드론 관측을 통한 순천만 갯벌과 갈대밭 상부 대기의 이산화탄소 농도 분포 연구 Research for Carbon Dioxide Fluctuation using Drone above the Mud Flat and Reed Beds in the Suncheon Bay원문보기
In this study, carbon dioxide concentration and air temperature at different elevations were observed and analyzed in the upper atmosphere of mud flat and reed beds at low tide in Suncheon Bay. The carbon dioxide concentration and air temperature sensors were mounted on the drone, and the carbon dio...
In this study, carbon dioxide concentration and air temperature at different elevations were observed and analyzed in the upper atmosphere of mud flat and reed beds at low tide in Suncheon Bay. The carbon dioxide concentration and air temperature sensors were mounted on the drone, and the carbon dioxide concentration and air temperature by altitude (5 m, 10 m, 20 m, 40 m) at five points in the tidal flat and reed beds were observed in the morning and afternoon. The carbon dioxide concentrations in the upper atmosphere of the tidal flat ranged from 453.0 to 460.2 ppm in the morning and 441.6 to 449.7 ppm in the afternoon. The carbon dioxide concentrations in the upper atmosphere of the reed beds ranged from 448.9 to 452.4 ppm in the morning and 446.0 to 454.4 ppm in the afternoon. The carbon dioxide concentrations in the upper atmosphere of the tidal flat was higher in the morning than in the afternoon, and the carbon dioxide concentration decreased as the altitude increased. The carbon dioxide concentration in the upper atmosphere of the reed beds was similar in the morning and afternoon at all altitudes, and the carbon dioxide concentration decreased as the altitude increased. The correlation coefficient between carbon dioxide concentration and air temperature observed in the tidal flat in the morning was -0.54 ~ -0.77, and the correlation coefficient between carbon dioxide concentration and air temperature observed in the afternoon was 0.56 ~ 0.80. The correlation coefficient between carbon dioxide concentration and temperature observed in the morning in the reed field was low, below 0.3, and the correlation coefficient between carbon dioxide concentration and air temperature observed in the afternoon was 0.35 ~ 0.77. In the upper atmosphere of the tidal flats and reed beds, the linear function was suitable for the change of carbon dioxide concentration as a air temperature, and the coefficient of determination of the estimated linear function was higher in the afternoon than in the morning. Through this study, it was confirmed that the carbon dioxide concentration in the upper atmosphere of the tidal flat and the reed beds was different, and the increase rate of carbon dioxide concentration in the upper atmosphere of the tidal flat and the reed beds was higher in the afternoon than in the morning.
In this study, carbon dioxide concentration and air temperature at different elevations were observed and analyzed in the upper atmosphere of mud flat and reed beds at low tide in Suncheon Bay. The carbon dioxide concentration and air temperature sensors were mounted on the drone, and the carbon dioxide concentration and air temperature by altitude (5 m, 10 m, 20 m, 40 m) at five points in the tidal flat and reed beds were observed in the morning and afternoon. The carbon dioxide concentrations in the upper atmosphere of the tidal flat ranged from 453.0 to 460.2 ppm in the morning and 441.6 to 449.7 ppm in the afternoon. The carbon dioxide concentrations in the upper atmosphere of the reed beds ranged from 448.9 to 452.4 ppm in the morning and 446.0 to 454.4 ppm in the afternoon. The carbon dioxide concentrations in the upper atmosphere of the tidal flat was higher in the morning than in the afternoon, and the carbon dioxide concentration decreased as the altitude increased. The carbon dioxide concentration in the upper atmosphere of the reed beds was similar in the morning and afternoon at all altitudes, and the carbon dioxide concentration decreased as the altitude increased. The correlation coefficient between carbon dioxide concentration and air temperature observed in the tidal flat in the morning was -0.54 ~ -0.77, and the correlation coefficient between carbon dioxide concentration and air temperature observed in the afternoon was 0.56 ~ 0.80. The correlation coefficient between carbon dioxide concentration and temperature observed in the morning in the reed field was low, below 0.3, and the correlation coefficient between carbon dioxide concentration and air temperature observed in the afternoon was 0.35 ~ 0.77. In the upper atmosphere of the tidal flats and reed beds, the linear function was suitable for the change of carbon dioxide concentration as a air temperature, and the coefficient of determination of the estimated linear function was higher in the afternoon than in the morning. Through this study, it was confirmed that the carbon dioxide concentration in the upper atmosphere of the tidal flat and the reed beds was different, and the increase rate of carbon dioxide concentration in the upper atmosphere of the tidal flat and the reed beds was higher in the afternoon than in the morning.
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제안 방법
본 연구에서 연안습의 대기 중 이산화탄소 농도와 기온은 GMP343 (VAISALA) 측정기를 이용하여 관측하였으며, GMP343은 기체 포집을 하지 않고 프로브(Probe)에서 공기를 흡입하여 비분산형 적외선 분석(Non-dispersive infrared, NDIR) 방법으로 이산화탄소 농도를 측정하고 MI70 indicator를 통해 실시간으로 저장한다(Kang et al., 2014). 현장에서 드론의 상부에 GMP343을 탑재하고 이산화탄소 농도와 기온의 측정 간격을 5초로 세팅한 후 순전만 갯벌과 갈대밭 지역에서 드론 비행을 통해 대기 중 이산화탄소 농도와 기온을 측정하였으며, 드론 비행(1개 지역 당 약 30분 정도 소요)이 완료된 후에 MI70 indicator를 노트북에 연결하여 관측된 자료를 저장하였다(Fig.
본 연구에서는 2019년 3월 26~27일 동안 순천만 갯벌(Mud flat) 및 갈대밭(Reed beds) 지역에서 썰물 시에 드론을 활용하여 이산화탄소 농도와 기온을 관측하였으며, 연안습지에서 이산화탄소 농도의 공간(수평/수직) 분포를 분석하였다.
1). 수직 관측은 수평 관측 지점에서 동일한 조건으로 반복 관측하였으며, 갯벌 표면과 갈대밭 캐노피의 상부 5 m, 10 m, 20 m, 40 m 지점에서 이산화탄소 농도와 기온을 측정하였다. 순천만 갯벌과 갈대밭 지역에서 각각 20개 지점씩 관측하였으며, 1개 지점의 관측 시간은 2분 정도이고 관측 자료는 5초 간격으로 관측 지점 당 24개 자료를 저장하였다.
순천만 갯벌과 갈대밭 지역의 20개 지점에서 관측된 이산화탄소 농도와 기온 자료 값에 대한 평균과 표준편차를 산정하고 상자수염그림(Box-whisker plots)을 작성하였으며, 또한 이산화탄소 농도와 기온의 관측 고도별 상관계수를 산정하고 20개 지점에서 산정된 이산화탄소 농도와 기온의 평균을 이용하여 기온에 대한 이산화탄소 농도의 회귀함수를 추정하였다.
순천만 갯벌과 갈대밭에서 관측 높이와 시간에 따른 기온의 변화 경향을 파악하기 위해 전체 자료를 이용하여 상자수염그림을 작성하였다(Fig. 4). 갯벌과 갈대밭에서 기온은 오전보다 오후에 높았으며, 관측 고도가 높아질수록 기온은 감소하는 경향을 보였다.
순천만 갯벌과 갈대밭에서 관측 높이와 시간에 따른 이산화탄소 농도의 변화 경향을 파악하기 위해 전체 자료를 이용하여 상자수염그림을 작성하였다(Fig. 3). 갯벌에서 이산화탄소 농도는 모든 관측 고도에서 오전이 오후보다 높았으며, 관측 고도가 높아질수록 이산화탄소 농도가 감소하는 경향을 보였다(Fig.
순천만 갯벌과 갈대밭에서 드론을 이용하여 갯벌 표면으로부터 높이(5 m, 10 m, 20 m, 40 m)에 따른 이산화탄소 농도를 관측하였으며, 5개 지점의 4개 높이에서 각각 18회 관측한 이산화탄소 농도의 평균과 표준편차는 Table 1과 2에 정리하였다. 갯벌에서 오전에 관측한 이산화탄소 농도의 평균은 453.
순천만 갯벌과 갈대밭에서 오전과 오후에 관측된 기온과 이산화탄소 농도의 관측 지점별 평균을 이용하여 4가지 경우(갯벌 오전, 갯벌 오후, 갈대밭 오전, 갈대밭 오후)의 기온에 따른 이산화탄소 농도의 회귀함수를 추정하였다(Fig. 5). 갯벌에서 오전에 관측한 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수는 기울기가 음인 선형함수로 추정되었으며, 결정계수는 0.
, 2014). 현장에서 드론의 상부에 GMP343을 탑재하고 이산화탄소 농도와 기온의 측정 간격을 5초로 세팅한 후 순전만 갯벌과 갈대밭 지역에서 드론 비행을 통해 대기 중 이산화탄소 농도와 기온을 측정하였으며, 드론 비행(1개 지역 당 약 30분 정도 소요)이 완료된 후에 MI70 indicator를 노트북에 연결하여 관측된 자료를 저장하였다(Fig. 2). 갯벌과 갈대밭 지역에서 이산화탄소 농도와 기온을 관측하기 위해 GMP343 측정기를 탑재한 드론은 쿼드콥터(Quadcopter) 형태로서 효율성과 안정성이 높아 일반적으로 가장 널리 사용되고 있다.
대상 데이터
2 m이고 자체중량은 12 kg으로 일반적인 드론보다 프레임과 프로펠러가 크고, 최대이륙중량이 48 kg으로 무거운 하중을 장착하고 이륙하기에 적합하다. 배터리는 현재 드론 배터리 중 가장 안정성이 뛰어난 리튬폴리머(LiPo) 22,000 mAh 2개를 사용하였으며 드론 탑재 장치를 제외한 기체의 총 비행시간은 약 40분 정도이다.
수직 관측은 수평 관측 지점에서 동일한 조건으로 반복 관측하였으며, 갯벌 표면과 갈대밭 캐노피의 상부 5 m, 10 m, 20 m, 40 m 지점에서 이산화탄소 농도와 기온을 측정하였다. 순천만 갯벌과 갈대밭 지역에서 각각 20개 지점씩 관측하였으며, 1개 지점의 관측 시간은 2분 정도이고 관측 자료는 5초 간격으로 관측 지점 당 24개 자료를 저장하였다. 이상의 조건으로 순천만 갯벌과 갈대밭에서 각각 오전과 오후에 동일한 조건으로 반복 측정하였으며, 금회 관측 시에 오전에는 썰물 시기(9~12시 정도)이고 오후에는 밀물 시기(13~16시 정도)에 해당하였다.
2. 갯벌 상부 대기에서 이산화탄소 농도는 모든 관측 고도에서 오전이 오후보다 높았으며, 관측 고도가 높아질수록 이산화탄소 농도가 감소하는 경향을 보였다. 갈대밭에서는 모든 관측 고도에서 이산화탄소 농도가 오전과 오후에 유사하였으며, 관측 고도가 높아질수록 이산화탄소 농도가 감소하였다.
4. 갈대밭에서 오전에 관측한 고도별 이산화탄소 농도와 기온의 상관계수는 0.3 이하로 낮았으며, 오후에는 상관계수가 0.35~0.77 정도로 나타났다. 오후에는 기온이 상승할수록 갈대밭에서 뿌리 호흡에 의한 이산화탄소 방출량이 광합성량보다 많았기 때문에 대기 중 이산화탄소 농도가 증가한 것으로 판단된다.
5. 갯벌에서 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수 추정 결과, 오전에는 감소하는 선형함수이고 오후에는 증가하는 선형함수가 적합한 것으로 나타났다. 갈대밭에서 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수 추정 결과, 오전과 오후 모두 증가하는 선형함수가 적합한 것으로 나타났다.
3 ppm 정도로 나타났다. 갈대밭 상부 대기에서 이산화탄소 농도는 모든 고도에서 오전과 오후에 유사하게 나타났으며, 이산화탄소 농도의 범위는 오전보다 오후에 크게 나타나고 고도가 높아질수록 그 차이가 줄어들었다.
갯벌에서 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수 추정 결과, 오전에는 감소하는 선형함수이고 오후에는 증가하는 선형함수가 적합한 것으로 나타났다. 갈대밭에서 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수 추정 결과, 오전과 오후 모두 증가하는 선형함수가 적합한 것으로 나타났다. 갯벌과 갈대밭에서 관측된 자료에서 추정된 선형함수의 결정계수는 오전보다 오후에 높았으며, 결정계수가 높았던 오후 관측 자료의 선형함수에서는 기온이 1℃ 상승하면 이산화탄소 농도는 갯벌 상부 대기에서는 3.
갈대밭에서 관측한 이산화탄소 농도의 평균과 표준편차는 오전과 오후에 유사하게 나타났다. 갈대밭에서 오전과 오후에 관측한 고도별 평균 이산화탄소 농도는 관측 고도 5 m에서 450.6~452.4 ppm 및 447.5~454.4 ppm, 관측 고도 10 m에서 450.1~452.0 ppm 및 447.2~453.8 ppm, 관측 고도 20 m에서 449.7~451.3 ppm 및 446.4~451.4 ppm, 관측 고도 40 m에서 448.9~451.7 ppm 및 446.0~449.3 ppm 정도로 나타났다. 갈대밭 상부 대기에서 이산화탄소 농도는 모든 고도에서 오전과 오후에 유사하게 나타났으며, 이산화탄소 농도의 범위는 오전보다 오후에 크게 나타나고 고도가 높아질수록 그 차이가 줄어들었다.
5(c)). 갈대밭에서 오후에 관측한 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수는 기울기가 양인 선형함수로 추정되었으며, 결정계수는 0.5118로서 높고 기울기는 2.0156 정도이다(Fig. 5(d)).
3의 (a)와 (b)). 갈대밭에서 이산화탄소 농도는 모든 관측 고도에서 오전과 오후에 유사하였으며, 관측 고도가 높아질수록 이산화탄소 농도가 감소하는 경향을 보였다(Fig. 3의 (c)와 (d)).
갈대밭에서 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수 추정 결과, 오전과 오후 모두 증가하는 선형함수가 적합한 것으로 나타났다. 갯벌과 갈대밭에서 관측된 자료에서 추정된 선형함수의 결정계수는 오전보다 오후에 높았으며, 결정계수가 높았던 오후 관측 자료의 선형함수에서는 기온이 1℃ 상승하면 이산화탄소 농도는 갯벌 상부 대기에서는 3.82 ppm, 갈대밭 상부 대기에서는 2.02 ppm 정도 증가하는 것으로 추정되었다.
4). 갯벌과 갈대밭에서 기온은 오전보다 오후에 높았으며, 관측 고도가 높아질수록 기온은 감소하는 경향을 보였다. 갯벌 표면에 근접할수록 기온이 상승하는 이유는 태양 복사에너지가 갯벌 표면에서 흡수 혹은 반사되고, 또한 반사되는 지구 복사에너지에 의한 기온 상승효과도 갯벌 표면에서 더욱 높게 나타나기 때문이다(Kim, 2010; Kang et al.
갯벌과 갈대밭에서 기온에 대한 이산화탄소 농도 선형함수의 결정계수는 오전보다 오후에 관측한 자료에서 높았으며, 이는 오전보다는 오후에 더욱 가열된 지표에서 대기로 공기의 흐름이 원활하여 기온 상승에 따른 지표에서 대기로 이산화탄소의 전달 속도가 높아졌기 때문으로 판단된다. 갯벌과 갈대밭에서 오후에 관측한 자료에서 추정된 회귀 함수에 의하면, 본 관측 시기 동안에는 기온이 1℃ 상승 할 때 이산화탄소 농도는 갯벌에서 3.82 ppm 갈대밭에서 2.02 ppm 정도 증가하는 것으로 추정되었다(Fig. 5의 (b) and (d)).
갯벌에서 오전에 관측한 이산화탄소 농도와 기온의 상관계수는 –0.54~-0.77 정도로서 높았으며, 모든 고도에서 음의 상관성을 보였다.
77 정도로서, 기온이 높아질수록 이산화탄소 농도는 감소하였다. 갯벌에서 오후에 관측한 고도별 이산화탄소 농도와 기온의 상관계수는 0.56~0.80 정도로서, 오후에는 기온이 상승할수록 생물의 호흡량이 증가하여 갯벌 대기의 이산화탄소 농도가 증가한 것으로 판단된다.
5(a)). 갯벌에서 오후에 관측한 기온에 대한 이산화탄소 농도 함수는 기울기가 양인 선형함수로 추정되었으며, 결정계수는 0.7215로서 매우 높고 기울기는 3.8159 정도이다(Fig. 5(b)).
, 2014). 갯벌에서 오후에 관측한 이산화탄소 농도와 기온의 상관계수는 0.56~0.80으로 높았으며, 모든 고도에서 양의 상관성을 보였다. 오후에는 기온이 상승할수록 갯벌에 서식하는 생물의 호흡량이 증가하므로 갯벌 대기의 이산화탄소 농도가 증가하게 된다(Zhou et al.
3). 갯벌에서 이산화탄소 농도는 모든 관측 고도에서 오전이 오후보다 높았으며, 관측 고도가 높아질수록 이산화탄소 농도가 감소하는 경향을 보였다(Fig. 3의 (a)와 (b)).
(2019)은 함평만 무안 갯벌에서 갈대가 서식하는 식생 지역과 갯벌로 구성된 비식생 지역에서 봄, 여름, 겨울에 이산화탄소 농도와 플럭스를 관측하였으며, 식생과 비식생 지역에서의 이산화탄소 농도와 플럭스의 계절 변동을 비교하고 이러한 변동에 영향을 미치는 요인을 구명하였다. 국내에서 수행된 갯벌과 대기 사이의 이산화탄소 플럭스 관측은 폐쇄형 역학 챔버(Closed dynamic chamber)를 이용하였으며, 이러한 연구의 결과들은 갯벌 표층에서 수십 cm 정도의 공간에서 교환되는 이산화탄소의 수직적인 변화만을 파악할 수 있었다. 향후에는 갯벌 표층에서부터 상부 수십 m 높이의 이산화탄소 농도를 관측하여 수 km2규모의 갯벌에서 갯벌과 대기 사이 이산화탄소 농도의 수직적인 변화를 분석할 필요가 있다.
갯벌과 갈대밭 지역에서 이산화탄소 농도와 기온을 관측하기 위해 GMP343 측정기를 탑재한 드론은 쿼드콥터(Quadcopter) 형태로서 효율성과 안정성이 높아 일반적으로 가장 널리 사용되고 있다. 드론의 크기는 대각선 길이가 1.2 m이고 자체중량은 12 kg으로 일반적인 드론보다 프레임과 프로펠러가 크고, 최대이륙중량이 48 kg으로 무거운 하중을 장착하고 이륙하기에 적합하다. 배터리는 현재 드론 배터리 중 가장 안정성이 뛰어난 리튬폴리머(LiPo) 22,000 mAh 2개를 사용하였으며 드론 탑재 장치를 제외한 기체의 총 비행시간은 약 40분 정도이다.
순천만 갯벌과 갈대밭 지역에서 각각 20개 지점씩 관측하였으며, 1개 지점의 관측 시간은 2분 정도이고 관측 자료는 5초 간격으로 관측 지점 당 24개 자료를 저장하였다. 이상의 조건으로 순천만 갯벌과 갈대밭에서 각각 오전과 오후에 동일한 조건으로 반복 측정하였으며, 금회 관측 시에 오전에는 썰물 시기(9~12시 정도)이고 오후에는 밀물 시기(13~16시 정도)에 해당하였다.
후속연구
6. 본 연구에서는 갯벌과 갈대밭에서 각각 1일 동안 오전과 오후에 드론을 이용하여 이산화탄소 농도 변화를 관측하였으나, 향후에는 연간 4회(봄, 여름, 가을, 겨울)에 걸쳐 3일 이상의 집중관측에 의한 갯벌과 갈대밭 상부 대기의 이산화탄소 농도의 계절별 특성 분석을 수행하고자 한다.
국내에서 수행된 갯벌과 대기 사이의 이산화탄소 플럭스 관측은 폐쇄형 역학 챔버(Closed dynamic chamber)를 이용하였으며, 이러한 연구의 결과들은 갯벌 표층에서 수십 cm 정도의 공간에서 교환되는 이산화탄소의 수직적인 변화만을 파악할 수 있었다. 향후에는 갯벌 표층에서부터 상부 수십 m 높이의 이산화탄소 농도를 관측하여 수 km2규모의 갯벌에서 갯벌과 대기 사이 이산화탄소 농도의 수직적인 변화를 분석할 필요가 있다.
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