[논문]기상-식생 모델을 이용한 연안 분지 도시 지역의 대기 중 CO2 시뮬레이션

박창현; 이화운

doi:10.5322/jesi.2017.26.6.729

기상-식생 모델을 이용한 연안 분지 도시 지역의 대기 중 CO2 시뮬레이션
Simulation of Atmospheric CO2 Over Coastal Basin Urban Areas Using Meteorology-Vegetation Model 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.26 no.6, 2017년, pp.729 - 739

박창현 (부산대학교 대기환경과학과) , 이화운 (부산대학교 대기환경과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Weather Research and Forecasting (WRF) model and Vegetation Photosynthesis and Respiration Model (VPRM) were coupled to simulate atmospheric $CO_2$ concentrations. The performance of the WRF-VPRM to simulate regional scale $CO_2$ concentration was estimated over coastal basin areas. Either Hestia 2011(HST) or Vulcan 2002(VUL) anthropogenic $CO_2$ emission data were used in two numerical experiments for the study regions. Simulated meteorological variables were validated with ground and background $CO_2$ measurement data, and the results show that the model captured temporal variations of $CO_2$ concentration on a daily basis. $CO_2$ directional analysis revealed that the dominant $CO_2$ emission sources are located S and SW. The simulated Net Ecosystem Exchange (NEE) agreed relatively well with measured $CO_2$ fluxes at each vegetation class site, showing approximately 40% at max improvement at shrub areas.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 Ahmadov et al.(2007)의 연구를 바탕으로 접합한 WRF-VPRM을, 미국의 남가주의 한 도시 Los Angeles (LA) 지역을 대상으로 대기 중 CO₂농도 수치모의 능력을 검증하였다. LA를 연구 대상으로 선택한 이유는 (1) 중규모 CO₂ 모델링을 수행하기 위해서는 우선적으로 최소 10 km 이하의 수평해상도, 최소 1시간간격의 고해상도 CO₂ 배출량 자료가 뒷바침 되어야 하는데, LA지역은 상대적으로 신뢰할만한 고해상도 CO₂ 배출량 자료가 풍부하기 때문이고, (2) VPRM 모듈은 식생의 광합성과 호흡에 대해서 지역 식생 특성에 맞는 매개변수를 최적화해서 사용하게 되는데, LA 지역이 상대적으로 많은 식생 종류별 플럭스 관측 자료가 존재하기 때문이다.

가설 설정

PBLH는 경계층 부피를 결정함으로써 CO₂ 등의 대기오염 물질 농도 모의결과에 매우 민감만 영향을 미친다. 본 연구에서는 PBLH는 운저고도와 같다고 가정하여, 운저계(Ceilometer) 관측 자료와 비교하였다. 그 결과 모델은 주간에 평균 약 130 m 과대모의하였고, Index of Agreement (IOA; Willmott,1982) 는 약 0.

제안 방법

LA를 연구 대상으로 선택한 이유는 (1) 중규모 CO₂ 모델링을 수행하기 위해서는 우선적으로 최소 10 km 이하의 수평해상도, 최소 1시간간격의 고해상도 CO₂ 배출량 자료가 뒷바침 되어야 하는데, LA지역은 상대적으로 신뢰할만한 고해상도 CO₂ 배출량 자료가 풍부하기 때문이고, (2) VPRM 모듈은 식생의 광합성과 호흡에 대해서 지역 식생 특성에 맞는 매개변수를 최적화해서 사용하게 되는데, LA 지역이 상대적으로 많은 식생 종류별 플럭스 관측 자료가 존재하기 때문이다. 모델의 기상 수치모의 성능 검증은 1개 지상 관측지점에서, CO₂ 농도 모의 결과 성능 검증은 2개의 특별 관측지점에서 수행하였고, 또한 접합된 모델에서 생산된 NEE는 연구대상지역을 대표하는 식생종류별 플럭스 관측 지점에서 비교하여, 광합성 진단 모델의 중규모 적용에 대한 성능을 추가적으로 검증하였다.
본 연구에서는 기상 모델인 WRF와 식생 진단 모델 VPRM을 접합하고, 미국 해안 분지 지역인 LA를 대상으로 고해상도 CO₂ 수치모델링을 수행하였다. 접합된 모델은 먼저 기상 변수와 단파복사량 및 경계층 고도의 일변화와 값을 잘 모의하여, 대기 중 CO₂ 농도모의결과를 분석할 만큼 충분한 양질의 결과를 산출하여, 모델의 대기 중 CO₂농도의 모의 성능을 정량적으로 논의하기에 충분히 잘 접합되었음을 보였다.

대상 데이터

CO₂의 지상관측은 California Institute of Technology(이 후로 CIT; 34°08'12" N, 118°07'39" W) 내 한 건물 옥상 10 m 타워에서 각 종 기상변수와 CO₂농도를 관측하였고, 단파복사계와 운저계도 운용하였다. CO₂농도는 G1101-I 동위원소 분석기(Picarro Instruments, Sunnyvale, CA, USA)를 사용하였다.
이 산지들은 병풍 역할을 하여 LA 지역에서 발생한 대기오염 물질이 산에 막혀 분지지역을 원활하게 빠져 나가지 못하게 하고, 그로 인하여 심각한 대기오염을 지속적으로 유발해 오고 있다(Ulrickson and Mass, 1990; Conil and Hall, 2006). 따라서 이 지역을 대상으로 남가주 대기보전국과 NOAA 등은 대기오염과 기후의 기작과 변화를 이해하기 위하여 간헐적이지만 지속적인 종합 관측이 이뤄지고 있는데, 본 연구에서는 2010년 5월에 수행된 집중 관측 자료를 사용하였다.
본 연구 대상 LA지역은 남쪽과 서쪽 태평양 바다가 있고, 북쪽과 동쪽은 해발 2500 m 이상의 산들로, 북서쪽은 해발 1000 m 이상의 산으로 둘러싸인 해안분지 지역이다(Fig. 2). 이 산지들은 병풍 역할을 하여 LA 지역에서 발생한 대기오염 물질이 산에 막혀 분지지역을 원활하게 빠져 나가지 못하게 하고, 그로 인하여 심각한 대기오염을 지속적으로 유발해 오고 있다(Ulrickson and Mass, 1990; Conil and Hall, 2006).

성능/효과

배출량 자료 두 세트를 사용하여 관측자료와 비교하였다. 모델의 CO₂ 농도장에 대한 평가에 앞서, 먼저 CO₂배경농도에 대한 수치모의 결과를 검증하였는데, HST는 약 0.2 ppm, VUL은 0.4 ppm 평균 편차를 보임으로, 접합된 모델의 배경농도 모의 결과는 신뢰할 만한 수준이었다. 한 시간 간격으로 산출된 CIT 관측 지점에서의 CO₂ 농도는 일변화와 크기를 대체로 잘 모의하였다.
수치모델링을 수행하였다. 접합된 모델은 먼저 기상 변수와 단파복사량 및 경계층 고도의 일변화와 값을 잘 모의하여, 대기 중 CO₂ 농도모의결과를 분석할 만큼 충분한 양질의 결과를 산출하여, 모델의 대기 중 CO₂농도의 모의 성능을 정량적으로 논의하기에 충분히 잘 접합되었음을 보였다.
한 시간 간격으로 산출된 CIT 관측 지점에서의 CO₂ 농도는 일변화와 크기를 대체로 잘 모의하였다. 풍향에 따른 CO₂농도 분석은 주배출원이 남과 남서방향에 위치하고 있음을 추정할 수 있었고, 이는 실제 LA도심의 배출원의 방향과 일치하였다. WRF-Chem 개발팀이 제공한 기본 VPRM 매개변수를 사용한 결과, 식생별로 16%에서 68%까지의 오차를 보였다.

후속연구

특히 야간에는 호흡량이 관측에 비해서 상당량 과소모의되는 경향이 나타났다. 각 식생 관측 지점에서의 불확실성을 극복하기 위해서는 서론에서 언급한 바와 같이 VPRM 매개변수를 그 지역 특성에 맞게 최적화하는 것이 필요하다.
본 수치모의 연구 결과 중 CO₂ 기주 농도는 CO₂ 위성 자료와 비교함으로 위성자료를 검증하는데 활용될 수 있고, 특정 지역에 대해서 CO₂에 의한 복사 강제력을 산출하는데 이용하여, 지역 및 전구 기후변화 연구에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기 중에 존재하는 온실기체 종류는 무엇이 있는가?	대기 중에 온실기체들은 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 육불화황(SF6) 등이 있고, 이 기체들의 분자구조 특성상 복사 에너지 흡수 원리에 의해서 지구온난화에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 지구 전체의 온실 기체의 약 30-40%가 도시 지역에서 배출됨으로서 지구 평균 기온을 상승시키거나, 예측 불허의 극한 날씨상태를 유발하거나, 폭우와 가뭄을 증가 또는 감소시키는 것으로 InternationalPanel of Climate Change(IPCC, 2013)은 보고하고 있다.
	온실기체가 환경에 미치는 악영향은 무엇인가?	대기 중에 온실기체들은 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 육불화황(SF6) 등이 있고, 이 기체들의 분자구조 특성상 복사 에너지 흡수 원리에 의해서 지구온난화에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 지구 전체의 온실 기체의 약 30-40%가 도시 지역에서 배출됨으로서 지구 평균 기온을 상승시키거나, 예측 불허의 극한 날씨상태를 유발하거나, 폭우와 가뭄을 증가 또는 감소시키는 것으로 InternationalPanel of Climate Change(IPCC, 2013)은 보고하고 있다. 온실 기체 CO2는 주로 인간활동으로 인한 화석연료의 사용으로 인해 대기 중에 배출되는데, 다른 온실기체들에 비해서 분자당 지구온난 잠재도(GlobalWarming Potential, GWP)는 작지만, 예를 들어 메탄에 비해서 21배 작음, 대기 중 가장 많은 양의 분자가 존재하기 때문에 지구 온난화와 관련하여 가장 큰 연구 관심 대상이다.
	에디 공분산 방법으로 추정할 수 있는 요소는 무엇인가?	CO2와 연직 바람의 섭동을 측정하기 위해서, 초음파 풍향 풍속계와 연동한 적외선 분광기를 이용하여 지상 수 m에서 수십- 수백 m 정도 높이의 타워에서 관측하는 데, 이러한 측정 시스템을 에디 공분산 방법(Eddy Covariance)이라 하고, 현재까지 플럭스를 직접 측정하는 유일한 방법이다. 플럭스 측정 지점을 중심으로 2차원 발자국(footprint) 모형(Kormann and Meixner, 2001)을 분석하면, 관측 지점을 중심으로 수 km 내에서 플럭스 값에 영향을 미치는 CO2 배출 강도를 통계적으로 추정할 수 있다(Park and Schade, 2016). 국지규모 플럭스 관측은 주로 식생이 넓게 분포하고 있는 지역에서 각 지역별, 계절별 그리고 식생 종류별로 관측 네트워크를 바탕으로 수행되어 왔다(Baldocchi et al.

참고문헌 (24)

Ahmadov, R., Gerbig, C., Kretschmer, R., Koerner, S., Neininger, B., Dolman, A. J., Sarrat, C., 2007, Mesoscale covariance of transport and $CO_2$ fluxes: Evidence from observations and simulations using the WRF-Chem coupled atmosphere-biosphere model, J. Geophys. Res-Atmos., 112, D22107.

상세보기
Ahmadov, R., Gerbig, C., Kretschmer, R., Korner, S., Rodenbeck, C., Bousquet, P., Ramonet, M., 2009, Comparing high resolution WRF-Chem simulations and two global $CO_2$ transport models with coastal tower measurements of $CO_2$ , Biogeosciences, 6(5), 807-817.

상세보기
Baldocchi, D., Falge, E., Gu, L. H., Olson, R., Hollinger, D., Running, S., Anthoni, P., Bernhofer, C., Davis, K., Evans, R., Fuentes, J., Goldstein, A., Katul, G., Law, B., Lee, X. H., Malhi, Y., Meyers, T., Munger, W., Oechel, W., U, K. T. P., Pilegaard, K., Schmid, H., Valentini, R., Verma, S., Vesala, T., Wilson, K., Wofsy, S., 2001, Fluxnet: A New tool to study the temporal and spatial variability of ecosystem-scale carbon dioxide, water vapor, and energy flux densities, B. Am. Meteorol. Soc., 82(11), 2415-2434.

상세보기
Bowden, R. D., Nadelhoffer, K. J., Boone, R. D., Melillo, J. M., Garrison, J. B., 1993, Contributions of aboveground litter, belowground litter, and root respiration to total soil respiration in a temperature mixed hardwood forest, Can. J. Forest. Res., 23(7), 1402-1407.

상세보기
Conil, S., Hall, A., 2006, Local regimes of atmospheric variability: A Case study of southern California, J. Climate., 19(17), 4308-4325.

상세보기
Gerbig, C., Lin, J. C., Wofsy, S. C., Daube, B. C., Andrews, A. E., Stephens, B. B., Bakwin, P. S., Grainger, C. A., 2003, Toward constraining regional-scale fluxes of $CO_2$ with atmospheric observations over a continent: 2. Analysis of COBRA data using a receptor-oriented framework, J. Geophys. Res-Atmos., 108(D24).
Gurney, K. R., Mendoza, D. L., Zhou, Y. Y., Fischer, M. L., Miller, C. C., Geethakumar, S., Du Can, S. D., 2009, High resolution fossil fuel combustion $CO_2$ emission fluxes for the united states, Environ. Sci. Technol., 43, 5535-5541.

상세보기
Gurney, K. R., Razlivanov, I., Song, Y., Zhou, Y. Y., Benes, B., Abdul-Massih, M., 2012, Quantification of fossil fuel $CO_2$ emissions on the building/street scale for a large US City, Environ. Sci. Technol., 46(21), 12194-12202.

상세보기
IPCC, 2013, Climate change 2013: The physical science basis, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535.
Jamroensan, 2013, Improving bottom-up and top-down estimates of carbon fluxes in the Midwestern USA, Ph. D Thesis, University of Iowa, USA.
Jung, M., Henkel, K., Herold, M., Churkina, G., 2006, Exploiting synergies of global land cover products for carbon cycle modeling, Remote. Sens. Environ., 101(4), 534-553.

상세보기
Kormann, R., Meixner, F. X., 2001, An Analytical footprint model for non-neutral stratification, Boundary Layer, Meteorol., 99, 207-224.

상세보기
Mahadevan, P., Wofsy, S. C., Matross, D. M., Xiao, X. M., Dunn, A. L., Lin, J. C., Gerbig, C., Munger, J. W., Chow, V. Y., Gottlieb, E. W., 2008, A Satellite-based biosphere parameterization for net ecosystem $CO_2$ exchange: Vegetation Photosynthesis and Respiration Model (VPRM), Global. Biogeochem. Cy., 22(2).
Newman, S., Jeong, S., Fischer, M. L., Xu, X., Haman, C. L., Lefer, B., Alvarez, S., Rappenglueck, B., Kort, E. A., Andrews, A. E., Peischl, J., Gurney, K. R., Miller, C. E., Yung, Y. L., 2013, Diurnal tracking of anthropogenic $CO_2$ emissions in the Los Angeles basin megacity during spring 2010, Atmos. Chem. Phys., 13, 4359-4372.

상세보기
Newman, S., Xu, X., Gurney, K. R., Hsu, Y. K., Li, K. F., Jiang, X., Keeling, R., Feng, S., O'Keefe, D., Patarasuk, R., Wong, K. W., Rao, P., Fischer, M. L., Yung, Y. L., 2016, Toward consistency between trends in bottom-up $CO_2$ emissions and top-down atmospheric measurements in the Los Angeles megacity, Atmos. Chem. Phys., 16, 3843-3863.

상세보기
Park, C., Schade, G. W., 2016, Anthropogenic and biogenic features of long-term measured $CO_2$ flux in north downtown Houston, Texas, J. Environ. Qual., 45, 253-265.

상세보기
Perez-Landa, G., Ciais, P., Gangoiti, G., Palau, J. L., Carrara, A., Gioli, B., Miglietta, F., Schumacher, M., Millan, M. M., Sanz, M. J., 2007, Mesoscale circulations over complex terrain in the Valencia coastal region, Spain - Part 2: Modeling $CO_2$ transport using idealized surface fluxes, Atmos. Chem. Phys., 7(7), 1851-1868.

상세보기
Peters, W., Jacobson, A. R., Sweeney, C., Andrews, A. E., Conway, T. J., Masarie, K., Miller, J. B., Bruhwiler, L. M. P., Petron, G., Hirsch, A. I., Worthy, D. E. J., van der Werf, G. R., Randerson, J. T., Wennberg, P. O., Krol, M. C., Tans, P. P., 2007, An Atmospheric perspective on North American carbon dioxide exchange: CarbonTracker, P. Natl. Acad. Sci., 2007, 104, 18925-18930.
Peylin, P., Rayner, P. J., Bousquet, P., Carouge, C., Hourdin, F., Heinrich, P., Ciais, P., Aerocarb contributors, 2005, Daily $CO_2$ flux estimates over Europe from continuous atmospheric measurements: 1, inverse methodology, Atmos. Chem. Phys., 5, 3173-3186.

상세보기
Pillai, D., Gerbig, C., Ahmadov, R., Rodenbeck, C., Kretschmer, R., Koch, T., Thompson, R., Neininger, B., Lavric, J. V., 2011, High-resolution simulations of atmospheric $CO_2$ over complex terrain - representing the Ochsenkopf mountain tall tower, Atmos. Chem. Phys., 11(15), 7445-7464.

상세보기
Tans, P. P., Fung, I. Y., Takahashi, T., 1990, Observational constraints on the global atmospheric $CO_2$ budget, Science, 247(4949), 1431-1438.

상세보기
Turnbull, J. C., Karion, A., Fischer, M. L., Faloona, I., Guilderson, T., Lehman, S. J., Miller, B. R., Miller, J. B., Montzka, S., Sherwood, T., Saripalli, S., Sweeney, C., Tans, P. P., 2011, Assessment of fossil fuel carbon dioxide and other anthropogenic trace gas emissions from airborne measurements over Sacramento, California in spring 2009, Atmos. Chem. Phys., 11, 705-721.

상세보기
Ulrickson, B. L., Mass, C. F., 1990, Numerical investigation of mesoscale circulations over the Los-Angeles casin, a verification study, Mon. Weather. Rev., 118(10), 2138-2161.

상세보기
Willmott, C. J., 1982, Some comments on the evaluation of model performance, B. Am. Meteorol. Soc., 63(11), 1309-1313.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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