[논문]위성기반 토양수분 데이터의 해외 연구 및 국내 황사, 미세먼지, 가뭄 연구 적용 사례

김형록; 서찬양; 김다은; 최민하

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문제 정의

PNAS는 미국 펜실베니아 대학 기상학 연구팀에서 수행된 연구로 기록적인 물 부족을 겪은 캘리포니아 지역의 가뭄을 주제로 한 논문이다. 이 논문에서는 인공위성 토양수분 자료를 가뭄지수로 적용하여 캘리포니아 가뭄을 광역적으로 분석하는 내용이 포함되어 있다. 또한 ROG는 미국 캘리포니아 대학 수문기상 연구팀에서 수행한 원격탐사를 활용한 가뭄 연구의 현황과 발전방향에 대한 것으로 Choi et al.
본고에서는 1) 위성기반 토양수분 데이터의 자연재해 분석에 대한 정확한 활용을 위해 선행되어야 할 연구에 대해 소개하고, 2) 동아시아 지역의 전파간섭 영향을 고려한 위성 토양수분 데이터 활용 방법을 통해 3) 자연재해에 적합한 위성을 선별하여, 4) 선별된 위성의 각종 자연재해에 대한 응용 방법에 대해 서술하였다. 자연재해 분석에 있어서는, 황사발생 예측에 대한 연구를 중심으로 서술하였고, 최근 주목 받고 있는 가뭄에 대한 위성 데이터 활용에 대해 간략히 소개하였다.

제안 방법

본고에서는 1) 위성기반 토양수분 데이터의 자연재해 분석에 대한 정확한 활용을 위해 선행되어야 할 연구에 대해 소개하고, 2) 동아시아 지역의 전파간섭 영향을 고려한 위성 토양수분 데이터 활용 방법을 통해 3) 자연재해에 적합한 위성을 선별하여, 4) 선별된 위성의 각종 자연재해에 대한 응용 방법에 대해 서술하였다. 자연재해 분석에 있어서는, 황사발생 예측에 대한 연구를 중심으로 서술하였고, 최근 주목 받고 있는 가뭄에 대한 위성 데이터 활용에 대해 간략히 소개하였다.
이 논문에서는 인공위성 토양수분 자료를 가뭄지수로 적용하여 캘리포니아 가뭄을 광역적으로 분석하는 내용이 포함되어 있다. 또한 ROG는 미국 캘리포니아 대학 수문기상 연구팀에서 수행한 원격탐사를 활용한 가뭄 연구의 현황과 발전방향에 대한 것으로 Choi et al. (2013) 논문에서 활용한 인공위성 기반의 ESI와 토양수분 가뭄지수의 활용에 대해 주목하였다. 국내에서 위성기반 가뭄 연구가 관련 해외 유수 저널에 게재 될 뿐 아니라 최상위 자연과학 저널에 인용되는 것은 매우 이례적인 일로 그 간의 연구 성과에 대하여 국제적으로 인정을 받았다고 볼 수 있다.
이 논문에서 활용한 인공위성 기반의 가뭄지수는 총 3가지이다. 증발산 기반의 가뭄지수인 ESI, 토양수분 가뭄지수인 SSMI (Satellite based Soil Moisture Index), 그리고 증발산과 토양수분을 동시에 고려한 가뭄지수인 EWDI(Energy based Water Deficit Index)를 통해 가뭄을 분석하였다. 각각의 가뭄지수를 기존의 SPI, PDSI와 비교검증을 통해 국내에서의 적용성을 파악하였으며, 이는 추후 동북아시아 및 전 세계 가뭄 분석 연구를 수행하는 데에 밑바탕이 될 것으로 판단된다.

성능/효과

각 센서가 모델 데이터와 가장 높은 상관관 계를 보이는 픽셀 위치. 빨간색은 MIRAS, 자두색 은 ASCAT, 연한 파랑색은 AMSR2, 진한 파랑색은 MWRI가 가장 높은 상관관계를 보이는 것을 나타 냄.
그림 7은 북아시아 지역 식생이 거의 없는 지역에서의 토양수분, 풍속, 그리고 황사의 정도를 평가할 수 있는 Aerosol Optical Depth (AOD)와의 관계를 나타낸 것이다. 토양수분이 증가할수록 AOD의 정도가 낮아지며, 풍속이 증가할수록 AOD의 정도가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 풍속이 높을수록 토양수분에 의한 AOD의 정도의 변화가 매우 커짐을 볼 수 있다.

후속연구

이러한 분석을 통해 황사 발생 전 데이터를 분석하여 발생 정도를 예측하고, 기상 인자 분석과 결합하여 황사 발생에 대한 예측에 정확성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
증발산 기반의 가뭄지수인 ESI, 토양수분 가뭄지수인 SSMI (Satellite based Soil Moisture Index), 그리고 증발산과 토양수분을 동시에 고려한 가뭄지수인 EWDI(Energy based Water Deficit Index)를 통해 가뭄을 분석하였다. 각각의 가뭄지수를 기존의 SPI, PDSI와 비교검증을 통해 국내에서의 적용성을 파악하였으며, 이는 추후 동북아시아 및 전 세계 가뭄 분석 연구를 수행하는 데에 밑바탕이 될 것으로 판단된다. 이렇듯 가뭄을 비롯한 수자원 분야에 대한 지속적인 연구와 논문 게재 및 관련 기술 개발 등의 연구 성과 창출은 국내 기후변화 대응 연구에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.
41GHz)를 탑재한 ESA의 Soil Moisture and Ocean Salinity(SMOS) 위성과 NASA의 Soil Moisture Active Passive (SMAP) 위성의 라디오 전파간섭 (Radio Frequency Interference, RFI)의 토양수분 Tb값의 오염에 대한 한반도 지역에서의 영향성 연구는 미비한 실정이다. 결론적으로 우리나라 및 동아시아 지역에 활용 가능한 위성을 분석하여 기상예측, 자연재해 분석에 활용해야 하는 연구가 필요하지만, 이러한 연구는 증가하는 위성 토양수분 데이터의 증가에 비해 활발히 연구되고 있지 않다.
이렇듯 가뭄을 비롯한 수자원 분야에 대한 지속적인 연구와 논문 게재 및 관련 기술 개발 등의 연구 성과 창출은 국내 기후변화 대응 연구에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 또한 언급된 가뭄과 관련된 논문을 바탕으로 현재 위성을 활용한 가뭄연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 통해 한반도 가뭄 해결에 기여할 수 있는 연구가 활발히 진행 될 수 있기를 기대해 본다.
그림 6은 앞서 분석된 결과를 토대로 동아시아 지역에서의 토양수분 산출 센서가 평가된 결과를 보여주며 (좌측), 건조한 지역 (사막)에서 MIRAS 센서가 가장 좋은 결과를 보여주고, 한반도 지역에서 ASCAT 센서가 가장 좋은 결과를 보여줌을 알 수 있다 (우측). 하지만 각 위성이 사용된 overpass 시간과 데이터 처리에 사용된 전처리 과정에 따라 결과가 변할 수 있으므로, 연구는 향후 더 진행되어야 할 것으로 사료된다 (Kim and Choi, 2015a).
) 따라서 동아시아 지역의 황사발생에 근원지인 고비사막, 타클라마칸 사막 등에서 적합한 위성인 MIRAS 센서를 통해 황사발생에 대한 연구를 진행 할 수 있으며, 한반도 지역에서는 ASCAT 센서를 활용한 자연재해 분석이 적합함을 알 수 있다. 하지만 본 연구결과는 최근에 발사된 SMAP 데이터가 포함되지 않았으므로, 향후 추가 되는 데이터에 따라 그 결과는 달라 질 수 있으며, 위성 토양수분에 대한 연구가 지속되어야 함을 시사하는 결과라고 볼 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

토양수분 데이터 산출에 있어 위성을 이용하는 이유는 무엇인가?

특히 위성에서 산출된 토양수분 데이터는 전 지구적 규모에서의 기후변화 분석 및 실시간 기상예보에 필수자료로 입력 될 뿐만 아니라, 홍수, 가뭄, 황사 발생 등의 각종 재해 분석에도 활용되고 있다. 이는 토양수분 산출에 있어 위성을 활용한 원격탐사가 다방면에서 유리한 측면이 있기 때문인데, 광범위한 영역에 대한 지속적인 관측이 가능하고 표면 조도에 덜 민감하며 날씨 변화 및 밤·낮 관계없이 토양수분 산출에 필요한 Brightness temperature (Tb) 값 획득이 가능하다는 점이 그것이다. 그리고 표토층의(주파수에 따라 0~5cm 표층토양수분) 수분 함량에 대한 정보를 제공하고 있어 기상 관련 분석에 대한 활용 가치가 매우 높다.

PNAS 논문에 포함된 내용은 무엇인가?

PNAS는 미국 펜실베니아 대학 기상학 연구팀에서 수행된 연구로 기록적인 물 부족을 겪은 캘리포니아 지역의 가뭄을 주제로 한 논문이다. 이 논문에서는 인공위성 토양수분 자료를 가뭄지수로 적용하여 캘리포니아 가뭄을 광역적으로 분석하는 내용이 포함되어 있다. 또한 ROG는 미국 캘리포니아 대학 수문기상 연구팀에서 수행한 원격탐사를 활용한 가뭄 연구의 현황과 발전방향에 대한 것으로 Choi et al. (2013) 논문에서 활용한 인공위성 기반의 ESI와 토양수분 가뭄지수의 활용에 대해 주목하였다. 국내에서 위성기반 가뭄 연구가 관련 해외 유수 저널에 게재 될 뿐 아니라 최상위 자연과학 저널에 인용되는 것은 매우 이례적인 일로 그 간의 연구 성과에 대하여 국제적으로 인정을 받았다고 볼 수 있다.

위성을 활용한 토양수분 데이터는 어떻게 발전해왔는가?

위성을 활용한 토양수분 데이터는 1978년부터 시작되었다고 볼 수 있는데, 수동형 마이크로파 센서인 Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR, 1978)을 시작으로, the Special Sensor Microwave Imager (SSM/I, 1987), the micorwave imager from the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM, 1997), Advanced Microwave Scanning RadiometerEarth (AMSR-E, 2002), SMOS (2010), AMSR2(2012), 그리고 SMAP (2015)등으로 발전되며, 능동형 마이크로파 센서인 European Remote Sensing (ERS-1, 1992), European Remote Sensing-2 (ERS-2, 1996), ASCAT (2006), 그리고 SAMP(2015)로 발전되어 왔다. 이 중 몇 센서의 경우 토양수분 데이터를 산출하고 있지 못하며, 현재 학계에서 활발히 연구되고 있는 센서는 그림 1의 6개 센서와 같다.

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