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문제 정의
- 본 연구는 온실가스 전용 측정인 GOSAT을 활용하여 2012년 한 해 동안 측정된 이산화탄소 데이터를 바탕으로 이산화탄소 분포에 영향을 미치는 토지피복, 식생지수 등을 GIS 공간분석기법과 연계하여 그 상관성과 공간적 분포 특성을 분석하였다. 연구결과 동북아시아 지역 이산화탄소의 공간적 분포는 그 주변지역의 토지이용현황에 따라 그 패턴을 달리한다는 사실이 극명 하게 나타났다.
- 이에 본 연구에서는 GOSAT을 활용하여 단순히 이산화탄소 농도만을 추출하는데 그치지 않고 토피피복 및 식생지수의 분포 특성을 지형인자와 함께 종합적으로 분석함으로써 이사환탄소의 공간적 분포 특성을 해석하고자 한다.
제안 방법
- 관련 인자들의 경우 연구 대상지의 크기와 GOSAT의 공간해상력을 고려하여 식생지수의 경우 MODIS MOD13A1을 연 평균화 하여 사용하였으며, 토지피복자료는 MODIS MCD12C1 IGBP(International Geo shpere-Biosphere Project)의 분류기준으로 총 17개의 토지피복분류 결과를 활용하였다. DEM 자료의 경우 GMTED(Global Multi-resolution Terrain Elevation Dat a)를 바탕으로 사면경사를 산출하여 이산화탄소 농도와 NDVI와의 종합적인 공간분석을 실시하였다.
- 먼저 이산화탄소 측정 자료의 경우 2012년 1월1 일부터 2012년 12월 31일까지 측정된 동북아시아 지역의 이산화탄소 농도 측정 데이터를 바탕으로 ‘screening'이라고 불리는 자료처리 방법을 통해 연 평균화 하였으며 이 과정에서 왜도와 첨도를 기준으로 정상 값을 벗어나는 데이터를 제외하여 활용하는 전처리 과정을 거쳤다. 관련 인자들의 경우 연구 대상지의 크기와 GOSAT의 공간해상력을 고려하여 식생지수의 경우 MODIS MOD13A1을 연 평균화 하여 사용하였으며, 토지피복자료는 MODIS MCD12C1 IGBP(International Geo shpere-Biosphere Project)의 분류기준으로 총 17개의 토지피복분류 결과를 활용하였다. DEM 자료의 경우 GMTED(Global Multi-resolution Terrain Elevation Dat a)를 바탕으로 사면경사를 산출하여 이산화탄소 농도와 NDVI와의 종합적인 공간분석을 실시하였다.
- 동북아시아 지역의 이산화탄소 분포 특성을 보다 체계적으로 파악하기 위해 대상지역의 토지피복, 정규식생지수 및 고도, 사면경사, 사면방향과 같은 공간정보를 추출하여 분석하였다.
- 또한 대기의 영향과 토양에 비교적 민감하지 않고 식생의 활력도를 충분히 반영할 수 있는 NDVI를 이용하여 동북아시아지역의 식생지수를 산출하였다. 산출된 식생지수는 –0.
- 이러한 문제점은 현재 국내외에서 연구되고 있는 자료복원 알고리즘과 2015년 이후 발사를 목표로 하고 있는 GOSAT-2의 활용을 통해 차차 개선 될 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는 이산화탄소의 공간적 분포에 대한 분석과정에서 토지피복과 NDVI, 지형적 특성만을 고려하여 분석하였다. 그러나 이산화탄소 분포는 제시한 요인뿐만 아니라 엽면적지수(LAI), 알베도 (Albedo)등에 영향을 받기 때문에 향후 연구에서는 보다 다양한 요인을 고려한 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 먼저 이산화탄소 측정 자료의 경우 2012년 1월1 일부터 2012년 12월 31일까지 측정된 동북아시아 지역의 이산화탄소 농도 측정 데이터를 바탕으로 ‘screening'이라고 불리는 자료처리 방법을 통해 연 평균화 하였으며 이 과정에서 왜도와 첨도를 기준으로 정상 값을 벗어나는 데이터를 제외하여 활용하는 전처리 과정을 거쳤다.
- 먼저 토지피복 분류는 한반도의 토지피복 연구와 지구규모의 연구에 활발하게 활용되고 있는 IGBP의 기준으로 분류하였으며, 이는 산림(상록침엽수림, 상록활엽수림, 낙엽침엽수림, 낙엽활엽수림, 혼합림), 관목·초지 및 습지(폐쇄형 관목지, 개방형 관목지, 수목이 우거진 사바나, 사바나, 초지, 영구습지), 개발지 및 혼합지 (농업지, 농작물 및 자연식생 혼합지, 도시), 비식생 지역(나대지, 수계, 설빙)으로 구분된다.
- 연구는 크게 GOSAT의 이산화탄소 및 이와 관련된 인자들의 자료의 처리와 GIS 자료처리 및 공간분석으로 나누어 수행하였으며 그 과정은 Fig. 2와 같다.
- 토지피복에 따른 동북아시지역의 이산화탄소 농도를 분석한 결과 산림지역이 가장 낮은 농도 분포를 보이고 있는 것으로 나타났다. 이를 기초로 이산화탄소 농도와 식생지수와의 상관관계를 분석하였다. 그 결과 이산화탄소와 NDVI는 상관계수 -0.
- 이산화탄소와의 동북아시아 지역의 지형적 특색에 대한 관계 분석을 위해 고도와 경사도에 대한 상관관계를 분석하였다.
- 또한 최근에는 중국의 급속의 산업화와 발전으로 인해 발생된 온실가스를 비롯한 여러 대기오염물질이 연중 불어오는 서풍 계열 기류의 영향으로 한반도와 일본까지 영향을 미치고 있는 것으로 알려져 있어 한반도 지역의 온실가스 분포와 이와 관련 인자들의 해석하기 위해서는 한반도와 그 주변지역을 반드시 함께 고려해야 될 것으로 판단된다. 이에 따라 본 연구에서는 한반도, 일본, 중국을 중점으로 타이완, 몽골, 러시아 극동지역을 일부 포함하도록 하여 온실가스의 광역적 추세와 주변 지역의 영향을 함께 고려할 수 있도록 하였다.
- 크리깅 분석을 위한 자료의 공분산 값은 자료간 베리오그램 모델링 결과를 활용하였으며, 분리거리는 이웃한 점들 간의 평균 거리(average nearest neighbor)를 바탕으로 설정하였고, 분리거리 별 개수는 분리거리와 개수의 곱이 관측자료간 최대거리를 초과하지 않는 동시에 최대거리의 ½을 초과하는 범위에서 설정하였다.
- 한편 지형고도, 사면경사 및 사면방향 정보를 생성하여 지형적 특성을 분석하였다. 그 결과 고도의 경우 최저 0m에서 최고 7487m으로 나타났으며, 평균고도는 3509m으로 나타났다.
대상 데이터
- 본 연구의 공간적 범위는 Fig. 1과 같이 동북아시아 지역 일대로 선정하였다. 연구 대상 지역은 최근 온도 증가율과 그 상승폭이 매우 커서 지구 온난화와 기후변화에 따른 영향이 가장 두드러지는 곳 중에 하나로 알려져 있다(Lal and Harasawa, 2001).
- 1과 같이 동북아시아 지역 일대로 선정하였다. 연구 대상 지역은 최근 온도 증가율과 그 상승폭이 매우 커서 지구 온난화와 기후변화에 따른 영향이 가장 두드러지는 곳 중에 하나로 알려져 있다(Lal and Harasawa, 2001). 또한 최근에는 중국의 급속의 산업화와 발전으로 인해 발생된 온실가스를 비롯한 여러 대기오염물질이 연중 불어오는 서풍 계열 기류의 영향으로 한반도와 일본까지 영향을 미치고 있는 것으로 알려져 있어 한반도 지역의 온실가스 분포와 이와 관련 인자들의 해석하기 위해서는 한반도와 그 주변지역을 반드시 함께 고려해야 될 것으로 판단된다.
이론/모형
- 스크리닝 과정을 거친 이산화탄소 데이터는 결측값 보정을 위해 지구통계기법인 크리깅(kriging)기법을 적용하였다. GOSAT 데이터의 결측값 보정을 위한 크리깅 기법의 적용은 JAXA에서 전 지구적 이산화탄소 농도 분포를 관측하기 위한 방법으로 적용되고 있을 뿐만 아니라 국내·외 선행연구에서도 그 기법의 효용성이 인정되고 있다(Tomosada et al, 2009, Choi and Um, 2011; Yang et al, 2011, Zengh et al, 2012).
- 크리깅 분석을 위한 자료의 공분산 값은 자료간 베리오그램 모델링 결과를 활용하였으며, 분리거리는 이웃한 점들 간의 평균 거리(average nearest neighbor)를 바탕으로 설정하였고, 분리거리 별 개수는 분리거리와 개수의 곱이 관측자료간 최대거리를 초과하지 않는 동시에 최대거리의 ½을 초과하는 범위에서 설정하였다. 이론적 베리오그램은 선행연구 결과와 실험적 베리오그램의 모델링 결과에 따라 가우시안 함수모델을 사용하였다(Fig. 5).
- 이에 본 연구에서는 이산화탄소 데이터의 결측값 보정을 위해 크리깅 기법을 적용하였다. 크리깅 분석을 위한 자료의 공분산 값은 자료간 베리오그램 모델링 결과를 활용하였으며, 분리거리는 이웃한 점들 간의 평균 거리(average nearest neighbor)를 바탕으로 설정하였고, 분리거리 별 개수는 분리거리와 개수의 곱이 관측자료간 최대거리를 초과하지 않는 동시에 최대거리의 ½을 초과하는 범위에서 설정하였다.
성능/효과
- 각각의 토지피복을 산림, 초지 및 기타나지, 개발지, 비식생 지역으로 구분하여 나타내면 산림지역이 389.30ppm으로 가장 낮은 이산화탄소 농도를 보이는 반면, 개발지역이 392.95ppm으로 가장 높은 이산화탄소 농도가 나타나고 있음이 확인된다(Table 4). 이에 대한 결과를 일반화하면 동북아시아 지역 역시 그동안 알려진 바와 같이 산림지역에서 산림의 호흡작용을 통해 이산화탄소가 낮게 나타나는 반면, 도시와 같은 개발지에서는 에너지 사용 등의 영향으로 인해 상대적으로 높게 나타나는 특징이 확인된다.
- 한편 지형고도, 사면경사 및 사면방향 정보를 생성하여 지형적 특성을 분석하였다. 그 결과 고도의 경우 최저 0m에서 최고 7487m으로 나타났으며, 평균고도는 3509m으로 나타났다. 고도의 공간적 분포는 티베트와 칭하이 성 일대의 쿤룬 산맥일대에서 가장 높게 나타났으며, 반대로 중국 동부 해안지역과 한반도 서부 등지에 낮게 나타났다.
- 이를 기초로 이산화탄소 농도와 식생지수와의 상관관계를 분석하였다. 그 결과 이산화탄소와 NDVI는 상관계수 -0.412**(유의수준 0.01)으로 다소 높은 부(-)의 상관관계가 존재하고 있는 것으로 나타났다. 즉 이는 도심지역과 같이 인공구조물로 이루진 개발지역의 경우 이산화탄소 농도가 높아지는 원인이 될 수 있는 것으로 볼 수 있다.
- 그러나 상관분석은 각 변수들 간의 관련성 여부를 판정하는 동시에 어느 정도의 관련성이 있는지를 분석하기 때문에 독립변수를 NDVI로 종속변수를 이산화탄소 농도를 하여 Table 5와 같이 단순회귀분석을 실시한 결과 R=-0.412로 나타났으며, R2=0.169로 NDVI가 이산화탄소 농도를 약 16.9%로 설명하고 있는 것으로 나타났다. 또한 t값이 28.
- 412로 통계적으로 유의한 수준에서 다소 높은 부(-)적 상관관계가 있음을 확인 할 수 있었다. 반면 고도와 경사도의 지형적 특색은 토지피복에 비해 그 상관성이 매우 떨어지고 있었으며 특히 경사의 경우는 그 상관성이 거의 없는 것으로 분석되었다. 이러한 분석결과는 향후 온실가스 저감 대책 및 완화를 위한 계획 수립에 있어 토지피복, 즉 토지이용 현황에 따라 이산화탄소의 배출원과 흡수원 관리에 필요한 기초자료로 활용되어 질 수 있을 것으로 판단된다.
- 산출된 식생지수는 –0.1648~0.8695 범위로 나타났으며 Fig. 8의 각 지역별 NDVI 분포를 살펴보면 각 지역별 분포 양상이 명확히 구분되고 있었다.
- 본 연구는 온실가스 전용 측정인 GOSAT을 활용하여 2012년 한 해 동안 측정된 이산화탄소 데이터를 바탕으로 이산화탄소 분포에 영향을 미치는 토지피복, 식생지수 등을 GIS 공간분석기법과 연계하여 그 상관성과 공간적 분포 특성을 분석하였다. 연구결과 동북아시아 지역 이산화탄소의 공간적 분포는 그 주변지역의 토지이용현황에 따라 그 패턴을 달리한다는 사실이 극명 하게 나타났다. 토지피복의 경우 도시와 같이 개발지가평균 392.
- 연구지역 총 면적 19,309,650㎢ 중 전술된 각각의 피복별 면적은 Table 2와 같다. 연구지역에서 가장 많은 부분을 차지하는 피복은 수계로 약 8,148,000㎢을 차지하고 있으며, 다음으로 초지 3,393,300㎢, 혼합림 2,218,800㎢, 농업지 1,801,700㎢의 순으로 높은 비율을 차지하고 있었다. 반면 낙엽활엽수림은 200㎢으로 가장 낮은 비율로 나타나고 있었고, 사바나 900㎢, 폐쇄형 관목지 12,800㎢의 순으로 적은 비율을 차지하고 있었다.
- 30ppm으로 가장 낮은 수준의 이산화탄소 농도를 보이고 있었다. 이러한 토지피복별 이산화탄소 농도 차이는 지난 세기 동안의 전 지구적 연평균 이산화탄소 증가량의 약 9배 이상에 달하고 있어 토지피복별 이산화탄소 농도 차이는 매우 큰 것으로 나타났다. 이를 기초로 식생지수와 이산화탄소와의 상관관계를 분석한 결과 상관계수 -.
- 이러한 토지피복별 이산화탄소 농도 차이는 지난 세기 동안의 전 지구적 연평균 이산화탄소 증가량의 약 9배 이상에 달하고 있어 토지피복별 이산화탄소 농도 차이는 매우 큰 것으로 나타났다. 이를 기초로 식생지수와 이산화탄소와의 상관관계를 분석한 결과 상관계수 -.412로 통계적으로 유의한 수준에서 다소 높은 부(-)적 상관관계가 있음을 확인 할 수 있었다. 반면 고도와 경사도의 지형적 특색은 토지피복에 비해 그 상관성이 매우 떨어지고 있었으며 특히 경사의 경우는 그 상관성이 거의 없는 것으로 분석되었다.
- 이산화탄소의 공간적 분포 양상을 살펴보기 위해 XZ평면과 YZ평면에 이산화탄소 농도 값을 산점도를 표현한 경향 분석(trend analysis) 결과, 동-서쪽 방향으로의 농도 변화는 미비한 반면, 남-북간의 방향에서는 북쪽에 비해 남쪽의 농도증가가 상대적으로 높아지는 모습을 볼 수 있다. 특히 이러한 경향은 동북아 3국의 주요 도시가 위치한 지역(북위 30~40°, 동경 110~140°) 에서 나타나고 있었다(Fig.
- 이산화탄소의 농도는 최소 380.86ppm에서 최대 403.91ppm으로 나타났으며, 평균값은 391.88ppm으로 분석되어 세계기상기구(WMO)에서 보고한 전 세계 평균 이산화탄소 평균농도인 386.8ppm에 비해 평균 5.08ppm 정도 높게 나타나고 있었다. 특히 일부지역에서는 최대 17.
- 이산화탄소의 분포 양상은 왜도와 첨도가 각각 0.03, 3.30으로 대체로 표준정규분포의 형태를 보이고 있어, 동북아시아 지역의 전체적인 이산화탄소의 분포는 비교적 지역적 편중 없이 고르게 분포하고 있음을 알 수 있다.
- 95ppm으로 가장 높은 이산화탄소 농도가 나타나고 있음이 확인된다(Table 4). 이에 대한 결과를 일반화하면 동북아시아 지역 역시 그동안 알려진 바와 같이 산림지역에서 산림의 호흡작용을 통해 이산화탄소가 낮게 나타나는 반면, 도시와 같은 개발지에서는 에너지 사용 등의 영향으로 인해 상대적으로 높게 나타나는 특징이 확인된다.
- 지형의 경사와 이산화탄소의 상관관계 분석은 결과는 0.092**(유의 수준 0.01)으로 상관관계가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 토지 피복별 이산화탄소의 평균 농도는 Table 3과 같이 도시(urban and built-up)지역에서 평균 395.04ppm 으로 가장 높은 수치를 나타낸 반면, 혼합림(mixed forest)에서 평균 388.12ppm으로 가장 낮은 것으로 나타났다. 각 피복 인자별 최고-최저의 차이는 6.
- 토지피복에 따른 동북아시지역의 이산화탄소 농도를 분석한 결과 산림지역이 가장 낮은 농도 분포를 보이고 있는 것으로 나타났다. 이를 기초로 이산화탄소 농도와 식생지수와의 상관관계를 분석하였다.
후속연구
- 또한 본 연구에서는 이산화탄소의 공간적 분포에 대한 분석과정에서 토지피복과 NDVI, 지형적 특성만을 고려하여 분석하였다. 그러나 이산화탄소 분포는 제시한 요인뿐만 아니라 엽면적지수(LAI), 알베도 (Albedo)등에 영향을 받기 때문에 향후 연구에서는 보다 다양한 요인을 고려한 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 더불어 이산화탄소와 같은 대기 구성 물질은 일반적으로 공간적으로 연속적인 형태로 존재하게 되며 지리적 여건에 따라 다양하게 변동하게 된다.
- 또한 공간적으로 분포하는 변인들은 보통 공간적으로 인접해있을수록 유사한 특성을 지니게 되는 공간적 자기상관성을 지니게 됨으로 일반 회귀 모델에서의 가정으로는 이러한 현상을 설명하기 어렵다. 따라서 향후에는 이를 고려할 수 있는 방법론인 지리가중회귀모델 (GWR: Geographically Weighted Regression model)을 이용한 보다 정량적인 연구가 필요할 것으로 기대된다.
- 본 연구는 최근 가장 주목 받고 있는 이슈인 기후변화와 관련하여 이산화탄소의 분포와 농도에 대한 분석을 원격탐사기술을 활용하여 체계적으로 확인할 수 있었다는 점에서 의의가 있다. 또한 그 동안의 이산화탄소 관련 연구가 한정된 지상 관측소에서 측정된 데이터를 바탕으로 연구되었기 때문에 발생하는 시공간적 한계점을 극복하는 동시에 본 연구의 결과가 후속 연구에 시사점을 제공하고 이산화탄소 연구에 대한 정보 수요자들에게 작은 길잡이 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 반면 고도와 경사도의 지형적 특색은 토지피복에 비해 그 상관성이 매우 떨어지고 있었으며 특히 경사의 경우는 그 상관성이 거의 없는 것으로 분석되었다. 이러한 분석결과는 향후 온실가스 저감 대책 및 완화를 위한 계획 수립에 있어 토지피복, 즉 토지이용 현황에 따라 이산화탄소의 배출원과 흡수원 관리에 필요한 기초자료로 활용되어 질 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 측면에서 GOSAT의 활용은 이산화탄소에 대한 공간적 분포와 그 특성을 이해하는 과정에서 그 동안 지상 관측시스템의 시공간적 한계점을 극복할 수 있는 대안으로 제시될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 그 동안의 연구는 GOSAT 데이터의 검증 또는 단순 농도 추출에 국한되어 진행되어 왔기 때문에 이산화탄소의 흡수 및 배출에 영향을 주는 관련 인자와의 해석등 이산화탄소의 분포특성을 이해할 수 있는 종합적 분석은 미진하였다.
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