인공위성 데이터 기반의 공간 증발산 산정 및 에디 공분산 기법에 의한 플럭스 타워 자료 검증 Estimation of Satellite-based Spatial Evapotranspiration and Validation of Fluxtower Measurements by Eddy Covariance Method원문보기
증발산은 토양 표면에서 일어나는 증발 과정과 식물의 광합성 작용으로 인해 일어나는 증산 작용을 포함하는 수문기상인자로 외부 환경에 민감하게 작용한다. 현재 국내외에서는 이를 정확하게 관측하여 활용하기 위해 증발접시(evaporation pan), 침루계(lysimeter) 등을 이용하여 실측하거나 Eddy covariance technique, Bowen ratio method 등을 이용하여 경험적으로 산정하고 있으나 공간적인 제약이 따른다. 따라서 본 연구에서는 Terra 인공위성에 탑재된 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 다중분광 센서를 이용, 원격탐사 기술을 적용함으로써 이러한 지상 관측의 단점을 보완하고자 하였다. 이전 연구들에서 소개가 되었던 원격탐사 기반 증발산 산정 모형을 개선하여 별도의 외부 입력자료 없이 MODIS 위성 이미지 자료만을 이용, 우리나라의 지역적 특성을 반영한 Penman-Monteith 기반 증발산을 산정하였다. 유량조사사업단에서 운영 및 관리하고 있는 설마천/청미천 플럭스 타워의 증발산 관측치와 MODIS 기반 증발산 산정값과의 비교를 통해 각각 0.69, 0.74의 높은 상관계수를 보여 산정 방법의 적용성을 검증하였다.
증발산은 토양 표면에서 일어나는 증발 과정과 식물의 광합성 작용으로 인해 일어나는 증산 작용을 포함하는 수문기상인자로 외부 환경에 민감하게 작용한다. 현재 국내외에서는 이를 정확하게 관측하여 활용하기 위해 증발접시(evaporation pan), 침루계(lysimeter) 등을 이용하여 실측하거나 Eddy covariance technique, Bowen ratio method 등을 이용하여 경험적으로 산정하고 있으나 공간적인 제약이 따른다. 따라서 본 연구에서는 Terra 인공위성에 탑재된 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 다중분광 센서를 이용, 원격탐사 기술을 적용함으로써 이러한 지상 관측의 단점을 보완하고자 하였다. 이전 연구들에서 소개가 되었던 원격탐사 기반 증발산 산정 모형을 개선하여 별도의 외부 입력자료 없이 MODIS 위성 이미지 자료만을 이용, 우리나라의 지역적 특성을 반영한 Penman-Monteith 기반 증발산을 산정하였다. 유량조사사업단에서 운영 및 관리하고 있는 설마천/청미천 플럭스 타워의 증발산 관측치와 MODIS 기반 증발산 산정값과의 비교를 통해 각각 0.69, 0.74의 높은 상관계수를 보여 산정 방법의 적용성을 검증하였다.
Evapotranspiration (ET) including evaporation from a land surface and transpiration from photosynthesis of vegetation is a sensitive hydrological factor with outer circumstances. Though both direct measurements with an evaporation pan and a lysimeter, and empirical methods using eddy covariance tech...
Evapotranspiration (ET) including evaporation from a land surface and transpiration from photosynthesis of vegetation is a sensitive hydrological factor with outer circumstances. Though both direct measurements with an evaporation pan and a lysimeter, and empirical methods using eddy covariance technique and the Bowen ratio have been widely used to observe ET accurately, they have a limitation that the observation can stand for the exact site, not for an area. In this study, remote sensing technique is adopted to compensate the limitation of ground observation using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) multispectral sensor mounted on Terra satellite. We improved to evapotranspiration model based on remote sensing (Mu et al., 2007) and estimated Penman-Monteith evapotranspiration considering regional characteristics of Korea that was using only MODIS product. We validated evapotranspiration of Sulma (SMK)/Cheongmi (CFK) flux tower observation and calculation. The results showed high correlation coefficient as 0.69 and 0.74.
Evapotranspiration (ET) including evaporation from a land surface and transpiration from photosynthesis of vegetation is a sensitive hydrological factor with outer circumstances. Though both direct measurements with an evaporation pan and a lysimeter, and empirical methods using eddy covariance technique and the Bowen ratio have been widely used to observe ET accurately, they have a limitation that the observation can stand for the exact site, not for an area. In this study, remote sensing technique is adopted to compensate the limitation of ground observation using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) multispectral sensor mounted on Terra satellite. We improved to evapotranspiration model based on remote sensing (Mu et al., 2007) and estimated Penman-Monteith evapotranspiration considering regional characteristics of Korea that was using only MODIS product. We validated evapotranspiration of Sulma (SMK)/Cheongmi (CFK) flux tower observation and calculation. The results showed high correlation coefficient as 0.69 and 0.74.
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문제 정의
일반적으로 높은 온도는 높은 VPD에 반영되기 때문에 최저 온도와 VPD에 의한 제한 요소를 기공 전도도 산정에 반영하여 식(8)과 같이 나타냄으로써 Cleugh et al.(2007)로부터 발표된 기존 Remote Sensing based Penman-Monteith(RS-PM) 모형을 개선하고자 하였다.
, 2007). 기존 RS-PM 알고리즘에 증발량 산정 부분을 추가함으로써 임관 울폐도(canopy cover) 가 낮은 지역에서의 증발산을 보다 정확하게 산정하고자 하였다. 증기 운송에 대한 총 동역학적 저항(rtot)은 지표면 저항(rs)과 동역학적 저항(ru)의 합으로써 구할 수 있다(Van de Griend, 1994).
하지만, 국내의 플럭스 타워 관측 현황은 이러한 다양한 지형적 특성을 대표하기 부족하며, 이를 이용한 연구 역시 아직 활발하지 못하다. 따라서 본 연구는 설마천과 청미천에서 관측된 기상인자를 이용하여 산정된 증발산(잠열 플럭스) 값과 MODIS 다중분광 센서 기반으로 산정해 낸 증발산을 비교 및 검증할 것이다.
본 연구에서는 Penman-Monteith 방법에 기초한 원격탐사 기반 증발산 산정 모형인 RS-PM 방법을 개선하여 우리나라의 지역적 특성을 반영한 증발산의 공간 분포를 산정하였다. 별도의 외부 입력자료 없이 MODIS 위성 이미지 자료만을 증발산 산정에 적용함으로써 입력자료의 획득 및 처리 방법을 개선하였고, 이렇게 얻어진 결과를 설마천과 청미천 플럭스 타워에서 관측한 잠열 에너지 플럭스(증발산)와 비교 검증하였다.
본 연구에서는 순복사량을 산정하는 산정식의 각 인자를 신뢰성 있는 방법으로 유도함으로써 최종 결과물의 지역적 정확성 및 적용성을 높이고자 하였다. 유입단파 복사 에너지는 Allen et al.
제안 방법
분포를 이용하여 Mu et al.(2007)에서 소개된 바 있는 MODIS 16 전지구 증발산 산정 모형인 revised RS-PM을 적용, 증발산을 구함으로써 지역 스케일의 증발산 분포를 구하고자 하였다. 1.
Fig. 3은 2010년 1월 1일부터 12월 31일에 해당하는 MODIS 육상 및 대기 자료를 이용하여 공간해상도 1 km 증발산 분포를 산정하여 공간적인 분포를 확인하고 변동성을 파악하였다. 잠열 플럭스의 공간 분포는 겨울에는 100~200 W m-2, 여름에는 400~700 W m-2의 범위를 가진다.
본 연구에서는 Penman-Monteith 방법에 기초한 원격탐사 기반 증발산 산정 모형인 RS-PM 방법을 개선하여 우리나라의 지역적 특성을 반영한 증발산의 공간 분포를 산정하였다. 별도의 외부 입력자료 없이 MODIS 위성 이미지 자료만을 증발산 산정에 적용함으로써 입력자료의 획득 및 처리 방법을 개선하였고, 이렇게 얻어진 결과를 설마천과 청미천 플럭스 타워에서 관측한 잠열 에너지 플럭스(증발산)와 비교 검증하였다. 증발산 비교 검증을 통하여 설마천에서는 0.
이 중 a는 미국 지질조사국(United States Geological Survey, USGS)에서 제공하는 MODIS 육상 자료중 하나인 MCD43 Bidirectional Reflectance Distribution Function(BRDF)/Albedo 자료로부터 추출하여 이용할 수 있다. 본 연구에서는 MCD43B3 알베도 자료로부터 Black sky albedo 10번 밴드를 추출하여 반사된 태양 복사 에너지를 계산하였다.
대상 데이터
1.00°× 1.25°의 공간 해상도로 이루어져 있는 Global Modeling and Assimilation Office (GMAO) 전지구 기후 데이터를 적용한 MODIS 16 증발산 산정 모형의 지역 적용성을 향상시키기 위해 0.05° × 0.05°의 공간 해상도를 가지는 MODIS 07 대기 자료를 연구에 적용하였다.
2010년 1월 1일부터 12월 31일에 해당하는 설마천/ 청미천 플럭스 타워에서 관측된 기상인자들을 이용하여 잠열 플럭스를 산정하였고, 이를 시계열로 표현하여 시간에 따른 변동성을 파악하였다(Fig. 2). Fig.
, 2006). 본 연구에서는 각 플럭스 타워(Fig. 1의 별 표시 지점)에서 2010년 1월 1일부터 12월 31일까지 1년간 30분 단위로 관측한 플럭스 데이터를 이용하였다.
본 연구에서는 경기도 파주시 적성면에 위치한 설마천 유역(SMK)과 이천시 장호원읍에 위치한 청미천 유역(CFK)을 대상 유역으로 선정하였다(Fig. 1). 설마천은 북위 37°55’6”, 동경 126°57’25”에 위치하며, 임진강하구에서 약 46 km 상류에 위치하고 있으며 임진강 제 1지류의 지방 2급 하천이다.
본 연구에서는 증발산의 시공간적인 분포를 정확히 파악하기 위해 미 항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA) 및 미 지질조사국 (United States Geological Survey, USGS)에서 제공하는 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) 위성 관측 영상을 이용하였다. MODIS 위성 관측 센서는 1일의 시간해상도를 가지며, 인자별로 육상 자료 1 km × 1 km, 대기자료 5 km × 5 km의 안정적인 해상도 정보를 제공함으로써 대기, 해양, 육지에 대한 구름, 에어로졸, 수증기 등의 특성 분석, 대기권의 태양/지구 복사에너지 관측을 통한 지구 온난화 및 기후 변화 감시, 해상과 육상에서의 생물 간의 상호관계 관측 등 다양한 분야에서 유용하게 활용되고 있다(http://modis.
데이터처리
65의 결과값을 갖는다. 연구 결과의 검증을 위한 기본 통계 분석을 통해 증발산 산정치의 오차를 확인하였다. 연구지역 관측치에 대한 추정치의 bias와 Root Mean Square Error(RMSE)는 70.
이론/모형
유입단파 복사 에너지는 Allen et al.(2007a; 2007b)에서 제안된 방법을 이용하여 산정하였다(식 2).
MODIS 기반의 증발산과 플럭스 타워에서 관측된 증발산을 비교 검증하는 과정에서 발생할 수 있는 위성 기반 증발산의 과다/과소 추정되는 현상을 보정하기 위해본 연구에서는 Bowen ratio와 residual 보정 기법을 적용하였다.
67 × 10-8 W m-2 K-4), Ta는 대기 온도(K)이다. 대기 에너지 방사율은 일반적으로 기온과 실제 증기압 (ea)의 함수로써 구하며, 본 연구에서는 Brutsaert (1975)로부터 제안된 방법을 이용하였다(식 6).
유출 장파 복사량은 지표면에서 반사하여 방출하는 장파 복사량을 의미하며, Stefan-Boltzmann 식을 이용하여 구할 수 있다(식 7).
5 ℃, 연 평균 강우량은 1107 mm 이다(Table 1). 지표와 대기 사이의 상호작용에 의해 생기는 에너지 플럭스를 직접적으로 관측하기 위해 에디 공분산 기법을 적용하였다. 에디 플럭스는 질량 보존식의 일부로써 식생 임관과 대기 사이에서 일어나는 Net Ecosystem Exchange(NEE)를 산정하는 데 쓰인다(Kim et al.
성능/효과
특히 동일한 연구지역을 대상으로 2004~2006년 MODIS 이미지 데이터를 이용한 Jang et al.(2009)의 광릉/해남 관측 지점 플럭스 관측치-MODIS 추정치 상관계수 0.77, 0.64에 대해 개선된 결과를 보여줌으로써 본 연구에 적용된 산정 방법의 높은 정확성을 확인할 수 있다.
다소 과다 산정된 MODIS 증발산과 이에 따른 bias, RMSE는 부분적으로 에너지 수지식을 만족하지 못하는 에디 공분산 관측치에서 기인할 수 있다. 설마천은 광릉 플럭스 타워 지점과 유사한 지형학적 요인 및 토지이용을 나타내어 플럭스 산정에 있어 다소 오차가 발생을 하고 청미천 유역은 해남 플럭스 타워 지점에서의 결과 값과 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 에너지 수지 문제의 보완과 증발산 산정 방법의 개선을 통해 보다 정확한 원격탐사 기반 증발산 관측이 이루어질 것이다.
74의 상관 계수를 갖는다. 이를 통해 증발산 산정에 있어 보정 기법에 필요성을 확인할 수 있었으며, 증발산 산정 방법의 지역적 적용성과 정확성을 확인할 수 있다. 다소 과다 산정된 MODIS 증발산과 이에 따른 bias, RMSE는 부분적으로 에너지 수지식을 만족하지 못하는 에디 공분산 관측치에서 기인할 수 있다.
4와 5의(c)에서 확인 할 수 있다. 이처럼 다양한 방법으로 산정된 증발산을 비교 검증해 보았을 때, 플럭스의 흐름을 유연하게 파악하기 용이한 청미천 유역에서는 이전 연구들에서와 마찬가지로 Bowen ratio 기법을 적용하여 산정된 증발산 값이 적용성이 가장 높게 나왔음을 확인할 수 있다. Bowen ratio 기법을 적용하였을 경우 상관 계수는 설마천은 0.
별도의 외부 입력자료 없이 MODIS 위성 이미지 자료만을 증발산 산정에 적용함으로써 입력자료의 획득 및 처리 방법을 개선하였고, 이렇게 얻어진 결과를 설마천과 청미천 플럭스 타워에서 관측한 잠열 에너지 플럭스(증발산)와 비교 검증하였다. 증발산 비교 검증을 통하여 설마천에서는 0.49, 청미천은 0.65의 상관 계수를 가지며, Bowen ratio 기법을 적용하였을 경우 상관 계수는 설마천은 0.44, 청미천은 0.71, Residual 방법을 적용하였을 때에는 설마천 0.69, 청미천은 0.74의 상관 계수를 갖는다. 이를 통해 증발산 산정에 있어 보정 기법에 필요성을 확인할 수 있었으며, 증발산 산정 방법의 지역적 적용성과 정확성을 확인할 수 있다.
4와 5는 설마천과 청미천 플럭스 타워에서 측정된 잠열 플럭스(증발산)와 MODIS에서 산정된 증발산의 상관 관계를 나타내는 그래프이다. 첫 번째 상관 그래프는 기본적인 에너지 수지 기반 식(RN _ G = H + LE)으로 산정된 증발산으로써 설마천에서는 MODIS에 의한 결과값이 과다 산정, 청미천에서는 과소 산정되는 경향을 보이고, 상관 계수는 설마천은 0.49, 청미천은 0.65의 결과값을 갖는다. 연구 결과의 검증을 위한 기본 통계 분석을 통해 증발산 산정치의 오차를 확인하였다.
후속연구
설마천은 광릉 플럭스 타워 지점과 유사한 지형학적 요인 및 토지이용을 나타내어 플럭스 산정에 있어 다소 오차가 발생을 하고 청미천 유역은 해남 플럭스 타워 지점에서의 결과 값과 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 에너지 수지 문제의 보완과 증발산 산정 방법의 개선을 통해 보다 정확한 원격탐사 기반 증발산 관측이 이루어질 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
증발산 추정방법중 물수지 방법은 어떤 방법인가?
이러한 증발산을 추정하기 위한 대표적인 방법으로 크게 물수지 방법과 에너지 수지 방법이 있다(권효정 외, 2009). 물수지 방법은 강우량과 증발산량, 유출 및 침투 등의 모든 가능한 방향의 수문 성분의 이동에 대한 균형을 이용하는 방법으로 년 단위의 장기간의 증발산량 산정에 적합하다. 이에 반하여 에너지 수지 방법은 유입 및 유출되는 단파복사량(Shortwave radiation, RS)과 장파복사량(Longwave radiation, RL)과의 균형을 이용하여 증발산을 산정하는 방식으로 각 인자에 대한 계산이 가능할 경우 단기간의 증발량 산정에도 적합하다.
국내외에서 증발산은 주로 어떻게 산정하는가?
증발산은 토양 표면에서 일어나는 증발 과정과 식물의 광합성 작용으로 인해 일어나는 증산 작용을 포함하는 수문기상인자로 외부 환경에 민감하게 작용한다. 현재 국내외에서는 이를 정확하게 관측하여 활용하기 위해 증발접시(evaporation pan), 침루계(lysimeter) 등을 이용하여 실측하거나 Eddy covariance technique, Bowen ratio method 등을 이용하여 경험적으로 산정하고 있으나 공간적인 제약이 따른다. 따라서 본 연구에서는 Terra 인공위성에 탑재된 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 다중분광 센서를 이용, 원격탐사 기술을 적용함으로써 이러한 지상 관측의 단점을 보완하고자 하였다.
증발산은 어떤인자인가?
증발산은 토양 표면에서 일어나는 증발 과정과 식물의 광합성 작용으로 인해 일어나는 증산 작용을 포함하는 수문기상인자로 외부 환경에 민감하게 작용한다. 현재 국내외에서는 이를 정확하게 관측하여 활용하기 위해 증발접시(evaporation pan), 침루계(lysimeter) 등을 이용하여 실측하거나 Eddy covariance technique, Bowen ratio method 등을 이용하여 경험적으로 산정하고 있으나 공간적인 제약이 따른다.
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