[국내논문]에디공분산 방법 기반의 플럭스 타워 순 복사에너지 검증: 설마천, 청미천 유역 Validation of Net Radiation Measured from Fluxtower Based on Eddy Covariance Method: Case Study in Seolmacheon and Cheongmicheon Watersheds원문보기
최근 들어 기후변화로 인해 물과 에너지 순환에 관한 정확한 이해가 요구되고 있다. 현재 미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 수문학적, 생태학적 분석에 있어서 주춧돌역할을 하고 있다. 하지만 플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정은 여러 가정사항에 따른 시스템적 오류를 내포하고 있고 이에 따라 과소평가된 잠열 플럭스 원시자료의 보정이 필요하다. 몇몇의 보정방법 중 보엔비를 활용한 방법이 가장 유용한 방법 중 하나로서 여기에는 플럭스타워에서 측정한 순 복사에너지 및 기타 플럭스(현열, 지열) 등이 요구되며 이러한 자료에 대한 정확한 측정 및 검증이 필요하다. 본 연구에서는 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지를 검증하기 위해 두 가지 형태의 이론적으로 계산된 순 복사에너지와의 비교검증을 실시하였다-(1) FAO 56 기반의 일평균 순 복사에너지 (2) Bastiaansen (1995)가 제안한 순간 순 복사에너지. 본 연구의 결과는 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지는 이론적으로 계산된 순 복사에너지와 상당히 비슷한 경향성을 보인다는 것을 제시했다. 또한, 측정된 순 복사에너지를 이용하여 관측된 잠열플럭스를 보엔비 보정방법에 적용시킨 결과 에너지수지에 더욱 부합하는 것을 알 수 있었다.
최근 들어 기후변화로 인해 물과 에너지 순환에 관한 정확한 이해가 요구되고 있다. 현재 미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 수문학적, 생태학적 분석에 있어서 주춧돌역할을 하고 있다. 하지만 플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정은 여러 가정사항에 따른 시스템적 오류를 내포하고 있고 이에 따라 과소평가된 잠열 플럭스 원시자료의 보정이 필요하다. 몇몇의 보정방법 중 보엔비를 활용한 방법이 가장 유용한 방법 중 하나로서 여기에는 플럭스타워에서 측정한 순 복사에너지 및 기타 플럭스(현열, 지열) 등이 요구되며 이러한 자료에 대한 정확한 측정 및 검증이 필요하다. 본 연구에서는 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지를 검증하기 위해 두 가지 형태의 이론적으로 계산된 순 복사에너지와의 비교검증을 실시하였다-(1) FAO 56 기반의 일평균 순 복사에너지 (2) Bastiaansen (1995)가 제안한 순간 순 복사에너지. 본 연구의 결과는 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지는 이론적으로 계산된 순 복사에너지와 상당히 비슷한 경향성을 보인다는 것을 제시했다. 또한, 측정된 순 복사에너지를 이용하여 관측된 잠열플럭스를 보엔비 보정방법에 적용시킨 결과 에너지수지에 더욱 부합하는 것을 알 수 있었다.
The necessity of clear understanding of water and energy cycles has been attracted recently due to the climate change. The micrometeorological flux tower networks play a role of cornerstone of the hydrological and ecological analyses. Although the eddy covariance techniques used for flux tower have ...
The necessity of clear understanding of water and energy cycles has been attracted recently due to the climate change. The micrometeorological flux tower networks play a role of cornerstone of the hydrological and ecological analyses. Although the eddy covariance techniques used for flux tower have been proven to be applicable for estimation of latent heat flux, the raw data are often underestimated and needs to be corrected. Among several methods, the Bowen ratio is recognized as the most useful method in which the net radiation and other flux data (Ground heat flux, Sensible heat flux) are used and needed to be validated. In this study, in order to validate the net radiation from flux tower in Seolmacheon and Cheongmicheon watersheds, we compare it with two version of calculated net radiation: (1) FAO 56 Daily net radiation proposed by Allen et al. (1998). (2) Instantaneous net radiation proposed by Bastiaanssen (1995). The results showed that the net radiation from the flux data had similar tendency with those calculated based on physical theory. In addition, after it was applied to Bowen ratio method, the corrected latent heat flux was considerably improved with making the energy balance much more closed.
The necessity of clear understanding of water and energy cycles has been attracted recently due to the climate change. The micrometeorological flux tower networks play a role of cornerstone of the hydrological and ecological analyses. Although the eddy covariance techniques used for flux tower have been proven to be applicable for estimation of latent heat flux, the raw data are often underestimated and needs to be corrected. Among several methods, the Bowen ratio is recognized as the most useful method in which the net radiation and other flux data (Ground heat flux, Sensible heat flux) are used and needed to be validated. In this study, in order to validate the net radiation from flux tower in Seolmacheon and Cheongmicheon watersheds, we compare it with two version of calculated net radiation: (1) FAO 56 Daily net radiation proposed by Allen et al. (1998). (2) Instantaneous net radiation proposed by Bastiaanssen (1995). The results showed that the net radiation from the flux data had similar tendency with those calculated based on physical theory. In addition, after it was applied to Bowen ratio method, the corrected latent heat flux was considerably improved with making the energy balance much more closed.
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문제 정의
본 연구에서는 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 추출된 순 복사에너지에 대한 검증작업을 실시하였다. 이론적인 배경을 바탕으로 산출된 Daily net radiation 및 Instantaneous net radiation과의 비교를 통해 플럭스타워의 순 복사에너지의 값의 정확성을 평가하였다.
본 연구에서는 에디공분산의 잠열플럭스의 보정에 활용 되는 순 복사에너지에 대한 검증을 실시하고자 한다. 이를 위해 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 관측된 2010 ～2012년 일부자료에 해당하는 순 복사에너지를 추출하였으며, 다음 두 가지 순 복사에너지 성분의 산정을 실시하였다.
56을 바탕으로 계산된 일 순복사에너지(Daily net radiation)와 2) Bastiaanssen (1995) 이 제안한 순간 순 복사에너지(Instantaneous net radiation)를 바탕으로 플럭스타워에서 추출된 순 복사에너지에 대한 검증을 실시하였으며, 플럭스 타워의 순 복사에 너지를 활용한 Bowen ratio 잠열플럭스 보정 방법을 적용 하여 보다 품질 높은 잠열 플럭스 생산을 위한 순 복사 에너지의 활용가능성에 대해 평가하였다. 이를 통해 앞으로 수자원 분야에서 플럭스타워 자료를 활용하여 공간적인 증발산의 분포를 효과적으로 파악하고 정량적인 데이터베이스 구축할 수 있는 계기를 마련하고자 한다.
가설 설정
(19)에서 ε0 는 대기의 방출량으로 본 연구에서는 0.98로 가정하여 계산한다.
본 연구에서는 α와 ε0 을 각각 0.23, 0.98 로 가정하였다.
는 경험적 상수이기 때문에 지역마다 다른 값을 가진다. 설마천, 청미천 유역에서 a s , b s 값이 정해지지 않았 으므로 FAO56에서 제안하는 a s = 0.25, b s = 0.5임을 가정한다. n은 실제 일조시간(hour), N은 최대 가능 일조 시간(hour)이다.
제안 방법
1) Food and Agricultural Organization (FAO) Irrigation and Drainage Paper No. 56을 바탕으로 계산된 일 순복사에너지(Daily net radiation)와 2) Bastiaanssen (1995) 이 제안한 순간 순 복사에너지(Instantaneous net radiation)를 바탕으로 플럭스타워에서 추출된 순 복사에너지에 대한 검증을 실시하였으며, 플럭스 타워의 순 복사에 너지를 활용한 Bowen ratio 잠열플럭스 보정 방법을 적용 하여 보다 품질 높은 잠열 플럭스 생산을 위한 순 복사 에너지의 활용가능성에 대해 평가하였다. 이를 통해 앞으로 수자원 분야에서 플럭스타워 자료를 활용하여 공간적인 증발산의 분포를 효과적으로 파악하고 정량적인 데이터베이스 구축할 수 있는 계기를 마련하고자 한다.
플럭스타워의 자료에서는 순 복사에너지 값이 30분 단위로 평균화 되어 기록된다. 본 연구에 이 자료를 일별 평균화하여 경향성을 파악하고 이를 검증하기 위해 FAO56 (Food and Agriculture Organization Irrigation and Drainage Paper No. 56: Allen et al. in 1998)에서 제안한 일 순 복사 에너지를 산정하고 비교작업을 수행하였다. FAO56에 기반된 R N 을 산정하는 방법은 아래와 같다.
본 연구에서는 Solar incidence angle 값을 MIDC Solar Position and Intensity (SOLPOS) Calculator를 활용하여 30분 간격의 Θ값을 추출하였다.
(20)에서 에너지 수지가 정확히 들어맞기 위해서는 좌변항의 값이 우변항 값과 같아야 하며 이를 에너지수지 닫힘이라 한다. 본 연구에서는 플럭스타워에서 측정된 순복사에너지(R n_eddy )와 계산된 순간 순 복사에너지(Rni )를 각각 활용하여 에너지 수지 닫힘에 대한 분석을 실시하였다(Fig. 7).
본 연구에서는 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 추출된 순 복사에너지에 대한 검증작업을 실시하였다. 이론적인 배경을 바탕으로 산출된 Daily net radiation 및 Instantaneous net radiation과의 비교를 통해 플럭스타워의 순 복사에너지의 값의 정확성을 평가하였다. 두 지역 모두에서 결과 값이 상당한 신뢰성을 갖는 것으로 파악되었으며, 특히 일 평균화된 Daily net radiation의 경우 구름의 영향에 대한 부분이 실질적으로 반영되어 유사한 경향성이 더욱 두드러졌다.
에디 공분산 관측타워(플럭스타워)의 한점에서 에디를 관측할 때, 한 점에서 모이는 여러 에디 각각을 삼차원 축으로 나타내어 반대방향의 에디들을 상쇄시킬 수 있다. 이를 바탕으로 한 점에서의 에디의 순수한 움직임을 계산하여 대기 안에서 관심 있는 기체의 농도와 연직 풍속 사이의 공분산을 산정한다.
본 연구에서는 에디공분산의 잠열플럭스의 보정에 활용 되는 순 복사에너지에 대한 검증을 실시하고자 한다. 이를 위해 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 관측된 2010 ～2012년 일부자료에 해당하는 순 복사에너지를 추출하였으며, 다음 두 가지 순 복사에너지 성분의 산정을 실시하였다. 1) Food and Agricultural Organization (FAO) Irrigation and Drainage Paper No.
플럭스 타워에서 관측된 순 복사에너지는 삼십분 간격의 측정값으로서 FAO 56에서 제안한 daily net radiation 과는 차이가 존재한다. 이에 따라 본 연구에서는 데이터의개별 비교를 위하여 Bastiaanssen (1995)이 제안한 Instantaneous net radiation을 활용한 값을 추출하여 플럭스타워 복사에너지 관측값(R n )과 비교, 분석하였다.
플럭스 타워에서 추출된 순 복사에너지에 대한 검증과 더불어, 이를 활용하여 에디공분산으로 추출된 잠염플럭스에 대한 보정을 실시하였다. Bowen ratio 방법에 의해 보정된 잠열플럭스(LE_B)값은 보정 전의 값(LE)보다 에너지수지에 입각한 잠열플럭스에(LE_R)와 더욱 선형적인 관계가 있는 것으로 나타났다.
대상 데이터
관측 대상 지역인 설마천 유역은 경기도 파주시 적성면마지리에서 설마리 사이에 위치한 임진강 하구에서 4.6km 떨어진 임진강의 제1지류 하천유역이다. 설마천의 유로연장은 5.
관측 대상 지역인 청미천은 남한강으로 유입되는 지방 2급 하천으로서 유역면적 596.6 km 2 , 유로 연장 60.8 km의 하천유역이다. 이 유역의 연평균 기온 및 강수량은 11.
본 연구에서는 산림지형을 대표하는 설마천 유역 및 농림지형을 대표하는 청미천 유역의 플럭스타워에서 추출된 자료를 활용하였다. 활용한 자료의 기간은 Table 1과 같으며, 2011년 청미천 유역에서는 낙뢰로 발생한 플럭스타워의 고장 및 기계 교체로 여름철 기간에 해당하는 자료가 결측되었다.
본 연구에서는 산림지형을 대표하는 설마천 유역 및 농림지형을 대표하는 청미천 유역의 플럭스타워에서 추출된 자료를 활용하였다. 활용한 자료의 기간은 Table 1과 같으며, 2011년 청미천 유역에서는 낙뢰로 발생한 플럭스타워의 고장 및 기계 교체로 여름철 기간에 해당하는 자료가 결측되었다.
이론/모형
e a 는 상대습도 자료를 이용 하여 Eq. (12)에 의해 추출하고, R so 는 Doorenbos and Pruitt (1977)이 제안한 식을 활용한다.
각 30분 단위로 제공되는 플럭스 순 복사에너지 자체의 검증을 위해 Batiaanssen (1995)가 제안한 Rni (Instantaneous net radiation)을 도입하였다.
성능/효과
이론적인 배경을 바탕으로 산출된 Daily net radiation 및 Instantaneous net radiation과의 비교를 통해 플럭스타워의 순 복사에너지의 값의 정확성을 평가하였다. 두 지역 모두에서 결과 값이 상당한 신뢰성을 갖는 것으로 파악되었으며, 특히 일 평균화된 Daily net radiation의 경우 구름의 영향에 대한 부분이 실질적으로 반영되어 유사한 경향성이 더욱 두드러졌다.
두 지역의 자료에서 공통적으로 약 DOY 180～210 기간의 자료의 값이 이전 기간의 자료 값보다 작은 것을 알수 있다. 이는 실질적으로 장마에 해당하는 기간으로서 구름 및 일조시간의 감소 영향으로 인해 일 평균 복사에 너지가 감소되는 것으로 파악된다.
Bowen ratio 방법에 의해 보정된 잠열플럭스(LE_B)값은 보정 전의 값(LE)보다 에너지수지에 입각한 잠열플럭스에(LE_R)와 더욱 선형적인 관계가 있는 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 에디공분산 잠열플럭스의 검정 및 보정 작업에서 순 에너지복사의 활용가능성이 충분히 입증된 것으로 사료된다. 현재 설마천, 청미천 유역의 플럭스 타워에 설치되어 활용되고 있는 CNR
후속연구
8은 앞서 검증했던 순 복사에너지 값의 중요성을 판단할 수 있는 결과라고 볼 수있다. 따라서 검증된 순 복사에너지의 값은 신뢰성 높은잠열플럭스 산정에 중요한 역할을 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정의 문제점은 무엇인가?
현재 미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 수문학적, 생태학적 분석에 있어서 주춧돌역할을 하고 있다. 하지만 플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정은 여러 가정사항에 따른 시스템적 오류를 내포하고 있고 이에 따라 과소평가된 잠열 플럭스 원시자료의 보정이 필요하다. 몇몇의 보정방법 중 보엔비를 활용한 방법이 가장 유용한 방법 중 하나로서 여기에는 플럭스타워에서 측정한 순 복사에너지 및 기타 플럭스(현열, 지열) 등이 요구되며 이러한 자료에 대한 정확한 측정 및 검증이 필요하다.
미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 어떠한 역할을 하고 있는가?
최근 들어 기후변화로 인해 물과 에너지 순환에 관한 정확한 이해가 요구되고 있다. 현재 미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 수문학적, 생태학적 분석에 있어서 주춧돌역할을 하고 있다. 하지만 플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정은 여러 가정사항에 따른 시스템적 오류를 내포하고 있고 이에 따라 과소평가된 잠열 플럭스 원시자료의 보정이 필요하다.
수문학적 인자에 대한 정량적 해석을 위한 물 수지 방법의 문제점은 무엇인가?
최근까지 국내에서는 수문학적 인자(강수, 유출량, 침투, 증발산, 토양수분 등)에 대한 정량적 해석이 대부분 물수지 방법에 의해 주도 되었다.그러나 물 수지 방법에서는 수문순환 과정에서 중요한 부분인 증발산에 대한 해석이 직접적인 관측에 바탕을 두고 있는 것이 아니라, 주로 가정 사항이나 경험식에 입각해 도출되는 경우가 많다(Kim and Kim, 2004). 국외의 경우 에너지수지 방법에 입각한 증발산의 해석이 주를 이루며, 이에 맞물려 에디공분산 방법(Eddy covariance method)은 지표와 대기간의 수분 및 CO2 플럭스의 관측을 통해 수문 순환 및 에너지 순환의 주요 인자에 대한 귀중한 정보를 제공하고 있다(Baldocchi et al.
참고문헌 (19)
Allen, R. G., Pereira, L.S., Raes, D., and Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56, Food and Agricultural Organization of the United Nations, Rome, Italy.
Baldocchi, D. (2003). "Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems: past, present and future." Global Change Biology, Vol. 9, No. 4, pp. 479-492.
Baldocchi, D., Hicks, B., and Meyers, T. (1988). "Measuring biosphere-atmosphere exchanges of biologically related gases with micrometeorological methods." Ecology, Vol. 69, pp. 1331-1340.
Bastiaanssen, W.G.M., (1995). Regionalization of surface flux densities and moisture indicators in composite terrain: A remote sensing approach under clear skies in Mediterranean climates. Ph.D. Dissertation, Landbouwuniversiteitte Wageningen, The Netherlands.
Choi, T., Kim, J., and Yun, J. (1999). "On using the eddy covariance method to study the interaction between agro-forest ecosystems and the atmosphere." Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 1, No. 1, pp. 1-15.
Doorenbos, J., and Pruitt, W.O., (1977). "Crop water requirements. Irrigation and Drainage Paper No. 24, (rev.)." Food and Agricultural Organization of the United Nations, Rome, Italy.
Jeong, S., Jang, K., Kang, S., Kim, J., Kondo, H., Gamo, M., Asauma, J., Saigusa, N., Wang, S., and Han, S. (2009). "Evaluation of MODIS-derived evapotranspiration at the flux tower sites in East Asia." Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 11, No. 4, pp. 174-184.
Kang, M., Kwon, H., Lim, J.H., and Kim, J. (2009) "Understory evapotranspiration measured by eddycovariance in Gwangneung deciduous and coniferous forests." Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 11, No. 4, pp. 233-246.
Kim, D., Lim, Y.J., Lee, S., and Choi, M. (2011). "Validation of energy and water fluxes using Korea Land Data Assimilation and flux tower measurement: Haenam KoFlux site's hydro-environment analysis." KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 31, No. 3, pp. 285-291.
Kim, N.W., and Kim, C.K. (2004). "Comparison of Penman- Monteith method and Morton CARE method for estimating areal evapotranspiration." 2004 Korea Water Resources Association Conference, Incheon, Korea, 14-15 May, 2004. (In Korean with English abstract)
Kim, Y., Cho, K., Kim, H., Um, H., and Choi, B. (2003). "Characteristics of the seasonal variation of the radiation in a mixed forest at Kwangneung arboretum." Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol. 19, No. 3, pp. 285-296.
Kwon, H., and Kim, J. (2010) "KoFlux's progress: background, status and direction." Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 12, No. 4, pp. 241-263.
Kwon, H., Lee, J.H., Lee, Y.K., Lee, J.W., Jung, S.W., and Kim, J. (2009). "Seasonal variations of evapotranspiration observed in a mixed forest in the Seolmacheon catchment." Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 11, No. 1, pp. 39-47.
Lamaud, E., Ogee, J., Brunet, Y., and Berbigier, P. (2001). "Validation of eddy flux measurements above the understory of a pine forest." Agric. Forest. Meteorol., Vol. 106, pp. 187-203.
Montgomery, R.B. (1948). "Vertical eddy flux of heat in the atmosphere." J Meteorol, Vol. 5, pp. 265-274.
Obukhov, A.M. (1951). "Characteristics of the microstructure of the wind in the surface layer of the atmosphere." Izv. AN SSSR ser Geofiz, Vol. 3, pp. 49-68.
Swinbank, W.C. (1951). "The measurement of vertical transfer of heat and water vapor by eddies in the lower atmosphere." J Meteorol., Vol. 8, pp. 135-145.
Wilson, K., Goldstein, A., Falge, E., Aubinet, M., Baldocchi, D., Berbigier, P., Bernhofer, C., Ceulemans, R., Dolman, H., Field, C., Grelle, A., Ibrom, A., Law, B.E., Kowalski, A., Meyers, T., Moncrieff, J., Monson, R., Oechel, W., Tenhunen, J., Valentini, R., and Verma, S. (2002). "Energy balance closure at FLUXNET sites." Agric. Forest. Meteorol., Vol. 113, pp. 223-243.
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