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1. 서론
토양수분(Soil Moisture)은 토양에 존재하는 물 로써, 지구상에 존재하는 물의 약 0.0012%라는
매우 작은 구성비를 가진다. 그럼에도 불구하고 이 인자는 대기와 지표 사이의 물, 에너지, 탄소순 환 등의 상호교환을 지배하는 중요한 역할을 한다 (Koster et al., 2004; Jung et al., 2010). 토양 수분은 강수, 증발, 침투, 유출량 등과 직접적인 관련이 있어 기상예보에 필수자료로 이용되고 있 을 뿐만 아니라 홍수, 가뭄, 황사 발생 등과 같은 다양한 재해 예측에도 주요변수로 활용되고 있다 (Dorigo et al., 2012; Loew et al., 2013; Brocca et al., 2014a; Kim and Choi, 2015; Kim et al., 2017). 이러한 기상, 농업환경 및 수문학 분야에서 의 중요성을 인정받아 2010년에는 세계 기상기구 에서 선정하는 전 지구 기후 시스템 연구에 필요 한 필수 기후 변수(Essential Climate Variable, ECV)로 채택되기도 하였다.
이렇듯 수문순환, 기상/기후 모델링, 재해 예측 에 있어서 시공간적인 토양수분의 변화양상을 파 악하는 것은 필수적이며, 이에 필요한 정확한 토 양수분 측정을 위해 지상 관측 방법과 원격탐사기 법을 이용한 방법이 이용되고 있다. 지상 관측 방 법으로는 직접 시료를 채취하여 실험을 통해 토양 내 수분 함량을 분석하는 건토 중량법, TDR(Time Domain Reflectometry) 및 FDR(Frequancy Domain Reflectometry) 토양수분센서를 설치 하여 간접적으로 토양수분을 계측하는 현장관측 법, 지구 밖의 천체에서 발생된 고에너지 입자
지점관측 및 위성기반 토양수분 자료를 활용한 최신 연구 소개
서 정 빈 ●●●
성균관대학교 수자원전문대학원 박사과정 [email protected]
Hong Hai Nguyen ●●●
성균관대학교 수자원전문대학원 박사과정 [email protected]
Muhammad Zohaib ●●●
성균관대학교 수자원전문대학원 박사과정 [email protected]
최 민 하 ●●●
성균관대학교 수자원전문대학원 교수 [email protected]
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인 COSMIC-ray를 활용하는 COSMIC-ray 중 성자 측정법이 있다. 지상 관측 방법은 비교적 높 은 정확도를 가진 양질의 토양수분 데이터를 얻 을 수 있다는 장점이 있지만, 많은 시공간적 제약 을 갖는다. 이를 개선하기 위한 대안으로써 광범 위한 영역에 대한 지속적인 관측이 가능하며, 기 존에 관측이 어려운 지역의 자료 산출 또한 가능 한 항공관측 및 인공위성을 이용한 원격탐사기법 의 활용성이 날로 증가하고 있다. 1990년대 이후 로부터, 국제적으로 다양한 연구기관(National Aeronautics and Space Administration, European Space Agency, Japan Aerospace Exploration Agency, National Satellite Meteorological Center 등)에서는 위성에서 수집 된 자료를 바탕으로 가공된 위성 토양수분 자료를 무료로 배포하고 있으며 전 세계적으로 이를 활용 한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
본 고에서는 다양한 방법으로 관측된 토양수분 자료를 관측방법에 따라 분류하여 1) 지상 관측을 통한 토양수분 자료 관련 연구와 2) 위성기반 토 양수분 자료를 활용한 최신 연구 결과들을 간략히 소개함으로써 토양수분 관련 연구 동향을 살펴보 고자 한다.
2. 지상 관측 자료를 활용한 연구 : COSMIC-ray
지상 관측의 경우, 한 지점의 관측 값이 전체 영 역의 토양수분을 대표하지 못하고 국지적으로도 서로 다른 토지 피복을 갖는 경우 대표성이 크게 떨어진다는 한계점을 가지고 있다. 하지만 지상 관측 지점의 자료는, 인공위성 토양수분 측정 센 서의 오차나 위성자료를 기반으로 하는 토양수분 산출 알고리즘의 정확도 검증을 위한 기준 자료 (reference)로 활용될 수 있어 적절한 보정을 통한 신뢰성 높고 지속적인 지상 관측 자료 생성이 필
요하다(Dorigo et al., 2013).
토양수분 자료의 지상 관측은 건토 중량법, TDR, FDR, COSMIC-ray 중성자 측정법 크게 세 가지 방법을 통해 이루어지고 있다. 그 중에서 지 점 관측 장비와 비교해 넓은 범위(반경 약 300m) 의 토양수분 값을 대표할 수 있는 COSMIC-ray 중성자 측정법이 각광받고 있다(Zreda et al., 2008; Robinson et al., 2008). COSMIC-ray 입 자들은 무수한 충돌을 겪으며 지구의 대기층을 통 과해 고속의 중성자 형태로 지표에 도달하게 된 다. 도달한 고속 중성자가 토양 수분 내에 함유되 어 있는 수소원자에 의해 감속되어 수 백 미터 넓 이의 대기 중으로 방출되는데 이에 본래의 고속 중성자 밀도는 지표면의 토양수분과 음의 상관관 계를 갖게 된다(Kodama et al., 1985; Zreda et al., 2008; Zreda et al., 2011; Bogena et al., 2013). 이 관계를 이용하여 토양수분 함량을 산 출하는 것이 COSMIC-ray 중성자 측정법이다.
COSMIC-ray 관측 장비는 높은 설치 및 유지비 용과 장비 및 토양수분에 대한 높은 이해도가 요 구된다. 그럼에도 불구하고 건토 중량법에 버금 가는 높은 정확도를 가지며, 해수면 높이에서 지 름 600m의 원형정도의 넓은 측정이 가능하여 비 교적 넓은 범위를 대표하는 토양수분 값을 측정할 수 있다는 장점들을 가짐에 따라 앞으로 국내·외 적인 토양수분 관측 자료의 정확성 향상 및 네트 워크 확장에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이러 한 장점들이 기존에 지점관측 자료와 위성기반 자 료를 비교 검증하는 단계에서 두 자료의 시공간적 해상도의 불일치로부터 나타났던 차이를 줄이는 데도 효과적으로 작용할 수 있을 것이다(Miralles et al., 2010).
최근 각광받는 방법인 만큼 미국의 COSMOS 네트워크, 호주의 CosmOZ 네트워크뿐만 아니 라 독일, 중국 등에서 전 세계에서 COSMIC- ray 토양수분 관측 네트워크를 구축하고 공극수 등 COSMIC-ray로 관측할 수 있는 토양수분외
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의 수소 원자 출처를 고려하는 방법(Franz et al., 2013a), 헤아려진 고속 중성자의 개수를 바탕으 로 토양수분을 산정하는 방법, 관측된 자료를 보 정하는 방법(Franz et al., 2012), 다양한 토지 피 복을 갖는 넓은 범위에서의 대표성 검증(Han et al., 2014; Pang et al., 2015; Zhu et al., 2015) 등의 연구들을 활발히 수행해왔다. 하지만 복잡한 지형과 다양한 토지 피복으로 되어 있는 한반도에 서는 COSMIC-ray를 이용한 관측 및 연구가 미 비한 실정이다. 최근에 Nguyen et al.(2017)는 성
균관대학교에 설치된 COSMIC-ray와 FDR 센서 자료를 바탕으로 COSMIC-ray 중성자 관측법을 통해 성균관대학교 식물원에서 해당 지역을 대표 하는 토양수분의 측정이 가능함을 보여줌으로써 COSMIC-ray의 활용가능성 및 연구 필요성을 제 시하였다.
COSMIC-ray 측정 장비와 직경 400m로 설정 된 관측 범위 내의 FDR 방식 센서 측정값을 비교 하여 그 대표성을 비교하였다(그림1).
그림 1. COSMIC-ray 관측 장비 및 FDR 센서 위치(Nguyen et al. 2017)
COSMIC-ray 관측 범위 내에 위치하는 FDR 센서들의 측정값을 각각의 센서와 COSMIC- ray 측정 장비간의 거리, 서로 다른 측정 깊이 (10cm/20cm/30cm)를 고려하여 가중 평균한 값 을 관측 지역의 토양수분을 대푯값으로 간주하였 다. 이 대푯값을 COSMIC-ray 중성자 측정을 통 해 계산한 토양수분과 비교하였다. 또한, 관측 범 위 내 한 지점 FDR 센서에서 측정된 토양수분에 비하여 COSMIC-ray 중성자 측정을 통해 산출된
토양수분이 관측 지역에 대한 토양수분 및 변동성 을 잘 나타내는지 대표성을 증명하기 위해, 7개의 FDR 센서 중 temporal stability가 제일 큰 한 지 점을 선정하여 해당 지점의 센서 측정값과도 비교 하였다. 그림2의 왼쪽이 선정된 한 지점의 FDR 관측 값과 모든 FDR 측정값을 이용하여 계산한 대푯값, 오른쪽이 COSMIC-ray 중성자 관측법에 따른 값과 대푯값을 비교한 결과를 보여준다. 그 림에서 확인할 수 있듯이, COSMIC-ray 중성자
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관측법을 이용하여 계산한 값이 관측 지역 내 한 지점에서의 FDR 센서 측정값보다 넓은 지역의 토 양수분을 대표하는데 더 적절함을 확인할 수 있다.
이 연구 결과를 통해 복잡한 지형과 다양한 토 지 피복을 가진 우리나라에서의 COSMIC-ray 중 성자 관측법을 이용한 간접적인 토양수분 관측의 가능성을 제시하였다. 이후에 관측 중성자 개수
보정기법, 더 많은 지점 관측 자료를 활용한 검증 등의 활발한 연구들이 수반된다면 COSMIC-ray 를 이용한 지역적인 범위의 토양수분 관측이 가능 할 뿐만 아니라 위성기반 토양수분 관측 자료나 모델 산출 토양수분 자료의 새로운 검·보정 자료 로써 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
그림 2. FDR 센서 측정 토양수분, COSMIC-ray 중성자 관측법에 의한 토양수분과 관측지역 평균 토양수분의 관계 (Nguyen et al. 2017)
3. 원격탐사기법을 활용한 연구
1978년 수동형 마이크로파 센서인 Scanning Multichannel Microwave Radiometer(SMMR) 을 시작으로 the Special Sensor Microwave Imager(SSM/I), the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM), Advanced M i c r o w a v e S c a n n i n g R a d i o m e t e r - Earth(AMSR-E), Multi-color InfraRed A l e r t i n g S e n s o r ( M I R A S ) , A d v a n c e d Microwave Scanning Radiometer2(AMSR2), 등으로 발전되어 왔으며 능동형 마이크로파 센 서 또한 European Remote Sensing(ERS-1),
European Remote Sensing-2(ERS-2), Advanced Scatterometer(ASCAT) 등으로, 궁극 적으로는 수동형 센서와 능동형 센서가 모두 탑재 된 Soil Moisture Active Passive(SMAP)까지 발 전되어 왔다. 이 중 몇몇에서는 센서 고장 및 기 기 수명 등의 문제로 더 이상 토양수분 자료를 산 출하지 못하고 있지만, 다양한 위성에서 산출되는 토양수분 자료를 이용하여 활발한 연구가 이루어 지고 있다.
계속되는 기온 상승과 이에 따른 강수 패턴의 변화 등 급격한 기후변화가 중요한 사회문제로 대 두되고 있는 만큼, 기후변화에 따른 수문순환의 변화를 이해하고 예측하는 것은 중요하다. 이를
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위해 주요 수문인자인 토양수분의 시공간적 변동 성 분석은 필수적이다. 지상 관측 자료를 바탕으 로 시공간적으로 보간된 자료를 이용하여 토양수 분 변동성 분석이 이루어져 왔지만, 이는 자료를 보간하는 과정에서 생기는 불확실성이 더해져 신 뢰성이 떨어진다는 한계점을 가지고 있다. 이러한 한계점을 극복할 수 있는 대안으로 모델에서 산출 되는 토양수분 자료를 이용하는 방법이 제시 되었 지만, 모델은 초기 입력 자료의 질에 따라 정확도 가 크게 의존적이며 인위적인 활동들로 인한 영향 을 잘 모의하지 못한다는 또 다른 한계점이 있다.
또한, 자료를 산출하기 위해 모델을 구동하는 시 간이 별도로 필요함에 따라 실시간 분석 및 예측 에의 활용이 어렵다. 이를 보완할 수 있는 방법으 로써 위성자료를 분석에 활용하는 방법이 제시되 고 있다. 하지만 다양한 센서, 알고리즘 등을 통한 많은 위성 토양수분 자료들이 산출되고 있는 반면 각 위성들의 관측 주기, 관측 기간, 수명들이 달라 장기적인 분석이 가능한 긴 기간의 자료는 없는 실정이다. 이에 위성자료를 장기적인 분석에 활 용하기 위한 방안으로써 Liu et al.(2011a, 2012) 은 누적함수분포 매칭 기법(Cumulative Density
Function matching technique)을 이용하여 서 로 다른 수동형/능동형 마이크로파 센서에서 산 출된 토양수분 자료들을 합성한 긴 기간의 자료를 생성하였다. 이렇게 만들어진 자료는 기후변화/
식생변화에 따른 토양수분의 시공간적 변화의 경 향성 분석 등 장기간의 분석에 활용되고 있다. 위 성기반 원격탐사에 의해서는 0-5cm 깊이의 얕은 층에 대한 토양수분 측정만이 가능함에 따라, 합 성된 위성 토양수분 자료를 활용한 근 표면 토양 수분 변화 경향성에 관한 연구는 많이 수행되어 왔다. 하지만 이와 달리 증산에 직접적인 영향을 미쳐 대기-지표면 간의 상호작용에 중요한 역할 을 하는, 식생이 생장하는 깊이에 해당되는 root zone 토양수분의 변화 경향성을 분석한 연구는 미비하다. 이전 연구들에서 위성 토양수분 자료 를 이용하여 root zone 토양수분을 계산하고, 이 를 검증함으로써 근 표면 토양수분 자료로부터 계 산된 root zone 토양수분 자료의 활용성이 확인 된 바 있다(Choi and Jacobs, 2007; Albergel et al., 2008; Mahmood et al., 2012; Ford et al., 2014). 최근 Zohaib et al.(2017)에서는 위성 토양 수분 자료를 활용하여 다양한 지형과 토지 피복을
그림 3. 동아시아 지역별 기후대(Zohaib et al. 2017)
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가져 기후변화에 취약한 것으로 잘 알려진 동아시 아에서의 root zone 토양수분의 변화 경향성을 서 로 다른 기후 조건을 가진 4가지 지역으로 나누어 분석하였다. 또한 강수, 지표온도와의 상관성 분 석을 통해 각 요소들이 root zone 토양수분의 변 화에 미치는 영향을 분석한 바 있다.
동아시아를 4가지 서로 다른 기후(열대기후, 건 조기후, 온난기후, 대륙성 기후)를 가진 지역으로 분류하였으며, 서로 다른 위성 자료들을 합성하 여 만든 긴 기간의 ESA’s CCI(Eutopean Space Agency’s Climate Change Initiative) 토양수분 자료동화 모델 자료를 이용하여 root zone 토양수 분을 계산하였다(그림3).
그림 4는 강수량, 증발산량, 지표온도 및 root zone 토양수분 변화 경향성을 분석한 결과를 보 여준다. root zone 토양수분의 경우, 증가하는 경 향을 보이는 일부 열대지역과 온난기후 지역을 제 외하고 전체적으로 감소하는 경향을 보이며 강수 량과 지표온도, 증발산량의 경우 동아시아 전체에 걸쳐 전반적으로 증가하는 경향을 보인다.
지역에 따라 다르게 나타나는 root zone 토양수 분의 변화 경향성(그림5)을 서로 다른 기후의 특성 을 이용하여 설명하였다. 열대 지역의 경우, 기온 이 증가함에 따라 증발산량이 증가하고 불안정해 진 대기가 일으키는 잦은 대류현상에 의해 강수가 더 증가하게 되어 root zone 토양수분이 증가하는 경향을 보였다. 반대로 건조 지역의 경우, 많은 강 수에도 불구하고 강수량의 80%정도가 여름에 집 중되어 있고 비교적 건조한 토질을 가지며, 대부 분 모래로 이루어져 있어 들어온 물이 root zone 을 빠르게 지나쳐 흘러가거나 높은 기온 탓에 빠 르게 증발하여 root zone 토양수분이 감소하는 경 향을 보였다. 온난 지역은 대부분이 많은 관개용 수가 공급되는 지역이기 때문에 강수량이 감소하 고 기온은 상승함에도 불구하고 root zone 토양 수분이 증가하는 경향을 보인다. 인위적인 활동인 관개로 인한 국지적 토양수분 변화, 토양 열용량 변화 등이 수문/에너지 순환에 영향을 미침으로써 나타나는 결과로 해석할 수 있다. 마지막으로 대 륙성 기후를 갖는 지역에서는 강수의 감소와 기온
그림 4. root zone 토양수분, 강수량, 지표온도, 증발산량 변화 경향성(Zohaib et al. 2017)
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의 증가 영향으로 root zone 토양수분이 감소하 는 경향을 보인다. 또한, 물이 제한적인 지역임에 도 불구하고 중국에서 진행 중인 환경복원사업의 일환으로 산림을 조성하는 활동이 오히려 토양수 분 감소에 기여하는 것으로 보여진다. 결과적으로 증가하는 경향을 보이는 열대 지역과 온난 지역은 비교적 동아시아의 작은 부분을 차지하므로, 동아
시아 전반적으로는 root zone 토양수분이 감소하 는 경향을 보임을 확인하였다.
이와 같이 서로 다른 기후대에서의 수문기상인 자 변화 및 경향성 분석 연구는 기후 시스템을 이 해하고, 자연재해 등을 예측하는데 사용되는 기후 모델의 정확도를 향상시키는데 기여할 수 있을 것 이다.
그림 5. 동아시아 열대, 건조, 온난, 대륙성 기후대별 root zone 토양수분 변화 경향성(Zohaib et al. 2017)
4. 맺는 글
토양수분은 물과 에너지 순환에 중요한 역할을 하는 요소로써, 효율적인 수자원 관리 및 수문·
기상 연구를 위해서 정확하고 다양한 분석의 수행 이 필수적이다. 따라서 정확한 토양수분 자료 수 집을 위해 양질의 지점관측 자료 생성을 위한 효 율적인 관측망 설계, 관측된 값의 적절한 보정기 법 개발, 위성기반 관측자료 토양수분 알고리즘 개발 등과 같은 연구들이 지속적으로 수행되고 있 다. 또한, 수집된 자료들은 기후변화 분석, 홍수,
가뭄, 황사 발생 등과 같은 각종 재해 분석 등의 다양한 연구에 활용되고 있다. 본 고에서는 그 중 일부로써, 지점관측 및 위성기반 토양수분 자료를 활용한 최신 연구 결과들을 소개하였다. 연구 결 과를 바탕으로 COSMIC-ray 중성자 측정법을 활 용한 효율적인 관측 수행 및 최근 새로 발사·운 용되고 있는 위성 자료들을 적극 활용한 토양수분 변화 분석이 활발히 이루어진다면 보다 정확한 수 문순환의 변화 이해, 더 나아가 정확한 예측을 통 한 기후변화 및 자연재해 대비, 대응이 가능할 것 으로 기대된다.
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