광학우적계를 이용한 임상별 수관통과우 입자의 물리적 특성 평가 = Evaluating the physical characteristics of throughfall drops by forest type using an optical disdrometer

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 광학우적계와 지상 및 지표 스플래시컵(splash cup)을 활용하여 수관통과우와 임외우의 입자 크기 분포와 운동에너지를 비교ㆍ분석하고, 임상 및 공간적 변동성이 수관통과우의 물리적 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 이를 위해 강원대학교 산림환경대학 부속 학술림 내 침엽수림(잣나무림)과 활엽수림(신갈나무림), 공개지에서 총 11건의 강우사상을 관측하였다. 관측자료를 1시간 단위로 세분화하여 분석한 결과, 주요 기상 요인이 강우입자의 특성에 미치는 영향은 임상별로 상이하였으며, 이는 수관층의 구조와 잎의 형태적 특징이 수관통과우의 입자 크기 분포에 영향을 미친다는 점을 시사한다. 임상별 강우입자 크기 분포를 비교한 결과, 수관통과우는 임외우에 비해 입자 수는 적었으나, 중앙부피직경(평균±표준편차)은 활엽수림(4.19±0.76mm)과 침엽수림(3.61±0.28mm)의 수관통과우가 임외우(1.55±0.32mm)보다 크게 나타났다. 직경 약 3.0∼3.5mm 이상의 부피비 또한 임내우가 임외우보다 더 크게 나타났으며, 이는 강우입자가 수관층에서 잎과 가지에 의해 집적되면서 더 큰 직경으로 재형성된 결과로 사료된다. 광학우적계 및 지상 스플래시컵의 관측자료에 기반한 강우운동에너지 또한 강우입자의 크기 분포와 유사한 경향을 보였다. 아울러 유기물층 유무에 따른 토양침식량을 분석한 결과, 유기물층이 없는 조건에서는 임내의 단위강우량당 토양침식률이 임외보다 높았으며, 유기물층이 있는 조건에서는 모든 임상에서 단위강우량당 토양침식률이 낮게 나타났다. 이는 유기물층이 산지의 우적침식을 효과적으로 완화하는 주요 요소임을 시사한다. 또한, 침엽수림 내 관측지점 간 강우입자의 물리적 특성 역시 차이를 보였으며, 중앙부피직경은 수관이 중첩되는 지점(3.91±0.39mm), 수관의 중간 지점(3.61±0.28mm), 수간 바로 옆 지점(3.43±0.30mm) 순으로 나타났으며, 광학우적계의 관측자료에 기반한 단위시간당 강우운동에너지도 동일한 경향을 보였다. 다만, 지상 스플래시컵의 관측자료에 기반한 강우사상별 총 강우운동에너지는 광학우적계의 관측자료에 기반한 단위시간당 강우운동에너지와 일관되지 않은 경향을 보였는데, 이는 수관 표면의 특성이 수관통과우의 운동에너지에 영향을 미치는 것을 의미한다. 이 연구는 임상 및 공간적 변동성에 따른 수관통과우의 물리적 특성을 정량적으로 제시함으로써, 향후 산지의 토양침식 예측모델의 정확도 제고를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study quantified the drop size distribution (DSD) and kinetic energy (KE) of gross rainfall and throughfall using an optical disdrometer, along with ground and surface splash cups, to examine how forest type and spatial variability influence the physical properties of throughfall drops. A total of 11 rainfall events were monitored in a coniferous stand (Pinus koraiensis), a broadleaved stand (Quercus mongolica), and an open site within the Research Forest of Kangwon National University. Hourly analyses of raindrop data revealed that the influence of major meteorological variables on raindrop characteristics varied among forest types, indicating that canopy structure and leaf morphology play a role in shaping throughfall DSD. Compared to gross rainfall, throughfall exhibited fewer raindrops but significantly larger median volume diameters (D50). Specifically, D50 values were 4.19±0.76 mm in the Q. mongolica stand and 3.61±0.28 mm in the P. koraiensis stand, versus 1.55±0.32 mm at the open site. The proportion of drops larger than approximately 3.0∼3.5 mm was also greater in throughfall, suggesting that raindrops coalesce and reform into larger drops as they interact with canopy elements such as leaves and branches. KE estimates from both the optical disdrometer and splash cups were consistent with these DSD patterns. Soil erosion measurements showed that unit soil loss per unit rainfall was higher beneath forest canopies than in the open site when the organic layer was absent, whereas the presence of the organic layer substantially reduced soil erosion across all forest types, demonstrating its role in mitigating splash erosion. Spatial comparisons within the P. koraiensis stand revealed considerable variability in throughfall characteristics: D50 was highest at the canopy overlap point (3.91±0.39 mm), followed by the mid-canopy (3.61±0.28 mm) and near-stem points (3.43±0.30 mm). KE derived from the optical disdrometer followed a similar pattern. However, event-based KE estimates from ground splash cups showed a different trend, suggesting that canopy surface characteristics, such as branch structure and drip point formation, influence the kinetic energy of throughfall. Overall, this study provides quantitative evidence that forest type and spatial variability significantly shape the physical characteristics of throughfall, offering insight for improving rainfall erosivity estimation and enhancing soil erosion prediction in forested landscapes.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구방법 5
• 1. 연구대상지 5
• 2. 연구방법 8
• 1) 현장 모니터링 8
• 2) 데이터 분석 13
• 3) 통계분석 15
• Ⅲ. 결과 및 고찰 16
• 1. 임상별 관측 결과 16
• 1) 강우사상별 기상 및 강우입자 특성 16
• 2) 수관통과우의 물리적 특성에 영향을 미치는 인자 24
• 3) 강우입자 크기 분포 36
• 4) 강우운동에너지 38
• 2. 잣나무림 관측지점에 따른 강우입자의 공간적 변동성 42
• 1) 강우사상별 기상 및 강우입자 특성 42
• 2) 강우입자 크기 분포 49
• 3) 강우운동에너지 51
• Ⅳ. 결론 55
• □ 참고문헌 56
• □ Abstract 65