본 연구에서는 2011년 5월, 6월, 7월에 덕유산 덕곡제에서 관측된 플럭스자료를 이용하여 에디공분산방법으로부터 증발산량을 측정하는 경우 발생할 수 있는 연직방향 풍속의 이상치 판별 및 대체에 대한 통계적 분석을 실시하였다. 연직방향 풍속의 이상치를 파악하기 위해 적용된 통계분석방법은 사분위수를 바탕으로 상자그림(boxplot)의 분석결과 중에 이상치를 판별하기 위한 interquartile range (IQR)을 적용하여 이상치를 탐색하였다. 또한 삭제하거나 평균값으로 대체하는 방법을 통하여 보완된 연직방향 풍속자료를 이용하여 증발산량을 측정하였으며, 이를 보완전의 증발산량과 비교분석하였다. 비교분석한 결과에 의하면 이상치를 대체하기 전의 증발산량과 이상치를 대체한 후의 증발산량 사이에 차이를 보였으며, 특히 강우 시에 보다 큰 차이를 보였다. 따라서 증발산량 측정과정에서 발생하는 이상치를 보완하기 위해 이상치를 삭제하거나 대체하여 증발산량을 측정하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 2011년 5월, 6월, 7월에 덕유산 덕곡제에서 관측된 플럭스자료를 이용하여 에디공분산방법으로부터 증발산량을 측정하는 경우 발생할 수 있는 연직방향 풍속의 이상치 판별 및 대체에 대한 통계적 분석을 실시하였다. 연직방향 풍속의 이상치를 파악하기 위해 적용된 통계분석방법은 사분위수를 바탕으로 상자그림(boxplot)의 분석결과 중에 이상치를 판별하기 위한 interquartile range (IQR)을 적용하여 이상치를 탐색하였다. 또한 삭제하거나 평균값으로 대체하는 방법을 통하여 보완된 연직방향 풍속자료를 이용하여 증발산량을 측정하였으며, 이를 보완전의 증발산량과 비교분석하였다. 비교분석한 결과에 의하면 이상치를 대체하기 전의 증발산량과 이상치를 대체한 후의 증발산량 사이에 차이를 보였으며, 특히 강우 시에 보다 큰 차이를 보였다. 따라서 증발산량 측정과정에서 발생하는 이상치를 보완하기 위해 이상치를 삭제하거나 대체하여 증발산량을 측정하는 것이 필요하다.
In this study, using flux data measured in Deokgokje reservoir watershed near Deokyu mountain in May, June, and July 2011, statistical analysis was conducted for outlier detection and replacement for vertical wind speed in the measurement of evapotranspiration based on eddy covariance method. To sta...
In this study, using flux data measured in Deokgokje reservoir watershed near Deokyu mountain in May, June, and July 2011, statistical analysis was conducted for outlier detection and replacement for vertical wind speed in the measurement of evapotranspiration based on eddy covariance method. To statistically analyze the outliers of vertical wind speed, the outlier detection method based on interquartile range (IQR) in boxplot was employed and the detected outliers were deleted or replaced with mean. The comparison was conducted for the measured evapotranspiration before and after the outlier replacement. The study results showed that there is a difference between evapotranspiration before outlier replacement and evapotranspiration after outlier replacement, especially during the rainy day. Therefore, based on the study results, the outliers should be deleted or replaced in the measurement of evapotranspiration.
In this study, using flux data measured in Deokgokje reservoir watershed near Deokyu mountain in May, June, and July 2011, statistical analysis was conducted for outlier detection and replacement for vertical wind speed in the measurement of evapotranspiration based on eddy covariance method. To statistically analyze the outliers of vertical wind speed, the outlier detection method based on interquartile range (IQR) in boxplot was employed and the detected outliers were deleted or replaced with mean. The comparison was conducted for the measured evapotranspiration before and after the outlier replacement. The study results showed that there is a difference between evapotranspiration before outlier replacement and evapotranspiration after outlier replacement, especially during the rainy day. Therefore, based on the study results, the outliers should be deleted or replaced in the measurement of evapotranspiration.
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문제 정의
본 연구에서는 에디 공분산방법을 이용하여 실제 증발산량을 측정하는 경우 연직 풍속의 이상치 탐색 결과에 따른 이상치를 보완하기 위해 이상치로 확인된 값들을 실시간으로 대체할 수있는 통계적 방법들을 적용하여 이상치 대체 전후의 플럭스 변화량을 비교 검토하였다. 분석결과에 의하면 IQR규칙을 적용하여 이상 치를 판단하고 이상치를 대체하여 증발산량을 관측하는 경우 증발산 원자료와 비교하여 비강우시나 혹은 적은 강우 시 보다는 강우 시에 보다 큰 차이를 보였다.
가설 설정
(1)과 Eq. (2)에서 추정된 계수가 이상치의 탐색 및 대체에 의존적이다. 더욱이 Fig.
제안 방법
본 연구에서는 플럭스의 분포가 알려져 있지 않기 때문에 비모수적인 방법 중 interquantile range (IQR) 규칙을 이용하여 이상치를 탐색하였다(Moore and McCabe, 1999). 또한 플럭스 이상치 탐색 결과를 이용한 이상치를 보완하기 위해 이상치로 확인된 값들을 실시간으로 대체할 수 있는 통계적 방법들을 제시하고, 이상치 대체 전후의 플럭스 변화량을 비교 검토하였다.
본 연구에서는 잠열 플럭스를 측정하기 위해 에디 공분산방법을 적용하였으며, 연구지역이 평지가 아니고 경사가 있는 산지라는 점을 고려하여 평판회전(planar-fit rotation)을 실시하였다. 관측지점의 지형경사를 하나의 평판으로 가정하여 360° 전체를 하나의 평판으로 가정하는 경우(Wilczak et al.
2는 자료의 분포가 알려져 있지 않은 경우에 이상치를 탐색하고 대체하여 증발량을 계산하는 방법까지를 순서도로 표현했다. 우선 0.1초 간격의 x, y, z 방향 풍속자료를 입력하고, 30분 간격으로 x, y, z 방향 평균풍속자료를 구분한 후 z 방향의 풍속자료를 IQR규칙에 의해서 이상치를 탐색하였다. z 방향뿐만 아니라 동일한 위치인 x, y 방향에 대해서 삭제 또는 30분 평균으로 대체하고, 회귀계수산정과 평판회전을 수행한 후 Eq.
이상치 판별 방법과 이상치 대체 방법에 따른 증발산량의 차이를 비교하기 위해 비강우일 혹은 적은 강우일과 강우일로 구분하여 측정된 일별 증발산량을 비교분석하였다(Table 1 and Fig. 4).
대상 데이터
본 연구의 지역은 전라북도 안성면의 덕곡제 유역(동경 127° 42′23″~127° 44′53″, 북위 35 °50′47″∼35° 52′50″)이며, 유역 내 토지이용분포를 보면 대부분 산림으로 이루어져 있다.
5을 적용한 이상치 탐색과 삭제, 네 번째는 원자료와 IQR 규칙 k = 3을 적용한 이상치 탐색과 삭제된 경우를 보여준다. 비교 분석을 위해 비강우일 혹은 아주 적은 강우일로 선정된 날은 2011년 5월 28일, 6월 3일, 6월 28일, 그리고 7월 18일이고, 강우일로 선정된 날은 2011년 6월 25일, 6월 26일 그리고 7월 12일이다. 일별 실제증발산량 측정결과 비강우일의 경우 2011년 5월 28일은 2.
89°이다. 플럭스 관측을 위해 군락의 높이를 고려하여 플럭스 타워 높이를 25m로 하여 타워본체 및 케이블을 설치하였고, 본 연구자료의 경우 19m 지점에 설치된 에디공분산 시스템인 3차원 풍속계(CAST3)와 CO2/H2O가스분석기(EC 155) 그리고 자동기상시스템(Automatic Weather System: AWS, 모델 WXT510-NC) 1기로부터 측정된 자료를 이용하였다.
이론/모형
특히 단일 확률변수(또는 자료)인 경우에는 모수적인 방법과 비모수적인 방법으로 이상치 탐색방법이 나누어진다. 본 연구에서는 플럭스의 분포가 알려져 있지 않기 때문에 비모수적인 방법 중 interquantile range (IQR) 규칙을 이용하여 이상치를 탐색하였다(Moore and McCabe, 1999). 또한 플럭스 이상치 탐색 결과를 이용한 이상치를 보완하기 위해 이상치로 확인된 값들을 실시간으로 대체할 수 있는 통계적 방법들을 제시하고, 이상치 대체 전후의 플럭스 변화량을 비교 검토하였다.
풍속자료의 이상치 탐색은 x, y, z 축 모두에 IQR 규칙이 적용되어 수행되었다. 따라서 어느 한 방향이라도 이상치라고 판별이 되면 다른 방향의 풍속값들도 동일한 이상치로 간주되고, 탐색된 이상치들은 해당되는 x, y, z축 모두 30분 평균으로 대체하거나 삭제하였다.
성능/효과
IQR 규칙(k = 1.5)에 의해서 이상치를 탐색하고 30분 간격에 따른 이상치의 비율은 강우일이 시간에 관계없이 대략 3%보다 높았으며 최대 11.5%까지도 나온 반면 비강우일에 대한 이상치 비율이 3.4%미만으로 기록됐다. 더욱이 강우일에 대한 IQR 규칙(k = 1.
4%미만으로 기록됐다. 더욱이 강우일에 대한 IQR 규칙(k = 1.5)에는 시간에 관계없이 이상치의 비율이 1.5% 미만의 결과가 도출되었고 비강우일은 0.22%로 상당히 작은 이상치 비율로 도출되었다.
이는 강우 시 혹은 적은 강우 시에 증발산량 관측과정에서 비강우시보다 측정 상 불확실성이 크다는 것을 보여준다. 또한 IQR (k=1.5)를 적용하는 경우 강우 시(June 26, 2011)를 제외하고 평균을 사용하여 이상치를 대체하는 경우가 이상치를 삭제하는 경우보다 원자료와 비교하여 보다 큰 차이를 보였다. 반면에 IQR (k=3.
0)을 적용하는 경우 강우 시(June 25, 2011; July 12, 2011)에 이상치를 삭제하는 경우보다 평균치로 이상치를 대체하는 경우에 원자료와 비교하여 보다 큰 차이를 보였다. 또한 같은 평균치를 적용하거나 이상치를 배제하고 증발산량을 관측하는 경우 모두에서 IQR (k=1.5)를 적용하는 경우가 IQR (k=3.0)을 적용하는 경우보다 증발산 원자료와 비교하여 보다 큰 차이를 보였다.
본 연구에서는 에디 공분산방법을 이용하여 실제 증발산량을 측정하는 경우 연직 풍속의 이상치 탐색 결과에 따른 이상치를 보완하기 위해 이상치로 확인된 값들을 실시간으로 대체할 수있는 통계적 방법들을 적용하여 이상치 대체 전후의 플럭스 변화량을 비교 검토하였다. 분석결과에 의하면 IQR규칙을 적용하여 이상 치를 판단하고 이상치를 대체하여 증발산량을 관측하는 경우 증발산 원자료와 비교하여 비강우시나 혹은 적은 강우 시 보다는 강우 시에 보다 큰 차이를 보였다. 이는 강우 시에 증발산량 관측과정에서 비강우시보다 측정하는 과정에서 불확실성이 크다는 것을 보여준다.
분석결과에 의하면 IQR규칙을 적용하여 이상치를 판단하고 이상치를 대체(평균, 삭제)하여 증발산량을 관측하는 경우 증발산 원자료와 비교하여 비강우시보다는 강우 시에 보다 큰 차이를 보였다(Table 1). 이러한 결과는 Fig.
후속연구
따라서 이상치로 간주하는 것이 올바른 분석의 정도라고 할 수 있다. 따라서 분석결과에 의하면 증발산량 관측에 있어서 비강우시보다 강우 시에 이상치를 고려한 적절한 관측 및 분석 방법에 대한 세밀한 연구가 필요하다.
0)을 적용하는 경우보다 증발산 원자료와 비교하여 보다 큰 차이를 보였다. 따라서 적용된 이상치 탐색과 대체방법에 따라서 증발산량 측정값에 차이를 보이고, 이상치 대체 시 증발산량 측정값이 원자료 증발산량과도 차이를 보여서, 증발산 관측 시 연직풍속 이상치를 고려한 증발산관측이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 또한 연직 풍속 이상치의 문제점을 개선하고 이를 증발산량 관측에 적용하기 위해서는 보다 많은 이상치 탐색 및 대체 방법들을 적용하여 이들 방법들이 증발산측정에 적합한지를 검증하는 추가 연구가 필요하다.
따라서 적용된 이상치 탐색과 대체방법에 따라서 증발산량 측정값에 차이를 보이고, 이상치 대체 시 증발산량 측정값이 원자료 증발산량과도 차이를 보여서, 증발산 관측 시 연직풍속 이상치를 고려한 증발산관측이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 또한 연직 풍속 이상치의 문제점을 개선하고 이를 증발산량 관측에 적용하기 위해서는 보다 많은 이상치 탐색 및 대체 방법들을 적용하여 이들 방법들이 증발산측정에 적합한지를 검증하는 추가 연구가 필요하다.
(2013)은 직각 음파 풍속계(orthogonal sonic anemometer) 와 비직각 음파 풍속계(non-orthogonal anemometer) 사용에 따른 연직 풍속 관측값의 차이를 연구한 바 있다. 하지만 과거 연구사례를 분석한 바에 의하면 연직 풍속 이상치에 대한 대체방법에 대한 연구가 미미하며, 앞으로 플럭스 관측 시 연직 풍속의 이상치 탐색과 대체 방법에 따른 증발산량 변화에 대한 더 많은 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다. 한편 증발산량 관측 이외의 다른 많은 응용분야에서는 이상치가 분석 및 해석의 방향을 반대로 이끌 수 있기 때문에 이상치의 처리에 많은 관심을 두어왔다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실제증발산량 관측을 위해서 가장 많이 적용되는 방법은 무엇인가?
증발산은 수문순환과정에서 중요한 요소 중의 하나로서 실제증발산량을 이해하는 것은 지구상의 물순환 과정 중에서 지구상에 존재하는 수자원의 손실량을 이해하고 수자원을 효율적으로 관리하는데 필요하다. 실제증발산량 관측을 위해서 가장 많이 적용되는 방법은 에디 공분산(eddy covariance)방법을 이용하는 것으로 전 세계적으로 많은 실험적 관측이 수행되고 있다(Kustas et al., 1994; Humes et al.
증발산은 무엇인가?
증발산은 수문순환과정에서 중요한 요소 중의 하나로서 실제증발산량을 이해하는 것은 지구상의 물순환 과정 중에서 지구상에 존재하는 수자원의 손실량을 이해하고 수자원을 효율적으로 관리하는데 필요하다. 실제증발산량 관측을 위해서 가장 많이 적용되는 방법은 에디 공분산(eddy covariance)방법을 이용하는 것으로 전 세계적으로 많은 실험적 관측이 수행되고 있다(Kustas et al.
실제증발산량을 관측하기 위한 에디 공분산 방법을 이용하여 2000년 4월 광릉 국립수목원에서 수행한 것은 무엇인가?
국내의 경우 광릉 국립수목원에서는 2000년 4월부터 에디 공분산법(eddy covariance method)을 이용하여 낙엽활엽수림과 대기간의 탄소, 에너지 및 물의 교환과정을 이해하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 30m 관측 타워가 설치되었고, 현열, 잠열 및 운동량 플럭스의 관측이 시작되었다(Park, 2001).
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