[논문]MODIS 영상을 활용한 한반도의 시공간적 물 이용효율 변동 및 가뭄과의 연관성 분석

김정빈; 호현주; 엄명진; 김연주

doi:10.7780/kjrs.2018.34.3.10

[국내논문] MODIS 영상을 활용한 한반도의 시공간적 물 이용효율 변동 및 가뭄과의 연관성 분석
Spatial and Temporal Variations in the Water Use Efficiency and its Drought Signal on the Korean Peninsula using MODIS-derived Products 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.34 no.3, 2018년, pp.553 - 564

김정빈 (연세대학교 건설환경공학과) , 호현주 (연세대학교 건설환경공학과) , 엄명진 (연세대학교 건설환경공학과) , 김연주 (연세대학교 건설환경공학과)

초록
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최근 대두되고 있는 기후변화는 물과 탄소의 순환으로 이뤄진 생태계 간의 상호작용으로 인해 발생한다. 이를 분석하기 위해 물 이용효율(Water Use Efficiency, WUE)이 사용되는데, 이는 광합성 시 사용되는 수분 대비 흡수되는 탄소의 비율이다. 물 이용효율은 주변 환경의 기상 및 지표 조건에 영향을 받으며, 생태계의 변화를 반영하는 지표다. 본 연구에서는 한반도의 시공간적 물 이용효율을 분석하며, 나아가 가뭄과의 연관성을 가뭄 지수를 통해 보고자 한다. 물 이용효율과 가뭄 지수를 측정하기 위해서 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) 영상으로부터 Gross Primary Production(GPP, 총일차생산량)과 Evapotranspiration(ET, 증발산량) 자료를 산정하였다. 이를 통해 계산한 물 이용효율은 한반도의 전 지역과 모든 식생 종류에 대해 여름 우기철에 감소하는 것으로 밝혀졌다. 나아가 연간 물 이용효율은 가뭄 지수와 음의 상관관계를 보이며 한반도의 남쪽 지역으로 갈수록 그 상관계수가 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Water use efficiency (WUE) is the amount of carbon uptake per unit of water use, which is a key measure of the functions of terrestrial ecosystems, as it is related to both the hydrologic and carbon cycles. Furthermore, it can vary with many factors, such as climate conditions and land cover characteristics, in different regions. In this study, we aim to understand the spatial and temporal variations in WUE on the Korean Peninsula as well as the associated response to drought. The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)-derived gross primary productivity (GPP) and evapotranspiration (ET) datasets and climate data were used to derive a drought index. Based on the monthly WUE, we found that WUE decreased during the monsoon summer in all regions and for all vegetation types. Furthermore, the annual WUE was negatively correlated with the drought index, with increasing correlation coefficients from the northern region to the southern region of the Korean Peninsula.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Study area (Korean Peninsula).
그림 Fig. 2. Proportion of each land cover type: (a) forest; (b) cropland; (c) grassland in Korea using MODIS land cover data.
표 Table 1. Description of the MODIS dataset
그림 Fig. 3. Spatial distributions of mean seasonal (a) GPP (g C month-1 m-2) and (b) ET (mm month-1 m-2) for the forest land cover type over the period of 2000-2014.
표 Table 2. Ranges of drought conditions according to the SPEI (Ye et al., 2015)
그림 Fig. 4. Spatial distribution of mean seasonal WUE (g C/kg H2O) for the (a) forest, (b) cropland and (c) grassl andland cover type over the period of 2000-2014.
그림 Fig. 5. Latitudinal distribution of mean monthly WUE (g C/kg H2O) for the forest land cover type over the period of 2000-2014.
그림 Fig. 6. Trends in annual WUE (g C/kg H2O) for each land cover type across Korea during the period of 2000-2014.
표 Table 3. Mean, slope and intercept of WUE in each cluster
그림 Fig. 7. Latitudinal distributions of mean monthly SPEI-6 and annual WUE for cropland over the period of 2001-2014.
그림 Fig. 8. Variations in the correlation coefficients between mean monthly SPEI-6 and WUE anomalies over the period of 2001-2014.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 남한에서 2007-2008년 여름을 대상으로 물 이용효율 지도가 작성된 연구(Sur and Choi, 2013) 외에는 시공간 및 식생 분포 등에 따른 한반도 물 이용효율 변화에 대한 구체적인 연구가 진행된 사례는 매우 제한적이다. 이에 본 연구는 한반도에서 시간과 공간에 따른 물 이용효율의 변화 및 가뭄과의 관계를 살펴보고자 한다. 특히, MODIS 위성 관측 기반으로 산정된 Gross Primary Production(GPP, 총일차생산량)과 Evapotranspiration(ET, 증발산량) 자료를 활용하여 물 이용효율을 한반도 전체에 대해 산정하여 분석하였으며, 그 외 격자기반 기상 자료들을 활용하여 물 이용효율과 가뭄 등의 기후와의 상관 관계를 확인하였다.
, 2013)와 같은 지수로 정량화 할 수 있다. 본 연구에서는 강수 뿐 아니라, 잠재 증발산량(potential evapotranspiration, PET)까지 고려하여 소요되는 물에 대해 증가한 온도의 영향을 포착하고자 한다. 따라서 강수와 잠재 증발산량의 차이를 로그–로지스틱 분포에 근사하여 지수화한 Standardized Precipitation Evapotranspiration Index(SPEI, Vicente-Serrano et al.
물 이용효율은 생태계의 물 순환과 탄소 균형의 영향을 추정하는데 사용되기 때문에 이의 시간 및 공간에 따른 변화를 이해하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 한반도를 2000-2014년 사이 관측한 MODIS 위성영상을 통해 제공된 GPP와 ET 자료로 물 이용효율의 특징 및 가뭄과의 연관성을 분석하였다.

가설 설정

Lu and Zhuang(2010)은 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)와 플럭스 타워 자료 결과를 바탕으로 미국에서의 물 이용효율과 가뭄에 대한 두가지 관계성을 제시하였다. 가뭄의 강도가 보통일 때 물 이용효율이 증가하고, 극심할 때 감소하는 것이다. 나아가 Liu et al.
본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다. 한반도의 물 이용효율은 계절 별로 특징이 두드러진다. 특히 여름철에 감소하는 경향을 보인다.

제안 방법

이에 본 연구는 한반도에서 시간과 공간에 따른 물 이용효율의 변화 및 가뭄과의 관계를 살펴보고자 한다. 특히, MODIS 위성 관측 기반으로 산정된 Gross Primary Production(GPP, 총일차생산량)과 Evapotranspiration(ET, 증발산량) 자료를 활용하여 물 이용효율을 한반도 전체에 대해 산정하여 분석하였으며, 그 외 격자기반 기상 자료들을 활용하여 물 이용효율과 가뭄 등의 기후와의 상관 관계를 확인하였다.
2). 따라서 본 연구에서는 주요한 세 토지 피복 유형에 초점을 두었고, 이 유형에 따른 물 이용효율을 분석하였다.
공간해상도가 낮은 기상 자료(기온 : 0.25°, 강수 : 0.25°)와 비교하기 위해 1 km 공간해상도의 MODIS 토지 피복, ET 및 GPP를 0.25°로 최근접 이웃 방법으로 업스케일을 하였다. ET와 GPP의 경우 2001년부터 2012년까지의 연 자료를 활용하고 토지 피복의 경우 2012년 자료를 활용하여 분석하였다.
기후변화 시에 기온상승으로 물 이용효율이 증가할 것이라는 가설들이 있으나, 관측된 근거는 미흡하였다. 기후변화로 발생하는 문제 중 하나인 가뭄에 대해 한반도의 물 이용효율을 변동을 알아보고자, 본 연구에서는 2.2절에 설명된 바와 같이 한반도에서 SPEI-6를 산정하였다. 한반도의 주요한 토지 피복 유형인 산림, 농지 그리고 초지에서의 물 이용효율과 SPEI-6을 비교한 결과, 세 토지 피복 모두 같은 경향성을 띄었다.

대상 데이터

본 연구는 동아시아에 위치한 한반도를 대상으로 진행되었으며, 위도 32-43°N, 경도 124-132°E에 걸쳐 있다(Fig. 1).
MODIS는 36개의 분광대를 이용해서 대기, 지표, 해양의 다양한 자료들을 탐지할 수 있는 센서로, NASA Earth Observing System(EOS)의 일부인 Terra와 Aqua 인공위성에 탑재되어 있다. 본 연구에서는MODIS 기반 GPP, ET 그리고 토지 피복 자료를 사용한다. Table 1은 각 자료의 측정 기간과 시공간에 따른 해상도를 제공한다.
(2005) 등의 연구 결과에 근거한다. 본 연구에서 사용된 MODIS 17 GPP 자료 는 University of Montana의 Numerical Terradynamic Simulation Group(NTSG)에서 2000-2014년까지 월별로 제공되었으며(http://www.ntsg.umt.edu), 1 km의 공간해상도를 갖는다.
25°로 최근접 이웃 방법으로 업스케일을 하였다. ET와 GPP의 경우 2001년부터 2012년까지의 연 자료를 활용하고 토지 피복의 경우 2012년 자료를 활용하여 분석하였다. 0.
본 연구에서는 2000-2014년까지의 물 이용효율을 인공위성에서 측정한 자료를 사용하여 산정하고 분석하였다. 이를 위해 MODIS 17 GPP 및 MODIS 16 ET가 사용되었다(Mu et al.
, 2010). 본 연구에서는 Global Historical Climate Network(GHCN2)와 Global Surface Summary of theDay(GSOD)에서 얻은 다량의 지점 자료에 기반하여, CPC MORPHing(CMORPH, Joyce et al., 2004)와University ofDelaware(UDELV4.01, Willmott and Matsuura, 2001)에서 각각 제공하는 강수와 기온 자료를 사용했다. CMORPH 강수 자료의 경우, 60°S와 60°N 영역의 1998-2016년 사이 관측된 값으로, 저궤도위성의 마이크로웨이브 채널에서 관측했으며, 0.
본 연구에서 물 이용효율의 특성을 분석하기 위해 MODIS를 통해 제공된 GPP 및 ET 자료를 활용하였다. 동일한 분석을 위해 MODIS 자료를 기상자료의 공간 해상도로 업스케일하는 과정에서의 오차 발생은 불가피하다.

이론/모형

위성에서 관측된 토지 피복 자료는 광범위하고 자료의 기간이 길기 때문에 가뭄 특성 연구에 널리 사용되고 있다. MODIS 12는 분류 체계가 다른 다섯 가지의 토지 피복 자료를 제공하는 데, 한반도에 존재하는 토지 피복 및 불확실성으로 인한 오차를 최소화하기 위해 University ofMarylandDepartment of Geography(UMD) 토지 피복 지도를 사용하였다. UMD 체계는 토지 피복을 13개 종류로 분류하지만, 본 연구에서는 유형의 간소화를 위해 생물군계에 따라 7가지 유형으로 재분류 하였다 : 산림, 관목, 삼림, 초지, 농지, 도시지역, 나대지.
본 연구에서는 강수 뿐 아니라, 잠재 증발산량(potential evapotranspiration, PET)까지 고려하여 소요되는 물에 대해 증가한 온도의 영향을 포착하고자 한다. 따라서 강수와 잠재 증발산량의 차이를 로그–로지스틱 분포에 근사하여 지수화한 Standardized Precipitation Evapotranspiration Index(SPEI, Vicente-Serrano et al., 2010)를 사용하였으며, SPEI에 따른 가뭄의 분류는 Table 2에 정리되어 있다. 한반도의 가뭄 분석을 위해 본 연구에서는 6개월 간격으로 SPEI(SPEI-6)를 산정하였다.
, 2010)를 사용하였으며, SPEI에 따른 가뭄의 분류는 Table 2에 정리되어 있다. 한반도의 가뭄 분석을 위해 본 연구에서는 6개월 간격으로 SPEI(SPEI-6)를 산정하였다.

성능/효과

나아가 식생의 종류에 대한 물 이용효율의 반응이 기존 연구들과 유사했다. 한반도 물 이용효율의 연평균 값이 산림, 농지, 초지의 순서의 크기를 가지며, 셋 모두 15년 동안 증가하는 추세를 보였다. 마지막으로, 가뭄과 물 이용효율 간의 연관성을 분석하기 위해 SPEI 가뭄 지수를 활용하였다.

후속연구

(2013)은 과거 20년간 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 따른 산림 물 이용효율의 증가를 보여주었다. 이는 이산화탄소 시비 효과로 인한 결과로서 기존 이론 및 생태계 모델에 의해 예상된 물 이용효율 증가량과 비교할 때 상대적으로 큰 양으로서, 물 이용효율에 영향을 미치는 산림과 기후 간의 관계에 대한 추가 연구의 필요성을 제시하였다.
본 연구의 결과는 다중 자료 기반 연구 등을 통해 그 결과를 확증할 수 있을 것이다. 최근, 에디 공분산 기반 자료를 기반으로 하는 전 지구 모형, 즉 Breathing Earth System Simulator(BESS, Ryu et al., 2011; Jiang and Ryu, 2016)를 이용한 GPP 및 ET 자료가 생산되었고, 추후 이를 활용한 연구를 진행하고자 한다. 나아가 물 이용효율에 영향을 미치는 식생에 대한 이해와 함께 한반도의 물 이용효율 결과를 이용한다면, 가뭄을 비롯한 환경 및 기후문제를 예측하고 대비하는데 활용할 수 있을 것이다.
나아가 물 이용효율에 영향을 미치는 식생에 대한 이해와 함께 한반도의 물 이용효율 결과를 이용한다면, 가뭄을 비롯한 환경 및 기후문제를 예측하고 대비하는데 활용할 수 있을 것이다. 즉, 작물의 물 이용효율 변화를 반영하여 관개 시 필요한 농업용수의 양을 산정하는 등의 효율적인 수자원 관리에 기여할 수 있을 것이다.
, 2011; Jiang and Ryu, 2016)를 이용한 GPP 및 ET 자료가 생산되었고, 추후 이를 활용한 연구를 진행하고자 한다. 나아가 물 이용효율에 영향을 미치는 식생에 대한 이해와 함께 한반도의 물 이용효율 결과를 이용한다면, 가뭄을 비롯한 환경 및 기후문제를 예측하고 대비하는데 활용할 수 있을 것이다. 즉, 작물의 물 이용효율 변화를 반영하여 관개 시 필요한 농업용수의 양을 산정하는 등의 효율적인 수자원 관리에 기여할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물 이용효율과 가뭄의 상관관계는 무엇인가?	기후의 물 이용효율 영향 중에서도, 특히 가뭄의 영향이 주요하게 논의되어왔다. 건조한 환경에서 식물의 기공 전도도가 적응함에 따라 물 이용효율이 증가하지만(Law et al., 2002; Campos et al., 2013), 극심한 가뭄일 경우, 물 이용효율이 감소하는 현상이 관측되기도 하였다(Reichstein et al., 2002; Reichstein et al.
	IPCC에서 예상하는 기후 변화는 무엇인가?	IPCC 제 5차 평가보고서(IPCC, 2014)에 따르면, 21세기 말까지 지구의 평균 온도가 1.9-4.3°C 증가하고, 강수 특성 역시 상당히 변할 것으로 예측된다. 이런 기후 변화는 자연 및 사회 시스템에 광범위하게 영향을 미칠 수 있다.
	물 이용효율이란 무엇인가?	최근 대두되고 있는 기후변화는 물과 탄소의 순환으로 이뤄진 생태계 간의 상호작용으로 인해 발생한다. 이를 분석하기 위해 물 이용효율(Water Use Efficiency, WUE)이 사용되는데, 이는 광합성 시 사용되는 수분 대비 흡수되는 탄소의 비율이다. 물 이용효율은 주변 환경의 기상 및 지표 조건에 영향을 받으며, 생태계의 변화를 반영하는 지표다.

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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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