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풍력에너지저널 : 제9권, 제3호, 2018
19
논문
풍력에너지저널
제9권, 제3호, 2018
pp. 19~24
재해석자료를 이용한 전지구 풍력자원의 장기간 통계분석 1)
김현구*․김진영**․김하양***
Long-Term Statistical Analysis of Global Wind Resources
Using Reanalysis Data
Hyun-Goo Kim*, Jin-Young Kim**, Ha-Yang Kim***
Key Words : Wind resource assessment (
풍력자원평가
), Reanalysis data (
재해석자료
), CFSR (Climate Forecast
System Reanalysis), ERA-Interim (European Reanalysis-Interim), MERRA (Modern Era Reanalysis for
Research and Applications)
ABSTRACT
Third-generation reanalysis data such as CFSR, ERA-Interim, and MERRA, which have improved
spatial resolution and accuracy by assimilating satellite observation data, are widely used for the
long-term correction of wind resource assessments. However, there is no obvious criterion for the
selection of datasets, and the reported accuracy from actual application cases are all different. In this
study, we provide basic information for estimating the uncertainty of reanalysis data selection by
reviewing the characteristics of each dataset with a quantitative comparison of three kinds of reanalysis
data. The wind speed and wind power density showed significant differences between the reanalysis
data, but there was relatively little difference in the Weibull shape factor, which defines wind speed
distribution. It was found that wind speed distribution in a low latitude band follows normal distribution
rather than a Weibull shape. In conclusion, substantial uncertainty is expected depending on the
reanalysis data, and further comparison analysis to establish its application guideline is anticipated.
1. 서 론
풍력발전사업은 사업초기에 풍력자원평가 (WRA;
* 한국에너지기술연구원 , 신재생에너지자원 ·정책센터
(교신저자 )
** 한국에너지기술연구원 , 신재생에너지자원 ·정책센터
*** 한국에너지기술연구원 , 신재생에너지자원 ·정책센터
아주대학교 , 에너지경제학과 대학원
E-mail : hyungoo@kier.re.kr
Received : June 22, 2018, Revised : August 21, 2018
Accepted : August 21, 2018
Wind Resource Assessment) 를 수행하여 연간에너지
생산량에 따른 수익과 풍력발전소의 건설비용 및 유지
보수를 위한 지출을 예측한 후 경제성 있다고 판단될
경우 사업추진을 결정한다 . 일반적으로 풍력발전사업
에서 가장 큰 사업위험은 20
∼
30년을 운영하여야 할
대규모 투자사업의 수익예측, 즉 풍력자원평가이다 . 특
히 단기간의 실측자료로 장기간의 풍력자원을 예측함
에 따른 불확도를 어떻게 낮출 수 있는지가 관건이다.
풍력자원평가를 위한 기상탑(meteorological tower)
측정을 장기간 수행하기는 현실적으로 어렵기 때문에
통상 MCP(Measure-Correlate-Predict) 방법을 이용하
여 단기간 실측자료와 장기간 참조자료 간의 상관관계
김현구 ․김진영 ․김하양
20
풍력에너지저널 : 제9권, 제3호, 2018
Name Source Time
Range Assimilation Model
Resolution Model Output
Resolution
Publicly
Available
Dataset
Resolution
Dataset Output Times and
Time Averaging
NCEP
CFSR NCEP 1979-
present 3D-VAR T382 L64 0.5 x 0.5 and
2.5 x 2.5 0.5 x 0.5 and
2.5 x 2.5 Hourly, 4 times daily
ECMWF
ERA
Interim ECMWF 1979-
present 4D-VAR
TL255L60
and N128
reduced
Gaussian
TL255L60 and
N128 reduced
Gaussian
(
∼
79km
globally)
User defined,
down to 0.75 x
0.75
3-hourly for most surface
fields; 6-hourly for upper-air
fields
Monthly averages of daily
means, and of 6-hourly fields
NASA
MERRA NASA 1979-
present
3D-VAR,
with
incremental
update
2/3 lon x
1/2 lat
deg; 72
sigma
levels
(
∼
55km)
2/3 lon x 1/2
lat deg 3D
Analysis and
2D variables;
1.25 deg 3D
Diagnostics;
72 model
levels and 42
pressure levels
2/3 lon x 1/2
lat deg 3D
Analysis and
2D variables;
1.25 deg 3D
Diagnostics;
72 model
levels and 42
pressure levels
2D Diagnostics - 1 hourly avg,
centered at half hour; 3D
Diagnostics - 3 hourly avg,
centered at 01:30, 04:30 ... 22:30;
3d Analysis - Instantaneous 6
hourly; 2d Diagnostics, Monthly
mean diurnal average; Monthly
means for all collections; daily
averages processed at servers
on-the-fly
Table 1 Comparison of the 3rd generation reanalysis data (Source: https://reanalyses.org/atmosphere/comparison-table)
로부터 장기간 보정(long-term correction) 을 한다.
최근에는 장기간 참조자료로서 재해석자료를 많이
사용하는 추세이다 [1]. 특히 CFSR, ERA-Interim, 그
리고 MERRA 등 제3세대 재해석자료는 이전 세대에
비하여 공간해상도 및 정확도가 월등히 향상되었을 뿐
아니라 모든 자료가 무료로 공개되고 있다.
Eichelberger et al.이 35지점의 고층기상탑 측정결
과를 이용하여 제3세대 재해석자료를 평가한 바에 따
르면 CFSR과 ERA-Interim 이 MERRA 보다 우수한
것으로 나타났다 [2]. (CFSR & ERA-Interim R2=0.54,
MERRA R2=0.46) Brower et al.이 전세계 37지점의
고층기상탑 측정결과를 이용하여 수행한 비교연구에서
는 CFSR 이 가장 우수한 것으로 나타났다 [3]. (CFSR
R2=0.74, ERA-Interim R2=0.73, MERRA R2=0.66) 한
편 Kim et al.이 한반도 해역에 대해 재해석자료를 평
가한 연구결과에서는 MERRA와 CFSR이 같은 수준의
정확도를 보였다 [4]. (MERRA & CFSR R2=0.63,
ERA-Interim R2=0.61)
재해석자료를 풍력자원평가에 활용하기 위하여 고
층기상탑 측정자료와 비교한 선행연구를 살펴보면 특
정 재해석자료가 월등히 우수한 성능을 보이지는 않았
지만 풍력자원평가에 있어서 무시할 수 없는 수준의
유의미한 차이를 나타내는 것으로 확인되었다 . 즉, 아
직까지 풍력자원평가를 위해 어떤 재해석자료를 선정
해야 할지에 대한 명확한 가이드라인이 없는 실정이다.
본 연구는 3세대 전지구 재해석자료를 풍력자원평
가에 활용함에 앞서 자료의 특성을 체계적으로 파악하
기 위하여 CFSR, ERA-Interim, MERRA 에 대한 통계
분석 및 비교분석을 수행하였다 .
2. 재해석자료
재해석 (reanalysis) 이란 매 6
∼
12시간 간격으로 라디
오존데 (radiosonde), 부이(buoy), 항공기, 선박 등 다양
한 경로로 획득되는 7
∼
9백만 관측자료를 불변성 자료
동화구조(invariant data assimilation structure) 및 수
치
기상모
델
에 통
합
적으로 반영하여 체계적이
며
일관성
있는 전지구 장기간의 기상자료를 재생산하는
접
근방
식
을
말
한다 [5].
1990년대에 미
국
National Center for Atmospheric
Research(NCAR)/National Centers for Environmental
Prediction(NCEP) 에서 생산
된
전지구 재해석자료를 제
1세대라고 한다면 [6], 2000년대에
들
어서
몇
가지 문
제점을 수정하고 동일한 격자
망
에서
물
리과정의 모수
화를 보
완
하여 제2세대 재해석자료가 생산되었다 [7].
2010년대에는 인공위성자료를 활용하여 시공간 해상도
가 월등하게 향상
된
제3세대 재해석자료인 CFSR,
ERA-Interim, MERRA, MERRA-2 등이 개발되었다 .
재해석자료를 이용한 전지구 풍력자원의 장기간 통계분석
풍력에너지저널 : 제9권, 제3호, 2018
21
Fig. 1 Wind speed map at 50 m height (left: spatial distribution, right: zonally averaged profile along latitude)
Fig. 2 Wind power density map at 50 m height (left: spatial distribution, right: zonally averaged profile along latitude)
Fig. 3 Weibull shape factor map at 50 m height (left: spatial distribution, right: zonally averaged profile along latitude)
2.1 CFSR
CFSR(Climate Forecast System Reanalysis, http://
rda.ucar.edu/pub/cfsr.html) 은 MERRA와 동일한 기상
자료 및 해석모
델
에 기반하
며
, 미
국
NCEP 의 고해상도
전지구 대기-해양-지
표
면-
빙
하 연동 기후예측체계
(Climate Forecast System)에 의해 생산
된
다 [8].
2.2 ERA-Interim
ERA-Interim(European Reanalysis-Interim, https://
www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/archive-dataset
s/reanalysis-datasets/era-interim) 은 유
럽
연
합
ECMWF
(European Center for Medium-Range Weather Forecasts)
재해석자료 시리
즈 중
ERA-15, ERA-40에 이어 차세
김현구 ․김진영 ․김하양
22
풍력에너지저널 : 제9권, 제3호, 2018
대 재해석자료를 생산하기 위한 전단계로 생산되었다 .
ERA-Interim 은 유
럽
연
합
ECMWF 의 통
합
예보모
델
(Integrated Forecast Model)을 기반으로 12시간 간격
의 4차원 변분 자료동화(4D-Var) 와 위성
복
사자료
(satellite radiance data) 편차의 적
응
성 예측모
듈
(VarBC) 을 적용하고 있다 [9].
2.3 MERRA
MERRA(Modern Era Reanalysis for Research and
Applicationsm http://gmao.gsfc.nasa.gov/merra/) 는 인
공위성 시대를 위한 미
국
NASA 의 재해석자료로 ,
NASA GMAO(GSFC Global Modeling Assimilation
Office)에서 생산하는 최
신
의 GEOS-5(Goddard Earth
Observing System Data Assimilation System v5)를
사용하여 2008년부터 정
식
자료생산을 개시하였다 .
MERRA는
광범
위한 기상 및 기후 시간
척
도를 가지는
수문
학
적
주
기(hydrological cycle)의 역사적 분석에
집
중
하고 있으
며
, 기존 재해석자료에 비하여 시공간 해
상도가 획기적으로 향상되었을 뿐 아니라 우수한
토
지
피복
모
델링
을 제공하는 것으로 평가
된
다 [10].
Table 1은 제3세대 재해석자료 3
종
의 규격을 비교
한 것으로 , 시간해상도는 MERRA와 CFSR은 1시간
간격
임
에 비하여 ERA-Interim 은 3시간 간격이
며
, 공
간해상도는 CFSR은 0.5
°
x 0.5
°
, MERRA은 0.67
°
x
0.5
°
, ERA-Interim 은 0.75
°
x 0.75
° 순
서이다 .
3. 전지구 풍력자원평가
본 연구에서는 1979년부터 2014년까지
총
36년간의
자료기간에 해
당
하는 방대한 양의 전지구 재해석자료
3
종
의 통계분석을 위해 KIER-Reanalysis TM를 사용하
였다. KIER-Reanalysis TM는 한
국
에너지기
술
연구원에
서 개발한 MatLab 기반의 분석
프
로그
램
으로, 전지구
격자
망
에서 연직층
별
로 정의
된
기상
요
소를 1시간
또
는
3시간 간격의 시계
열
자료
형식
의 데이터
베
이
스
로 구성
하고, 사용자의
요
구에 따라 설정
된
분석기간에 대해
격자점에서의 통계량을 산출한 후 그 결과를 출력하
거
나 가시화한다 .
Fig. 1은 36년간의 전지구 평
균
풍
속
분
포
도이다 .
잘
알려
진 바와 같이 지구의 위도에 따른 풍
속
차가 분명
하게
난
다. 우측의 그
래프
에는 동위도에 대해 재해석
자료
별
평
균
화
된
풍
속
(선 그
래프
)과 함
께
재해석자료
간 차이를 비
율
로(
막
대 그
래프
) 도시하였는데 , 전 위도
구간에서 9
%
정도의 차이가 확인
된
다.
Fig. 2는 전지구 풍력
밀
도(wind power density) 분
포
도이다 . 우측의 동위도 평
균값
을 보면, 풍력
밀
도는
풍
속
의 세제
곱
에 비
례
하기 때문에 재해석자료 간의 차
이는 24
%
로
크
게
증폭됨
을
알
수 있다.
Fig. 3은 전지구 와이
블 형
상계수 (Weibull shape
factor) 분
포
도로, 적도를
중심
으로
저
위도
밴
드를 따
라
형
성
된 저
풍
속
대에서는 특이하게
형
상계수
값
이
높
은 영역이 나타
난
다. 그 이유를 확인하기 위하여 해
당
영역의 대
표
지점에 대한 풍
속
분
포
를 Fig. 4에 제시하
였는데 , 그 분
포형
상은 와이
블
분
포
보다는 정규분
포
를
가지기 때문에 매우 큰
형
상계수로 산정되었
음
을 확인
할 수 있다. 단, 재해석자료에 따른 동위도 구간
별
와
이
블 형
상계수 평
균값
의 차이는 4
%
이내로 나타났는
데, 이는 풍
속
과 풍력
밀
도에 비해 재해석자료간 차이
가 매우
작
은 특성을 보였다.
일반적으로 지
형
고도와 풍
속
은 비
례
관계에 있다
[11]. 재해석자료 생산체계에 따른 지
형
고도와 풍
속
의
산
포
도를 Fig. 5에 도시하였으
며
, 이로부터 재해석자료
생산체계가 지
형효
과를 반영함에 있어서 유의한 차이
가 있
음
을 확인할 수 있다. 즉, CFSR과 MERRA 는 지
형
고도의
증
가에 따른 풍
속
의
증
가경향이 유사하게 나
타
난
반면 ERA-Interim 은 상대적으로 공간해상도가
낮아서 지
형
고도와 풍
속
의 상관성이 상대적으로 낮게
나타나고 있다.
Fig. 6은 전지구 영역에서 풍
속
의 통계분
포
를 비교
한 그
래프
이다. 앞서 분석한 바와 같이 재해석자료간
에 유의한 차이가 나타
난
다. 즉, CFSR은 5 m/s의
저
풍
속
구간의
빈
도가
높
은 반면 MERRA 는 7 m/s 구간의
빈
도가
높
게 나타났다 .
막
대 그
래프
로 도시한 재해석
자료간의 차이를 보면 4
∼
5 m/s 구간과 7 m/s에서 가
장 큰 차이가 나타나고 있다.
Fig. 7은 전지구 영역에서 와이
블 형
상계수의 통계
분
포
를 나타
낸
다. 풍
속
의 통계분
포
와는 다르게 재해석
자료 간의 차이는 최대 6
%
이내로 ,
거
의 유사한 통계
분
포
를
갖
는다.
주
지하자면 Fig. 3의 동위도 영역
별
와
이
블 형
상계수의 평
균값
에 대한 고
찰
결과와 동일하다.
Fig. 8은 전지구 영역에 대한 평
균
풍
속
의 장기간 경년
변화를 비교한 그
래프
이다. 인공위성자료가 동화되기 시
작
한 2010년도 이후 CFSR과 MERRA는 유사한 변동특
성을 보이
며
, 이는 Fig. 5에서 고
찰
한 바와도 동일하다 .
재해석자료를 이용한 전지구 풍력자원의 장기간 통계분석
풍력에너지저널 : 제9권, 제3호, 2018
23
Fig. 6 Distribution of wind speed by reanalysis data
Fig. 7 Weibull distribution of wind speed by reanalysis data
Fig. 8 Wind speed anomaly for 1979
∼
2014 by reanalysis data
Fig. 4 Weibull distribution of wind speed (7.5°S, 114°W)
(a) CFSR
(b) ERA-Interim
(c) MERRA
Fig. 5 Scatter plots of terrain elevation versus wind speed
4. 결 론
본 연구에서는 풍력자원평가
중
장기간 보정에 사
용되고 있는 제3세대 전지구 재해석자료 3
종
, 즉
CFSR, ERA-Interim, MERRA 의 정량적 비교평가를
수행하였다 .
김현구 ․김진영 ․김하양
24
풍력에너지저널 : 제9권, 제3호, 2018
그 결과, 재해석자료의 기초적인 차이점을 확인함으
로
써
풍력자원평가시 재해석자료 선
택
에 따른 불확도
의 추정이 가능할 것으로 기대
된
다.
본 연구의 결
론
을 정리하면 다
음
과 같다.
(1) 풍
속
, 풍력
밀
도의 통계분
포
와 위도에 따른 평
균
값
은 재해석자료 간에 유의한 차이가 나타났다 .
그
러
나 풍
속
분
포
에 대한 와이
블 형
상계수는 4
%
수준의
작
은 차이만 나타났다. 이는 재해석
자료 간의 차이가 자료생산의 체계적인 오차라
기보다는 자료동화를 위한 기상변수의 설정에
있어서의 차이에 기인한 것으로 추정되
며
, 보다
다
각
도의 비교
검토
가
필요
한 부분이다.
(2) 지
형
고도와 풍
속
의 상관도 비교분석을 통하여
CFSR 과 MERRA 는 지
형
고도의 상
승
에 따라
풍
속
이
증
가하는 동일한 경향을 보였으
며
, 전지
구 평
균
풍
속
의 경년변화에서도 인공위성자료가
동화되기 시
작
한 2010년 이후 매우 유사한
형
태
를 보였다 . 이는
두
재해석자료가 미
국
NCEP 의 생산체계를 사용하는 동
질
적인 재해석
자료인 반면 ERA-Interim 은 유
럽
연
합
ECMWF 의 생산체계를 사용하기 때문에 발생
한 체계적인 차이인 것으로 추정
된
다.
후기
본 연구는 한
국
에너지기
술
연구원의
주요
사업을 재
원으로 수행한 연구과제의 결과
입
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