated by cloudiness and thus, frequent overcast seems to determine the minimum UV-B. Another important UV-determining factor is the total ozone, which exhibits a monotonic decrease during MJJA without agreeing to the characteristic feature of UV. The ratio of UV-B to UV-A is not generally influenced by cloudiness. Thus, the ratio is a useful indicator of atmospheric turbidity showing larger values for increasing visibility, except in June. A simple model has been used to estimate surface UV by using the observed ozone and visibility in the cloudless condition. The result shows that UV has the lowest value in June with small variation during MJJA. Model estimation also shows that the different characteristic features observed in July between surface UV-B and UV-A is the result of less absorption of UV-B by ozone than that of UV-A by a smaller amount of total ozone. Key words: UV-B, UV-A, Gosan, cloudiness, total ozone, visibility 1. 서론 자외선 (UV) 은 10~400 nm 파장영역의전자파로보통 280~400 nm 영역이지표에도달하는데이는지표에도달하는태양복사에너지중가장짧은파장영역이며, 지구대기에도달하는전체에너지의약 7.6% *Corresponding Author: Young-Ah Kim, Numerical Data Application Division, Numerical Modeling Center, 61 Yeouidaebang-ro, 16-gil, Dongjak-gu, Seoul 07062, Korea. Phone: +82-2-2181-0544, Fax: +82-2-2181-0908 E-mail: kyababy2@korea.kr 를차지한다 (Gueymard, 2004). 지표자외선은생물체의세포와섬유조직에영향을미치며특히 DNA 손상을가져올수있는데파장이 320 nm 이상이되면이에대한영향이거의없는것으로알려져이를기준으로 UV-B (280~320 nm) 와 UV-A (320~400 nm) 로나누어그영향을구분한다. 한편, 인간피부에미치는영향은 UV-A 가 UV-B 보다피부조직깊숙이침투가가능하며 (Korea Meteorological Administration (KMA), 2016), 눈에손상을주는것도주로깊이침투가가능한 UV-A 이다 (Calbó et al., 2005). 지표에서관측되는 UV 복사량은태양천정각의변 291
292 제주도고산지역자외선복사의월변화특성과원인고찰 화에따른광로의길이 (optical path length) 변화와대기구성물질에의한흡수및산란의영향을주로받는데특히, 오존에의한흡수영향과에어로졸에의한산란영향이크고강수, 구름등날씨의영향도많이받는다. 월별로는태양천정각이작아지는 5~8 월중오존전량이감소하고에어로졸영향이적어지는 7, 8 월에최대가되는경우가많았으며지역별차이가있었다 (Oh et al., 1994; Cho et al., 1998; Kim et al., 1998; Cho et al., 2001; Kim et al., 2001; Kim et al., 2011; Kwak and Kim, 2011). 본연구에서는기상청자외선관측망중고산지역의 UV 복사의월변화특성과그원인에대해고찰하였다. 2 절에서는사용한자료에대해설명하였고, 3 절에서는 UV-B 복사량의월변화특성을구름이없는상태에서오존과시정의영향과구름의영향으로나누어설명하였다. 4 절에서는같은방법으로 UV-A 복사량의월변화특성을살펴보았고, 5 절에서는고산지역 6 월의 UV 복사량의특이성에대해고찰하였다. 6 절에서는결과를정리하고토의하였다. 2. 자료 본연구에서사용한자료는고산 (33.3 o N, 126.2 o E) 에서관측된 UV-B, UV-A, 전운량, 시정, 상대습도, 오존전량이다. UV-B 는 UV-B Biometer 를이용하여 280~ 320 nm 파장영역에서 10 분간격으로관측된자료로 12 시에관측된자료를일대표값으로사용하였고, 사용된자료기간은 2005~2014 년이며, 단위는 MED (Minimal Erythermal Dose) 이다. 1 MED 는 5.83 10 2 W m 2 와같으며, 본연구에서는 µw cm 2 로나타내었다. UV-B 복사량자료는자료의품질관리를위해관측기기센서온도가 25 o C 로정상상태일때의자료만사용하였다. 또, 10 년동안관측된자료의매관측시간별통계적특성을이용하여관측가능한최고값을경험적으로설정하였으며, 0 부터관측가능한최고값사이에있는자료만사용하였다. UV-A 는 UV-A Radiometer 를이용하여 320~400 nm 파장영역에서 10 분간격으로관측된자료로 12 시에관측된자료를사용하였고, 단위는 µw cm 2 이며자료기간은 2012~2014 년이다. UV-A 복사량자료도 UV-B 복사량과유사한방법으로자료품질관리를수행하였다. 3 년동안관측된자료를이용하여관측가능한최고값을통계적방법으로결정하였고, 0 부터결정된최고값사이의자료만사용하였다. 단, UV-A 의경우관측센서온도자료를이용할수없어기기오류에따른품질관리는수행하지못했다. 전운량 (1/10), 시정 (dam), 상대습도 (%) 는지상에서매시관측된자료중 12 시관측자료를사용하였으며, Fig. 1. Monthly-mean UV-B irradiance for 10 years from 2005 to 2014 observed at noon in Gosan. 자료기간은 2005~2014 년이다. 오존전량은 Brewer Spectrophotometer 로관측된일평균자료를이용하였고, 단위는 DU (Dobson Unit) 이며사용된자료기간은 2011~2015 년이다. 본연구에서는관측시간을일치시켜 UV 복사량과다른변수와의관련성을보고자하였으며, 관측시간은고산의남중시각이 12 시 35 분경인점을고려하여자외선복사량이많은 12 시를선택하였다. 또, 12 시관측 UV 복사량의월변화경향은일최대 UV 복사량의월변화경향과유사하여 (not shown) 월변화특성고찰에무리가없어보였다. 그리고, 자료기간을 2014 년까지로한이유는전운량자료를사용할수있는기간과일치시키기위해서였다. 단, 오존전량은일평균자료를이용하여계산한월변화만을사용하였으므로자료기간을 2015 년까지로하였다. 3. UV-B 복사량의월변화특성 2005~2014 년의 10 년동안 UV-B 복사량의월평균변화 (Fig. 1) 는 1 월부터점차커져 8 월에 16.5 µw cm 2 로최대가되고이후점차작아져 12 월에 3.7 µw cm 2 로최소가되는, 1 년을주기로하는변화경향을보였다. 그런데, 6 월은예외적으로 UV-B 복사량이많아지는 5~8 월중가장적었으며그값은 13.0 µw cm 2 였다. 고산지역에서 6 월은월평균태양천정각이가장작고따라서대기밖에서입사되는 UV-B 복사량이가장많은때이므로이러한결과는다소의외였으며, 이는고산지역의대기특성과관련되므로그구체적원인에대해고찰하였다. 3.1 구름이없을때오존과시정의영향지표에서관측된자외선복사량은구름, 오존, 시정 ( 에어로졸 ) 등에의한영향이모두반영된결과로, 관측값으로부터개별영향을정량적으로파악하기는어 한국기상학회대기제 27 권 3 호 (2017)
김영아 최우갑 293 Fig. 2. Monthly-mean total ozone from 2011 to 2015 in Gosan. The vertical bar denotes one standard deviation. Fig. 4. Spectral transmittance calculated based on by ozoneabsorption (dash-dotted line), by turbidity (dotted line), by Rayleigh scattering (dashed line), and by total extinction effects (solid line). The thin vertical line located at 0.32 µm denotes the boundary between the UV-B (left) and the UV-A (right). Fig. 3. Monthly-mean visibility for 10 years from 2005 to 2014 observed at noon in Gosan. 렵다. 본연구에서는구름이없을때 6 월의 UV-B 복사량에미치는오존과에어로졸의영향을정량적으로고찰해보기위하여자외선복사전달과정을계산하는간단한경험모델 (Brine and Iqbal, 1983) 에기초하여오존에의한흡수와시정에따른대기혼탁도의영향을계산하였다. 계산에사용된오존전량과시정의월평균값은고산지역에서관측된값으로, 오존전량의월변화경향은 (Fig. 2) 4 월이 341 DU 로가장높았고 10 월이 280 DU 로가장낮았으며, UV-B 복사량이많아지는 5~8 월기간에는 5 월, 6 월, 7 월, 8 월순으로그값이작아졌다. 시정의월변화경향은 (Fig. 3) 가을철인 10 월에약 20.5 km 로가장좋았고여름철인 6 월에약 12.4 km 로가장나빴으며, 5~8 월기간동안에는 6 월, 7 월, 5 월, 8 월의순서로시정이좋아졌다. 구름이없는상태에서파장별로지표면에수직으로도달하는복사조도 (direct spectral irradiance, E λ ) 는다음과같이계산하였다 (Leckner, 1978). E λ = E 0λ τ rλ τ ozλ τ aλ (1) 여기서, E 0λ 는대기밖에도달하는태양복사조도이고, τ rλ, τ ozλ, τ aλ 는각각레일레이산란, 오존흡수, 대기혼탁도에따른투과비 (transmittance) 이다. 대기밖에도달하는태양복사조도는 World Radiation Center 스펙트럼 (Fröhlich and Wehrli, 1981) 을이용하였고, 미국표준대기 (Atmosphere U. S., 1976) 상태를가정하였다. 단, λ 는 280~400 nm 범위에서 5nm 간격으로계산하였다. 각각의투과비를계산하는방법은부록에서보였다. 먼저, 자외선파장역에서파장에따라레일레이산란, 오존흡수, 대기혼탁도의영향등이어떻게나타나는지보았다. 고산지역의 6 월의평균태양천정각 10.2 도, 오존전량 330 DU, 시정 20 km 상태일때를가정하고파장별투과도를계산하였다 (Fig. 4). 그림에서가는수직선으로나타낸 0.32 µm 를기준으로그왼쪽부분이 UV-B, 오른쪽부분이 UV-A 영역이다. 오존의흡수영향을나타내는투과도 ( 쇄선 ) 는 UV-B 영역의짧은파장쪽은 0 에가까웠고차츰증가하여 UV-A 영역에서는투과도가 1 에가까워파장에따른변화가가장컸다. 레일레이산란에의한투과도 ( 파선 ) 도 UV-B 영역에서더작았고파장이증가하면서커졌다. 대기혼탁도와관련된투과도 ( 점선 ) 는파장에따른변화가비교적작지만역시파장이증가하면서커졌다. 그림에서검은실선은세가지영향을모두고려한투과도로, UV-B 영역의짧은파장부분은투과도가 0 에가까워지표에거의도달하지않았다. 지표에도달하는 UV 복사량의비율을레일레이산란, 오존흡수, 대기혼탁도의영향에대해서각각비교하면 (Table 1), UV-B 는레일레이산란, 오존흡수, 대기혼탁도순으로그영향이컸고, UV-A 는레일레이산란, 대기혼탁도, 오존의순서로그영향이커서차이가있었다. 세영향을모두고려하면 UV-B 는대 Atmosphere, Vol. 27, No. 3. (2017)
294 제주도고산지역자외선복사의월변화특성과원인고찰 Table 1. Percentage of the UV-B and UV-A irradiances reaching at the surface calculated by including the effects of Rayleigh scattering, ozone absorption, atmospheric turbidity and all the above extinction effects. The conditions for the calculation are described in the text. UV-B (%) UV-A (%) Rayleigh scattering 34 58 Ozone absorption 38 99 Turbidity 55 62 Total 08 36 기를통과하면서대부분소산되고약 8% 만이지표에도달하였고, UV-A 는약 36% 가지표에도달하는것으로계산되었다. 같은방법으로고산지역에서관측된월평균오존전량과시정자료를이용하여구름이없는상태에서자외선복사량의월변화를계산하였다. 고산지역에서계절에따른태양천정각변화를고려하여매일 12 시에대기밖에도달하는 UV-B 복사량을계산하면 Fig. 5a 와같으며, 태양천정각이가장작은 6 월의값이가장크다. 대기를통과하면서레일레이산란, 오존흡수, 에어로졸산란등의영향을고려했을때나타나는 UV-B 복사량의월별값의변화를 Fig. 5b 에서보였다. Figure 5b 의가장위에위치한파선은레일레이산란을고려했을때의월평균변화로, 5~8 월의값들을비교하면 6 월, 7 월, 5 월, 8 월의순서로큰값을보여태양천정각에따른광학길이의영향을반영하며 6 월이가장크다. 위에서두번째로위치한점선은레일레이산란과오존흡수의영향을함께고려한결과로 7 월, 6 월, 8 월, 5 월의순서로큰값을보여 6 월이 7 월에이어두번째가되었다. 위에서세번째에위치한굵은실선은레일레이산란과오존흡수및시정에따른대기혼탁도의영향을모두고려하여계산한 Fig. 6. Monthly-mean total cloud amount for 10 years from 2005 to 2014 observed at noon in Gosan. 결과로 5~8 월중 8 월, 7 월, 5 월, 6 월의순서로큰값을보여작은차이지만 6 월이가장작아관측과유사하였다. 이러한결과는고산지역에서의오존과시정의월변화가 UV-B 복사량의월변화및 6 월의값이작아지는데상당정도영향을미쳤음을알게해준다. 3.2 구름의영향 2005~2014 년의 10 년동안관측된전운량의월평균변화 (Fig. 6) 를살펴보면 10 월이약 4.7 로가장적었고 6 월이약 7.3 으로가장많았으며, 5~8 월기간을비교하면 6 월, 7 월, 8 월, 5 월의순서로적어졌다. 전운량과 UV-B 복사량의관계를보기위하여하늘상태를구름이없는맑은하늘 ( 전운량 =0), 전운량이각각 1~3, 4~6, 7~9 인 3 구간, 또차폐된하늘 ( 전운량 = 10) 의 5 구간으로나누고, 각각의구간에서평균 UV- B 복사량을계산하여비교하였다 (Fig. 7a). 평균에사용된자료는 2005~2014 년 5~8 월기간의자료로, 구간별평균 UV-B 복사량은맑은하늘상태부터차폐된하늘상태까지차례로각각 18.5, 21.0, 19.7, 16.0, 8.4 µw cm 2 였다. 계산결과, 전운량이 1~3 인구간의 Fig. 5. (a) Monthly-mean UV-B irradiance at the top of the atmosphere, and (b) monthly-mean UV-B irradiance reaching at the surface calculated by Rayleigh scattering (dashed line), by Rayleigh scattering plus ozone absorption (dotted line), and by all the extinction effects (solid line). The conditions for the calculation are described in the text. 한국기상학회대기제 27 권 3 호 (2017)
김영아 최우갑 295 Fig. 7. (a) Average UV-B irradiance observed at noon in Gosan for the each range of the total-cloud amount for 10 years from 2005 to 2014. The vertical bar denotes one standard deviation. (b) Frequencies for each total-cloud range in May (blue), June (red), July (yellow), and August (green). UV-B 복사량값이가장컸으며맑은하늘상태일때의약 114% 였다. 전운량이 4~6 인구간도맑은하늘상태일때의약 106% 로그값이오히려커졌다. 구름에의해지표복사량이증가하는현상은구름에의한반사 (reflection) 와전방산란 (forward scattering) 의증가효과로설명되며, 연구결과에따라편차는있지만대체로전운량이 4 이하일때는지표자외선복사량에미치는영향이크지는않다 (Calbó et al., 2005). 한편, 전운량이 7~9 인구간은맑은하늘상태일때의약 86% 정도로줄어들었고, 전운량이 10 인경우는약 45% 정도로급격히작아져하늘이차폐됐을때구름에의한 UV-B 복사의차단효과가매우커졌다. Figure 7b 에서는 5 구간으로나눈하늘상태에따른월별현상일수비율을 5 월 ( 파랑 ), 6 월 ( 빨강 ), 7 월 ( 노랑 ), 8 월 ( 녹색 ) 의순서로비교하였다. 그결과, 전운량이 10 인차폐된하늘상태의현상일수비율은 6 월이가장높았다. 또, 6 월은전운량이 7~9 인현상일수비율도높았지만전운량이 0 인맑은하늘상태의현상일수비율은매우낮아구름에의한 UV-B 복사량의차단효과가매우컸음을알수있었다. 이에비해 5 월은맑은하늘의현상일수비율이가장높았고전운량이 7~9 인현상일수비율은가장낮았다. 한편, 8 월은맑은하늘현상일수비율은가장낮았지만차폐된하늘상태의현상일수비율도가장낮아구름에의한차단효과가상대적으로작았다. 즉, 6 월은고산지역의오존과시정의월변화에따른영향으로 UV 복사량값이적어졌고, 이에더하여구름에의한차단효과가가장컸기때문에관측과같이매우적은값을보였다고생각한다. 4. UV-A 복사량의월변화특성 UV-A 복사량의월평균분포를보면 (Fig. 8, 검은선 ), Fig. 8. Monthly-mean UV-A irradiance reaching at the surface calculated by Rayleigh scattering (blue), by Rayleigh scattering plus ozone absorption (green), and by all the extinction effects (red). The conditions for the calculation are described in the text. The black line denotes monthly-mean UV-A irradiance observed at noon from 2012 to 2014 in Gosan. 1 월부터 5 월까지커져 5 월에 2137 µw cm 2 로최대가나타났고, 6 월과 7 월에작아졌다가 8 월에다시커져 2014 µw cm 2 로두번째로큰값이나타났고이후 12 월까지계속작아져 12 월에 779 µw cm 2 로최소값이나타났다. 5~8 월동안의값을비교해보면 5 월, 8 월, 6 월, 7 월의순서로큰값을보였다. 다만 UV-A 의평균값이상대적으로짧은기간 (2012~2014 년 ) 의자료로결정되었음은앞에서언급한바있다. 앞서 UV-B 의월평균분포를계산할때와같은조건즉, 표준대기상태를가정하고고산지역에서관측된오존, 시정의월평균값을이용하여 UV-A 복사량의월변화를계산하였다 (Fig. 8). 그림에서가장위에위치한 UV-A 값 ( 파란색 ) 은레일레이산란만을고려한값으로 6 월, 7 월, 5 월, 8 월의순서로큰값을보여태양천정각의크기를반영하였다. 두번째에위치 Atmosphere, Vol. 27, No. 3. (2017)
296 제주도고산지역자외선복사의월변화특성과원인고찰 Fig. 9. (a) Average UV-A irradiance observed at noon in Gosan for each range of the total-cloud amount from 2012 to 2014. The vertical bar denotes one standard deviation. (b) Frequencies for each total-cloud range in May (blue), June (red), July (yellow), and August (green). 한녹색선은레일레이산란과오존에의한흡수영향을고려한값으로파란색선과큰차이가없이중첩되어보여오존의영향이매우적음을알수있었다. 세번째에위치한빨간색선은레일레이산란과오존흡수영향및시정에따른대기혼탁도의영향을모두고려한값으로 8 월, 5 월, 7 월, 6 월의순서로큰값을보였다. 계산된 UV-A 복사량의월변화경향은오존에의한흡수영향이매우적어상대적으로시정에따른대기혼탁도의영향이컸으며관측과는달랐다. UV-A 복사량과전운량과의관계를보기위하여 UV- B 의경우와같이하늘상태를 5 구간으로나누고각구간별평균 UV-A 복사량을계산하였다 (Fig. 9a). 각구간별평균값을차례로살펴보면각각 2547, 2740, 2456, 2039, 1132 µw cm 2 이다. 전운량이 1~3 일때의복사량이맑은하늘상태일때의약 108% 로가장컸으며, 전운량이 4~6, 7~9 일때는각각약 96%, 약 80% 로감소했고, 전운량이 10 인차폐된하늘상태일때는약 44% 로큰폭으로감소했다. UV-A 복사량의크기도구름이약간있을때오히려커져 UV-B 와유사하였지만전체적으로 UV-B 보다구름에의해조금더많이감소하고있었으며, 이러한차이는구름상부에서대기로후방산란된후다시구름을투과하여지표에도달하는양이파장이짧을수록커지기때문인것으로알려져있다 (McCormick and Suehrcke, 1990; Kylling et al., 1997). 하늘상태구간별현상일수비를 5~8 월에대해각각비교해보면 (Fig. 9b), 5 월 ( 파랑 ) 은맑은하늘상태일때가가장많고차폐된하늘상태일때는가장적었다. 8 월 ( 녹색 ) 은차폐된하늘상태일수는 5 월에이어두번째로적었지만맑은하늘상태일때가 5 월보다훨씬적고전운량이 7~9 인구간일때는많아구름에의한 UV-A 복사량차단효과가 5 월보다컸다. 구름이많았던 6 월과 7 월의경우, 7 월 ( 노랑 ) 은차폐된 Fig. 10. Average total-cloud amount for the 5 different ranges of the visibility during MJJA (solid line) and June (dotted line) observed at noon from 2012 to 2014 in Gosan. 하늘상태일때가가장많았고 6 월 ( 빨강 ) 은전운량구간이 7~9 일때가가장많았다. 따라서구름에의한 UV-A 복사량감쇄효과는 5 월, 8 월, 6 월, 7 월순으로컸으며, 관측된월평균 UV-A 복사량이 5 월에가장크고 7 월에가장작은분포를보이는것과관련이큰것으로보였다. 한편, UV-B 와 UV-A 의월평균복사량분포에서 UV-B 는 6 월이가장낮았지만 UV-A 는 7 월이가장낮았던것은 7 월의오존전량이 6 월보다적은데 UV-A 는오존의영향을거의받지않는것과도관련된다. 5. 고산지역 6 월자외선복사의특이성 앞에서계산을통해시정에따른대기혼탁도가 UV 복사량에상당정도영향을미치는것을보았다. 여기에서는관측자료를이용하여시정에따라지표자외선복사량이어떻게변하는지살펴보았다. 시정을 0~ 한국기상학회대기제 27 권 3 호 (2017)
김영아 최우갑 297 Fig. 11. Average ratio of the UV-B and UV-A irradiances observed at noon in Gosan for each range of the total-cloud amount from 2012 to 2014. The vertical bar denotes one standard deviation. Fig. 12. Average ratio of the UV-B and UV-A irradiances for the 5 different ranges of the visibility during MJJA (solid line) and June (dotted line) observed at noon from 2012 to 2014 in Gosan. 5, 5~10, 10~15, 15~20, 20 km 이상의 5 구간으로나누고각구간별 UV-B 와 UV-A 의평균값을구해보면, 시정이좋아질수록 UV-B 와 UV-A 복사량이모두많아졌다 (not shown). 그런데시정은대기중에어로졸에의한대기혼탁도의영향뿐만아니라날씨상태의영향도받으므로시정이좋아질때자외선복사량이증가하는것을대기혼탁도의영향으로만생각할수는없다. 앞서살펴본바와같이자외선복사량에미치는구름의영향이크므로, 먼저시정구간별평균전운량값을비교하였다 (Fig. 10). 그림에서 5~8 월의평균값 ( 실선 ) 은시정이 5km 미만일때 7.2 이고시정이 5~10 km 사이일때 7.4 로약간상승하여가장많아졌다가이후시정이증가하면서감소하였다. 따라서시정에따른 UV-B 와 UV-A 의증가에는전운량이감소하면서자외선복사량이증가하는영향도포함되었다고볼수있다. 전운량에따른자외선복사량의영향을제거하기위하여, UV-B, UV-A 모두운량에따라감쇄되는정도가유사하고 (not shown) 구름에의한산란은파장의영향이크지않다는특성을이용하여 UV-B 와 UV- A 의비를운량의영향이제거된양으로이용하였다 (Bais et al., 1993; Bartlett and Webb, 2000). Figure 11 은전운량구간별 UV-B 와 UV-A 의비를보인것으로, 그값이일정하지않고약간의증감이있지만변화범위가 7.25~8.05 (*10 3 ) 로변화폭이최대 11% 내에있어구름의영향이상당부분제거되었다고보았다. Figure 12 는시정에따른 UV-B 와 UV-A 의비를보여주는것으로 5~8 월의평균 ( 실선 ) 은시정이좋아질수록비값도커지고있었다. 이는시정에따른대기혼탁도의영향으로 UV-B 복사량이 UV-A 복사량보다더많이변화하고있음을의미한다. 한편, 고산지역 6 월의경우에는 5~8 월의평균과는 Fig. 13. Average relative humidity for the 5 different ranges of visibility during MJJA (solid line) and June (dotted line) observed at noon from 2012 to 2014 in Gosan. 구분되는특성이있어이에대해언급하고자한다. 먼저시정과전운량과의관계 (Fig. 10) 에서 6 월 ( 점선 ) 은둘사이의관계가뚜렷하지않았고시정이좋아져도전운량이감소하지않고여전히많아차이가있었다. 또, 시정에따른 UV-B 와 UV-A 의비 (Fig. 12) 에서도 6 월 ( 점선 ) 은 5~8 월평균과비교할때시정이 5km 미만인구간을제외하고모든구간에서작았고특히, 시정이 15~20 km 인구간에서가장작았다. 6 월의시정구간별월평균 UV-B 와 UV-A 복사량의각각의변화경향은유사하였으며 (not shown), 따라서 UV-B 와 UV- A 의비값이작다는것은 UV-B 와 UV-A 의복사량이모두감소하였지만 UV-B 복사량의감소가상대적으로더많았다는의미이다. UV-B 와 UV-A 의비값을구름의영향이제거된양으로볼때그값이작아지는것은대기중에어로졸의영향이며특히, 6 월의대기중에다량존재하는수증기의영향으로보였다. Figure 13 은시정과상대습도의관계를보인것으로, 5~8 월의평균 ( 실선 ) 은시정이좋아질수록상대습도가 Atmosphere, Vol. 27, No. 3. (2017)
298 제주도고산지역자외선복사의월변화특성과원인고찰 급격히낮아졌는데, 6 월 ( 점선 ) 도전체적으로는시정이좋아지면상대습도가낮아지는경향을보였지만, 시정이 15~20 km 범위일때는상대습도가더높아졌다. 6 월의시정이 5km 미만인구간은안개현상일수가많았다. 안개로인해시정이매우낮았지만자외선복사량에는크게영향을미치지않아 UV-B 와 UV- A 의비값은크게나타났던것으로보인다. 한편, 시정이 15~20 km 인구간은비온후박무상태일때가가장많았다. 비온뒤에시정이다소좋아졌지만상대습도가높은가운데대기중매우작은크기의수적이다량존재하여자외선복사량을감소시켰으며특히, UV-B 복사량을많이감소시켰던것으로추정된다. Lee et al. (2010) 은고산지역에서 6 월에황산염입자가가장많아지고박무현상이빈번하며이때문에시정이낮다고밝힌바있다. 그런데, 상대습도가높아지는 6 월에미세입자영역에주로분포하는흡습성이강한황산염입자의증가는자외선복사량감소에기여할것으로판단된다 (Lee et al., 2013; Xia et al., 2016). 그외에고산지역에서지표오존의농도가상대적으로높아시정에미치는영향이있을수있으나, 질소산화물의농도는낮아서지표오존에의한에어로졸생성영향은크지않을것으로판단된다. 그렇지만최근지표오존과질소산화물의농도가약간씩증가하는경향을보여 (KMA, 2016) 이에대한관심도필요하다고생각된다. 앞으로 6 월의자외선복사량의특성을더잘이해하기위해서는고산지역에어로졸의종류와크기분포및지표오존과대기중수적의역할에대한연구가더필요하다. 6. 결과및토의 고산지역에서 2005~2014 년동안관측된 UV-B 복사량의월평균변화는 8 월에최대가되었으며, 그양이많아지는 5~8 월기간을비교하면 6 월이가장적었다. 그런데, 6 월은 1 년을주기로볼때태양천정각이가장작아지고대기밖에도달하는자외선복사량이최대가되는때이므로지표자외선복사량이작아지는이유를고산지역 6 월의대기특성과관련하여고찰하였다. 고산지역에서대기밖에도달하는 UV-B 복사량이구름이없을때표준대기상태에서의레일레이산란, 오존에의한흡수및시정에따른대기혼탁도의영향으로감쇄되는정도를관측된오존전량과시정값을이용하여계산한결과, 8 월, 7 월, 5 월, 6 월의순서로그값이작아졌다. 이는관측된월평균값과같은크기순서로, 6 월의평균 UV-B 복사량이작은차이지만가장작은값을보여지표에도달하는 UV-B 복사량에미치는오존과시정의영향이컸음을알수있었다. 한편, 6 월은월평균전운량이최대가되는때로전운량에따른 UV-B 복사량의크기를비교하였다. 관측된 UV-B 복사량은구름이없을때보다구름이약간있을때구름의반사및산란효과로인해더많아졌고, 전운량이 1~3 일때와 4~6 일때각각맑은하늘상태일때의약 114%, 106% 였다. 그러나, 전운량이 7~9 일때에는맑은하늘상태일때의약 86% 로감소하였고특히, 하늘이구름으로차폐된경우 ( 전운량 =10) 에는약 45% 로큰폭으로감소하였다. 그런데 6 월은전운량이 10 인날이 5~8 월중가장많아구름에의한지표자외선복사량의감쇄효과가컸던것으로보이며그결과, 관측된 6 월의 UV-B 복사량이매우적었던것으로보인다. 같은방법으로대기밖 UV-A 복사량이지표에도달하는양을계산한결과오존에의한흡수영향은매우적었고시정에의한대기혼탁도의영향이상대적으로커졌다. 5~8 월의값을비교하면 8 월, 5 월, 7 월, 6 월의순서로 UV-A 복사량이작아졌고, 관측된월평균값의크기순서와는달랐다. 한편, 구름의양에따른영향은 UV-B 와매우유사하여구름이적을때는지표 UV-A 복사량이오히려약간증가하였지만, 전운량이 7~9 일때는맑은하늘상태일때의약 80% 였고, 하늘이차폐된경우에는약 44% 로매우작아졌다. 그런데 2012~2014 년의 5~8 월기간중하늘이차폐된날은 7 월이가장많았고, 전운량이 7~9 인날은 6 월이가장많았다. 반면, 맑은하늘상태인날은 5 월이가장많았다. 따라서관측된 UV-A 의 5~8 월월평균값이 5 월, 8 월, 6 월, 7 월의순서로그값이작아지는것은구름에의한영향이반영된결과로보인다. 관측자료로부터시정의영향을파악하기위하여 UV- B 와 UV-A 의구름에의한산란효과가파장과관련이없는특성을이용하였다. 즉, UV-B 와 UV-A 의비값을구름의영향이제거된값으로간주하였고, 시정에따라 UV-B 와 UV-A 의비값의변화를살펴보았다. 그결과, 시정이증가할수록 UV-B 와 UV-A 의비값도증가하였는데이는대기혼탁도의영향을 UV-B 가더많이받고있음을의미한다. 그런데, 6 월은 5~8 월평균과는다소다른특징을보였다. 시정이 0~5 km 일때를제외하고 UV-B 와 UV-A 의비값이 5~8 월평균값보다적었고특히, 시정이 15~20 km 로좋아질때가장적어졌다. 시정이 15~20 km 일때기상상태는비온후박무가낀경우가대부분으로, 비가온후시정은약간좋아지지만박무현상을보이므로습도가높고대기중미세한수적이많아 UV 복사량에영향을미치는것으로추정되며특히, UV-B 복사량을더많이감쇄시키는것으로보인다. 또, 고산지역에서 6 월에습도가높은상태에서황산염입자가가장많아지는것과도관련이클것으로보여, 6 월의자외 한국기상학회대기제 27 권 3 호 (2017)
김영아 최우갑 299 선복사특성을더잘이해하기위해서는앞으로수적을포함하여지표오존및에어로졸의종류, 크기분포, 농도등에대한관측자료를이용한연구가더필요하다. 감사의글 이연구는기상청국립기상과학원기상업무지원기술개발사업 (NIMS-2016-3100) 의지원으로수행되었습니다. 부록. 구름이없는상태에서파장별복사조도계산방법 구름이없는상태에서파장별로지표면에수직으로도달하는복사조도 (direct spectral irradiance, E λ ) 는다음과같다 (Leckner, 1978). E λ = E 0λ τ rλ τ ozλ τ aλ (A1) 단, E 0λ 는대기밖에도달하는태양복사조도, τ rλ, τ ozλ, τ aλ 는각각레일레이산란, 오존흡수, 대기혼탁도에따른투과비 (transmittance) 이며, 레일레이투과비는다음과같다. τ rλ =exp( 0.0087535λ 4.08 m a ) (A2) 여기서, m a 는실제상대광학공기질량 (actual relative optical air mass) 으로, m a = m r (p/p 0 ) 과같으며, 이때 p 0 = 1013.25 hpa, p 는실제지상기압이고, 상대광학공기질량 (m r ) 은태양천정각 (θ z ) 를알면다음식으로계산할수있다. m r =[cosθ z + 0.15(93.885 θ z ) 1.253 ] 1 오존흡수투과비는다음과같이계산할수있다. τ ozλ =exp( k ozλ lm r ) (A3) (A4) 여기서, k ozλ 는오존흡수에따른소산계수, l 은오존전량 (cm), m r 은오존광학질량이다. 오존흡수계수는 Vigroux (1953) 의결과를이용하여 Leckner (1978) 가제시한파장별값을이용하였다. 한편, 대기중수적, 먼지입자등에어로졸에의한투과비는 Ångström 의대기혼탁도공식 (turbidity formula) 을이용하여다음과같이계산하였다. τ aλ =exp( βλ α m a ) (A5) 여기서 α 는 0~4 사이의값으로에어로졸의크기분포와관련되며에어로졸의크기가클수록 0 에가까운값이된다. 본연구에서는편의상가장일반적으로사용되는 1.3 값을이용하였다. 한편, 에어로졸의농도 와관련되는 β 는 α 와시정 (Vis) 을이용하여다음과같이계산하였다. β =(0.55) α (3.912/Vis β = 0.01162)[0.02472(Vis 5) + 1.132] REFERENCES (A6) Atmosphere, U. S., 1976: U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1976. Available in hard copy from the National Technical Information Office, Springfield, Virginia (Product Number: ADA-035-6000). Bais, A. F., C. S. Zerefos, C. Meleti, I. C. Ziomas, and K. Tourpali, 1993: Spectral measurements of solar UVB radiation and its relations to total ozone, SO 2, and clouds. J. Geophys. Res., 98, 5199-5204. Bartlett, L. M., and A. R. Webb, 2000: Changes in ultraviolet radiation in the 1990s: Spectral measurements from Reading, England. J. Geophy. Res., 105, 4889-4893. Brine, D. T., and M. Iqbal, 1983: Diffuse and global solar spectral irradiance under cloudless skies. Solar Energy, 30, 447-453. Calbó, J., D. Pagès, and J.-A. González, 2005: Empirical studies of cloud effects on UV radiation: A review. Rev. Geophys., 43, RG2002. Cho, H.-K., H.-J. Kwon, and C.-Y. Choi, 1998: Increase of the surface erythemal ultraviolet-b radiation by the ozone layer depletion. J. Korean Meteor. Soc., 34, 272-281 (in Korean with English abstract)., B. Y. Lee, J. Lee, and S. Park, 2001: A Seasonal Climatology of Erythermal Ultraviolet Irradiance over Korea. J. Korean Meteor. Soc., 37, 525-539 (in Korean with English abstract). Fröhlich, C., and C. Wehrli, 1981: Spectral distribution of solar irradiance from 25000 nm to 250 nm. World Radiation Center, Davos, Switzerland, private communication. Gueymard, C. A., 2004: The sun s total and spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models. Solar Energy, 76, 423-453. Kim, J.-E., S.-Y. Ryu, and Y.-J. Kim, 2001: Variation of the surface UV irradiance with aerosol optical depth at Gwangju. Atmosphere, 11, 430-433 (in Korean). Kim, J., S. S. Park, N. Cho, W. Kim, and H. K. Cho, 2011: Recent variations of UV irradiance at Seoul 2004~ 2010. Atmosphere, 21, 429-438 (in Korean with English abstract). Kim, Y.-K., H.-W. Lee, and Y.-S. Moon, 1998: A study on sensitivities of the damaging UV-B in Pusan area. J. Atmosphere, Vol. 27, No. 3. (2017)
300 제주도고산지역자외선복사의월변화특성과원인고찰 Korean Meteor. Soc., 34, 190-204. Korea Meteorological Administration, 2016: Report of Global Atmosphere Watch 2015, Korea Meteorological Administration, 226 pp (in Korean). Kwak, M. K., and J. H. Kim, 2011: The radiative characteristics of EUV-B over the Korean peninsula and exposure time for synthesizing adequate vitamin D. Atmosphere, 21, 123-130 (in Korean with English abstract). Kylling, A., A. Albold, and G. Seckmeyer, 1997: Transmittance of a cloud is wavelength-dependent in the UVrange: Physical interpretation. Geophys. Res. Lett., 24, 397-400. Leckner, B., 1978: The spectral distribution of solar radiation at the earth s surface elements of a model. Solar Energy, 20, 143-150. Lee, D.-E., W.-H. Kim, H.-J. Ko, Y.-S. Oh, and C.-H. Kang, 2013: Chemical composition characteristics of size-fractionated particles during heavy Asian dust event in Spring, 2010. J. Korean Soc. Atmos. Environ., 29, 325-337, doi:10.5572/kosae.2013.29.3.325. Lee, S.-B., C.-H. Kang, D.-S. Jung, H.-J. Ko, H.-B. Kim, Y.-S. Oh, and H.-L. Kang, 2010: Composition and pollution characteristics of TSP, PM2.5 atmospheric aerosols at Gosan site, Jeju Island. Anal. Sci. Tech., 23, 371-382, doi:10.5806/ast.2010.23.4.371 (in Korean with English abstract). McCormick, P. G., and H. Suehrcke, 1990: Cloud-reflected radiation. Nature, 345, 773 pp. Oh, J.-H., J.-H. Jung, and J.-W. Kim, 1994: Impacts of stratospheric ozone depletion on the vertical atmospheric temperature distribution and UV-B radiation at the surface. J. Korean Meteor. Soc., 30, 261-287 (in Korean with English abstract). Vigroux, E., 1953: Contribution à l étude expérimentale de l absorption de l ozone. Ann. Phys., 8, 709-762. Xia, D., L. Chen, H. Chen, X. Luo, and T. Deng, 2016: Influence of atmospheric relative humidity on ultraviolet flux and aerosol direct radiative forcing: Observation and simulation. Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 52, 341-352, doi:10.1007/s13143-016-0003-2. 한국기상학회대기제 27 권 3 호 (2017)