토양수분은 물 에너지 순환에서 지표면과 대기 사이의 복잡한 관계를 이해하기 위한 중요한 수문인자 중 하나이다. 일반적으로, 토양수분은 온도, 바람, 토성에 의한 증발과 식생에 의한 증산에 의하여 결정이 되는 것으로 알려져 있다. 하지만, 각 인자와 토양수분과의 관계에 대한 심도 있는 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 Flux tower(설마천 타워)에서 생성되는 측정인자인 대기온도, 비습, 풍속을 고려하여 토양수분 예측치를 산정하였으며 이를 실측치와 비교하고 상관분석을 실시하였다. 토양수분은 특히 겨울에는 지중온도와 매우 강한 양의 상관계수를 가졌으나 이외의 항인 대기온도, 비습, 풍속과는 상관성이 낮게 산정되었다. 봄부터 가을까지의 자료에서는 지중온도가 토양수분과 매우 강한 음의 상관계수를 가지며 대기온도와 비습의 경우 상당한 음의 상관계수를 가지며 풍속은 식생의 영향으로 상관성이 매우 낮은 것으로 판단되었다. 중회귀분석을 통하여 계절별 토양수분을 추정하여 이를 측정값과 비교하였으며 결정계수($R^2$)는 봄의 경우 0.82, 여름의 경우 0.81, 가을의 경우 0.82, 겨울의 경우 0.96로 대체로 양호한 결과를 나타내었다. 본 연구에서 토양수분에 대한 지표상의 수문기상인자들과의 밀접한 상관관계는 공간해상도가 비교적 큰 원격탐사 토양수분의 downscaling에 유용한 정보를 제공할 수 있으며, 지표상의 물 에너지 순환에 대한 보다 나은 이해를 줄 것으로 사료된다.
토양수분은 물 에너지 순환에서 지표면과 대기 사이의 복잡한 관계를 이해하기 위한 중요한 수문인자 중 하나이다. 일반적으로, 토양수분은 온도, 바람, 토성에 의한 증발과 식생에 의한 증산에 의하여 결정이 되는 것으로 알려져 있다. 하지만, 각 인자와 토양수분과의 관계에 대한 심도 있는 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 Flux tower(설마천 타워)에서 생성되는 측정인자인 대기온도, 비습, 풍속을 고려하여 토양수분 예측치를 산정하였으며 이를 실측치와 비교하고 상관분석을 실시하였다. 토양수분은 특히 겨울에는 지중온도와 매우 강한 양의 상관계수를 가졌으나 이외의 항인 대기온도, 비습, 풍속과는 상관성이 낮게 산정되었다. 봄부터 가을까지의 자료에서는 지중온도가 토양수분과 매우 강한 음의 상관계수를 가지며 대기온도와 비습의 경우 상당한 음의 상관계수를 가지며 풍속은 식생의 영향으로 상관성이 매우 낮은 것으로 판단되었다. 중회귀분석을 통하여 계절별 토양수분을 추정하여 이를 측정값과 비교하였으며 결정계수($R^2$)는 봄의 경우 0.82, 여름의 경우 0.81, 가을의 경우 0.82, 겨울의 경우 0.96로 대체로 양호한 결과를 나타내었다. 본 연구에서 토양수분에 대한 지표상의 수문기상인자들과의 밀접한 상관관계는 공간해상도가 비교적 큰 원격탐사 토양수분의 downscaling에 유용한 정보를 제공할 수 있으며, 지표상의 물 에너지 순환에 대한 보다 나은 이해를 줄 것으로 사료된다.
Soil moisture has been recognized as the essential parameter when understanding the complicated relationship between land surface and atmosphere in water and energy recycling system. It has been generally known that it is related with the temperature, wind, evaporation dependent on soil properties, ...
Soil moisture has been recognized as the essential parameter when understanding the complicated relationship between land surface and atmosphere in water and energy recycling system. It has been generally known that it is related with the temperature, wind, evaporation dependent on soil properties, transpiration due to vegetations and other constituents. There is, however, little research concerned about the relationship between soil moisture and these constitutes, thus it is needed to investigate it in detail. We estimated the soil moisture and then compared with field data using the hydrometerological data such as atmospheric temperature, specific humidity, and wind obtained from the Flux tower in Selmacheon, Korea. In the winter season, subterranean temperature showed highly positive correlation with soil moisture while it was negatively correlated from the spring to the fall. Estimation of seasonal soil moisture was compared with field measurements with the correlation of determination, R=0.82, 0.81, 0.82, and 0.96 for spring, summer, fall, and winter, respectively. Comprehensive relationship from this study can supply useful information about the downscaling of soil moisture with relatively large spatial resolutions, and will help to deepen the understanding of the water and energy recycling on the earth's surface.
Soil moisture has been recognized as the essential parameter when understanding the complicated relationship between land surface and atmosphere in water and energy recycling system. It has been generally known that it is related with the temperature, wind, evaporation dependent on soil properties, transpiration due to vegetations and other constituents. There is, however, little research concerned about the relationship between soil moisture and these constitutes, thus it is needed to investigate it in detail. We estimated the soil moisture and then compared with field data using the hydrometerological data such as atmospheric temperature, specific humidity, and wind obtained from the Flux tower in Selmacheon, Korea. In the winter season, subterranean temperature showed highly positive correlation with soil moisture while it was negatively correlated from the spring to the fall. Estimation of seasonal soil moisture was compared with field measurements with the correlation of determination, R=0.82, 0.81, 0.82, and 0.96 for spring, summer, fall, and winter, respectively. Comprehensive relationship from this study can supply useful information about the downscaling of soil moisture with relatively large spatial resolutions, and will help to deepen the understanding of the water and energy recycling on the earth's surface.
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문제 정의
설마천지역에 대하여 이뤄진 본 연구를 토대로 하여 다양한 지역에 설치된 Flux tower의 자료를 바탕으로 지역의 기후특성을 고려한 측정인자간 상관성에 대한 연구가 필요할 것으로 보여진다. 본 연구에서는 각 인자의 토양수분에 대한 일반적인 경향을 도출하였으며, 주요 지표항간의 관계를 이해함에 있어서 기초가 되는 자료가 될 것이다.
본 연구에서는 계절별 강우 후의 토양수분 감쇄 양상을 파악하기 위하여 관측기간 동안 각 계절별 대표성을 띄는 기간을 추출하여 각 인자별 상관성을 분석하였다. 각 계절별로 강우 후의 토양수분 감쇄기간을 연구기간으로 설정하였으며 설마천 유역의 2008년 자료를 사용하였다.
본 연구에서는 토양수분과 지중온도, 대기온도, 비습, 풍속 간의 관계를 선형회귀분석을 통하여 도출하고자 하였다. 일반적으로 토양수분은 지중온도와 반비례 관계임을 기존 연구를 통해 증명이 되었으며 본 연구에서는 겨울기간에 지중 온도와 토양수분의 관계가 정비례 관계임을 도출하였다.
가설 설정
중회귀분석에서 고려하여야 할 점은 세가지로 1) 독립변수간의 상관관계, 즉 다중공선성이다. 2) 어떤 잔차항이 다른 잔차항에 영향을 미치게 되는 경우 오차항의 자기상관 또는 계열 상관이다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 강우 후의 토양수분의 감쇄 경향을 (1) 지중온도, 대기온도, 비습, 풍속별로 물리적인 상관관계를 분석하였으며, (2) 각 인자들을 이용한 다중회귀식을 도출하여 토양수분을 예측 · 검증하였다.
이는 겨울의 강설이나 지표면의 얼음에 의해 토양수분에 대한 대기의 열전도성이 현저하게 저하되어 겨울철 토양수분의 변동성에 대한 보다 심도있는 연구가 진행될 필요성을 갖게 하였다. 또한 사계절에 대한 토양수분과 Flux tower 현장자료를 바탕으로 중회귀분석의 추정식을 도출하였다. 분석결과 지중온도와 토양수분의 시계열 변이성이 있음을 알게 되었으며 대기온도, 비습과 토양수분의 관계를 이해할 수 있었다.
Lakshmi 등(2003)에서는 다양한 식생환경과 관계없이 지중온도는 토양수분과 역의 관계를 가지고 있음을 증명하였다. 또한, 회귀식을 도출하여 이를 감쇄기간 이후의 토양수분을 예측하였다. Myers 등(2009)에서는 Regression tree algorithm를 이용하여 지중온도와 토양수분의 예측을 데이터마이닝 접근법으로 도출하였으며 LSM(Land Surface Model)과 같은 수문모델의 토양의 세부 깊이별 예측을 보완하고자 하였다.
예를 들면, 광온, 토양의 절연성, 전기저항력, 대기온도와 지중온도와 같은 다양한 인자들의 관계에 대한 연구가 있었다(Idso 등, 1975; Lakshmi 등, 2003). 본 연구에서는 선례의 연구에서 제시한 기상인자인 대기온도, 지중온도, 비습을 이용하여 각 기간별로 추정식을 도출하였다. 그림 8에서 겨울 기간의 중회귀식(2008년 1월 12일~1월 20일)을 이용하여 연구구간 직후의 기간(2008년 1월 21일~1월 31일)을 추정하여 측정값과 비교한 결과 R2=0.
대상 데이터
본 연구에서는 계절별 강우 후의 토양수분 감쇄 양상을 파악하기 위하여 관측기간 동안 각 계절별 대표성을 띄는 기간을 추출하여 각 인자별 상관성을 분석하였다. 각 계절별로 강우 후의 토양수분 감쇄기간을 연구기간으로 설정하였으며 설마천 유역의 2008년 자료를 사용하였다. 각 계절별 조사기간은 다음과 같다.
2.2 연구지역
연구대상 Flux tower(설마천 타워)가 설치되어 있는 곳은 경기도 파주시 적성면 설마리의 설마천 유역이며 유역면적 8.5 km2, 유로연장 5.80 km, 연평균 강수량은 1600 mm, 유로경사 2%인 전형적인 급경사 산지 사행하천 지형이다. 90%이상이 주로 20~30년 수령의 침엽수와 활엽수로 구성되며 토양은 Loamy sand에서 Loam으로 분포하며 표토는 얕은 편으로 함양능력이 대단히 낮다(한국건설기술연구원, 2004).
데이터처리
모의 인자 중 풍속은 혼효림 지대인 설마천 유역에서 식생에 의한 바람의 차단으로 인하여 풍속과의 관련성은 전체적으로 없다. 각 인자별로 선형회귀분석을 통하여 토양수분을 예측하여 측정된 값과 비교하였다.
이론/모형
본 연구에서 사용된 상관분석 방법은 Pearson's r, Kendall's τ, Spearman's ρ을 사용하였다.
성능/효과
중회귀분석에서 고려하여야 할 점은 세가지로 1) 독립변수간의 상관관계, 즉 다중공선성이다. 2) 어떤 잔차항이 다른 잔차항에 영향을 미치게 되는 경우 오차항의 자기상관 또는 계열 상관이다. 3) 종속변수가 독립변수의 변화에 따라 다른 분산을 보이는 이분산성 등이 있다(강병수와 김계수, 2009).
그림 5는 계절별 비습의 변화에 따른 토양수분의 추정값과 측정값의 상관관계를 도식화한 것으로 계절별 상관성이 각각 다르게 나타난다. 그 원인은 한반도의 계절별 기후특성에 의한 것으로 여름의 경우 고온 다습한 기후로 인하여 지중의 토양수분의 변화보다 더 빠른 변동특성을 갖는 비습의 결과로 나타났다. 반면에 겨울의 경우 한랭 건조한 시베리아 고기압의 특성으로 인하여 대기중의 습도는 거의 존재하지 않는 것으로 나타나는 반면 지중의 토양수분은 지표면의 강설이나 얼음으로 인하여 매우 천천히 변동하기 때문에 여름철과 겨울철의 토양수분과 비습과의 관계는 무시해도 좋을 만큼 상관성이 적게 나타나는 것으로 나타났다.
191)이 다른 계절에 비해 매우 적은 편이고 계절의 특성상 지중온도가 영하로 내려가면서 수분이 동결되는 현상으로 인하여 토양수분이 줄어드는 양의 관계가 가능한 것으로 분석된다. 다른 인자들보다 상관관계가 높게 나타나는 것을 고려할 때 본 연구에서 고려된 인자들 중 지중온도와 토양수분이 가장 밀접한 상관성을 갖는 것으로 나타났다.
풍속의 경우 증발산량에 영향을 주는 인자로서 자료 분석결과에 따르면 풍속이 토양수분에 직접 영향을 주기보다 대기온도와 비습을 통해 간접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 때문에 풍속에 대한 토양수분의 상관계수는 전 계절에 걸쳐 매우 낮은 수준(0.20~0.32)으로 나타났고, 이러한 결과를 통해 풍속은 토양 수분에 직접적인 상관성보다 대기온도와 비습을 조절하여 간접적인 상관성을 갖는 인자로 분석되었다.
그 원인은 한반도의 계절별 기후특성에 의한 것으로 여름의 경우 고온 다습한 기후로 인하여 지중의 토양수분의 변화보다 더 빠른 변동특성을 갖는 비습의 결과로 나타났다. 반면에 겨울의 경우 한랭 건조한 시베리아 고기압의 특성으로 인하여 대기중의 습도는 거의 존재하지 않는 것으로 나타나는 반면 지중의 토양수분은 지표면의 강설이나 얼음으로 인하여 매우 천천히 변동하기 때문에 여름철과 겨울철의 토양수분과 비습과의 관계는 무시해도 좋을 만큼 상관성이 적게 나타나는 것으로 나타났다. 반면에 봄과 가을의 경우는 여름과 겨울에 비해 큰 상관성을 갖는데 이는 대기의 온도가 습도유지에 안정적인 구간(15~25℃)에 분포해 있기 때문으로 분석되었다.
또한 사계절에 대한 토양수분과 Flux tower 현장자료를 바탕으로 중회귀분석의 추정식을 도출하였다. 분석결과 지중온도와 토양수분의 시계열 변이성이 있음을 알게 되었으며 대기온도, 비습과 토양수분의 관계를 이해할 수 있었다. 최근 대기인자와 식생, 토양을 연계하는 종합수문모형에 대한 연구가 진행되고 있으며 토양수분을 이용하여 이를 검증하고 있다.
본 연구에서는 토양수분과 지중온도, 대기온도, 비습, 풍속 간의 관계를 선형회귀분석을 통하여 도출하고자 하였다. 일반적으로 토양수분은 지중온도와 반비례 관계임을 기존 연구를 통해 증명이 되었으며 본 연구에서는 겨울기간에 지중 온도와 토양수분의 관계가 정비례 관계임을 도출하였다. 이는 겨울의 강설이나 지표면의 얼음에 의해 토양수분에 대한 대기의 열전도성이 현저하게 저하되어 겨울철 토양수분의 변동성에 대한 보다 심도있는 연구가 진행될 필요성을 갖게 하였다.
96의 결과를 얻었다. 중회귀분석에 의해 도출된 추정식은 각 인자별 토양수분과의 상관도를 반영하여 토양수분을 추정하며, 계절별 추정된 토양수분은 측정된 토양수분과 매우 잘 부합하는 것으로 나타났다. 겨울의 경우 수정된 식을 사용한 결과 0.
표 1에서 토양수분은 겨울의 경우 선형과 비선형 모두 지중온도와 강한 양의 상관계수를 가졌으며 이외의 항인 대기 온도, 비습, 풍속은 관련성이 매우 낮았다. 봄부터 가을까지는 선형과 비선형 모두 지중온도와 강한 음의 상관계수를 가지며 대기온도와 비습은 상당한 음의 상관계수를 가진다.
그림 6에서는 계절별 풍속자료을 이용한 토양수분의 추정 값과 측정값의 상관관계를 나타내었다. 풍속의 경우 증발산량에 영향을 주는 인자로서 자료 분석결과에 따르면 풍속이 토양수분에 직접 영향을 주기보다 대기온도와 비습을 통해 간접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 때문에 풍속에 대한 토양수분의 상관계수는 전 계절에 걸쳐 매우 낮은 수준(0.
후속연구
58의 값으로 부합하는 것으로 나타났다. 본 연구에서의 토양수분 추세식은 설마천에 한하여 적용이 되었지만 각 인자별 토양수분과의 일반적 관계를 도출하였기에 강우 후 감쇄기간에서의 각 인자별 토양수분에 대한 일반적인 관계를 이해하는데 도움이 될 것으로 사료된다.
이와 같은 토양수분의 정량적 접근은 수문분석의 정량적 접근을 가능하게 할 것이다. 설마천지역에 대하여 이뤄진 본 연구를 토대로 하여 다양한 지역에 설치된 Flux tower의 자료를 바탕으로 지역의 기후특성을 고려한 측정인자간 상관성에 대한 연구가 필요할 것으로 보여진다. 본 연구에서는 각 인자의 토양수분에 대한 일반적인 경향을 도출하였으며, 주요 지표항간의 관계를 이해함에 있어서 기초가 되는 자료가 될 것이다.
일반적으로 토양수분은 지중온도와 반비례 관계임을 기존 연구를 통해 증명이 되었으며 본 연구에서는 겨울기간에 지중 온도와 토양수분의 관계가 정비례 관계임을 도출하였다. 이는 겨울의 강설이나 지표면의 얼음에 의해 토양수분에 대한 대기의 열전도성이 현저하게 저하되어 겨울철 토양수분의 변동성에 대한 보다 심도있는 연구가 진행될 필요성을 갖게 하였다. 또한 사계절에 대한 토양수분과 Flux tower 현장자료를 바탕으로 중회귀분석의 추정식을 도출하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Flux network은 어떤 데이터를 제공하나요?
지난 몇 해 동안, 400여 곳이 넘는 세계적인 FLUXNET은 지표면과 대기 사이의 이산화탄소, 수증기, 에너지 유동의 교환에 관하여 미국과 유럽, 중국, 일본, 한국 등지에서 에디 공분산 시스템을 기반으로 운영되어지고 있다. 이러한 Flux network는 지표면과 대기사이의 생태계 해석, 물, 에너지유동에 관한 지속적인 측정값을 제공한다(http://daac.ornl.gov/FLUXNET/).
정량적 수문해석을 위해서 어떤 연구들이 필요한가요?
예를 들면, 유출 특성에 있어서 직접적인 영향을 미치며 에너지 순환과 물 순환의 연결고리 역할을 한다. 즉, 정량적 수문해석을 위해서는 토양수분의 정량적 해석과 동시에 대기 인자와의 연계성에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 이와 같은 노력의 일환으로 토양수분의 시공간적 변이성에 대한 연구가 진행되어 왔으며 토양수분을 이용하여 대기-지표 상호작용에 대한 연구가 진행되고 있다(Bosch 등, 2006; Choi 등, 2008).
토양수분이 수문 현상을 이해할 때 주요변수인 이유는?
토양수분은 수문 현상을 이해함에 있어서 주요변수이다. 예를 들면, 유출 특성에 있어서 직접적인 영향을 미치며 에너지 순환과 물 순환의 연결고리 역할을 한다. 즉, 정량적 수문해석을 위해서는 토양수분의 정량적 해석과 동시에 대기 인자와의 연계성에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
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