[국내논문]MODIS 인공위성 이미지를 이용한 Priestley-Taylor 기반 공간 잠재 증발산 산정: 낙동강 유역을 중심으로 Spatial Estimation of Priestley-Taylor Based Potential Evapotranspiration Using MODIS Imageries: the Nak-dong river basin원문보기
본 연구에서는, 수문순환과정의 중요한 요소인 증발산의 지역적 특성을 고려한 정확한 산정을 위하여 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 인공위성 데이터를 이용한 원격탐사 기술을 적용하였다. Priestley-Taylor 방법으로 한반도 전역에서의 잠재 증발산을 산정하고 공간적인 거동을 파악하고자 하였다. 산정된 잠재 증발산을 바탕으로 낙동강 유역의 기상청 증발접시증발량과 비교를 통해 지역적인 적용성을 확인하였다. 포항 기상대에서는 소형 증발접시 0.70, 대형 증발접시 0.55의 상관 계수를 가지며, 문경 기상대의 결과는 소형 증발접시 0.62, 대형 증발접시 0.52의 상관 계수를 갖는다.
본 연구에서는, 수문순환과정의 중요한 요소인 증발산의 지역적 특성을 고려한 정확한 산정을 위하여 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 인공위성 데이터를 이용한 원격탐사 기술을 적용하였다. Priestley-Taylor 방법으로 한반도 전역에서의 잠재 증발산을 산정하고 공간적인 거동을 파악하고자 하였다. 산정된 잠재 증발산을 바탕으로 낙동강 유역의 기상청 증발접시 증발량과 비교를 통해 지역적인 적용성을 확인하였다. 포항 기상대에서는 소형 증발접시 0.70, 대형 증발접시 0.55의 상관 계수를 가지며, 문경 기상대의 결과는 소형 증발접시 0.62, 대형 증발접시 0.52의 상관 계수를 갖는다.
The evapotranspiration (ET) is one of the most important factor in the hydrological cycle. In this study, remote sensing based ET algorithm using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) was considered. Then, Priestley-Taylor algorithm was used for estimation of potential evapotranspira...
The evapotranspiration (ET) is one of the most important factor in the hydrological cycle. In this study, remote sensing based ET algorithm using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) was considered. Then, Priestley-Taylor algorithm was used for estimation of potential evapotranspiration in South Korea, and its spatial distribution was analyzed. Overall applicability between estimated potential evapotranspiration and weather station pan evaporation in Nakdong river basin was represented. The results using small pan showed that correlation coefficient in Pohang and Moonkyung Station was 0.70 and 0.55, respectively. However, the results using large pan showed correlation coefficient in Pohang and Moonkyung Station was 0.62 and 0.52, respectively.
The evapotranspiration (ET) is one of the most important factor in the hydrological cycle. In this study, remote sensing based ET algorithm using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) was considered. Then, Priestley-Taylor algorithm was used for estimation of potential evapotranspiration in South Korea, and its spatial distribution was analyzed. Overall applicability between estimated potential evapotranspiration and weather station pan evaporation in Nakdong river basin was represented. The results using small pan showed that correlation coefficient in Pohang and Moonkyung Station was 0.70 and 0.55, respectively. However, the results using large pan showed correlation coefficient in Pohang and Moonkyung Station was 0.62 and 0.52, respectively.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 우리나라의 지역적 특성을 반영한 Priestley-Taylor 방법에 기초한 원격탐사 기반 잠재증발산의 공간 분포를 산정하였다. 한반도 전역에 대한 잠재 증발산의 공간 분포를 획득하였고, 이렇게 얻어진 결과를 낙동강 유역을 중심으로 기상청의 증발접시 증발량과 비교 검증하였다.
최원호 외(2010)에서는 Reference Evapotranspiration Calculator Software를 이용하여 기상관측소 자료 기반의 기준 증발산을 산정하였다. 이러한 국내외의 다양한 잠재 증발산에 해당하는 연구들을 바탕으로 본 연구에서는 원격탐사 기법을 활용하여 가장 간단하면서도 높은 적용성을 보이는 Priestley-Taylor 공식을 적용한 잠재 증발산을 산정하여 지역적인 적용성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
Priestley-Taylor 공식을 이용하여 산정한 잠재 증발산 값을 바탕으로 한반도 전역에 대한 공간적인 mapping을 하였으며, 이를 바탕으로 낙동강 유역 권역에 위치한 기상청(포항, 문경 기상대)에서 제공하는 팬 증발량 데이터를 이용하여 검증을 실시하였다. 2010년에 해당하는 순간 잠재 증발산을 산정하고 이를 sinusoidal model를 이용하여 일 평균 잠재 증발산으로 재 산정 하였다. Fig.
농업, 임업, 수자원 분야와 같은 증발산의 적용이 많은 분야에서는 순간적인 증발산 값보다는 하루 또는 월단위의 증발산 또는 일 중의 변화량을 요구한다. MODIS 기반의 잠재 증발산은 위성이 대상 지역을 통과하는 시간대의 순간 값으로 산정되기에 본 연구에서는 Bisht et al. (2005)에 의해 제안된 Sinusoidal model을 사용하여 MODIS 순간 증발산량을 하루 단위의 증발산량으로 확장하였다. Fig.
Priestley-Taylor 공식을 이용하여 산정한 잠재 증발산 값을 바탕으로 한반도 전역에 대한 공간적인 mapping을 하였으며, 이를 바탕으로 낙동강 유역 권역에 위치한 기상청(포항, 문경 기상대)에서 제공하는 팬 증발량 데이터를 이용하여 검증을 실시하였다. 2010년에 해당하는 순간 잠재 증발산을 산정하고 이를 sinusoidal model를 이용하여 일 평균 잠재 증발산으로 재 산정 하였다.
본 연구에서는 낙동강 유역을 대상 유역으로 선정하고 포항과 문경 기상청에서 제공하는 증발접시 증발량 데이터를 이용하여 MODIS 기반의 Priestley-Taylor 잠재 증발산 결과를 검증하였다(Fig. 1). 낙동강 유역은 강원도 태백 함백산의 황지천에서 발원하여 한반도의 남동부로 흘러드는 유역으로 전 영남지역을 포함하는 큰 규모의 유역으로 유로 연장은 521.
gov/를 통해 획득할 수 있으며 시공간적으로 각각 1일, 1 km × 1 km의 안정적인 해상도 정보를 제공한다(서찬양 외, 2012). 본 연구에서는 에너지 수지 방정식에 기인하여 MODIS 산출물인 대기온도, 지표면 온도, 이슬점 온도, 대기압과 태양 천청각 등을 이용하여 복사 에너지를 산출하여 Priestley-Taylor 잠재 증발산 산정에 입력 자료로써 이용하였다.
정 수와 신사철(2006)에서는 MODIS 위성영상 자료의 식생지수(NDVI) 자료를 이용하여 광역의 증발산량을 산정하는 방법을 개발하였다. 위성영상을 이용하여 산정된 증발산량 분포를 강우 분포자료 및 잠재 증발산량 분포자료와 결합하여 기후학적 물 수지를 산정하였다. 최원호 외(2010)에서는 Reference Evapotranspiration Calculator Software를 이용하여 기상관측소 자료 기반의 기준 증발산을 산정하였다.
지표면 온도의 일 변화 양상을 얻기 위해 Lagouarde and Brunet (1983)에서 낮의 길이, 일 최대 지표면 온도와 최소 지표면 온도의 차이를 이용하여 Sinusoidal model의 개념이 성립되었으며, Bisht et al. (2005)에서는 이러한 개념을 기반으로 맑은 날에 대한 순복사량의 일중 변화를 추정하기 위한 수정된 Sinusoidal model을 제안하였고, 본 연구에서는 이 model을 이용하여 일 평균 잠재 증발산을 산정하고 이를 다시 월 평균 값으로 재 산정하였다.
본 연구에서는 우리나라의 지역적 특성을 반영한 Priestley-Taylor 방법에 기초한 원격탐사 기반 잠재증발산의 공간 분포를 산정하였다. 한반도 전역에 대한 잠재 증발산의 공간 분포를 획득하였고, 이렇게 얻어진 결과를 낙동강 유역을 중심으로 기상청의 증발접시 증발량과 비교 검증하였다. 잠재 증발산의 비교 검증을 통하여 포항 기상대에서는 소형 증발접시 0.
대상 데이터
소형 증발접시는 구경 20 cm, 깊이 10 cm의 원통형 신주 재질로 이루어져 있으며 증발계 설치 장소 부근에는 잔디를 심고 주변 지역의 영향을 최소화하기 위해 조제를 설치해 둔다. 국내 및 국외에서 활발하게 쓰이고 있지는 않지만이 증발접시는 결빙 등의 영향을 상대적으로 적게 받기 때문에 계절 제한 없이 쓰일 수 있는 장점이 있으며, 관련 연구를 토대로 증발접시 계수를 0.72로 적용하였다(기상청 홈페이지 http://www.kma.go.kr/).
본 연구에서는 잠재 증발산의 시공간적인 변동성을 확인하기 위해 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 위성 관측 영상자료를 활용하였다. MODIS 위성 관측 센서는 NASA Earth Observing System (EOS)에 의해 발사된 Terra(1999.
3은 산정된 일 평균 잠재 증발산 결과 중, 월별로 선별하여 mapping한 결과이다. 포항과 문경, 2개 지점의 기상청에서 제공하는 증발접시 증발량은 소형/대형 증발접시 데이터를 모두 사용하였고 산정된 MODIS 기반 Priestley-Taylor 잠재 증발산 결과와 검증하였다(Fig. 4, 5).
데이터처리
산정된 한반도 전역의 기준 증발산 공간 분포는 생장기가 진행이 될수록 증발량이 많아지는 본 연구와 유사한 경향을 보여주고 있다. 또한, 산정된 기준 증발산을 지점 관측 자료의 회귀방정식을 통해 얻은 증발산량과 값과 비교하여 높은 정확도를 산정해냈다.
성능/효과
3과 4는 포항과 문경 기상대의 소형/대형 증발접시 증발량과의 지점 검증 결과이다. 두 기상대의 결과 모두 원격탐사 기반의 Priestley-Taylor 잠재 증발 값이 과다 산정되었음을 확인 할 수 있다. 임창수 외(2009)에서는 증발량 상관분석을 위하여 1973년부터 1990년까지 전국의 15개 관측지점에서 소/대형 증발접시 증발량을 이용하였다.
본 연구의 결과에서도, 소형 증발접시를 이용한 검증 결과가 대형 증발접시를 이용한 결과보다 높은 상관성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 두 지역을 비교해 보았을 때, 포항 기상대의 증발접시 증발량 검증 결과가 문경 기상대 결과 값보다 높은 상관성을 보인다. 이는 PriestleyTaylor 공식을 적용할 때, 수표면이나 균일하게 포화된 지표면과 같이 대류 영향을 무시할 수 있는 경우 a =1.
대형 증발접시 증발량의 경우가용한 관측자료 지점과 기간이 제한되어 있기 때문에, 자료연수나 지점이 충분하고 신뢰성이 높은 소형 증발접시 증발량을 사용하는 것을 권장하고 있다. 본 연구의 결과에서도, 소형 증발접시를 이용한 검증 결과가 대형 증발접시를 이용한 결과보다 높은 상관성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 두 지역을 비교해 보았을 때, 포항 기상대의 증발접시 증발량 검증 결과가 문경 기상대 결과 값보다 높은 상관성을 보인다.
겨울철(12~2월) 50-70 W m-2의 분포를 띄는 것을 확인할 수 있다. 이는 몬순 기후대에 속하는 우리나라 기후 특성상, 겨울철에는 식생 활동이 활발하지 않은 휴면기로써 증발량이 많이 발생하지 않으며 생장기인 5-9월에 해당하는 봄부터 가을까지의 시기에는 상대적으로 많은 양의 잠재 증발량이 발생함을 확인할 수 있다. 공간적인 분포를 살펴보면, 해안가 근처에서의 잠재 증발량 값이다른 내륙 지방보다 더 높은 분포를 나타냄을 확인할 수 있는데, 이것은 해안가 근처가 내륙 지방보다 해풍의 영향으로 인해 온도가 높아 증발량이 더 많음을 알 수 있다(신사철과 안태용, 2007).
52의 상관 계수를 갖는다. 이를 통해 원격탐사 기반의 잠재 증발산 산정 방법의 지역적 적용성과 정확성을 확인하였다. 다소 과다 산정된 MODIS 기반 잠재 증발산은 지형학적인 요인 및 토지 이용에 대한 부분에 대한 감안 없이 경험상수를 산정한데서 기인할 수 있다.
다소 과다 산정된 MODIS 기반 잠재 증발산은 지형학적인 요인 및 토지 이용에 대한 부분에 대한 감안 없이 경험상수를 산정한데서 기인할 수 있다. 평지사면으로 바닷가 근처에 있는 포항 기상대의 경우 산정된 경험상수가 잘 적용이 되었음을 확인할 수 있었으며, 산지 사면으로 고도가 높은 곳에 위치한 문경 기상대에서는 MODIS 잠재 증발산 결과 값이 다소 과다 산정됨을 확인 할 수 있었다. 이러한 차이는 기상대의 증발접시 증발량과의 비교 검증 결과에서도 확인되었다.
후속연구
이에 여러 잠재 증발산 산정 방법에 대한 조사를 더하여 산정 방법에 대한 다양성을 갖고 이에 대한 적용성도 찾아야 할 것이다. 다양한 산정방법을 통해 산정된 잠재 증발산 값을 지점 관측 자료와 비교 검증하여 낙동강 유역에서의 지역적 적용성을 높이고 나아가 증발산량 산정 데이터 베이스를 구축하는데 중요한 밑바탕이 될 것으로 사료된다.
또한, 많은 잠재 증발산 산정 공식이 현재까지 소개되었지만 인공위성 입력 자료만을 이용하여 산정할 수 있는 방법은 Priestley-Taylor 공식 외에는 산정에 있어 어려움이 따른다. 이에 여러 잠재 증발산 산정 방법에 대한 조사를 더하여 산정 방법에 대한 다양성을 갖고 이에 대한 적용성도 찾아야 할 것이다. 다양한 산정방법을 통해 산정된 잠재 증발산 값을 지점 관측 자료와 비교 검증하여 낙동강 유역에서의 지역적 적용성을 높이고 나아가 증발산량 산정 데이터 베이스를 구축하는데 중요한 밑바탕이 될 것으로 사료된다.
이러한 차이는 기상대의 증발접시 증발량과의 비교 검증 결과에서도 확인되었다. 추후 더 많은 지점 관측 자료를 확보하여 검증 결과의 정확성을 높일 계획이다. 또한, 많은 잠재 증발산 산정 공식이 현재까지 소개되었지만 인공위성 입력 자료만을 이용하여 산정할 수 있는 방법은 Priestley-Taylor 공식 외에는 산정에 있어 어려움이 따른다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Priestley-Taylor 공식이란 무엇인가?
Priestley-Taylor 공식은 Penman (1948) 식을 단순화한 형태로 적용지역의 기후 조건이 습하여 증발량 산정과정에서의 공기 동역학적 인자의 영향을 무시할 수 있다는 가정 하에 특정 계수로 치환하여 단순화한 식이다(Priestley and Taylor, 1972).
기상청에서 설치한 대형 증발접시를 동계(11월~3월)에 철거하는 이유는 무엇인가?
75로 적용하였다. 다만 대형 증발접시는 겨울철에 증발접시 내부 수면이 빙결되면 증발량 측정이 불가능할 뿐만 아니라 증발계 자체가 파손될 위험이 있기 때문에 동계(11월~3월)에는 철거하여 관측을 하지 않는다. 소형 증발접시는 구경 20 cm, 깊이 10 cm의 원통형 신주 재질로 이루어져 있으며 증발계 설치 장소 부근에는 잔디를 심고 주변 지역의 영향을 최소화하기 위해 조제를 설치해 둔다.
증발산은 무엇을 합친 개념인가?
증발산은 지표면이나 수표면에서 발생하는 증발과 식생에서 기공을 통해 발생하는 증산을 합친 개념으로써 수문순환 인자 중 강우에 영향을 미치는 중요한 요소로써 기작에 대한 정확한 파악이 요구된다. 증발산에는 실제 증발산과 잠재 증발산으로 크게 두 분류로 나눌 수 있는데 이 중 잠재 증발산은 수표면에서 발생하는 최대의 증발산을 의미하는 것으로써 단위 면적의 지표 안에 한 작물이 가득 차 있을 경우 작물에 대한 최대치의 증발산량인 기준 작물 증발산(Allen et al.
참고문헌 (26)
기상청 홈페이지 (http://www.kma.go.kr/)
낙동강사랑 (http://www.nakdong.go.kr)
MODIS Website (http://modis.gsfc.nasa.gov/)
서찬양, 한승재, 이정훈, 최민하, 2012. 인공위성 데이터 기반의 공간 증발산 산정 및 에디 공분산 기법에 의한 플럭스 타워자료 검증, 대한원격탐사학회지, 28: 435-448.
Allen, R.G., L.S. Percira, D. Raes, and M. Smith, 1998. Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop requirements. Irrigation and Drainage Paper 56. United Nations-Food and Agricultural Organization (FAO), Rome, Italy.
Bisht, G., V. Venturini, S. Islam, and L. Jiang, 2005. Estimation of the net radiation using MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) data for clear sky days, Remote Sensing of Environment, 97: 52-67.
Chattopadhyay, N. and M. Hulme, 1997. Evaporation and potential evapotranspiration in India under conditions of recent and future climate change, Agricultural and Forest Meteorology, 87: 55-73.
Douglas, M.E., M.J. Jacobs, M.D. Summer, and L.R. Ray, 2009. A comparison of models for estimating potential evapotranspiration for Florida land cover types, Journal of Hydrology, 373: 366-376.
Ferguson, H.L. and G.H. Den, 2009. Meteorological studies of evaporation at Perch lake, Ontario. Hydrological studies on a small basin on the Canadian shield-evaporation studies, P.J. Barry, Ed.AECL Chalk River Nuclear Laboratories, 417-448.
Flint, A.L. and S.W. Childs, 1991. Use of the Priestley-Taylor evaporation equation for soil water limited conditions in a small forest clearcut. Agricultural and Forest Meteorology, 56: 247-260.
Kim, J. and T.S. Hogue, 2007. Evaluation of a MODIS-Based Potential Evapotranspiration Product at the Point Scale. Journal of Hydrometeorology, 9: 444-460.
Lagouarde, J.P. and Y. Brunet, 1983. A simple model for estimating the daily upward longwave surface radiation flux from NOAA-AVHRR data, 14: 907-925.
Mukammal, E.I. and H.H. Neumann, 1977. Application of the Priestly-Taylor evaporation model to assess the influence of soil moisture on the evaporation from a large weighing lysimeter and class A pan, Boundry-Layer Meteorology, 14: 243-256.
Penman, H.L., 1948. Natural evaporation from open water, bare soil, and grass, Proceeding of the Royal Society London, A193: 120-146.
Priestley, C.H.B. and R.J. Taylor, 1972. On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters, Monthly Weather Review, 81-92.
Showmaker, W.B. and M.D. Sumner, 2006. Laternate corrections for estimating actual wetland evapotranspiration from potential evapotranspiration, Wetlands, 26: 528-543.
Stewart, R.B. and W.R. Rouse, 1976. A simple method for determining the evaporation from shallow lakes and ponds, Water Resources Research, 12: 623-628.
Stewart, R.B. and W.R. Rouse, 1977. Substantiation of the Priestley-Taylor parameters 1.26 for potential evaporation in high latitudes, Journal of Applied Meteorology, 16: 623-650.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.