[논문]GRACE 관측 TWSA와 TWSC를 활용한 Noah 지면모형기반 토양수분 평가

전종안; 김선태; 이우섭; 김대하

doi:10.3741/jkwra.2020.53.4.285

GRACE 관측 TWSA와 TWSC를 활용한 Noah 지면모형기반 토양수분 평가
Assessment of Noah land surface model-based soil moisture using GRACE-observed TWSA and TWSC 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.4, 2020년, pp.285 - 291

전종안 (APEC 기후센터, 기후사업본부 기후분석과) , 김선태 (APEC 기후센터, 기후사업본부 기후분석과) , 이우섭 (APEC 기후센터, 기후사업본부 기후분석과) , 김대하 (APEC 기후센터, 기후사업본부 기후분석과)

초록
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이 연구에서는 Noah 3.3 지면모형을 이용하여 표층과 근역층(root-zone)의 토양함수비를 추정하고, 이를 위성기반 및 재분석 토양수분자료와 비교·검증하였다. 먼저, Noah 3.3 지면모형으로부터 추정한 4개 토양층 중 지면에 가까운 3개층(즉, 표층으로부터 1 m 깊이까지) 토양함수비를 이용하여 3개층의 깊이 가중평균값을 근역층 토양 함수비로 정의하였다. 이렇게 Noah 3.3 지면모형으로 추정한 토양함수비를 위성기반 표층 토양 함수비(European Space Agency Climate Change Initiatives Soil Moisture Product v04.4, ESA CCI SM v04.4)와 ERA-interim 재분석 표층 및 근역층 토양함수비와 비교·검증하였다. 또한, 전지구의 주요 5개 유역(Yangtze, Mekong, Mississippi, Murray-Darling, Amazon)에 대해 Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) 관측 Total Water Storage Anomaly (TWSA) 와 TWS Change (TWSC)를 이용하여 비교·검증하였다. Noah 3.3 지면모형으로 산정한 토양수분 자료는 동아시아 지역과 남아시아 지역, 호주, 북미와 남미 등 대부분의 아시아·태평양지역에서 높은 아노말리 상관관계를 보였으며, 5개 유역에서 호주의 머레이-달링(Murray-Darling)유역에서 다소 낮은 상관관계를 보였으나, 나머지 4개 유역에서는 대체로 높은 상관성을 보였다. Noah 3.3 지면모형은 준실시간 토양수분 모의가 가능하기 때문에 이에 기반한 가뭄감시가 가능하며, 선제적 가뭄 대응 대책 마련에 활용성이 클 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Noah 3.3 Land Surface Model (LSM) was used to estimate the global soil moisture in this study and these soil moisture datasets were assessed against satellite-based and reanalysis soil moisture products. The Noah 3.3 LSM simulated soil moistures in four soil layers and root-zone soil moistures defined as a depth-weighted average in the first three soil layers (i.e., up to 1.0 m deep). The Noah LSM soil moisture products were then compared with a satellite-based soil moisture dataset (European Space Agency Climate Change Initiatives (ESA CCI) SM v04.4) and reanalysis soil moisture datasets (ERA-interim). In addition, the five major basins (Yangtze, Mekong, Mississippi, Murray-Darling, Amazon) were selected for the assesment with the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)-based Total Water Storage Anomaly (TWSA) and TWS Change (TWSC). The results revealed that high anomaly correlations were found in most of the Asia-Pacific regions including East Asia, South Asia, Australia, and Noth and South America. While the anomaly correlations in the Murray-Darling basin were somewhat low, relatively higher anomaly correlations in the other basins were found. It is concluded that this study can be useful for the development of soil moisture based drought indices and subsequently can be helpful to reduce damages from drought by timely providing an efficacious strategy.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Meteorological variables used in this study
표 Table 2. Input parameters (soil, topographic, vegetative parameters) used in this study
그림 Fig. 1. Selected five basins in this study
그림 Fig. 2. Anomaly correlation coefficients of the ESA CCI and the Noah LSM-simulated soil moistures at the top soil layer
그림 Fig. 3. Anomaly correlation coefficients of the ECMWF ERA-interim and the Noah LSM-simulated soil moistures at the top soil layer (a) and the root-zone soil layer (b)
표 Table 3. Anomaly correlations of the GRACE-observed and the Noah LSM-simulated TWSAs and TWSCs for the five selected basins

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구의 목적은 Noah 3.3 지면모형을 이용하여 표층과 근역층(root-zone)의 토양함수비를 추정하고 위성기반 토양수분자료와 재분석 토양수분자료를 활용하여 Noah 3.3지면모형으로 추정한 표층과 근역층 토양함수비를 비교․검증하는 데 있다.

제안 방법

3 지면모형에 의한 토양수분 자료와 2000-2018기간에 대해 월별 Anomaly Correlation(AC)를 구하여 비교하였다. ESA CCI SM v04.4 자료는 Noah3.3 지면모형에 의한 표층(0~0.1 m 깊이)의 토양수분 AC를 구하였고, ECMWF ERA-interim 토양수분자료는 표층과 지표면으로부터 1 m까지의 3개층을 깊이 가중 평균 토양수분 값을 근역층 토양수분으로 구한 다음Noah 3.3 지면모형에 의한표층과 근역층의 토양수분을 각각 비교하였다.
ESA CCI SM v04.4의 위성기반 표층 토양수분의 아노말리(2000-2018 자료기간의 월별 토양수분 평균과 각 월의 토양수분의 차)와 Noah 3.3 지면모형으로 추정한 전지구 표층토양수분 아노말리를 비교하였으며, 각 격자별 상관계수를Fig. 2에 도시하였다.
3 지면모형에 의한 TWS 산정 값은 지하수유출이나 호수에 대한 제한으로 오차에 대한 원인 이 될 수 있음을 유의해야 한다. GRACE 관측 TWSA는 CSR, JPL, GFZ의 3개기관에서 생산한 TWSA를 산술평균한 값을 사용하였으며, Noah 3.3 지면모형에 의한 TWSA는 total column soil moisture,snow water equivalent, canopy water storage의 3개 성분의 합으로 구하였다. GRACE 관측 TWSC는 Eq.
Noah 3.3 지면모형으로 모의한 토양수분자료를 기반으로 이번 연구에서 선정한 5개 유역(Yangtze, Mekong, Mississippi,Murray-Darling, Amazon)의 TWSA와 TWSC을 산정하였다.이렇게 산정한 유역별 TWSA와 TWSC를 유역별 GRACE 관측 TWSA와 이로부터 산정한 유역별 TWSC와 비교하였으며, 유역별 아노말리 상관계수를 Table 3에 요약하여 제시하였다.
GRACE의 총 자료기간은 12년(2003-2014)이고, 기후값(climatology)은 2004-2009 평균값으로 제공된다. 따라서 이번 연구에서 GRACE 관측 TWSA와 TWSC와 Noah 3.3 지면모형에 의한 TWSA와 TWSC를 비교하기 위해, GRACE와 동일한 자료기간에 대해 2004-2009의 격자별 월평균값에 대한 차를 아노말리로 구하였다.
일반적으로 토양수분의 경우 관측 네트워크가 매우 성기고, 전지구 격자형 자료와 직접 비교하기에는 적합하지 않다. 따라서 이번 연구에서는 위성기반 및 재분석자료의 토양수분자료와 Noah 3.3 지면모형에 의한 토양수분을 직접 비교하였으며, 추가적으로 전지구 주요 유역에 대해 TWSA와 TWSC를 비교하여 검증하였다. WMO에서 선정한 도메인을 기준으로 아•태지역에서 주요 5개 유역(Basin)을 선정하였다(Fig.
먼저, 격자형 자료인 ESA CCI SM v04.4와 ECMWF ERAinterim의 토양수분자료는 Noah 3.3 지면모형에 의한 토양수분 자료와 2000-2018기간에 대해 월별 Anomaly Correlation(AC)를 구하여 비교하였다. ESA CCI SM v04.
위성 기반 토양수분자료와 재분석 토양수분 자료를 활용하여 Noah 3.3 지면모형으로 생산한 토양수분을 검증하였다. 이번 연구에서 수집한 위성 기반 토양수분은 ESA CCI SMv04.
근역층(root-zone) 토양수분 자료는 수문순환에서 증산에 직접적으로 관여하는 층으로써, 표층 토양수분과 함께 ECV에 지정이 되어있는 중요한 자료이다. 위성기반 토양수분 자료에서는 근역층 자료를 얻을 수 없으므로, 이번 연구에서는 European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) ERA-interim (https://www.ecmwf.int/) 토양수분 재분석자료를 사용하여 표층 뿐 만 아니라 근역층 토양수분자료를 비교․검증하였다. ECMWF ERA-interim 토양수분 재분석자료는 0.
위와 같이 표층과 근역층의 토양수분을 직접 비교하는 방법이외에도 토양수분은 Total Water Storage (TWS)를 구성하는 주요한 성분이므로, TWS를 활용하여 Noah 3.3 지면모형의토양수분 자료를 검증하였다. 월별 TWS는 Gravity Recoveryand Climate Experiment (GRACE) Tellus 웹싸이트(ftp://podaac-ftp.
3 지면모형으로 모의한 토양수분자료를 기반으로 이번 연구에서 선정한 5개 유역(Yangtze, Mekong, Mississippi,Murray-Darling, Amazon)의 TWSA와 TWSC을 산정하였다.이렇게 산정한 유역별 TWSA와 TWSC를 유역별 GRACE 관측 TWSA와 이로부터 산정한 유역별 TWSC와 비교하였으며, 유역별 아노말리 상관계수를 Table 3에 요약하여 제시하였다. GRACE의 총 자료기간은 12년(2003-2014)이고, 기후값(climatology)은 2004-2009 평균값으로 제공된다.
(2016)이 Noah지면모형을 사용하여 미국 전역을 12개 National Weather Service (NWS) River Forecast Centers (RFCs)지역으로 나누어 GRACE 관측 TWSA와 TWSC와 비교하였는데, 이번 연구와 비교하기위해 미주지역의 대표유역으로 선정한 미시시피유역의 결과와 비교하였다. 이를 위해 12개 RFC중 미시시시피유역을 포함하는 MBRFC, ABRFC, NCRFC, LMRFC, OHRFC의 5개 RFC를 선별하여 아노말리 상관계수의 평균과 비교하였다. Xia et al.
이번 연구에서는 Noah 3.3 지면모형을 이용하여 전지구에 대하여 표층과 근역층의 토양수분을 추정하였으며, ESA CCISM v04.4의 위성기반 표층 토양수분과 GRACE의 TWSA와TWSC를 활용하여 추정한 토양수분을 비교․검증하였다. 이번 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
실제 근역층의 두께는 식생피복에 따라 달라질 수 있는데, 일반적으로 식생의 키가 클수록 근역층의 깊이는 더 깊어진다. 하지만 전지구에 대해 이러한 식생 및 근역층두께의 자료수집에는 한계가 있어서, 이번 연구에서는 표층으로부터 1.0 m까지를 근역층으로 정의하였으며, 깊이 가중평균값을 근역층의 토양수분으로 정의하였다. 이를 수식으로 표현한 근역층의 토양함수비(θr)는 다음 Eq.

대상 데이터

, 2004).GDAS자료는 준실시간자료로써, 6-hourly 대기온도, 비습,일사량, 표면 대기압, 풍속, 강수 등 총 9개의 기상 변수를 입력기상자료로 사용하였으며, Table 1에 제시하였다. GDAS의기상변수는 2중 선형보간법(bilinear interpolation)을 사용하여 Noah 3.
2버전을 사용하였다. LIS 7.2에서는 CLSFf2.5, MOSAIC, Noah 3.3, RUC 3.7 등 총 18개의 지면모형이 포함되어 있으며, 이번 연구에서는 Noah 3.3 지면모형을 사용하였다. LIS 시스템을 이용하면, LIS에 포함되어 있는 18개지면모형을 최대 1 km 공간해상도와 15분 시간간격으로 모의할 수 있다(GSFC, 2017).
WMO에서 선정한 도메인을 기준으로 아•태지역에서 주요 5개 유역(Basin)을 선정하였다(Fig. 1).
3 지면모형의토양수분 자료를 검증하였다. 월별 TWS는 Gravity Recoveryand Climate Experiment (GRACE) Tellus 웹싸이트(ftp://podaac-ftp.jpl.nasa.gov/allData/tellus/L3/land_mass/RL05/netcdf/)에서 수집하였다. 2002년에 발사한 쌍둥이 위성으로 구성되어 있는 GRACE는 지구의 중력장을 정확하게 측정하여 TWS Anomaly (TWSA)를 추정한다.
3 지면모형 구동을 위해 기상자료뿐 만 아니라 토양, 지형, 식생 등의 입력자료가 필요하다. 이번 연구에서 사용한 기상자료는 National Centers for Environmental Prediction(NCEP) Global Data Assimilation System (GDAS) near-realtime analysis (이하, GDAS 준실시간 자료) 자료로써, National Aeronautics and Space Administration (NASA) Center for Climate Simulation (NCCS) dataportal (https://portal.nccs.nasa.gov)에서 내려받기 하여 사용하였다(Rodell et al., 2004).GDAS자료는 준실시간자료로써, 6-hourly 대기온도, 비습,일사량, 표면 대기압, 풍속, 강수 등 총 9개의 기상 변수를 입력기상자료로 사용하였으며, Table 1에 제시하였다.
3 지면모형으로 생산한 토양수분을 검증하였다. 이번 연구에서 수집한 위성 기반 토양수분은 ESA CCI SMv04.4로써, ESA CCI 홈페이지(https://www.esa-soilmoisture-cci.org/)에서 내려받기가 가능하다. ESA CCI 토양수분자료는 Active 센서자료 및 Passive 센서자료와 이 두 개의 자료를 통합한 Combined 자료의 3종류 자료로 나누어지며, 매년 업데이트되고 있다.
Landerer and Swenson (2012)에 GRACE에 대한 상세한 설명이 제시되어있다. 이번 연구에서는 Center for Space Research (CSR), JetPropulsion Laboratory (JPL), and GeoForschungsZentrum(GFZ)의 3개 기관에서 생산한 TWS Anomaly (이하, TWSA)를 수집하였다.
이번 연구에서는 자료기간이 가장 긴 Combined자료를 사용하였으며, 자료기간은 1978년 11월부터 2018년 6월까지 일별 자료이고, 해상도는 0.25°×0.25°이다.
호주(50°S-0°,110-180°E) 도메인에는 머레이-달링(Murray-Darling)유역을 선택하였고, 북아메리카(10-75°N, 190-310°E) 도메인에는 미시시피강(Mississippi)유역을 선택하였으며, 남아메리카(60°S-10°N, 270-330°E) 도메인에는 아마존강(Amazon)유역을 각각 선택하였다.

데이터처리

79로 가장 높은 상관계수 값을 보였다. Xia et al. (2016)이 Noah지면모형을 사용하여 미국 전역을 12개 National Weather Service (NWS) River Forecast Centers (RFCs)지역으로 나누어 GRACE 관측 TWSA와 TWSC와 비교하였는데, 이번 연구와 비교하기위해 미주지역의 대표유역으로 선정한 미시시피유역의 결과와 비교하였다. 이를 위해 12개 RFC중 미시시시피유역을 포함하는 MBRFC, ABRFC, NCRFC, LMRFC, OHRFC의 5개 RFC를 선별하여 아노말리 상관계수의 평균과 비교하였다.

이론/모형

GRACE 관측 TWSC는 Eq. (2)와 같이 중앙차분법(Centered difference approximation)을 사용하여 산정하였다. 일반적으로 중앙차분법은 전방차분법(Forwarddifference approximation)보다 noise를 효과적으로 줄일 수 있다고 알려져 있다(Long et al.
GDAS의기상변수는 2중 선형보간법(bilinear interpolation)을 사용하여 Noah 3.3 지면모형의 격자 크기인 1°×1°로 격자 크기로 조정하였으며, lapse-rate을 이용하여 고도 보정하였다.
, 2006)이다. LIS 시스템은 GitHub LIS framework(LISF) web-page (https://github.com/NASA-LIS/LISF/)에서 내려받기 한 7.2버전을 사용하였다. LIS 7.
이번 연구에서 토양수분을 모의하기 위해 사용한 Noah 3.3지면모형(Ek et al., 2003)은 표층으로부터 0.1, 0.5, 1.0, 2.0 m깊이(즉, 각각 0.1, 0.4, 0.6, 1.0 m 두께)의 4개층의 토양수분을 모의할 수 있다. 실제 근역층의 두께는 식생피복에 따라 달라질 수 있는데, 일반적으로 식생의 키가 클수록 근역층의 깊이는 더 깊어진다.
이번 연구에서는 NASA’s GoddardSpace Flight Center의 Hydrological Sciences Laboratory가주도적으로 개발에 참여한 Land Information System (LIS)을 사용하였다.
지면모형(Land Surface Model, LSM)을 이용하여, 토층별토양수분을 모의하고 이를 이용하여 근역층(root-zone) 토양함수비를 추정하였다. 이번 연구에서는 NASA’s GoddardSpace Flight Center의 Hydrological Sciences Laboratory가주도적으로 개발에 참여한 Land Information System (LIS)을 사용하였다.

성능/효과

(a))의 표층 토양수분과의 비교한 결과에서도 시베리아 북부 등유라시아, 캐나다 북부 등 표층에서 상관계수가 비교적 낮았고, 이를 제외한 대부분의 아·태 지역에서 비교적 높은 양의상관계수의 값을 보이는 등, 전반적으로 ESA CCI SM v04.4의 비교 결과와 유사하게 나타났다.
1) Noah 3.3 지면모형으로 산정한 토양수분의 경우, 위성기반 및 재분석 토양수분자료와 직접비교에서 동아시아 지역과 남아시아 지역, 호주, 북미와 남미 등 대부분의 아•태지역에서 높은 상관관계를 보였다.
2) 5개 유역에서 Noah 3.3 지면모형으로 산정한 TWSA와TWSC는 GRACE 관측 TWSA와 TWSC와의 비교에서 머레이-달링유역에서 다소 낮은 상관관계를 보였으나, 나머지 유역에서는 대체로 높은 상관관계를 보였다.
동아시아, 호주, 미주 등을 포함하는 대부분의 아·태 지역에서 비교적 높은 양의 상관관계를 보였으나, 시베리아 북부와 캐나다 북부 등의 일부 지역에서는 비교적 낮은 양의 상관계수 값을 보였다.
3 지면모형에서는 지하수유출을 모의하지 않고, 호수는 고려되지않는다. 따라서 이번 연구에서는 지하수유출과 호수 성분은Noah 3.3 지면모형으로 산정한 TWS에 포함되지 않았다. 따라서 Noah 3.
85로 이번 연구 결과와 거의 동일하였다. 또한,5개 RFC의 TWSC 아노말리 상관계수의 평균은 0.70(범위:0.65-0.77)의 값을 보여, 이번 연구의 아노말리 상관계수의 값(0.70)과 거의 일치하였다. 다만, Xia et al.
7이상의 상당히 높은 상관계수를 보였다. 유역별 TWSC도 유역별 TWSA와상당히 유사한 결과를 보였는데, 가장 낮은 아노말리 상관계수는 머레이-달링유역(0.53)에서 나타났고, 아마존유역이 0.79로 가장 높은 상관계수 값을 보였다. Xia et al.
이러한 결과를 바탕으로, Noah 3.3 지면모형에 의해 추정한 토양수분이 동아시아 지역과 남아시아 지역, 호주와 미국 등 대부분의 아·태 지역에서 적용성이 비교적 클 것으로 판단된다.
54로 가장 낮은 값을 보였다. 전체적으로 유역별 TWSA의 경우는 머레이-달링유역을 제외하고는 0.7이상의 상당히 높은 상관계수를 보였다. 유역별 TWSC도 유역별 TWSA와상당히 유사한 결과를 보였는데, 가장 낮은 아노말리 상관계수는 머레이-달링유역(0.

후속연구

3) 각 유역별 상관관계가 다르게 나타나거나 지역별 아노말리 상관관계가 상이한 결과를 바탕으로 상관관계가 다소 낮은 지역에 대해, 다중모델앙상블기법이나 자료동화기법과 같은 개선 방안에 대한 후속 연구가 필요해 보인다.
4) 토양수분은 주요한 수문성분 중의 하나이므로 농업적 가뭄 뿐 만아니라 수문학적 가뭄해석에도 이번 연구의 활용성이 매우 클 것으로 기대된다.
3 지면모형에 의해 추정한 토양수분이 동아시아 지역과 남아시아 지역, 호주와 미국 등 대부분의 아·태 지역에서 적용성이 비교적 클 것으로 판단된다. 다만, 근역층의 경우 몽고지역에서 음의 상관관계를 보이거나, 유라시아와 캐나다북부 등의 비교적 낮은 상관관계를 나타내는 지역에서 다중모델앙상블 기법이나, 자료동화기법 등을 활용하여 지면모형에 의한 토양수분을 개선하기 위한 연구가 필요해 보인다.
이 연구를 바탕으로 토양수분자료에 기반한 가뭄지수는 전세계 가뭄 감시에 활용할 수 있다. 따라서 이 연구결과는 시의적절한 가뭄감시를 통해 가뭄의 피해를 줄이기 위한 대책을 마련하는 등 다양한 분야에서 활용성이 클 것으로 기대된다.
이 연구를 바탕으로 토양수분자료에 기반한 가뭄지수는 전세계 가뭄 감시에 활용할 수 있다. 따라서 이 연구결과는 시의적절한 가뭄감시를 통해 가뭄의 피해를 줄이기 위한 대책을 마련하는 등 다양한 분야에서 활용성이 클 것으로 기대된다.
86으로 이번 연구의 TWSC 아노말리 상관계수 값과 대체로 유사한 값을 보였다. 이와 같이 각 유역별로 TWSA와 TWSC 아노말리 상관계수가 다르게 나타나므로, 좀더 정확한 토양수분을 모의하기 위해서는 각 유역의 지형학적 특성과 기후 특성차이가 토양수분이나 주요한 수문성분에 대한 영향에 대한연구가 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	APEC기후센터가 설립이유는?	, 2015). 이와 같이 갈수록 심각해지는 이상기후현상으로 인한 사회․경제적 피해를 줄이기 위한 노력의 일환으로 국제협력이 강조되고 있으며, 이러한 노력의 일환으로 APEC기후센터가 설립이 되었다(https://www.apcc21.
	전지구의 주요 5개 유역은 무엇인가?	4)와 ERA-interim 재분석 표층 및 근역층 토양함수비와 비교·검증하였다. 또한, 전지구의 주요 5개 유역(Yangtze, Mekong, Mississippi, Murray-Darling, Amazon)에 대해 Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) 관측 Total Water Storage Anomaly (TWSA) 와 TWS Change (TWSC)를 이용하여 비교·검증하였다. Noah 3.
	표층의 토양수분뿐만 아니라근역층(root-zone) 토양수분이 중요한 이유는?	토양수분은 수문순환의 주요한 성분중의 하나이며, 토양으로부터대기로 되먹임작용에 의해 기후시스템에 영향을 주는, 환경과 기후시스템에 중요한 요소 중의 하나이기도 하다. 특히, 근역층 토양수분은 식생에 의한 증산작용과 밀접한 관련이 있으며, 증산량을 제한하는 요소로써, 물과 에너지 순환 모두에관련되어 있다. 이러한 이유로 표층의 토양수분뿐만 아니라근역층(root-zone) 토양수분도 매우 중요한데, 표층과 근역층 토양수분 모두 Essential Cliamte Variable (ECV)로 WorldMeteorological Organization (WMO)에 의해 지정되어 있다(https://public.

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저자의 다른 논문 :

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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