개회로 파장 변조 분광법과 에디 공분산 방법으로 논에서 관측된 CH4 플럭스 자료의 보정 Corrections on CH4 Fluxes Measured in a Rice Paddy by Eddy Covariance Method with an Open-path Wavelength Modulation Spectroscopy원문보기
$CH_4$는 $CO_2$ 및 $N_2O$와 더불어 중요한 온실가스로서 지속적이고도 체계적인 감시가 요구된다. 에디 공분산 기술 기반의 $CO_2$플럭스의 관측은 이미 세계적으로 관측망이 구축되어 관측부터 자료처리에 이르기까지 모든 과정이 표준화되어 있을 뿐 아니라 체계적으로 잘 문서화되어 있다. 그러나 미량 기체인 $CH_4$의 경우, 레이저 기반의 고속반응 분광계를 필요로 할 뿐 아니라, 이에 수반되는 플럭스 자료의 처리 과정이 표준화되어 있지 않다. 본 연구 노트에서는 최근에 상용화된 개회로 파장 변조 분광계를 사용하여 에디 공분산 방법으로 논에서 관측한 $CH_4$ 플럭스 결과를 보고하였다. 모내기 전과 직후의 각 5일간 연속 관측한 자료를 KoFlux 프로토콜에 따라 상용화된 $EddyPro^{TM}$ 프로그램을 사용하여 자료를 처리하였다. 이 후처리 과정에서 세 가지 주요 보정, (1) 주파수 반응 보정, (2) 공기 밀도 보정, (3) 분광 보정의 효과를 정량화 하였다. 보정 효과는 밤과 낮에 따라 차이를 보였고, 메탄플럭스가 작을수록 보정 효과가 컸다. 전반적으로 보정 후에 메탄 플럭스는 평균 20-25% 정도 증가하였다. 국가농림기상센터(www.ncam.kr)에서는 분광 보정과 빈 자료 메우기를 포함한 $CH_4$플럭스 자료 처리가 포함된 업데이트된 KoFlux 프로그램을 일반 사용자에게 제공할 예정이다.
$CH_4$는 $CO_2$ 및 $N_2O$와 더불어 중요한 온실가스로서 지속적이고도 체계적인 감시가 요구된다. 에디 공분산 기술 기반의 $CO_2$ 플럭스의 관측은 이미 세계적으로 관측망이 구축되어 관측부터 자료처리에 이르기까지 모든 과정이 표준화되어 있을 뿐 아니라 체계적으로 잘 문서화되어 있다. 그러나 미량 기체인 $CH_4$의 경우, 레이저 기반의 고속반응 분광계를 필요로 할 뿐 아니라, 이에 수반되는 플럭스 자료의 처리 과정이 표준화되어 있지 않다. 본 연구 노트에서는 최근에 상용화된 개회로 파장 변조 분광계를 사용하여 에디 공분산 방법으로 논에서 관측한 $CH_4$ 플럭스 결과를 보고하였다. 모내기 전과 직후의 각 5일간 연속 관측한 자료를 KoFlux 프로토콜에 따라 상용화된 $EddyPro^{TM}$ 프로그램을 사용하여 자료를 처리하였다. 이 후처리 과정에서 세 가지 주요 보정, (1) 주파수 반응 보정, (2) 공기 밀도 보정, (3) 분광 보정의 효과를 정량화 하였다. 보정 효과는 밤과 낮에 따라 차이를 보였고, 메탄플럭스가 작을수록 보정 효과가 컸다. 전반적으로 보정 후에 메탄 플럭스는 평균 20-25% 정도 증가하였다. 국가농림기상센터(www.ncam.kr)에서는 분광 보정과 빈 자료 메우기를 포함한 $CH_4$플럭스 자료 처리가 포함된 업데이트된 KoFlux 프로그램을 일반 사용자에게 제공할 예정이다.
$CH_4$ is a trace gas and one of the key greenhouse gases, which requires continuous and systematic monitoring. The application of eddy covariance technique for $CH_4$ flux measurement requires a fast-response, laser-based spectroscopy. The eddy covariance measurements have bee...
$CH_4$ is a trace gas and one of the key greenhouse gases, which requires continuous and systematic monitoring. The application of eddy covariance technique for $CH_4$ flux measurement requires a fast-response, laser-based spectroscopy. The eddy covariance measurements have been used to monitor $CO_2$ fluxes and their data processing procedures have been standardized and well documented. However, such processes for $CH_4$ fluxes are still lacking. In this note, we report the first measurement of $CH_4$ flux in a rice paddy by employing the eddy covariance technique with a recently commercialized wavelength modulation spectroscopy. $CH_4$ fluxes were measured for five consecutive days before and after the rice transplanting at the Gimje flux monitoring site in 2012. The commercially available $EddyPro^{TM}$ program was used to process these data, following the KoFlux protocol for data-processing. In this process, we quantified and documented the effects of three key corrections: (1) frequency response correction, (2) air density correction, and (3) spectroscopic correction. The effects of these corrections were different between daytime and nighttime, and their magnitudes were greater with larger $CH_4$ fluxes. Overall, the magnitude of $CH_4$ flux increased on average by 20-25% after the corrections. The National Center for AgroMeteorology (www.ncam.kr) will soon release an updated KoFlux program to public users, which includes the spectroscopic correction and the gap-filling of $CH_4$ flux.
$CH_4$ is a trace gas and one of the key greenhouse gases, which requires continuous and systematic monitoring. The application of eddy covariance technique for $CH_4$ flux measurement requires a fast-response, laser-based spectroscopy. The eddy covariance measurements have been used to monitor $CO_2$ fluxes and their data processing procedures have been standardized and well documented. However, such processes for $CH_4$ fluxes are still lacking. In this note, we report the first measurement of $CH_4$ flux in a rice paddy by employing the eddy covariance technique with a recently commercialized wavelength modulation spectroscopy. $CH_4$ fluxes were measured for five consecutive days before and after the rice transplanting at the Gimje flux monitoring site in 2012. The commercially available $EddyPro^{TM}$ program was used to process these data, following the KoFlux protocol for data-processing. In this process, we quantified and documented the effects of three key corrections: (1) frequency response correction, (2) air density correction, and (3) spectroscopic correction. The effects of these corrections were different between daytime and nighttime, and their magnitudes were greater with larger $CH_4$ fluxes. Overall, the magnitude of $CH_4$ flux increased on average by 20-25% after the corrections. The National Center for AgroMeteorology (www.ncam.kr) will soon release an updated KoFlux program to public users, which includes the spectroscopic correction and the gap-filling of $CH_4$ flux.
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문제 정의
본 논문에서는 개회로 CH4 분석기를 이용한 메탄 플럭스 관측을 소개하고, 관측된 자료의 후 처리 과정을 단계별로 요약하여 제시함으로써 CH4 플럭스 자료처리의 표준화에 기여하고자 하였다. 이를 위해서 전라남도 김제의 논에 위치한 국립농업과학원에서 운영하고 있는 에디 공분산 타워에 고속반응 개회로 CH4 분석기를 설치하여 관개가 이루어진 모내기 전과 직후에 관측된 CH4 플럭스 자료를 사용하였다.
그러나 미량 기체인 CH4의 경우, 레이저 기반의 고속반응 분광계를 필요로 할 뿐 아니라, 이에 수반되는 플럭스 자료의 처리 과정이 표준화되어 있지 않다. 본 연구 노트에서는 최근에 상용화된 개회로 파장 변조 분광계를 사용하여 에디 공분산 방법으로 논에서 관측한 CH4 플럭스 결과를 보고하였다. 모내기 전과 직후의 각 5일간 연속 관측한 자료를 KoFlux 프로토콜에 따라 상용화된 EddyProTM 프로그램을 사용하여 자료를 처리하였다.
제안 방법
5m이나, 그 광학 경로 길이는 30m이다. CSAT3과 LI-7700의 수직적인 분리를 최소화하기 위해 각 관측 경로의 중심이 같은 높이에 위치하도록 설치하였다. 두 기기간의 수평적인 분리 거리는 주파수 보정과 공기 흐름의 일그러짐이 모두 최소화될 수 있도록 관측 높이의 약 1/10인 0.
2m 높이에 설치하였다. CSAT3에서 관측되는 현열 플럭스와 더불어 메탄 플럭스 보정을 위해 필요한 잠열 플럭스를 관측하기 위해 고속반응개회로 H2O/CO2 분석기(LI-7500, LI-COR Inc., USA)를 같은 높이에 설치하였다. CSAT3의 관측 경로 길이(path length)는 0.
LI-7700과 CSAT3에서 관측된 분산 및 공분산 자료의 품질을 확인 하기 위하여 안정도와 풍속이 다양했던 6월 28일중 4개의 시간에 대해 연직 풍속(w),메탄 농도(m), 기온(T)의 멱스펙트럼(power spectrum)과 메탄 플럭스(\(\bar{w'm'}\)) 및 열 플럭스(\(\bar{w'T'}\))의 코스펙트럼(cospectrum)을 분석하였다(Fig. 5). 변수들간의 상사성을 가정하면, CSAT3에서 독립적으로 관측되는 w와 T의 스펙트럼 및 코스펙트럼을 기준으로 메탄 자료를 비교해 볼 수 있다.
,USA)를 사용하였다. 10 Hz 자료로부터 30분 평균된 공분산 자료를 계산하기 전에, 먼저 모든 풍속 자료에 대해 평균 연직 이류(\(\bar{\nu}\))와 평균 연직 풍속(\( \bar{w}\) )을 0으로 만들어 주기 위해 좌표 회전(coordinate rotation)을 실시하였다. 좌표 회전 방법은 이중 회전(double rotation)을 사용하였다.
논에서 방출되는 CH4 플럭스를 측정하기 위해 3차원 초음파 풍향풍속계(CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)와 파광 변조 분광법을 이용한 고속반응개회로 CH4 분석기(LI-7700, LI-COR Inc., USA)를 지면으로부터 5.2m 높이에 설치하였다. CSAT3에서 관측되는 현열 플럭스와 더불어 메탄 플럭스 보정을 위해 필요한 잠열 플럭스를 관측하기 위해 고속반응개회로 H2O/CO2 분석기(LI-7500, LI-COR Inc.
마지막으로 파장 변조 분광기인 LI-7700을 사용함에 따라 요구되는 ‘분광 보정’을 적용하였다(Burba,2013).
본 연구 노트에서는 최근에 상용화된 개회로 파장 변조 분광계를 사용하여 에디 공분산 방법으로 논에서 관측한 CH4 플럭스 결과를 보고하였다. 모내기 전과 직후의 각 5일간 연속 관측한 자료를 KoFlux 프로토콜에 따라 상용화된 EddyProTM 프로그램을 사용하여 자료를 처리하였다. 이 후처리 과정에서 세 가지 주요 보정, (1) 주파수 반응 보정, (2) 공기 밀도 보정, (3) 분광 보정의 효과를 정량화 하였다.
43m 이었다. 모든 난류 자료의 샘플링 속도는 10 Hz로 관측되었고, 원시자료(raw data)와 30분 평균 자료를 함께 자료집록기(CR3000, Campbell Scientific Inc.,USA)에 저장하였다.
미기상 자료의 수집을 위해 순복사계(CNR1, Kipp& Zonen B.V., Netherlands)와 우량계(52203 Tipping Bucket Rain Gauge, R. M. Young Company, USA)를 각각 지면에서 2.7m와 1m 높이에 설치하였다.
벼 이앙을 위해 2012년 6월 9일에 논에 물대기를 실시하였으며, 이어서 6월 10일에는 논갈이를 실시하였다(Fig. 2). 6월 16일경 맞춤 16호(남해화학)를 헥타르당 500kg(질소기준 110kg ha−1)을 시비하였다.
보정의 각 단계가 최종 플럭스 값에 기여하는 상대적인 영향을 알아보았다. 기간 I과 기간 II에서 비가 오지 않으며, 매우 맑은 날(최대전천일사 900W m−2), 하루씩(6월 19일과 6월 27일)을 택하여 보정 단계별로 메탄 플럭스의 24 시간 시계열을 Figs.
,2000). 본 연구에서는 실온에서 사용 가능한 개회로(open-path) 파장 변조(wavelength modulation) 분광계와 에디 공분산 방법을 함께 사용하여 관개된 논에서 방출되는 CH4 플럭스 관측을 수행하였다. 개회로 기체분석기를 사용하여 에디 플럭스를 관측할 경우, 자료의 후 처리 과정에서 현열 및 잠열 플럭스의 동시 관측과 더불어 사용 기기의 특성에 따른 보정 과정이 수반된다.
모내기 전과 직후의 각 5일간 연속 관측한 자료를 KoFlux 프로토콜에 따라 상용화된 EddyProTM 프로그램을 사용하여 자료를 처리하였다. 이 후처리 과정에서 세 가지 주요 보정, (1) 주파수 반응 보정, (2) 공기 밀도 보정, (3) 분광 보정의 효과를 정량화 하였다. 보정 효과는 밤과 낮에 따라 차이를 보였고, 메탄 플럭스가 작을수록 보정 효과가 컸다.
좌표 회전 방법은 이중 회전(double rotation)을 사용하였다. 이어서 CSAT3에서 관측된 음속 온도에 대해서 수증기 보정을 적용한 후에 10Hz 자료에서 30분 평균된 공분산 자료를 계산하였다. 이렇게 계산된 30분 평균 공분산 자료에 대해서 ‘주파수 반응 보정’과 ‘공기 밀도 보정’을 차례대로 적용하였다.
05m 깊이에 설치하였다. 저속반응 미기상 관측자료들은 5초 간격으로 측정하였고, 30분 평균된 자료를 자료집록기(CR5000, Campbell Scientific Inc., USA)에 저장하였다.
대상 데이터
6월 16일경 맞춤 16호(남해화학)를 헥타르당 500kg(질소기준 110kg ha−1)을 시비하였다.
CH4 플럭스 관측을 수행한 실험 장소(35º 44' 42"N, 126º 51' 8.8"E, 해발고도 4.1m)는 전라북도 김제시 부량면 신용리에 위치한 논으로서 벼와 보리의 이모작이 이루어지는 곳이다(Fig. 1).
관측자료는 2012년도 모내기(6월 21일) 전인 6월16일부터 20일까지를 기간 I, 모내기 후인 6월 24일부터 28일까지를 기간 II로 나누어서 분석하였다. 두기간 동안 모두 논에는 물이 관개되어 있었다.
플럭스 자료처리의 표준화에 기여하고자 하였다. 이를 위해서 전라남도 김제의 논에 위치한 국립농업과학원에서 운영하고 있는 에디 공분산 타워에 고속반응 개회로 CH4 분석기를 설치하여 관개가 이루어진 모내기 전과 직후에 관측된 CH4 플럭스 자료를 사용하였다.
이론/모형
따라서 이러한 부분들에 대해 여러 단계의 보정을 필요로 한다. 본 연구에서는 KoFlux 표준화 프로토콜(Hong etal., 2002; Kang et al., 2014)에 제시된 순서대로 관측된 자료를 후처리(post-processing)하였고, 계산 프로그램은 에디 프로(EddyProTM 5.0, LI-COR Inc.,USA)를 사용하였다. 10 Hz 자료로부터 30분 평균된 공분산 자료를 계산하기 전에, 먼저 모든 풍속 자료에 대해 평균 연직 이류(\(\bar{\nu}\))와 평균 연직 풍속(\( \bar{w}\) )을 0으로 만들어 주기 위해 좌표 회전(coordinate rotation)을 실시하였다.
10 Hz 자료로부터 30분 평균된 공분산 자료를 계산하기 전에, 먼저 모든 풍속 자료에 대해 평균 연직 이류(\(\bar{\nu}\))와 평균 연직 풍속(\( \bar{w}\) )을 0으로 만들어 주기 위해 좌표 회전(coordinate rotation)을 실시하였다. 좌표 회전 방법은 이중 회전(double rotation)을 사용하였다. 이어서 CSAT3에서 관측된 음속 온도에 대해서 수증기 보정을 적용한 후에 10Hz 자료에서 30분 평균된 공분산 자료를 계산하였다.
성능/효과
이 후처리 과정에서 세 가지 주요 보정, (1) 주파수 반응 보정, (2) 공기 밀도 보정, (3) 분광 보정의 효과를 정량화 하였다. 보정 효과는 밤과 낮에 따라 차이를 보였고, 메탄 플럭스가 작을수록 보정 효과가 컸다. 전반적으로 보정 후에 메탄 플럭스는 평균 20-25% 정도 증가하였다.
분광 보정의 효과는 평균 2% 였고, 공기 밀도 보정과 마찬가지로 야간보다 주간에 더 크게 나타났다(Figs. 8(b)-(c) and 9(b)-(c), dotted lines).
, 1980). 주간의 경우 최종 플럭스 대비 최대 10%의 보정효과를 보이는 반면, 야간에는 -1~1%의 효과를 보였다(Figs. 8(b)-(c) and 9(b)-(c), dash-dot lines).
최종 보정된 CH4 플럭스는 음의 값을 제외하면 기간 I에서 0.1~62.8mg m−2h−1,기간 II에서 1.4~97.7mg m−2h−1의 범위를 보였다.
후속연구
5mm s−1로 매우 높기 때문에 기기적 오차가 발생했을 가능성은 없다고 판단된다. 이러한 결과는 난류가 매우 약하게 발달되어 해당 관측지에서 주파수 반응 보정이 메탄 플럭스 자료의 품질 관리에 있어 중요하며, 풍속이 약할 때 관측된 플럭스 자료를 면밀히 검토할 필요가 있음을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에디 공분산 방법은 어디에 사용되는가?
에디 공분산(eddy covariance) 방법은 식생을 포함한 지표-대기간에 교환되는 물리량의 연직 플럭스를 정량화하고 그 교환 과정에 중요한 역할을 담당하는 난류의 구조를 이해하는데 사용된다(Baldocchi et al.,2001).
에디 공분산 방법의 특징은?
,2001). 이러한 에디 공분산 방법은 비교적 넓은 면적(101~105m2)을 대변할 뿐 아니라 관측 대상에 피해를 주지 않으면서도 지속적인 연속 관측을 가능하게 한다(Baldocchi et al., 2001; Kim et al.
EddyProTM 프로그램을 사용하여 후처리 과정에서 주요 보정을 한 영역은 무엇인가?
모내기 전과 직후의 각 5일간 연속 관측한 자료를KoFlux 프로토콜에 따라 상용화된 EddyProTM 프로그램을 사용하여 자료를 처리하였다. 이 후처리 과정에서 세 가지 주요 보정, (1) 주파수 반응 보정, (2) 공기 밀도 보정, (3) 분광 보정의 효과를 정량화 하였다. 보정 효과는 밤과 낮에 따라 차이를 보였고, 메탄 플럭스가 작을수록 보정 효과가 컸다.
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