GRACE는 2002년 발사된 이래로 지하수, 빙하, 해수면의 변동에 의한 지구의 질량 재배치를 관측해오고 있다. GRACE 관측으로부터 추정된 지구 중력 모델은 기압보정을 거쳐 대기 질량이 제거된 지구 표면과 그 하부의 질량 변화를 나타낸다. 그러나 대기 총 질량은 지표면과 대기 사이의 물 교환에 의해 변한다. 그 결과 GRACE 중력 모델은 구면 조화 함수의 계수 degree 0, order 0 ($C_{00}$)에 해당하는 총 대기 질량 변화에 관련된 중력 스펙트럼을 가져야 한다. 주로 계절적인 시간 척도 안에서 변하는 수증기 때문에 $C_{00}$의 변화(${\delta}C_{00}$)는 특히 해수면의 계절적 변동과 북반구와 남반구 사이의 질량 균형에 매우 중요하다. 이 결과는 ${\delta}C_{00}$가 기후변동과 관련된 대륙 규모의 질량 변화 연구에 꼭 고려되어야 함을 뜻한다.
GRACE는 2002년 발사된 이래로 지하수, 빙하, 해수면의 변동에 의한 지구의 질량 재배치를 관측해오고 있다. GRACE 관측으로부터 추정된 지구 중력 모델은 기압보정을 거쳐 대기 질량이 제거된 지구 표면과 그 하부의 질량 변화를 나타낸다. 그러나 대기 총 질량은 지표면과 대기 사이의 물 교환에 의해 변한다. 그 결과 GRACE 중력 모델은 구면 조화 함수의 계수 degree 0, order 0 ($C_{00}$)에 해당하는 총 대기 질량 변화에 관련된 중력 스펙트럼을 가져야 한다. 주로 계절적인 시간 척도 안에서 변하는 수증기 때문에 $C_{00}$의 변화(${\delta}C_{00}$)는 특히 해수면의 계절적 변동과 북반구와 남반구 사이의 질량 균형에 매우 중요하다. 이 결과는 ${\delta}C_{00}$가 기후변동과 관련된 대륙 규모의 질량 변화 연구에 꼭 고려되어야 함을 뜻한다.
The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has observed the Earth's mass redistribution mainly caused by the variations of groundwater, ice sheet, and sea level since its launch in April 2002. The global gravity model estimated by the GRACE observation is corrected by barometric pressure, a...
The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has observed the Earth's mass redistribution mainly caused by the variations of groundwater, ice sheet, and sea level since its launch in April 2002. The global gravity model estimated by the GRACE observation is corrected by barometric pressure, and thus represents the change of Earth mass on the Earth's surface and below Earth's surface excluding air mass. However, the total air mass varies due to the water exchange between the Earth's surface and the atmosphere. As a result, the nominal GRACE gravity model should include the Earth's gravity spectrum associated with the total air mass variations, degree 0 and order 0 coefficients of spherical harmonics ($C_{00}$). Because the water vapor content varies mainly on a seasonal time scale, a change of $C_{00}$ (${\delta}C_{00}$) is particularly important to seasonal variations of sea level, and mass balance between northern and southern hemisphere. This result implies that ${\delta}C_{00}$ coefficients should be accounted for the examination of continental scale mass change possibly associated with the climate variations.
The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has observed the Earth's mass redistribution mainly caused by the variations of groundwater, ice sheet, and sea level since its launch in April 2002. The global gravity model estimated by the GRACE observation is corrected by barometric pressure, and thus represents the change of Earth mass on the Earth's surface and below Earth's surface excluding air mass. However, the total air mass varies due to the water exchange between the Earth's surface and the atmosphere. As a result, the nominal GRACE gravity model should include the Earth's gravity spectrum associated with the total air mass variations, degree 0 and order 0 coefficients of spherical harmonics ($C_{00}$). Because the water vapor content varies mainly on a seasonal time scale, a change of $C_{00}$ (${\delta}C_{00}$) is particularly important to seasonal variations of sea level, and mass balance between northern and southern hemisphere. This result implies that ${\delta}C_{00}$ coefficients should be accounted for the examination of continental scale mass change possibly associated with the climate variations.
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문제 정의
본 연구에서는 GRACE 중력모델에 영향을 주는 δC00성분의 크기를 평가하고 지구 평균 질량 변화에 대한 기여도를 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 지구 중력 변화와 그와 연관된 질량 변화에 대한 선행 연구 사례에서 그동안 고려되지 않았던 지구 평균 질량의 변화 성분, δC00를 ERA-Interim 재분석장을 이용하여 계산하고 이에 대한 효과를 고찰하였다.
제안 방법
1은 2003-2013 동안 3월과 9월의 평균 연직 수증기 질량 변화이다. 3월과 9월의 평균 수증기량을 각각 계산하고, 이로부터 2003년부터 2013년 전체 기간의 평균값을 제거하여 그 변화량을 구하였다. 그 결과 대략적인 적도를 기준으로 남반구와 북반구의 계절 변화가 매우 뚜렷하게 구분됨을 알 수 있다.
Degree 1에 해당하는 계수(δC10, δC11, δS11)들은 GRACE를 통해 관측이 불가능하기 때문에 기후 모델을 추가로 사용하여 간접적으로 얻어진 자료를 사용하였다(Swenson et al., 2008).
ERA-Interim 재분석장의 총 수증기량(total column water)을 이용하여 δC00를 계산하였다(Fig. 2a).
광역 규모에서의 δC00에 의한 질량 변화 효과를 확인하기 위해 대륙과 해양 그리고 북반구와 남반구의 지구 질량 재배치를 분석하였다.
그동안 고려되지 않았던 δC00 성분을 전지구 중력 변화 모델에 추가할 경우 지구 질량 재배치에 미치는 영향을 계산하였다.
지구 표면의 평균 질량 증가(감소)는 대기 중의 수증기 질량 감소(증가)와 관련이 있기 때문에, 대기중의 수증기량을 ERA-Interim 재분석장(reanalysis)을 이용하여 계산하였다(Simmons et al., 2007). Fig.
이론/모형
이 에러를 제거하기 위해 order 12 이상의 구면 조화 함수 계수들을 홀수와 짝수 degree로 구분한 후, 3차 다항식으로 근사해 상관관계 패턴을 제거하였다(Swenson and Wahr, 2006). 또한, GRACE 관측 시 포함되는 불규칙한 잡음은 가우시안(Gaussian) 필터를 구면 조화 함수와의 합성곱(convolution)을 통해 제거하였다. δC20는 지구 조석(solid tide)에 의한 알리아싱에 매우 취약하기 때문에, Satellite Laser Ranging 관측으로부터 얻어진 결과를 GRACE 관측치 대신 사용하였다(Cheng et al.
, 2008). 마지막으로 후빙기 지각 융기에 의한 효과는 ICE-5G 모델을 이용하여 보정하였다(A et al., 2013). GRACE 자료처리에 관한 자세한 내용은 Seo (2011)에 기술되어 있다.
하지만 GRACE 원시 자료에 대한 전처리(pre-processing) 과정의 특성으로 인해 δC00은 고려되어야 한다. 전처리 과정에서는 원시 자료에 포함된 대기질량에 의한 중력 변화 성분을 ECMWF의 모의 분석(operational analysis)을 이용하여 제거한 후 중력모델을 계산한다(Flechtner et al., 2014). 이 과정에서 대기압 효과가 완벽히 제거 된다면 GRACE 중력모델은 대기 효과 없이 지표면과 그 하부의 질량 변화만을 나타낼 수 있게 된다.
성능/효과
3월과 9월의 평균 수증기량을 각각 계산하고, 이로부터 2003년부터 2013년 전체 기간의 평균값을 제거하여 그 변화량을 구하였다. 그 결과 대략적인 적도를 기준으로 남반구와 북반구의 계절 변화가 매우 뚜렷하게 구분됨을 알 수 있다. 3월의 경우 북반구의 수증기량 감소와 남반구의 수증기량 증가의 크기가 서로 비슷하지만, 9월의 경우 북반구의 수증기량 증가가 남반구의 감소량 보다 매우 크다.
후속연구
δC00가 포함된 GRACE 중력 모델의 이용은 향후 기후 변동과 관련된 대륙 규모의 질량 재배치나 해수면 변화 연구의 정확도를 보다 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
또한 δC00에 의한 전체 지구의 질량 변화는 1m2당 약 2 kg 정도로 다른 질량 변화 성분에 비해 매우 작지만, 광역 규모의 질량 변화 연구에는 반드시 고려해야 한다.
이러한 현상은 지구 평균 질량의 계절변동에 그 원인이 있으며, 향후 GRACE 중력 모델을 이용한 대륙 규모의 질량 변화 연구 시 δC00 보정이 필요함을 시사한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지구 표면의 질량 재배치는 어떤 것들에 의해 야기되는가?
, 1998). 지구 표면의 질량 재배치는 주로 대기압, 조석, 육상의 물수지, 해수면의 높이 그리고 극지방 빙하 변화 등에 의해 야기된다. GRACE 미션으로 인해 최초로 전지구적인 질량 변화에 의한 중력 측정이 가능해졌으며, 지난 10여 년간 기후 변화 연구에 많은 기여를 하였다(e.
GRACE는 동서방향의 관측 간격이 남북 방향의 간격에 비해 매우 넓은데, 이 때문에 어떤 현상이 나타나는가?
GRACE는 서편이동을 하면서 전지구(global)의 중력 변화를 탐지하는데, 동서방향의 관측 간격이 남북 방향의 간격에 비해 매우 넓다. 때문에 빠르게 변화하는 중력의 시간변화가 왜곡되어 관측되는 알리아싱 에러(aliasing error)가 발생하고, 이 에러는 지구의 질량 변화 분포도상(spatial domain)에서 남북 방향의 띠무늬 형태로 나타나게 된다. 이 알리아싱 현상을 구면 조화 함수 영역(spherical domain)에서 관찰하면 단일 order의 홀수와 짝수 degree 계수들이 각각 따로 상관(correlated)되는 특이한 패턴을 이루고 있다.
GRACE 위성이 한달 간격으로 제공하는 정보는 무엇인가?
2002년 4월 발사된 Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) 위성은 지구 중력 모델을 한달 간격으로 제공하고 있다. 이 모델의 약 99%는 지체구조에 의한 중력 이상의 공간적 변화에 의한 것이며, 나머지 잔여 성분은 지구 표면의 질량 재배치에 의한 중력의 시간 변화이다(Wahr et al.
참고문헌 (9)
A, G., Wahr, J., and Zhong, S., 2013, Computations of the viscoelastic response of a 3-D compressible Earth to surface loading: An application to Glacial Isostatic Adjustment in Antarctica and Canada. Geophysical journal International, 192, 557-572, doi:10.1093/gji/ggs030.
Cheng, M.K., Ries, J.C., and Tapley, B.D., 2013, Geocenter variations from analysis of SLR data. In Altamimi, Z. and Collilieux, X. (eds.), Proceedings of reference frames for applications in geosciences, International Association of Geodesy Symposia. Springer, Berlin, Germany, 19-25.
Flechtner, F., Dobslaw, H., and Fagiolini, E., 2014, AOD1B product description document for product release 05. GFZ German Research Centre for Geosciences, GR-GFZ-AOD-0001, 11 p.
Seo, K.-W., 2011, Data reductions of Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) gravity solutions and their applications. Journal of the Korean Earth Science Society, 32, 586-594. (in Korean)
Simmons, A., Uppala, S., Dee, D., and Kobayashi, S., 2007, ERA-Interim: New ECMWF reanalysis products from 1989 onwards. ECMWF Newsletter, 110, 25-35.
Swenson, S. and Wahr, J., 2006, Post-processing removal of correlated errors in GRACE data. Geophysical Research Letter, 33, 8, L08402.
Swenson, S., Chambers, D., and Wahr, J., 2008, Estimating geocenter variations from a combination of GRACE and ocean model output. Journal of Geophysical Research, 113, B08410.
Wahr, J., Molenaar, M., and Bryan, F., 1998, Time variability of the Earth's gravity field: Hydrological and oceanic effects and their possible detection using GRACE. Journal of Geophysical Research, 103, 30205-30229.
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