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          연주기(年週期) Fourier 함수(函數)와 기상요소(氣象要素)에 의(依)한 지온예측(地溫豫測) 통계(統計) 모형(模型)

          정영상,이변우,김병찬,이양수,엄기태,Jung, Yeong-Sang,Lee, Byun-Woo,Kim, Byung-Chang,Lee, Yang-Soo,Um, Ki-Tae 한국토양비료학회 1990 한국토양비료학회지 Vol.23 No.2

          토양(土壤)의 깊이별 지온(地溫)을 예측(豫測)하기 위한 통계모형(統計模型)을 설정(設定)하기 위하여 1979년(年)부더 1988년(年)까지 중앙기상태(中央氣象台) 수원측후소(水原測候所)에서 관측(觀測)된 지온자료(地溫資料)와 평균최고(平均最高), 최저(最低), 기온(氣溫), 강수량(降水量), 풍속(風速) 및 최심적설량등(最深積雪量等) 기상자료(氣象資料)에 대(對)한 통계분석(統計分析)을 하였다. 통계분석(統計分析)은 지온(地溫)을 Fourier 급수(級數)에 의한 년주기함수(年週期函數)와 년주기함수(年週期函數)에서의 잔차(殘差)는 대기(大氣)의 기상조건(氣象條件)의 변화(變化)에서 오는 노이지(nuise)로 보고 이에 대한 상관분석(相關分析)을 stepwise backward elimination법(法)에 의하여 각(各) 계수(係數)를 찾는 방법(方法)으로 하였다. 깊이별(別) 지온(地溫)의 년주기함수(年週期函水)로 Fourier급수(級數)의 8항(項)을 사용(使用)하였을 때 지면온도(地面溫度)의 평균평방오차(平均平方誤差)가 2.30, 토심(土深) 50 cm에서 1.13, 500 cm에서 0.42로 토심(土深)이 깊을수록 작아졌고, $r^2$는 0.913~0.988이었다. 주기함수분석(週期函數分析)에서 잔차(殘差)에 대한 독립변수(獨立變數)로서 평균(平均), 최고(最高), 최저기온(最低氣溫), 강수량(降水量), 최심적설(最深積雪) 및 풍속등(風速等) 기상요소(氣象要素)와의 상관분석(相關分析)을 위한 지연일수검출(遲延日數檢出)에 따르면, 기온(氣溫)은 토탐(土深) 0 cm와 5 cm에 대하여 0일(日), 30 cm까지는 -1일(日), 50 cm에서는 -2일(日)이었다. 강수량(降水量)의 지연일수(遲延日數)는 30 cm까지 -1일(日), 50 cm에서 -2일(日), 최심적설(最深積雪)과 풍속(風速)은 10 cm까지가 -1일(日), 30 cm까지 -2일(日), 50 cm에서는 -3일(日)이었다. 지연일수(遲延日數)를 고려(考慮)한 잔차분석(殘差分析)에 의한 지온예측(地溫豫測) 통계모형(統計模型)의 평균평방오차(平均平方誤差)는 토심(土深) 0 cm에서 1.64, 50 cm에서 0.97로 주기함수(週期函數)의 평균평방오차(平均平方誤差)보다 작아졌으며, $r^2$값은 높아져 통계모형(統計模型)의 정도(精度)가 높아졌다. 계수(係數)의 크기로 보아 년주기함수(年週期函數)에 독립적(獨立的)인 대기(大氣) 기상요소(氣象要素)가 지온(地溫)의 결정(決定)에 크게 영향(影響)을 주는 깊이는 30 cm이며, 기온(氣溫)은 50 cm깊이까지도 영향(影響)을 주는 것으로 나타났다. 이 통계모형(統計模型)의 검정결과(檢定結果) $r^2$값이 0.976~0.996으로 예측치(豫測値)와 실측치간(實測値間)에 고도(高度)의 유의성(有意性)이 있어 실용성(實用性)이 있었다. 한편, 토양표면(土壤表面)의 최고지온(最高地溫)과 최고기온(最高氣溫)의 차(差)(${\Delta}T_{ms}$)를 옥수수포장(圃場)에서 조사(調査)한 결과(結果), ${\Delta}T_{ms}$와 일사량(日射量)($R_s;J_m{^{-2}}$)과 직선적(直線的)인 관계(關係)로 엽면적지수(葉面積指數)가 그 이하(以下) 일 때에는 $${\Delta}T_{ms}=0.902+1.924{\times}10^{-3}R_s $$엽면적지수(葉面積指數)가 그 이상(以上)일 때에는 $${\Delta}T_{ms}=0.274+8.881{\times}10^{-4}R_s$$ 의 관계(關係)가 있었다. A statistical model to predict soil temperature from the ambient meteorological factors including mean, maximum and minimum air temperatures, precipitation, wind speed and snow depth combined with Fourier time series expansion was developed with the data measured at the Suwon Meteorolical Service from 1979 to 1988. The stepwise elimination technique was used for statistical analysis. For the yearly oscillation model for soil temperature with 8 terms of Fourier expansion, the mean square error was decreased with soil depth showing 2.30 for the surface temperature, and 1.34-0.42 for 5 to 500-cm soil temperatures. The $r^2$ ranged from 0.913 to 0.988. The number of lag days of air temperature by remainder analysis was 0 day for the soil surface temperature, -1 day for 5 to 30-cm soil temperature, and -2 days for 50-cm soil temperature. The number of lag days for precipitaion, snow depth and wind speed was -1 day for the 0 to 10-cm soil temperatures, and -2 to -3 days for the 30 to 50-cm soil teperatures. For the statistical soil temperature prediction model combined with the yearly oscillation terms and meteorological factors as remainder terms considering the lag days obtained above, the mean square error was 1.64 for the soil surfac temperature, and ranged 1.34-0.42 for 5 to 500cm soil temperatures. The model test with 1978 data independent to model development resulted in good agreement with $r^2$ ranged 0.976 to 0.996. The magnitudes of coeffcicients implied that the soil depth where daily meteorological variables night affect soil temperature was 30 to 50 cm. In the models, solar radiation was not included as a independent variable ; however, in a seperated analysis on relationship between the difference(${\Delta}Tmxs$) of the maximum soil temperature and the maximum air temperature and solar radiation(Rs ; $J\;m^{-2}$) under a corn canopy showed linear relationship as $${\Delta}Tmxs=0.902+1.924{\times}10^{-3}$$ Rs for leaf area index lower than 2 $${\Delta}Tmxs=0.274+8.881{\times}10^{-4}$$ Rs for leaf area index higher than 2.

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          격자형 기후변화 시나리오 자료를 활용한 한반도의 증발산량 전자 기후도 생산 및 분석

          유병현,이규종,이변우,김광수,Yoo, Byoung Hyun,Lee, Kyu Jong,Lee, Byun Woo,Kim, Kwang Soo 한국농림기상학회 2017 한국농림기상학회지 Vol.19 No.2

          농경지에서의 증발산량 예측은 농업 분야에서의 기후변화 영향 평가 및 적응 계획 수립에 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 격자형 국가 표준 기후변화 시나리오 자료를 이용해 잠재 증발산량 (PET)과 가뭄지수 (DI) 전자 기후도의 생산 및 분석을 수행하였다. 특히, 격자형 기상 자료의 처리를 지원하는 도구인 readGrADSWrapper를 기반으로 격자형 기후변화 시나리오 자료를 통계 분석 도구인 R에서 활용하는 기술에 중점을 두었다. FAO-56 공식을 R 스크립트에 구현하여 현재와 미래 조건에서 벼 재배기간 동안의 PET를 계산하였다. 또한, 이를 활용하여 벼 재배에 따른 증발산량 ($PET_{rice}$)과 DI 자료를 생산하고 시공간적 분석을 수행하기 위한 R 스크립트를 구현하였다. 한반도에서 PET의 시공간적 변화 양상은 현재와 미래 조건에서 지역에 따라 차이를 보였다. 전반적으로 한반도에서는 PET와 $PET_{rice}$가 21세기 후반으로 갈수록 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 예측 결과들은 지역과 시기에 따라 증발산량 증가에 대응하기 위한 수자원 관리가 필요하다는 것을 암시하였다. 예를 들어, 현재 조건에서 습윤 지역으로 분류되던 충청남도 지역이 21세기 중반 이후에는 아습윤 지역으로 바뀔 것으로 전망되었다. 이러한 결과들은 PET와 DI 등 수자원과 관련된 변수 값들의 시공간적인 계산과 분석을 통해 미래 기후조건에서 작물 생산성을 증진시키기 위한 적응 대책 수립을 지원할 수 있을 것이다. 또한, readGrADSWrapper와 같은 격자형 기상 자료의 처리도구의 활용을 통해 보다 다양한 응용기후 변수에 대한 전자기후도 생산 및 분석을 원활히 수행할 수 있을 것이다. Spatio-temporal projection of evapotranspiration over croplands would be useful for assessment of climate change impact and development of adaptation strategies in agriculture. Potential evapotranspiration (PET) and dryness index (DI) during rice growing seasons were calculated using climate change scenario data provided by the National Institute of Meteorological Research (NIMR). A data processing tool for gridded climate data files, readGrADSWrapper, was used to calculate PET and DI during the current (1986-2005) and future (2006-2100) periods. Scripts were written to implement the formulas of PET and DI in R, which is an open source statistical data analysis tool. Evapotranspiration in rice fields ($PET_{Rice}$) was also determined using R scripts. The Spatio-temporal patterns of PET differed by regions in Korean Peninsula under current and future climate conditions. Overall, PET and $PET_{Rice}$ tended to increase throughout the $21^{st}$ century. Those results suggested that region-specific water resource managements would be needed to minimize the risk of water loss in the regions where considerable increases in PET would occur under the future climate conditions. For example, a number of provinces classified as a humid region were projected to become a sub-humid region in the future. The Spatio-temporal assessment of water resources based on PET and DI would help the development of climate change adaptation strategies for rice production in the 21st century. In addition, the studies on climate change impact would be facilitated using specialized data tools, e.g., readGrADSWrapper, for geospatial analysis of climate data.

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          고온, 일장 및 저일사 조건이 감자 생육 및 수량에 미치는 영향

          김연욱 ( Yean-uk Kim ),이변우 ( Byun-woo Lee ) 한국농림기상학회 2016 한국농림기상학회지 Vol.18 No.2

          지구 온난화에 의한 미래의 기후변화는 감자의 생물계절, 생육 및 수량에 지대한 영향을 미칠 것으로 예상되므로 그 영향을 평가하여 적응대책을 수립하여야 한다. 본 연구에서는 고온조건을 포함한 다양한 기상 조건에서 감자의 생육과 수량 변화를 확인하고자 하였다. 작기이동 실험은 2014년과 2015년, 수원의 서울대학교 부속실험농장에서 실시되었으며, 봄 실험에서는 조생종인 남작과 수미 그리고 중만생종인 대서를 세 번의 파종기에 걸쳐 재배하였다. 가을 실험에서는 수미와 대서를 두번의 파종기에 걸쳐 2014년에만 재배하였다. 괴경형성기는 품종과 파종기에 따라 출아 후 11일부터 22일까지 다양한 시기에 나타났다. 기상요인들이 괴경형성기에 미치는 영향을 분석한 결과, 현재 기후조건에서 괴경형성기는 기온 상승과 단일조건하에서 촉진되었다. 반면에 고온과 장일 조건에서 적은 일사량은 역시 괴경형성기를 지연시켰다. 공시 품종 모두 괴경형성 적온은 22-24oC 내외로 추정되었으며, 기온, 일장 및 일사는 괴경형성에 상승적으로 상호작용하였다. 재배기간, 괴경형성기와 기상요인이 수량에 미치는 영향을 확인하기 위한 능형회귀 결과 가장 큰 영향은 재배기간으로 나타났다. 남한에서 감자의 생육기간은 봄철의 장마와 늦가을의 서리로 제한된다. 이는 봄 작기 동안의 수원의 평균 기온이 감자 수량의 최적온도와 큰 차이를 보이지 않고 2014∼2015년 마른장마로 인해 생육시기 동안 충분한 일사량이 확보되어 제한요인으로 작용하지 못하였기 때문이다. 앞당겨진 괴경형성기와 최저기온의 상승은 수량을 감소시켰다. 17-22oC 범위의 평균기온에서는 일교차만이 수량에 큰 영향을 주었다. 고온반응 실험은 2015년에 서울대학교 부속실험농장의 플라스틱 하우스 4개동에서 수행되었다. 대표 품종으로 수미가 이용되었으며, 4월 29일과 9월 17일에 외기온 프라스틱하우스와 외기온보다 1.5oC, 3.0oC, 5.0oC 높게 조절되는 프라스틱하우스에 각각 80주씩 파종하였다. 가을실험에서는 출아기와 괴경형성기만을 관측하였다. 괴경형성기는 장일효과로 인해 봄 실험에서 가을 실험에 비해 14일 가량 늦어졌으며, 5.0oC 온실에서는 고온, 저일사와 장일효과로 인해 괴경이 형성되지 않았다. 온도 상승에 따라 괴경형성 초기의 괴경 숫자가 감소하여, 괴경으로 전류되는 동화산물과 수확기 괴경의 평균 생서중이 감소하였다. 잉여동화산물은 주로 줄기로 집적되어 왕성한 줄기신장을 보였다. 본 실험 결과에 따르면 이미 수원의 현재 기후는 감자재배의 적온 범위를 벗어나기 시작하였으며, 미래기후에서 고온피해는 더 심각하게 나타날 것이다. 하지만, 감자의 괴경 형성 및 비대에 대한 이해는 아직까지도 부족한 상태이므로 미래 기후 변화 영향을 평가하기 위해서는 고온 하에서 감자의 생리적 반응에 대한 구체적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. Potato phenology, growth, and yield are projected to be highly affected by global warming in the future. The objective of this study was to examine the responses of potato growth and yield to environmental elements like temperature, solar radiation, and daylength. Planting date experiments under open field condition were conducted using three cultivars differing in maturity group (Irish Cobbler and Superior as early; Atlantic as mid-late maturing) at eight different planting dates. In addition, elevated temperature experiment was conducted in four plastic houses controlled to target temperatures of ambient temperature (AT), AT+1.5oC, AT+3oC, and AT+5oC using cv. Superior. Tuber initiation onset was found to be hastened curve-linearly with increasing temperature, showing optimum temperature around 22-24oC, while delayed by longer photoperiod and lower solar radiation in Superior and Atlantic. In the planting date experiments where the average temperature is near optimal and solar radiation, rainfall, pest, and disease are not limiting factor for tuber yield, the most important determinant was growth duration, which is limited by the beginning of rainy season in summer and frost in the late fall. Yield tended to increase along with delayed tuber initiation. Within the optimum temperature range (17o-22oC), larger diurnal range of temperature increased the tuber yield. In an elevated temperature treatment of AT+5.0oC, plants failed to form tubers as affected by high temperature, low irradiance, and long daylength. Tuber number at early growth stage was reduced by higher temperature, resulting in the decrease of assimilates allocated to tuber and the reduction of average tuber weight. Stem growth was enhanced by elevated temperature at the expense of tuber growth. Consequently, tuber yield decreased with elevated temperature above ambient and drop to almost nil at AT+5.0oC.

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          농업 기후 정보 생산을 위한 미래 기후 자료 처리 GrADS 및 R 프로그램 구현

          이규종(Kyu Jong Lee),이세미(Semi Lee),이변우(Byun Woo Lee),김광수(Kwang Soo Kim) 한국기상학회 2013 大氣 Vol.23 No.2

          A set of scripts for GrADS (Grid Analysis and Display System) and R was implemented to produce agricultural climate information using the future climate scenarios based on the Representative Concentration Pathways. The GrADS script was used to calculate agricultural climate indices including growing degree days and cooling degree days. The script generated agricultural climate maps of these indices, which are compatible with common Geographic Information System (GIS) applications. To perform a statistical analysis using the agricultural climate maps, a script for R, which is open source statistical software, was used. Because a large number of spatial climate data were produced, parallel processing packages such as SNOW, doSNOW, and foreach were used to perform a simple statistical analysis in the R script. The parallel script of R had speedup on workstations with multi-CPU cores.

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