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문제 정의
- 특히, 중국의 산불 발생, 산업화로 인한 대기물질, 내륙으로부터의 황사 유입이 빠른 속도로 증가하고 있기 때문에, 한반도에 미치는 계절적 영향 및 장기 변화 연구가 중요하다. 본 연구의 목적은 기온과 대기 에어로졸이 한반도 식물계절 학적 주기성에 미치는 시공간적 영향을 지역적 규모에서 짧은 획득 주기를 갖는 위성자료(hyper-temporal satellite data)를 기반으로 파악하는 것이다.
- 즉, 식생지수의 증가로 광합성활동이 강화되는 지역의 경우 그렇지 못한 지역에 비해서 냉각효과가 크게 나타나 결과적으로 봄철 기온 상승의 폭이 작아지는 현상이 나타나고 있다. 본 연구에서도 기온의 위상과 식생지수 위상 간에 강한 양의 상관관계를 보여 기온변화와 식생활동 사이의 상호작용을 뒷받침 하고 있다.
- MODIS가 제공하는 식생지수와 에어로졸 자료는 식물계절학과 대기질의 특성을 지역적 규모에서 연구하기에 적합한 공간해상도와 시간해상도를 가지고 있다. 본 연구는 매일 관측되는 MODIS 자료의 분석을 통해 지표관측이 갖는 식물계절학적 연구 상의 시계열적 한계를 극복하고 기후요소와 대기 에어로졸이 한반도 식물계절 학적 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 한반도 전체 식생 타입을 4개로 단순화하여 분석한 결과에 따르면, 상록수림, 낙엽수림, 초지는 서로 유사한 식물생장 패턴을 보인 반면, 혼합림은 이와 구별되었다.
제안 방법
- , 1998). MODIS 자료군 중 16일 주기로 합성된 식생지수 자료인 MOD13Q1과 MYD13Q1을 미지질조사국 Land Process Distributed Active Archive Center(LP DAAC)로부터 다운로드 하였다. 이 자료는 각각 MODIS 센서 Terra와 Aqua에 의해 관측된 자료 레이어를 포함하고 있는데, 250m×250m 공간해상도를 갖는 식생지수자료인 Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)와 Enhanced Vegetation Index(EVI)의 16일 합성값을 비롯하여 위성관측 시의 기하학적 조건, 각 화소의 질, 16일 주기 합성에 사용된 관측일 등 12개의 독립된 레이어가 주요 항목이다.
- 연구 지역인 한반도 전체를 포함하기 위해서 모두 3개의 자료획득 단위(또는 tile)를(h27v04, h27v06, h28v05) 수집하여 하나의 파일로 mosaic 처리하였다. 따라서 연중 23개 자료 합성 주기별로 3개 타일 자료가 사용되었으므로 연구 기간(2001-2010) 동안 식생지수 별로 690개의 tile이 각각 사용되었다.
- 지금까지 위성기반의 에어로졸 관측은 반사도가 높은 지표나 대기 신호의 영향을 제거하여 에어로졸 신호만을 구분해 내는데 기술적 한계가 있었으나, 분광해상도가 크게 향상된 MODIS의 운용으로 육상 에어로졸의 관측이 가능해졌다. 이 자료는 대기 에어로졸과 구름에 대한 정보를 담고 있는데, 본 연구에서는 에어로졸 광학두께(aerosol optical thickness or AOT)가 사용되었다. 육지의 경우, 해양에 비해 반사도가 높기 때문에 반사도가 비교적 낮은 지점(‘dark pixels’)을 찾아 근적외선 파장대(2.
- , 2010). 전체 22개 class로 분류된 원 자료를 일반화하여 본 연구에서는 4개의 주요 식생피복(mixed forest(MF), decidous forest(DF), evergreen forest(EF), grassland (GR))으로 묶어 단순화 하였다. 각 분석 대상 자료의 이미지 분석 및 통계 작업을 위해 Erdas Imagine 9.
- , 2006; Park, 2009; Park, 2010). MODIS에서 제공되는 식생지수 중 EVI는 NDVI에 비해 연중 일관되고 명확한 신호를 보였으므로 EVI자료에 국한하여 하모닉 분석을 실시하였고, 구름의 영향으로 인한 식생지수 합성자료의 손실 분은 보간법을 실시하여 해당 합성주기의 직전 및 직후 기간의 자료를 평균하여 자료의 연속성을 보완하였다. MODIS Terra 자료의 경우, 연구기간 중 합성 주기별 자료보완률은 최소 2.
- 기상자료 역시 주기분석을 실시하였다. 기상청과 미국해양대기국으로 부터 수합한 남북한 지역을 포함한 한반도 전역의 일별 측후소자료 중 연구기간 중 누락치가 없는 90개 측후소에 대해 평균, 최고, 최저 기온의 월평균값을 주기분석에 적용하였다.
- 특히, 낙엽활엽수림과 상록수림은 다른 식생피복에 비해 최고기온, 최저기온, 평균기온 모두에 대해 강한 상관관계를 나타내었다. 고도와 사면에 따른 국지적 환경변화가 큰 한반도 환경을 고려할 때, 본 연구는 연구지역 전체를 4개 그룹으로 단순화하는 과정에서 수종 구성 또는 biome별 기온의 영향을 세부적으로 살필 수 없었던 한계를 노정하고 있다. 다만, 북한 지역을 포함한 한반도 전역이 연구대상 지역인 점을 감안할 때, 산악지역에 분포한 상록활엽수와 같은 대표적인 삼림의 기온 의존성이 지배적으로 나타난 결과로 추론해 볼 수 있다.
대상 데이터
- 이 자료는 각각 MODIS 센서 Terra와 Aqua에 의해 관측된 자료 레이어를 포함하고 있는데, 250m×250m 공간해상도를 갖는 식생지수자료인 Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)와 Enhanced Vegetation Index(EVI)의 16일 합성값을 비롯하여 위성관측 시의 기하학적 조건, 각 화소의 질, 16일 주기 합성에 사용된 관측일 등 12개의 독립된 레이어가 주요 항목이다.
- 본 연구에 사용된 MODIS AOT 자료는 해상도 10km로 제공되고 있으며, AOT 정확도는 육지의 경우 ±0.05±0.20AOT로 알려져 있다(Remer et al., 2002).
- 연구의 지리적 범위는 한반도 전체로 하였으며(그림 1), 시계열적으로 MODIS 자료가 연중 획득되기 시작한 2001년부터 2010년까지 10년으로 한정하였다. 한반도는 남북방향으로 약 10도 범위(33°N-43°N)에 걸쳐 있으며, 기후적으로 계절적 특성을 나타낸다.
- 연구 지역인 한반도 전체를 포함하기 위해서 모두 3개의 자료획득 단위(또는 tile)를(h27v04, h27v06, h28v05) 수집하여 하나의 파일로 mosaic 처리하였다. 따라서 연중 23개 자료 합성 주기별로 3개 타일 자료가 사용되었으므로 연구 기간(2001-2010) 동안 식생지수 별로 690개의 tile이 각각 사용되었다. 구름의 영향을 배제하기 위해 구름 화소 정보 레이어를 사용하여 구름 또는 구름 그림자 화소를 분석에서 제외하였다.
- 대기 에어로졸 광학두께 분석을 위한 자료로는 MOD08 에어로졸 자료가 사용되었다. 이 자료는 식생지수 자료와 같이 Terra 위성에 탑재된 MODIS 센서에 의해 2000년부터 생산되어 오고 있다.
- , 2007). 토지피복 자료로는 유럽항공우주국에서 제공하는 지표피복분류 자료인 GlobCover2009를 사용하였다(Sophie et al., 2010). 전체 22개 class로 분류된 원 자료를 일반화하여 본 연구에서는 4개의 주요 식생피복(mixed forest(MF), decidous forest(DF), evergreen forest(EF), grassland (GR))으로 묶어 단순화 하였다.
- 1 version이 사용되었다. 본 연구에 사용된 기상자료는 90개 남북한 관측소 자료이며, 기상청 일별자료와 미국해양대기국 National Climatic Data Center (NCDC)에서 제공하는 Global Summary of the Day (GSOD)자료가 포함되었다.
데이터처리
- , 2002). 기상자료 역시 주기분석을 실시하였다. 기상청과 미국해양대기국으로 부터 수합한 남북한 지역을 포함한 한반도 전역의 일별 측후소자료 중 연구기간 중 누락치가 없는 90개 측후소에 대해 평균, 최고, 최저 기온의 월평균값을 주기분석에 적용하였다.
성능/효과
- 식생피복의 종류를 혼합림, 낙엽수림, 상록수림, 초지 등 4개로 단순화하여 진행한 본 연구에서는 모든 식생 종류에 대해 1차 파형의 설명력이 지배적으로 나타났다. 자료의 연중 변동을 설명하는 1차 파형의 분산비중은 86.
- 식생피복의 종류를 혼합림, 낙엽수림, 상록수림, 초지 등 4개로 단순화하여 진행한 본 연구에서는 모든 식생 종류에 대해 1차 파형의 설명력이 지배적으로 나타났다. 자료의 연중 변동을 설명하는 1차 파형의 분산비중은 86.9~94.1%로 전형적인 중위도 지역의 식생계절학적 패턴이 나타났다(그림 3). 연중 식생지수의 변동 폭을 나타내는 진폭(amplitude)은 낙엽수림이 가장 크게 나타났고, 혼합림이 가장 낮았다.
- 연간 식생지수의 변동 폭이 클수록 식생지수의 최고치가 계절적으로 일찍 나타나는 경향을 보였지만, 식생피복별로 이러한 관련성은 시계열적으로 나타나지 않았다(그림 4-a와 b). 분석한 자료 중 식생 성장의 계절성에 중요한 영향을 준 요인은 기온으로 나타났다. 하모닉분석을 통해 계산된 평균기온 위상은 식생지수의 위상과 강한 양의 상관관계를 보여주었다(그림 5; r=0.
- 분석한 자료 중 식생 성장의 계절성에 중요한 영향을 준 요인은 기온으로 나타났다. 하모닉분석을 통해 계산된 평균기온 위상은 식생지수의 위상과 강한 양의 상관관계를 보여주었다(그림 5; r=0.61~0.79). 즉, 기온 상승 속도가 늦어질수록 식생지수의 최고치 도달 시점도 지연되는 결과를 보였다.
- 79). 즉, 기온 상승 속도가 늦어질수록 식생지수의 최고치 도달 시점도 지연되는 결과를 보였다. 특히, 활엽수림과 상록수림은 다른 식생피복에 비해 최고기온(r=0.
- 즉, 기온 상승 속도가 늦어질수록 식생지수의 최고치 도달 시점도 지연되는 결과를 보였다. 특히, 활엽수림과 상록수림은 다른 식생피복에 비해 최고기온(r=0.651, 0.689), 최저기온(r=0.737, 0.756), 평균기온 (r=0.779, 0.790) 모두에 대해 강한 상관관계를 나타내었다. 우리나라의 경우 생장 온도범위는 수종에 따라 최난월 또는 최한월 기온이 제한요인으로 작용한다고 알려져 있는데, 난대성의 경우 저온조건이, 한대성의 경우 고온조건이 식물 생장을 제한할 수 있다(구경아 등, 2001).
- 우리나라의 경우 생장 온도범위는 수종에 따라 최난월 또는 최한월 기온이 제한요인으로 작용한다고 알려져 있는데, 난대성의 경우 저온조건이, 한대성의 경우 고온조건이 식물 생장을 제한할 수 있다(구경아 등, 2001). 본 연구에서는 북한 지역을 포함한 한반도 전역이 연구대상 지역인 점을 감안할 때, 일반적인 한반도 상록활엽수, 특히 산악지역에 분포한 삼림의 기온 의존성이 지배적으로 나타난 것으로 판단된다. 본 연구에 사용된 자료의 분류로 살펴볼 때, 혼합림(9만 3천 ha)이나 초본(119만 ha)에 비해 낙엽수(877만 ha) 및 상록수림(543만 ha)의 면적이 대부분을 차지함으로써 이들 삼림 그룹에 대한 기온의 영향이 보다 강하게 나타났을 것으로 추론된다.
- 본 연구에서는 북한 지역을 포함한 한반도 전역이 연구대상 지역인 점을 감안할 때, 일반적인 한반도 상록활엽수, 특히 산악지역에 분포한 삼림의 기온 의존성이 지배적으로 나타난 것으로 판단된다. 본 연구에 사용된 자료의 분류로 살펴볼 때, 혼합림(9만 3천 ha)이나 초본(119만 ha)에 비해 낙엽수(877만 ha) 및 상록수림(543만 ha)의 면적이 대부분을 차지함으로써 이들 삼림 그룹에 대한 기온의 영향이 보다 강하게 나타났을 것으로 추론된다. 최근 수행된 중위도 낙엽활엽수림을 대상으로 한 연구에서도 태양복사량과 함께 기온이 식물생산성에 가장 큰 영향을 미친 것으로 보고된 점으로 미루어, 한반도 삼림환경에서도 생장 사이클에 미치는 기온의 영향이 강하게 나타날 것으로 판단된다(Potithep and Yasuoka, 2011).
- , 2009b). 즉, 식생지수의 증가로 광합성활동이 강화되는 지역의 경우 그렇지 못한 지역에 비해서 냉각효과가 크게 나타나 결과적으로 봄철 기온 상승의 폭이 작아지는 현상이 나타나고 있다. 본 연구에서도 기온의 위상과 식생지수 위상 간에 강한 양의 상관관계를 보여 기온변화와 식생활동 사이의 상호작용을 뒷받침 하고 있다.
- 주로 늦봄부터 초여름 기간 동안 에어로졸의 농도가 높게 나타났다. 전체적인 AOT 연도별 변화는 식생지수의 변화와 유의한 상관관계를 보여주지 않았다. 최근 연구 결과에 따르면, 한반도에 직접적인 영향을 주는 동북아시아 지역의 에어로졸 분포는 주로 중국 동부에서의 산업화 과정과 연관이 큰 것으로 추정되며, 이는 자연적인 산불 등의 영향 외에 인위적인 오염원에 의한 것으로 알려져 있다(Li et al.
- 60). 즉, 에어로졸의 농도 최고치가 봄에 일찍 도달할수록, 식생지수 연중 최대치의 도달 시점이 지연되는 경향을 보여주었다(그림 7).
- 본 연구는 매일 관측되는 MODIS 자료의 분석을 통해 지표관측이 갖는 식물계절학적 연구 상의 시계열적 한계를 극복하고 기후요소와 대기 에어로졸이 한반도 식물계절 학적 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 한반도 전체 식생 타입을 4개로 단순화하여 분석한 결과에 따르면, 상록수림, 낙엽수림, 초지는 서로 유사한 식물생장 패턴을 보인 반면, 혼합림은 이와 구별되었다. 연중 식물생장의 폭을 나타내는 진폭(amplitude)은 낙엽수림, 상록수림, 초지 사이에서 서로 유사한 연도별변화를 보였으나, 수종 구성이 다른 그룹에 비해 복잡한 혼합림의 경우, 진폭의 연도별변화가 일관된 특성을 보이기 않았고 성장폭도 현저히 낮았다.
- 한반도 전체 식생 타입을 4개로 단순화하여 분석한 결과에 따르면, 상록수림, 낙엽수림, 초지는 서로 유사한 식물생장 패턴을 보인 반면, 혼합림은 이와 구별되었다. 연중 식물생장의 폭을 나타내는 진폭(amplitude)은 낙엽수림, 상록수림, 초지 사이에서 서로 유사한 연도별변화를 보였으나, 수종 구성이 다른 그룹에 비해 복잡한 혼합림의 경우, 진폭의 연도별변화가 일관된 특성을 보이기 않았고 성장폭도 현저히 낮았다. 식생지수의 연중 변화폭은 식생지수의 연평균값이 높아짐에 따라 증가하였다.
- 최고기온이 계절적으로 빨리 도달할수록 식생지수의 최고치도 이르게 나타났다. 특히, 낙엽활엽수림과 상록수림은 다른 식생피복에 비해 최고기온, 최저기온, 평균기온 모두에 대해 강한 상관관계를 나타내었다. 고도와 사면에 따른 국지적 환경변화가 큰 한반도 환경을 고려할 때, 본 연구는 연구지역 전체를 4개 그룹으로 단순화하는 과정에서 수종 구성 또는 biome별 기온의 영향을 세부적으로 살필 수 없었던 한계를 노정하고 있다.
후속연구
- , 2003). 계절적인 기후요소의 영향 외에, 구체적인 대기 에어로졸 분포에 따른 식생활동 정보가 산출된다면, 지역적 탄소수지 모델링에 중요한 인자로 활용될 수 있을 것이다.
- 05). 분석 결과를 볼 때, 통계적으로 강한 상관관계를 나타내 보이지 않은 것은 지리적으로 세부적인 분석이 이루어지지 못한 측면이 있지만, 전반적인 에어로졸의 농도 변화가 식생활동에 영향을 미칠 개연성이 있다고 판단된다. 대조적으로, AOT의 최고치가 나타나는 시기를 나타내는 위상값은 식생지수의 위상값과 약한 정도에 그치고 있기는 하지만 전반적으로 음의 상관관계를 나타내었다(r=-0.
- 다만, 북한 지역을 포함한 한반도 전역이 연구대상 지역인 점을 감안할 때, 산악지역에 분포한 상록활엽수와 같은 대표적인 삼림의 기온 의존성이 지배적으로 나타난 결과로 추론해 볼 수 있다. 보다 구체적인 환경 인자와 식생생장 간의 인과관계를 탐구하기 위해서는 한반도 전체 규모에서 지역 차원 또는 로컬 차원의 분석단위로 전환되어야 할 것이며, 연구지역 전체에 대한 식생분류 상의 오류도 극복해야 할 과제로 남아 있다.
- 또, 시계열적 측면에서도 에어로졸의 농도 최고치가 봄에 일찍 도달할수록 식생지수의 최대치 도달 시기는 지연되는 경향을 보였지만, 통계적으로 일관된 유의성이 확인되지 못했다. 따라서, 에어로졸의 농도변화가 식생생장에 있어 광제한적(light-limited) 요인으로 작용하는 지를 확인하기 위해서는 연구 지역을 단순화한 전체적인 분석 외에 공간적으로 세부화된 추가적 연구가 필요하다고 판단된다. 최근의 광범위 토지이용변화와 식물계절성의 변화는 지역별로 탄소수지의 지리적 패턴을 변화시키고 있다고 보고된다(Schimel et al.
- , 2001). 본 연구는 이러한 지역적 변화를 추정하기 위한 위성자료 기반의 식물생산성 추정 모델을 정교화 하는 데에 도움을 줄 것으로 전망된다(Potter et al., 2008; Xiao et al., 2004a; Xiao et al., 2004b). 향후 이어질 연구에서는 에어로졸의 수직구조를 표현하는 능동형 센서자료의 활용이 포함될 필요가 있다.
- , 2004b). 향후 이어질 연구에서는 에어로졸의 수직구조를 표현하는 능동형 센서자료의 활용이 포함될 필요가 있다. 수동형 위성관측에 비해 Lidar와 같은 능동형 센서는 대기로부터 반사되는 광에너지를 통해 구름과 에어로졸의 3차원적인 정보를 제공한다.
- 이는, MODIS 관측 자료가 갖는 평면적인 대기질 분석의 한계를 극복한다는 연구방법론 상의 차별성을 제공한다. 응용 측면에서는 3차원적 대기질의 영향을 분석함으로 인해 농업분야 작물생산성 예측분야와 반복적으로 나타나는 대규모 황사, 분진 등 대기환경에 따른 식생 피해 분석에 적용 가능할 것이다.
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