에디공분산 방법 기반의 플럭스 타워 순 복사에너지 검증: 설마천, 청미천 유역

변규현,신지예,이연길,최민하,Byun, Kyuhyun,Shin, Jiyae,Lee, Yeon-Kil,Choi, Minha 한국수자원학회 2013 한국수자원학회논문집 Vol.46 No.2

최근 들어 기후변화로 인해 물과 에너지 순환에 관한 정확한 이해가 요구되고 있다. 현재 미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 수문학적, 생태학적 분석에 있어서 주춧돌역할을 하고 있다. 하지만 플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정은 여러 가정사항에 따른 시스템적 오류를 내포하고 있고 이에 따라 과소평가된 잠열 플럭스 원시자료의 보정이 필요하다. 몇몇의 보정방법 중 보엔비를 활용한 방법이 가장 유용한 방법 중 하나로서 여기에는 플럭스타워에서 측정한 순 복사에너지 및 기타 플럭스(현열, 지열) 등이 요구되며 이러한 자료에 대한 정확한 측정 및 검증이 필요하다. 본 연구에서는 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지를 검증하기 위해 두 가지 형태의 이론적으로 계산된 순 복사에너지와의 비교검증을 실시하였다-(1) FAO 56 기반의 일평균 순 복사에너지 (2) Bastiaansen (1995)가 제안한 순간 순 복사에너지. 본 연구의 결과는 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지는 이론적으로 계산된 순 복사에너지와 상당히 비슷한 경향성을 보인다는 것을 제시했다. 또한, 측정된 순 복사에너지를 이용하여 관측된 잠열플럭스를 보엔비 보정방법에 적용시킨 결과 에너지수지에 더욱 부합하는 것을 알 수 있었다. The necessity of clear understanding of water and energy cycles has been attracted recently due to the climate change. The micrometeorological flux tower networks play a role of cornerstone of the hydrological and ecological analyses. Although the eddy covariance techniques used for flux tower have been proven to be applicable for estimation of latent heat flux, the raw data are often underestimated and needs to be corrected. Among several methods, the Bowen ratio is recognized as the most useful method in which the net radiation and other flux data (Ground heat flux, Sensible heat flux) are used and needed to be validated. In this study, in order to validate the net radiation from flux tower in Seolmacheon and Cheongmicheon watersheds, we compare it with two version of calculated net radiation: (1) FAO 56 Daily net radiation proposed by Allen et al. (1998). (2) Instantaneous net radiation proposed by Bastiaanssen (1995). The results showed that the net radiation from the flux data had similar tendency with those calculated based on physical theory. In addition, after it was applied to Bowen ratio method, the corrected latent heat flux was considerably improved with making the energy balance much more closed.

에디공분산 방법 기반의 플럭스 타워 순 복사에너지 검증: 설마천, 청미천 유역

변규현,신지예,이연길,최민하 한국수자원학회 2013 한국수자원학회논문집 Vol.46 No.2

최근 들어 기후변화로 인해 물과 에너지 순환에 관한 정확한 이해가 요구되고 있다. 현재 미기상학적 플럭스 타워 네트워크는 수문학적, 생태학적 분석에 있어서 주춧돌역할을 하고 있다. 하지만 플럭스 타워의 에디공분산 방법을 활용한 잠열 플럭스 측정은 여러 가정사항에 따른 시스템적 오류를 내포하고 있고 이에 따라 과소평가된 잠열 플럭스 원시자료의 보정이 필요하다. 몇몇의 보정방법 중 보엔비를 활용한 방법이 가장 유용한 방법 중 하나로서 여기에는 플럭스타워에서 측정한 순 복사에너지 및 기타 플럭스(현열, 지열) 등이 요구되며 이러한 자료에 대한 정확한 측정 및 검증이 필요하다. 본 연구에서는 설마천, 청미천 유역의 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지를 검증하기 위해 두 가지 형태의 이론적으로 계산된 순 복사에너지와의 비교검증을 실시하였다-(1) FAO 56 기반의 일평균 순 복사에너지 (2) Bastiaansen (1995)가 제안한 순간 순 복사에너지. 본 연구의 결과는 플럭스타워에서 측정된 순 복사에너지는 이론적으로 계산된 순 복사에너지와 상당히 비슷한 경향성을 보인다는 것을 제시했다. 또한, 측정된 순 복사에너지를 이용하여 관측된 잠열플럭스를 보엔비 보정방법에 적용시킨 결과 에너지수지에 더욱 부합하는 것을 알 수 있었다. The necessity of clear understanding of water and energy cycles has been attracted recently due to the climate change. The micrometeorological flux tower networks play a role of cornerstone of the hydrological and ecological analyses. Although the eddy covariance techniques used for flux tower have been proven to be applicable for estimation of latent heat flux, the raw data are often underestimated and needs to be corrected. Among several methods, the Bowen ratio is recognized as the most useful method in which the net radiation and other flux data (Ground heat flux, Sensible heat flux) are used and needed to be validated. In this study, in order to validate the net radiation from flux tower in Seolmacheon and Cheongmicheon watersheds, we compare it with two version of calculated net radiation: (1) FAO 56 Daily net radiation proposed by Allen et al. (1998). (2) Instantaneous net radiation proposed by Bastiaanssen (1995). The results showed that the net radiation from the flux data had similar tendency with those calculated based on physical theory. In addition, after it was applied to Bowen ratio method, the corrected latent heat flux was considerably improved with making the energy balance much more closed.

플럭스 타워 관측 자료 및 통합수문모형을 이용한 순복사량 산정 : 설마천, 청미천 유역을 대상으로

김다은,백종진,정성원,최민하 한국수자원학회 2013 한국수자원학회논문집 Vol.46 No.3

기후변화로 야기될 수 있는 태양복사에너지의 공간적인 불균형은 수자원을 포함한 전반적인 생태 시스템에서의 에너지 불균형을 초래한다. 따라서 정확한 에너지의 흐름을 이해하기 위하여 정량적인 관측을 목적으로 하는 플럭스 타워가 세계 곳곳에 설치되어 운영되고 있다. 국내의 주요 지역에서도 플럭스 타워를 통안 관측이 실시되고 있는 데, 본 연구에서는 이 중 설마천과 청미천 유역의 플럭스 타워의 자료를 대상으로 수문기상 및 생태학적으로 중요한 역할을 하는 에너지원인 하향 단파 및 장파 복사량과 순복사량을 기존의 연구에서 제안된 물리식을 기반으로 계산하고, 산정된 순복사량과 관측 자료를 비교·검증하였다. 이를 통하여 관측이 미흡한 수문기상인자에 대해 기존의 물리적인 방법의 사용 가능성 및 관측 자료의 활용 가능성을 확인하였다. Spatial heterogeneous characteristics of solar radiation energy from Climate Change gives rise to energy imbalance in the general ecological system including water resources. To understand energy flow, flux towers are up and running throughout the world. In step with, in domestic major areas, there have been observed using several flux towers. In this study, downward shortwave radiation, downward long wave radiation, and net radiation that take important part in hydro-meteorology and ecology were calculated by proposed physical equations using flux data of the Seolmacheon and Choengmicheon, then, the calculated net radiation and observed net radiation were individually compared and validated. The results confirmed applicability of physical methods for insufficient hydro-meteorological data and possibility for observed data of hydro- meteorological variables.

SEBAL 모형과 Terra MODIS 영상을 이용한 혼효림, 논 지역에서의 공간증발산량 산정 연구

이용관,정충길,안소라,김성준,Lee, Yong Gwan,Jung, Chung Gil,Ahn, So Ra,Kim, Seong Joon 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.3

본 연구는 Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) 모형을 이용해 국내의 혼효림(설마천)과 논(청미천) 유역에 대해 일 증발산량을 산정하고 각 유역의 플럭스 타워 실측 증발산량과 비교하였다. SEBAL 모형의 입력 자료로 위성자료는 2개년(2012-2013)의 Terra MODIS product 중 Albedo, Land Surface Temperature (LST), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)를 활용하였으며, 기상자료는 유역 인근에 위치한 기상청 기상관측소로부터 풍속, 일사량 자료를 제공받아 공간 내삽(Interpolation)하여 활용하였다. 모의결과 플럭스 타워의 연평균 증발산량은 설마천에서 302.8 mm, 청미천에서 482.0 mm, SEBAL 모의 증발산량은 각각 183.3 mm, 371.5 mm로 산정되었다. 전체 모의기간에 대한 SEBAL 모의 증발산량의 실측 증발산량과의 결정계수는 설마천 플럭스 타워에서 0.54, 청미천 플럭스 타워에서 0.79로 나타났다. 두지점에서 SEBAL 모의 증발산량이 과소 추정된 주된 이유로는 일별 hot pixel과 cold pixel로부터 산정한 현열 플럭스의 과대추정으로 인한 것으로 판단된다. This study is to estimate Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) daily spatial evapotranspiration (ET) comparing with eddy covariance flux tower ET in Seolmacheon mixed forest (SMK) and Cheongmicheon rice paddy (CFK). The SEBAL input data of Albedo, Land Surface Temperature (LST), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) from Terra MODIS products and the meteorological data of wind speed, and solar radiation were prepared for 2 years (2012-2013). For the annual average flux tower ET of 302.8 mm in SMK and 482.0 mm in CFK, the SEBAL ETs were 183.3 mm and 371.5 mm respectively. The determination coefficients ($R^2$) of SEBAL ET versus flux tower ET for total periods were 0.54 in SMK and 0.79 in CFK respectively. The main reason of SEBAL ET underestimation for both sites was from the determination of hot pixel and cold pixel of the day and affected to the overestimation of sensible heat flux.

플럭스타워 기반 증발산의 결측자료 보정을 위한 gap-filling 산정 및 분석 - FAO-PM, MDV, Kalman filter을 이용하여 -

김기영,백종진,이정훈,이연길,정성원,최민하 한국방재학회 2016 한국방재학회논문집 Vol.16 No.6

This study was conducted to evaluate the performance of gap-filling techniques in improving the accuracy of evapotranspiration data provided at the flux tower based on the eddy covariance method in Seolma(SMC) and Cheongmi(CMC). The quality control was applied for the raw data observed at the flux tower using the KoFlux program to provide Level 1 data. Through the statistical validation with the raw data, Level 1 data which was applied for correcting and removing the bad data indicated the good results. After that, we conducted the three gap-filling techniques including the Food and Agriculture Organization Penman-Monteith(FAO-PM), Mean Diurnal Variation(MDV), and Kalman filter to Level 1 data and compare the validation results based on several statistical analysis such as, bias, Root Mean square error, correlation coefficient(R), and Index of Agreement(IOA). The good results of IOA(average value of 0.69, 0.62, and 0.90 at SMC and average value of 0.91, 0.86, and 0.94 at CMC) and R(average value of 0.54, 0.47, and 0.84 at SMC and average value of 0.89, 0.77, and 0.93 at CMC) indicated the goodness of fit between estimated and Level 1 data. Overall, this good statistical results demonstrated the potential application of three gap-filling techniques in replacing the missing data. Specially, our results also revealed that the FAO-PM method which consider the meteorological factors along with the Kalman filter method which consider the climatic conditions and diurnal variation patterns simultaneously outperformed the MDV method. 본 연구는 설마천과 청미천 유역에 설치된 에디 공분산 기반 플럭스타워에서 관측된 증발산량 자료의 정확도 향상 및 누락된 자료를 보완하기 위하여 gap-filling을 실시하였다. 플럭스 타워에서 관측된 자료에 대한 품질관리는 KoFlux에 최적화 되어있는 KoFlux 표준화 프로그램을 이용하여 수행하였다. 품질 관리된 Level 1 자료와 원시 자료의 통계 검증을 수행한 결과, 유의한 품질 관리가 이루어졌으며 불량 자료로 선별된 자료에 대해서는 추가적인 제거 작업을 실시하였다. 선행되는 품질관리를 수행한 후에 발생한 결측 구간을 세 가지 방법(Food and Agriculture Organization Penman-Monteith(FAO-PM), Mean Diurnal Variation(MDV), Kalman filter)에 의해 산정된 대체 증발산량으로 gap-filling을 수행하였으며, 세 가지 방법에 의해 산정된 증발산 값과 실제로 관측된 증발산 값을 비교(bias, RMSE, R, IOA)하였다. 관측 값과 산정 값의 적합도를 판단하는 IOA(FAO-PM, MDV, Kalman filter 순으로 SMC에서 평균값 0.69, 0.62, 0.90, CMC에서 평균값 0.91, 0.86, 0.94)와 R(SMC에서 평균값 0.54, 0.47, 0.84 CMC에서 평균값 0.89, 0.77, 0.93)를 확인했다. 세 가지 방법이 모두 유효한 상관관계를 나타냈으며, 관측 자료의 결측 구간을 대체 할 수 있다는 결과를 얻었다. 특히, 기상 요소를 고려할 수 있는 FAO-PM과 기후조건과 일변화 패턴을 적절하게 보완한 Kalman filter 방법이 MDV 방법에 비해 더욱 좋은 결과를 나타내었다.

에디 공분산 기반의 플럭스 타워 관측자료를 이용한 국내외 산림과 농업 생태계 탄소 흡수량 분석

이보라 ( Bora Lee ),강완모 ( Wanmo Kang ),김충기 ( Choong-ki Kim ),김지은 ( Gieun Kim ),이창훈 ( Chang-hoon Lee ) 한국환경영향평가학회 2017 환경영향평가 Vol.26 No.2

탄소 흡수원 조성과 같은 토지이용과 관련한 온실가스 감축대안 수립을 위해 다양한 생태계 시스 템에서의 온실가스 잠재 흡수량 평가가 요구된다. 이 연구에서는 에디 공분산 기반의 플럭스 타워 관측자료를 활용한 순생태계교환량(Net Ecosystem Exchange: NEE)으로 국내 산림 생태계와 농경지 생태계에서의 탄소 흡수 능력을 추정하였다. 또한 우리나라와 유사한 기후조건의 국외 플럭스 타워 자료를 활용하여 국내 생태계 유형별 탄소 수지 추정결과와 비교분석하였다. 에디 공분산 기법을 이용한 산림과 농경지의 NEE 분석 결과, 우리나라의 산림에서는 연간 -31 gC/m²/yr에서 -362 gC/m²//yr, 농경지 생태계에서는 작물 재배 기간 동안 -210 gC/m²//growing season에서 -248 gC/m²//growing season의 값을 나타내 산림뿐만 아니라 농경지 생태계도 탄소 흡수 기능이 있음을 확인할 수 있었다. 산림의 경우 임상에 따라 시기별로 서로 다른 탄소 흡수 양상을 보였는데, 활엽수림은 늦봄과 초여름, 초가을에, 침엽수림은 봄과 초여름, 가을중순에 탄소 흡수 능력이 컸다. 또한 숲의 나이가 어리고, 활엽수나 침엽수로만 구성된 단순림보다 혼효림이 더 높은 탄소 흡수 능력을 가지고 있었다. 농작물의 성장기간 동안의 탄소 흡수 량은 비트가 가장 컸고, 그 다음은 겨울밀, 옥수수, 벼, 감자, 콩 순으로 나타났다. 이러한 결과들은 향후 산림 및 농경지에서의 탄소저감 정책수립과정에 있어 유용한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. Measurements of net ecosystem exchange (NEE) of CO₂ based on the eddy covariance technique provide reasonable carbon balance estimates in response to local environmental conditions. In South Korea, the forest ecosystems cover approximately 64% of the total area, thereby strongly affecting regional carbon balances. Cultivated croplands that cover about 17% of the total area should also be considered when calculating the carbon balance of the country. In this study, our objectives were (a) to quantify the range and seasonal variation of NEE at forest ecosystems, including deciduous, coniferous, and mixed forests, and agricultural ecosystems, including rice paddies and a potato field, in South Korea and (b) to compare NEE at ten Fluxnet sites that have the same or similar ecosystems as found in South Korea. The results showed that the forest and agricultural ecosystems were carbon sinks. In Korea, NEE at the forest ecosystems varied between -31 and -362 gC/m²/yr, and NEE at the croplands ranged from -210 to -248 gC/m²/growing season. At the deciduous forest, NEE reached low values in late spring, early summer, and early autumn, while at the coniferous forest, it reached low values in spring, early summer, and mid autumn. The young mixed forest was a much stronger carbon sink than the old-growth deciduous and coniferous forests. During each crop growing season, beet had the lowest NEE value within six crops, followed by wither wheat, maize, rice, potato, and soybean. These results will be useful for designing and applying management strategies for the reduction of CO₂ emissions.

인공신경망 기법을 이용한 청미천 유역 Flux tower 결측치 보정

전현호,백종진,이슬찬,최민하 한국수자원학회 2020 한국수자원학회논문집 Vol.53 No.11

In this study, we estimated missing evapotranspiration (ET) data at a eddy-covariance flux tower in the Cheongmicheon farmland site using the Artificial Neural Network (ANN). The ANN showed excellent performance in numerical analysis and is expanding in various fields. To evaluate the performance the ANN-based gap-filling, ET was calculated using the existing gap-filling methods of Mean Diagnostic Variation (MDV) and Food and Aggregation Organization Penman-Monteith (FAO-PM). Then ET was evaluated by time series method and statistical analysis (coefficient of determination, index of agreement (IOA), root mean squared error (RMSE) and mean absolute error (MAE). For the validation of each gap-filling model, we used 30 minutes of data in 2015. Of the 121 missing values, the ANN method showed the best performance by supplementing 70, 53 and 84 missing values, respectively, in the order of MDV, FAO-PM, and ANN methods. Analysis of the coefficient of determination (MDV, FAO-PM, and ANN methods followed by 0.673, 0.784, and 0.841, respectively.) and the IOA (The MDV, FAO-PM, and ANN methods followed by 0.899, 0.890, and 0.951 respectively.) indicated that, all three methods were highly correlated and considered to be fully utilized, and among them, ANN models showed the highest performance and suitability. Based on this study, it could be used more appropriately in the study of gap-filling method of flux tower data using machine learning method. 본 연구에서는 청미천 유역에서의 플럭스타워에서 산출되는 증발산량의 결측값을 보완하기 위해 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)을 사용하였다. 비교 평가를 위해, Mean Diurnal Variation(MDV), Food and Agriculture Organization Penman-Monteith(FAO-PM) 방법들을 이용하여 증발산량을 산정하였고, ANN 방법을 이용한 결과와 비교하였다. 비교 평가 방법으로 시계열 방법 및 통계 분석(결정계수, IOA, RMSE, MAE)이 사용되었다. 각 gap-filling 모델의 검증을 위해 2015년의 30분 단위 데이터를 이용하였으며, 121개의 결측값 중 MDV, FAO-PM, ANN 방법 순으로 각각 70, 53, 54개의 결측값을 보완하여 모든 데이터가 관측되지 않은 36개의 데이터를 제외하면 각각 82.4%, 62.4%, 63.5%의 성능을 보였다. 결정계수(MDV, FAO-PM, ANN 방법 순으로 각각 0.673, 0.784, 0.841)와 IOA(MDV, FAO-PM, ANN 방법 순으로 각각 0.899, 0.890, 0.951)를 분석한 결과, 3가지 방법 모두 양질의 상관성을 보여 활용성이 충분하다고 판단되며, 이 중 ANN 모델이 가장 높은 적합도와 양질의 성능을 나타내었다. 본 연구를 기반으로 기계학습방법을 이용한 플럭스 타워 자료의 gap-filing 연구에 보다 적절하게 활용될 수 있을 것이다.

MODIS 위성자료를 이용한 Modified Satellite-Based Priestley-Taylor (MS-PT)의 적용 및 실제 증발산 평가

백종진,박종민,최민하 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.11

Accurate understanding and estimating Evapotranspiration (ET) is essential for understanding the mechanism of water cycle and water budget. ET has been analyzed by many researchers in worldwide while Ground-based ET has limiation in analyzing the spatio-temporal pattrens of ET. Thus, many researches have been conducted to represent the spatio-temporal variation of ET by using hydrometeorological variables estimated from remote sensing datasets. Previous remote sensing based ET algorithms, however, have disadvantage in that various hydrometeological input datasets were required. In this study, actual ET was estimated by MODIS-based Rn and MS-PT algorithm requiring relatively less input data than previous method. The result confirmed that the observed RN and latent heat flux from the eddy-covariance based fluxtowers located at CFK and SMK showed high correlation with the estimated RN and ET. The average determination coefficients (R2) of ET estimated from satellite dataset over study periods were 0.77 (0.72-0.81) in Cheongmi (CFK) and 0.70 (0.67-0.78) in Sulma (SMK), respectively. Comparing with the actual ET of two flux tower sites, however, SMK showed more overestimated patterns than CFK due to the vegetation and radiation related errors. 증발산은 물수지 및 수문순환의 체계를 파악하기 위한 중요한 인자로서 이에 대한 정확한 이해 및 산정이 필요하다. 국내외에서 증발산에 대한 많은 연구들이 수행되었으나, 지점자료만을 이용하여 산정한 증발산은 시·공간적인 변동성을 파악하는데 제약이 발생한다. 이에 따라, 물리식을 기반으로 하여 인공위성에서 산정된 수문기상인자를 활용하여 증발산량의 시·공간적인 표현에 대한 연구가 발전하게 되었다. 그러나 기존에 활용되고 있는 방법들은 상대적으로 많은 입력 자료가 요구된다. 본 연구에서는 MOderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 산출물을 이용하여 순복사에너지를 산정하였으며, 기존에 활용된 인공위성 기반 증발산 알고리즘에 비해 상대적으로 적은 입력 자료를 이용하는 Modified Satellite-Based Priestley-Taylor (MS-PT) 알고리즘을 적용하여 실제증발산을 산정하였다. 또한, MODIS 산출물로부터 계산된 순복사에너지와 실제증발산의 정확성을 확인하기 위하여, 청미천과 설마천의 플럭스 타워에서 관측된 자료와 비교·검증을 실시하였다. 전반적으로 MODIS 자료를 이용하여 산정된 순복사에너지와 실제증발산 값이 두 플럭스 타워에서 관측된 순복사에너지와 실제증발산이 높은 상관성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 특히. 전체 모의기간 동안 인공위성 자료를 이용하여 산정된 실제증발산의 평균 결정계수는 청미천에서 0.77 (0.72-0.81), 설마천에서 0.70(0.67-0.78)로 나타났다. 그러나, 청미천에 비해 설마천에서의 실제증발산 값이 과대산정되는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 이유는 식생에 대한 영향 및 MODIS로부터 산정된 복사에너지에서의 오차로 인해 발생한 것으로 판단된다.

산악 지형의 기상 모의 정확도 향상을 위한 WRF 모델과 플럭스타워 관측 간 지표 에너지 수지 비교

곽경환,손영진,김태희,김용찬,고원석,김인혜,장근창 한국기상학회 2023 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2023 No.11

덕유산 플럭스타워에서의 증발산과 토양수분의 상관성 분석

문덕영(Moon, Duck Young),임광섭(Lim, Kwang Suop) 대한토목학회 2016 대한토목학회 학술대회 Vol.2016 No.10