[논문]위성 및 CFD모델 자료의 융합을 통한 도시지역에서의 고해상도 지표 순복사 산출

김홍희; 이다래; 최성원; 진동현; 허모랑; 김재진; 홍진규; 홍제우; 이근민; 한경수

doi:10.7780/kjrs.2018.34.2.1.11

초록
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순복사는 지구 에너지 순환의 열원으로 사용되는 총 복사에너지의 총량으로써, 지표면에서는 수문학, 기후 연구 및 농업과 같은 분야에서 중요한 요소이다. 원격탐사를 통해 순복사를 모니터링 함으로써 열섬 현상과 도시화 경향을 파악할 수 있어 매우 중요하지만, 원격 탐사 자료만을 이용한 순복사 추정은 일반적으로 구름의 유무에따라정확도차이가발생한다.따라서본논문에서는천리안위성(Communication, Ocean and Meteorological Satellite, COMS) 및 Landsat-8위성 기반의 자료와 건물 높이 차이를 반영한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)모델 자료를 이용하여 도시화가 진행 중인 은평구 뉴타운 지역에서의 고해상도 순복사를 1시간 간격으로 산출 및 모니터링을 수행하였다. 은평구 플럭스 타워에서 관측된 순복사와 비교한 결과, RMSE $54.29Wm^{-2}$, Bias $27.42Wm^{-2}$의 정확도를 보였으며, 전체적으로 지점 관측 자료와의 유사한 경향을 보였다. 또한 산출된 순복사는 강수와 같은 기상상태를 잘 나타냈으며, 공간적 분포에서 식생 및 인공물 지역에 대한 순복사의 특징을 잘 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

Net radiation is the total amount of radiation energy used as a heat flux for the Earth's energy cycle, and net radiation from the surface is an important factor in areas such as hydrology, climate, meteorological studies and agriculture. It is very important to monitoring the net radiation through ...

Net radiation is the total amount of radiation energy used as a heat flux for the Earth's energy cycle, and net radiation from the surface is an important factor in areas such as hydrology, climate, meteorological studies and agriculture. It is very important to monitoring the net radiation through remote sensing to be able to understand the trend of heat island and urbanization phenomenon. However, net radiation estimation using only remote sensing data is generally causes difference in accuracy depending on cloud. Therefore, in this paper, we retrieved and monitored high resolution surface net radiation at 1 hour interval in Eunpyeong New Town where urbanization using Communication, Ocean and Meteorological Satellite (COMS), Landsat-8 satellite and Computational Fluid Dynamics (CFD) model data reflecting the difference in building height. We compared the observed and estimated net radiation at the flux tower. As a result, estimated net radiation was similar trend to the observed net radiation as a whole and it had the accuracy of RMSE $54.29Wm^{-2}$ and Bias $27.42Wm^{-2}$. In addition, the calculated net radiation showed well the meteorological conditions such as precipitation, and showed the characteristics of net radiation for the vegetation and artificial area in the spatial distribution.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. The study area in this study.
그림 Fig. 2. (a) Result of correlation analysis between Pyranometer data (Seoul, Incheon, and Suwon) by KMA and estimated insolation. (b) Result after bias correction of the (a) during 1 year (2014).
표 Table 1. The information of the data used for estimation of net radiation
그림 Fig. 3. The land cover and hourly mean net radiation data at the area of this study. (a) The land cover data was reclassified into artificial (School, Flux tower, Building, and Road) and vegetation (Broadleaf forest, Grassland, and Mixed forest) areas. (b) The spatial distribution of net radiation at day time (13:00 KST) and (c) night time (21:00 KST).
그림 Fig. 4. Time series for observed and estimated net radiation at Eunpyeong flux tower in Sep. 2014. The black dotted line is the observed and red triangle line is the estimated net radiation data (upper). The graph is change of net radiation over time during the study period (below). And the graph at the bottom is the amount of clouds during the study period. The parts of shadow are periods of cloudy or rainy days.
그림 Fig. 5. Result of the correlation analysis between observed and estimated net radiation that the data calculated hourly at Eunpyeong flux tower during the same period.

AI 본문요약
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문제 정의

(2017)은 도시에너지균형 모델인 Town Energy Balance (TEB) model을 이용하여 순복사를 산출하였으나, 해당 모델은 도시모델임에도 불구하고 건물 높이 차이를 반영하지 못하는 한계점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 다중 위성 자료를 활용하여 시·공간 해상도의 단점을 개선하고, 건물 높이를 반영한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델 기반의 자료를 활용하여 도시지역에서의 고해상도 순복사 산출을 목적으로 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 2014년 9월한달간 위성 및 CFD 모델 자료를 이용하여 도시지역의 고해상도 순복사를 산출 및 분석하였다. 일사량은 정확도 높은 순복사 산출을 위해 bias correction이 수행되었으며, COMS기반의 일사량, Landsat-8 기반의 광대역 알베도 자료 및 CFD모델 기반의 기온자료를 이용하여 건물 높이 차이를 반영한 순복사를 산출하였다. 산출된 순복사는 토지 피복에 따른 복사 특성을 보였다.

대상 데이터

본 연구의 연구기간은 2014년 9월 1일부터 30일까지로, 강수와 같은 다양한 기상상태가 존재하는 기간으로 선정하였다. 연구영역은 37.
1). 순복사 산출에 이용한 입력자료는 천리안 위성(Communication, Ocean and Meteorological Satellite, COMS) 기반의 일사량(Kim et al., 2016)과, Landsat-8 기반의 광대역 알베도(Lee et al., 2016), CFD 모델 기반의 기온(Kang and Kim, 2017) 자료이다(Table 1). CFD 모델은 도시 모수화 모형(Urban Canopy Model, UCM) 기반의 지표온도와 국지기상모델(Local Data Assimilation and Prediction System, LDAPS) 기반의 온위, 동서·남북 방향의 바람 성분을 이용하여 구동되며, 동서·남북·연직 방향의 바람 성분, 난류운동에너지 및 기온 등을 모의한다.
본 연구의 연구기간은 2014년 9월 1일부터 30일까지로, 강수와 같은 다양한 기상상태가 존재하는 기간으로 선정하였다. 연구영역은 37.63°N ~ 37.64°N, 126.92°E ~ 126.93°E로, 서울특별시 은평구 플럭스 타워(37.6351°N, 126.9293°E) 기준 1 km×1 km 영역에 해당한다(Fig. 1). 순복사 산출에 이용한 입력자료는 천리안 위성(Communication, Ocean and Meteorological Satellite, COMS) 기반의 일사량(Kim et al.

데이터처리

Bias correction을 실시한 일사량과 알베도, 기온 자료를 이용하여 앞서 언급한 순복사 산출 식 (2)를 통해 도시지역에서의 순복사를 산출하였다. 산출된 순복사의 공간적 특성을 파악하기 위해 토지 피복 지도를 사용하여 인공물 지역과 식생 지역에 대해 분석하였고, 정확도 비교를 위해 지점 관측 값과 검증을 실시하였다.

이론/모형

본 연구에서 산출된 순복사는 일사량, 알베도, 기온을 이용한 Idso and Jackson(1969)와 Wright(1982)의 식을 참고하였으며, 해당 식은 다음과 같다.

성능/효과

산출된 순복사는 토지 피복에 따른 복사 특성을 보였다. 은평구 플럭스타워 지점관측 값과의 검증 결과, 전반적으로 과대 평가되었지만, RMSE54.29 Wm^-2, Bias 27.42 Wm^-2로, 기존의 연구와 비교했을 때, 유사한 정확도를 보였으며, 도시지역에서의 정확도 높은 순복사 산출이 가능함을 보였다. 하지만 9월 한 달이라는 짧은 기간에 대해 분석을 수행하였으므로, 도시화나 열섬 현상과 같은 도시와 관련된 현상에 관한 추가 분석을 위해 향후 장기간 분석이 필요할 것으로 판단된다.
이는 태양복사 에너지가 존재하지 않으며, 주간에 비해 변동 폭이 작은 기온의 영향으로 판단된다. 전운량이 많은 기간의 순복사는 구름으로 인한 태양 복사 에너지의 유입량 감소에 따라 다른 기간에 비해 상대적으로 낮은 값을 보였다.
4). 주간의 경우 산출된 순복사와 지점 관측 값의 전체적인 경향성은 유사하였지만, 야간의 경우 전체 기간 동안 일정한 경향을 보였다. 이는 태양복사 에너지가 존재하지 않으며, 주간에 비해 변동 폭이 작은 기온의 영향으로 판단된다.

후속연구

하지만 9월 한 달이라는 짧은 기간에 대해 분석을 수행하였으므로, 도시화나 열섬 현상과 같은 도시와 관련된 현상에 관한 추가 분석을 위해 향후 장기간 분석이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 산출된 순복사는 예보 모델의 초기 자료 및 기상 예보의 불확실성을 개선할 수 있을 것이며, 특히 도시 지역에서의 증발산량 산출 시 정확성을 향상시켜 도시 열섬, 지역적 가뭄 등에 관해 개선된 정보를 제공할 수 있을 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원격 탐사 자료만을 이용한 순복사 추정의 한계는 무엇인가?	순복사는 지구 에너지 순환의 열원으로 사용되는 총 복사에너지의 총량으로써, 지표면에서는 수문학, 기후 연구 및 농업과 같은 분야에서 중요한 요소이다. 원격탐사를 통해 순복사를 모니터링 함으로써 열섬 현상과 도시화 경향을 파악할 수 있어 매우 중요하지만, 원격 탐사 자료만을 이용한 순복사 추정은 일반적으로 구름의 유무에따라정확도차이가발생한다.따라서본논문에서는천리안위성(Communication, Ocean and Meteorological Satellite, COMS) 및 Landsat-8위성 기반의 자료와 건물 높이 차이를 반영한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)모델 자료를 이용하여 도시화가 진행 중인 은평구 뉴타운 지역에서의 고해상도 순복사를 1시간 간격으로 산출 및 모니터링을 수행하였다.
	정확한 순복사 추정이 중요한 이유는 무엇인가?	위 식에서 Rn은 순복사, SWin와 LWin은 각각 입사하는 단파 및 장파 복사 에너지를, SWout와 LWout은 방출되는 단파 및 장파 복사 에너지를 의미한다. 이러한 순복사는 대기의 저장열, 현열, 잠열에 대해 균형을 이루기 때문에 증발산 관련 모델의 입력자료나 농업, 수산업, 기후, 기상 등 다양한 분야에 활용된다(Liu et al., 2017).
	순복사란 무엇인가?	순복사는 지구 에너지 순환의 열원으로 사용되는 총 복사에너지의 총량으로써, 지표면에서는 수문학, 기후 연구 및 농업과 같은 분야에서 중요한 요소이다. 원격탐사를 통해 순복사를 모니터링 함으로써 열섬 현상과 도시화 경향을 파악할 수 있어 매우 중요하지만, 원격 탐사 자료만을 이용한 순복사 추정은 일반적으로 구름의 유무에따라정확도차이가발생한다.

참고문헌 (19)

Ando, T. and M. Ueyama, 2017. Surface energy exchange in a dense urban built-up area based on two-year eddy covariance measurements in Sakai, Japan, Urban Climate, 19: 155-169.

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Bisht, G. and R.L. Bras, 2011. Estimation of net radiation from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer over the continental United States, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 49(6): 2448-2462.

상세보기
Brutsaert, W., 1975. On a derivable formula for long-wave radiation from clear skies, Water Resources Research, 11(5): 742-744.

상세보기
Grimmond, S., 2007. Urbanization and global environmental change: local effects of urban warming, The Geographical Journal, 173(1): 83-88.

상세보기
Harshan, S., M. Roth, E. Velasco, and M. Demuzere, 2017. Evaluation of an urban land surface scheme over a tropical suburban neighborhood, Theoretical and Applied Climatology, 1-20.
Heitor, A., A.J. Biga, and R. Rosa, 1991. Thermal radiation components of the energy balance at the ground, Agricultural and Forest Meteorology, 54(1): 29-48.

상세보기
Hong, J. and J. Hong, 2016. Changes in the Seoul Metropolitan Area Urban Heat Environment with Residential Redevelopment, Journal of Applied Meteorology and Climatology, 55(5): 1091-1106.

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Idso, S.B. and R.D. Jackson, 1969. Thermal radiation from the atmosphere, Journal of Geophysical Research, 74(23): 5397-5403.

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Jacobs, J., J. Mecikalski, and S. Paech, 2008. Satellite-based solar radiation, net radiation, and potential and reference evapotranspiration estimates over Florida, Report Prepared for the South Florida Water Management District, 138.
Kang, J.E. and J.J. Kim, 2017. Analysis of Wind Flow and Air Temperature in Urban Area Using CFD-UCM Model, Proc. of 2017 Korean Meteorological Society Fall Meeting, Busan, Oct. 25-Oct. 27, pp. 583-584.
Kim, H.H., K.S. Lee, M.J. Seo, S.W. Choi, N.H. Sung, D.R. Lee, D.H. Jin, C.Y. Kwon, M.R. Huh, and K.S. Han, 2016. The Sensitivity Analysis according to Observed Frequency of Daily Composite Insolation based on COMS, Korean Journal of Remote Sensing, 32(6): 733-739 (in Korean with English abstract).

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Lee, D.R., M.J. Seo, K.S. Lee, S.W. Choi, N.H. Sung, H.H. Kim, D.H. Jin, C.Y. Kwon, M.R. Huh, and K.S. Han, 2016. Landsat 8-based High Resolution Surface Broadband Albedo Retrieval, Korean Journal of Remote Sensing, 32(6): 741-746 (in Korean with English abstract).

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Liu, W., X.X. Li, S. Harshan, M. Roth, and E. Velasco, 2017. Evaluation of an urban canopy model in a tropical city: the role of tree evapotranspiration, Environmental Research Letters, 12(9): 094008.

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Pan, X., Y. Liu, and X. Fan, 2015. Comparative assessment of satellite-retrieved surface net radiation: An examination on CERES and SRB datasets in China, Remote Sensing, 7(4): 4899-4918.

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Picon, A.J., R. Vasquez, J. Gonzalez, J. Luvall, and D. Rickman, 2017. Use of remote sensing observations to study the urban climate on tropical coastal cities, Revista Umbral (Etapa IV-Coleccion completa), 1: 218-232.
Roth, M., 2000. Review of atmospheric turbulence over cities, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 126(564): 941-990.

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Wright, J.L., 1982. New evapotranspiration crop coefficients. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Journal of the Irrigation and Drainage Division, 108(IR2): 57-74.
Xia, X.A., P.C. Wang, H.B. Chen, and F. Liang, 2006. Analysis of downwelling surface solar radiation in China from National Centers for Environmental Prediction reanalysis, satellite estimates, and surface observations, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 111(D9).
Zhao, L., X. Lee, R.B. Smith, and K. Oleson, 2014. Strong contributions of local background climate to urban heat islands, Nature, 511(7508): 216-219.

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