Principles and Applications of Multi-Level H₂O/CO₂ Profile Measurement System

다중 수증기/이산화탄소 프로파일 관측 시스템의 원리와 활용

유재일·이동호*·홍진규·김 준 연세대학교대기과학과/지구환경연구소

(2008년 12월 20일접수; 2009년 1월 20일수정; 2009년 1월 30일수락)

Principles and Applications of Multi-Level H

O/CO

Profile Measurement System

Jaeill Yoo, Dongho Lee

, Jinkyu Hong and Joon Kim

Department of Atmospheric Sciences, Yonsei University/Global Environment Laboratory (Received December 20, 2008; Revised January 20, 2009; Accepted January 30, 2009)

ABSTRACT

The multi-level profile system is designed to measure the vertical profile of H

O and CO

concentrations in the surface layer to estimate the storage effects within the plant canopy. It is suitable for long-term experiments and can be used also in advection studies for estimating the spatial variability and vertical gradients in concentration. It enables the user to calculate vertical fluxes of water vapor, CO

and other trace gases using the surface layer similarity theory and to infer their sources or sinks. The profile system described in this report includes the following components:

sampling system, calibration and flow control system, closed path infrared gas analyzer (IRGA), vacuum pump and a datalogger. The sampling system draws air from 8 inlets into the IRGA in a sequence, so that for 80 seconds air from all levels is measured. The calibration system, controlled by the datalogger, compensates for any deviations in the calibration of the IRGA by using gas sources with known concentrations. The datalogger switches the corresponding valves, measures the linearized voltages from the IRGA, calculates the concentrations for each monitoring level, performs statistical analysis and stores the final data. All critical components are mounted in an environmental enclosure and can operate with little maintenance over long periods of time. This report, as a practical manual, is designed to provide helpful information for those who are interested in using profile system to measure evapotranspiration and net ecosystem exchanges in complex terrain.

Key words

: Multi-level profile system, H

O/CO

concentrations

I. 서론 및 이론적 배경

육상생태계의증발산및순생태교환량관측을위한 첨단의방법으로에디공분산방법을활용한플럭스관 측이광범위하게이용되고있다. ^{에디공분산방법을이}

용하기위해서는기본적으로기체의농도를측정할수 있는적외선기체분석기와 3차원풍향풍속계로구성된 에디공분산기기를높은타워(산림군림의높이의 2-3

배)에설치하여빠른시간간격으로(초당 10-20회) 연직

풍속과기체농도의변동을측정한다. 이때기기의설치 높이가높을수록, ^{대기가안정할수록보다넓은면적의}

풍상층증발산및순생태교환량을대표할수있게된 다. ^{하지만에디공분산기기들은지면으로부터일정한}

높이에설치되어운영되기때문에바람이약한기간이나 군락하부에서 에디 공분산시스템의 관측높이 밑에 쌓이거나없어지는기체의양을측정할수없다. 군락이

* Corresponding Author : Dongho Lee (dlee@ieg.or.kr)

나지형에따라돌풍이이렇게쌓여있던수증기와이산 화탄소를에디공분산시스템관측높이까지도달시키지 않고측면으로배출시킬수있다. 이런경우에는증발량 과순생태교환량이전혀측정되지않거나일부만측정될 가능성이 높다. 식생의키가낮고바람이강한경우에 이런효과는무시될수있지만바람이약한산림에서는 그양이상당히클수있다.

군락내부에축적되는이러한기체량의변화를저장

(또는저류) 플럭스(Storage)라고하며이의측정을위 해서는기체농도의연직분포를연속적으로측정하는 장비가필요하다. ^{이러한장비로부터측정된기체 연}

직분포의시간변화율로부터저장항을계산할수있

다(^식 1). ^{예를들어수증기의경우},

(1)

여기서 h는 군락의 높이, ρv는 수증기의 농도, t는 시간, z는높이를나타낸다. 만약이러한수증기연직 농도관측 시스템이없다면농도의시간변화가높이 에따라일정하다는가정을통하여에디공분산시스 템에서얻어지는수증기농도의시간변화율을계산하 여근사화하기도한다.

(2)

결국저장항의 계산을 위해서는수증기(또는이산 화탄소) ^{농도 연직 분포의 시간에 따른 변화 값이}

필요하며이것은 기체연직농도관측시스템으로부 터 관측될 수 있다. ^{이 항은 바람이 약하고 대기가}

안정하며 키가 큰 군락이나 난류가 크게 억제되는 상황 또는 지면과 대기가 분리되어있는 상황에서는 특히 중요하다(Bradford et al., 2001). 하지만 이러 한 방법이 최대 50%까지 저장항을 과소평가할 수

있다는 사실에 항상유의해야하며(Finnigan, 2006),

특히 일단위 이상 장기간 적산적분할 경우 이러한

효과가 서로상쇄되어무시할수 있으나 30-60^{분 정}

도의 짧은 시간 규모에서는 이러한 효과가 매우 클 수 있기 때문에 무시할 수 없다. ^{그리고 저장항은}

실제로 난류플럭스에기여하지는 않지만빈자료 메 우기방법을이용하여최종적인증발산량이나순생태 교환량을추정하는데있어서는중요하다.

아울러저장항뿐만아니라연직 이류효과또한증 발산과순생태교환량추정에있어서중요한역할을할 수 있다(Hong et al., 2008). 예를 들어, 수증기 농

도의보존법칙은다음과같이주어진다.

(3)

여기서 V는 관측되는 곳의 대표 영역의 체적, x는 평균 풍속이향하는방향을나타내며, u와 w는각각 수평풍속과연직풍속을나타내고변수위에그어진 선은 시간 평균을 나타낸다. I^{항이 저장항이며}, ^연직

이류 효과인 III항은 다음과같이 재표현할 수있다

(Lee, 1998).

(4)

여기서 < >는 연직 평균된 수증기 농도를 말하며

따라서연직이류효과를측정하기위해서도수증기농 도의연직분포가필요함을알수있다.

이상에서살펴본바와같이다중기체연직농도관 측시스템(^이하 “^{프로파일시스템}”^이라한다)^을이용한

기체농도의연직분포관측은우리나라와같은복잡지형 에서증발산과순생태교환량의정확한측정을위해반 드시필요한기술이다. 따라서본보고서는 그동안전 세계적으로특별한기술적지침서없이개별연구자들에 의해구축, 활용되어온프로파일시스템의활용방법에 대한상세한안내서를목표로작성되었다. 본보고서에

서 설명하는 프로파일 시스템은 미국 Campbell

Scientific Inc.에서제작하고현재연세대생물기상/생지

화학연구팀에의해광릉관측지에서이용되고있는시 스템이다. 전세계적으로개별연구그룹의목적에따라 다양한프로파일시스템이구축되어활용되고있지만프 로파일시스템의기본구성과활용방법은서로비슷하고 또한 Campbell Scientific Inc.의시스템이가장기술적 으로앞선시스템이기때문에본보고서는생태계증발 산및수증기연직농도분포, 이산화탄소순생태교환량 관측을수행하거나계획하고있는많은연구자들에게유 용한기술지침서의역할을수행할수있을것이다.

II. 프로파일 시스템의 구성

2.1. 프로파일시스템개요

프로파일시스템은기본적으로샘플링시스템, 보정시

Storage ^∂ρ---_∂t^vdz

0

∫

=

Storage ^∂ρ---_∂t^vdz h^{≈ Δρ}---_Δt^v

0

∫

=

ET 1

V---^∂ρ---_∂t^vdz

0

∫

I

V1 ---(w′ρ_v′)_h

+ II

= _{⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩} V1

---w z( )∂ρ_v

∂z ---dz

0

∫

III

1V ---u z( )∂ρ_v

∂x ---dz

0

∫

IV + ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩+ ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩

V1

0---

∫

스템, ^{기체유동조절시스템}, ^{폐회로적외선기체분석기}

(IRGA), 진공펌프 그리고 데이터집록기로 구성된다

(Fig. 1). ^{샘플링시스템은서로다른높이에설치된흡}

입구를통해순차적으로공기를흡입해기체분석기로 보내며, 보정시스템은농도를정확히알고 있는기체 를 이용해 기체분석기의 오차를보정해 주는 역할을 한다. 데이터 집록기는 밸브를 순차적으로 개폐하여 샘플링높이와분석/^{보정모드를선택하고}, ^{기체분석기}

에서선형적인전기신호를받아들여각높이에서의기 체농도를계산하며, ^{통계분석을실시하며최종적으로}

자료를저장한다. 이들 모든구성요소들은 야외관측 환경에서장기간의연속관측을안정적으로수행할수 있도록시스템을안전하게 보호할수있는케이스(또 는 시설물) 내에 설치하는 것이 바람직하다(Fig. 2).

본보고서의 프로파일시스템사양은 Appendix에자

세히설명되어있다.

2.2.샘플링시스템

샘플링시스템은프로파일시스템본체로부터각공기 흡입구까지를연결하는튜브와공기흡입장치로구성된 다. 튜브는고밀도폴리에틸렌외벽과에틸렌코폴리

머(copolymer)로코팅된알루미늄내벽으로이루어진

복합 소재로구성되어있다. 알루미늄 내벽은튜브의 벽을 통해 수증기또는 이산화탄소가 확산되는 것을 방지해주고, 강성을갖게해튜브가항상 일정한직 경을 유지할수있게해준다. ^{폴리에틸렌소재는수}

증기와튜브의벽과의반응(흡착등)을막아준다. 튜브 의길이는내부 압력을일정하게 유지하기위해(^농도

측정에미치는영향을최소화하기위해) ^{샘플링높이}

와관계없이모두같아야한다. 공기흡입장치는 3/8인

치의외경과 0.305^{인치의내경을갖는} 1m ^길이의스

테인리스스틸 파이프로만들어져 있으며(Fig. 3), 공

기가흡입되는끝부분에는강수차단부(rain diverter)와

거친(coarse) 필터가 부착되어있다. 강수차단부는비

가내릴 때 액체상의 물이흡입되는 것을 방지해준 다. 공기흡입장치의반대쪽에는 Swagelok에의해 연

결된 7μm의필터와 0.016인치의직경을갖는정밀한

유량 조절관이차례로놓인다. ^{조절관을 지나며기체}

Fig. 1. A Diagram showing the Main Components of Profile System and the Direction of Airflow.

Fig. 2. The Profile System in a Protective Metal Casing installed at Conifer Forest in the Gwangneung KoFlux Site.

Fig. 3. The Air Intake Assembly.

의압력이감소하기때문에단열냉각에의해수증기가

응결되는 것을 막기 위해 0.5W ^{용량의 히터가설치}

되어 있다. 정밀유량조절관은 시스템내의유량과압 력을조절하는역할을한다.

관의 정확한크기(직경)는사용하는 진공펌프의유 형, 샘플링시스템의 직경, 길이 그리고 수를 고려해 시스템내의 압력이관측지 대기압의 50% 수준을 유 지할수있도록결정된다. 이처럼낮은압력하에서는,

수증기와튜브벽과의반응이작아져관측높이를변 경할 때필요한안정화시간을단축할수있다. 시스

템을대기압의 50% ^{상태에서운영함으로서얻어지는}

또다른장점은조절관에서의기체속도가임계영역(공 기의 속도가음속에도달하는)^{에놓이게되어 시스템}

내의기체량이펌프의진공도변화와무관하게일정하 게유지될수있다는점이다. ^{기체의이동경로와기체}

분석기의샘플셀에서의압력을낮게유지함으로서얻 어지는 세번째 장점은튜브의 내벽에생길 수있는 수증기의 응결현상을 감소시킬 수 있다는 점이다.

Dalton의법칙에따르면혼합기체의압력이감소하면,

혼합기체를구성하는각성분기체-^{수증기를포함하여} -의압력도비례해서감소하게된다. 수증기압이낮아 지면이슬점온도도따라서낮아지며이슬점온도가튜 브내의온도보다낮아지게되면응결현상은일어나지 않게된다. 반면에시스템내부압력을낮게유지함으 로서발생되는단점은농도측정시노이즈가증가하 는 점을 들 수 있다. 다행히, 증가된 진동수 반응에 의해평형상태에도달하기위한시간은상당히감소하 게된다. 이때문에각높이에서의측정시간이증가하 게 되고 보다 많은 자료가 평균됨에 따라 측정 시 발생되는노이즈의영향을감소시키게된다.

각각의공기흡입장치는튜브를통해본체의자체제

작된 다기관(多岐管, manifold)으로 연결된다. 다기관

은선택된높이에서흡입된공기는기체분석기로보내 고동시에선택되지않은높이에서의공기는직접진 공펌프(배기구)로보냄으로써모든 샘플링높이에서의 공기가항상지속적으로시스템내를흐르도록만든다.

이와같은 방식은시스템이외부대기의변화를항상 실시간으로관측할수있도록해준다. ^{매순간선택된}

하나의높이에서흡입된공기만이기체분석기로보내 지고흡입된공기의진행방향은다기관의한쪽면에 부착된세방향미니어처솔레노이드밸브에의해조 절된다(Fig. 4).

각밸브의공통포트는공기흡입라인에연결되어있 고개방포트는우회라인을따라진공펌프로직접연결 되며폐쇄포트는공통라인을따라기체분석기의샘플 셀로 연결된다. 미니어처 밸브의 이용은 공통라인의 혼합부피와인접한기체이동통로를최소화시켜줌으 로서 공기 흡입 높이 변화후 요구되는 평형도달시 간을짧게유지시키고전체높이를측정하는데소요 되는 순환시간을 빠르게 만들어준다. 예를 들어,

0.016 ^{인치의직경을갖는유량조절관을이용해공기}

흡입량을 1.3SLPM(Standard Liter Per Minute) 그 리고 기체분석기의 샘플셀 내부 압력을 49.26kPa^로

유지할경우, 이산화탄소와수증기농도가서로 다른

공기간의전환이일어날때 99.95%의안정화가되는

데걸리는시간은광릉에설치된시스템의이산화탄소 의 경우 6초가 된다. 같은 시간 동안 수증기는

99.4% ^{안정화가 이루어진다}. ^{전체 높이에 대한 분석}

을완료하는데걸리는시간을줄일경우 기체분석기

의표류 편차(drift)^{에 의한 오차를최소화할 수있고}

Fig. 4. Miniature Face Mount Solenoid Valve(A) (Lee Co.) and Custom Manifold (B).

대기중이산화탄소와수증기의농도변화를보다잘 관찰할수있다. 전환된새로운높이에서기체의농도 가안정화되는데걸리는시간을줄이게되면설정된 시간(사용 중인 시스템의 경우 10초)동안 보다 많은 측정이 가능해져 시그널 대비 노이즈비를 향상시켜

시스템의 해상도를 높이게 된다. 예를 들어, 0.06

μmol/mol의미세한이산화탄소농도변화를측정하는

것이가능하다.

2.3. 보정및기체유동조절시스템

보정시스템의목적은온도, 광학 경로나광원의오 염, 탐지부의노후화등에의해야기되는편차나출력 값의 변화를보상해주기 위함이다. 보정시스템은 사 용자가임의로설정한시간간격으로세가지보정기 체(^{이산화탄소를함유하지않은건조기체}(^{제로보정기}

체), 표준(수증기, 이산화탄소)농도기체)를자동으로기 체분석기의샘플셀에흘려보내주는기능을한다. ^프로

파일시스템의적외선기체분석기는절대(absolute) ^모

드에서작동되기때문에기준(reference)셀은수증기/이

산화탄소제거용화학필터나제로보정기체에연결할 수있다. 이와같은방식을통해사용자는주기적으로 화학필터가포화되었는지또는교체해야하는지의여

부를 확인할 수 있다. 편의를 위해, 각각 Decarbite

® (이산화탄소 제거용)과 Drierite^®(수증기 제거용)로

채워진두개의 500ml ^{용량의폴리카보네이트}(polycar-

bonate) 용기가연속적으로연결되어시스템의일상적

인운영이나 보정시에 제로기체를공급해준다. ^보정

시스템은샘플링시스템에이용되는것과동일한다섯 개의미니어처밸브로구성되어샘플링시스템과함께

다기관의한쪽 면에설치되어 있다(Fig. 5). 이중세

개의밸브는선택장치(selector) 회로를구성하는데닫

힌상태로대기하는포트는각각의보정기체용기와연 결되어 있고 공통 포트는 모두 상호 연결되어 있다.

다섯개중하나의밸브는개폐밸브로서일상적인측 Fig. 5. The Schematic of Valve Switching and On/Off System (from 8 Level CO2 and H2O Profile System Operation Manual, Campbell Scientific Inc., USA).

정모드에서는보정시스템을샘플링시스템으로부터분 리해주는역할을한다. ^{다섯번째밸브는기체를기준}

셀로 보내주는 역할을 한다. 이 밸브의열린 포트는 제거용화학필터로그리고닫힌포트는제로보정기체 에연결되어있다.

보정과샘플링에이용되는모든밸브는데이터집록

기의 컨트롤포트에연결된 SDM CD16S 릴레이 모

듈에 의해 조정된다(Fig. 6). 릴레이 모듈에는 초기

설정이나문제해결을위해수동작동스위치가설치 되어있는데특정한샘플링높이에고정시키거나적절 한밸브의개폐를통해보정기체를기체분석기의샘플 셀에 흘려보내기위해 이용할 수 있다. 14번 스위치 는 제로기체를선택하기 위해 이용하고 16^{번 스위치}

는폐쇄회로펌프를조작하기위해이용한다. “ON”은

기체제거용화학필터와폐쇄회로를이용할경우그리

고 “OFF”는폐쇄회로를사용하지않고 제로보정기체

를 이용할경우를지시한다. 보정기체의낭비를막기 위해, ^{일상적인분석모드에서는개폐밸브}(9^번)^가활성

화되지 않는다. 개폐밸브는 다른 모든 샘플링밸브가 비활성화된보정모드에서만열리게된다. ^이경우대

기는여전히모든높이에서흡입되지만바로진공펌프 를 향해보내지고, 한가지 보정기체만이개폐밸브를 통해 기체분석기의샘플셀로 보내진다. 이와 같은 방 식하에서는시스템내부압력이샘플분석모드와보정 모드모두에서동일하게유지될수있다.

2.4. 적외선기체분석기

적외선기체분석기는대기중수증기(또는이산화탄

소)^{의농도를측정하는기기로서} Campbell ^사의프로

파일 시스템은 미국 Licor사에서 제작한 LI-6262나

LI-7000 ^{등을사용한다}. ^{기체분석기는}-^{프로파일시스템}

의폐쇄회로를이용하여-절대모드로운영되고측정된 전기적 신호는데이터 집록기에 보내져보정에 의해 지속적으로변화되는변수와관계식을이용해농도를 계산하게된다. 사용하는모든기체분석기에는압력변 환기가 설치되어 샘플셀의 압력을 측정하는데, 이는 측정된농도에영향미치는압력의변화를상시보정 해주기위해서이다.

2.5.데이터집록기

데이터집록기는기체분석기에서전송된자료를가 공/^{저장하고 시스템의 작동을 조정하는 역할을 한다}.

Campbell사에서 제작한 프로파일 시스템은 자사의

CR23X-TD^와 CR3000 ^{등의 데이터집록기를사용하}

며, 현재 본 연구팀에서 운영하는 시스템은 이 중

CR23X-TD를사용한다. CR23X-TD 데이터집록기는

기체분석기의 선형화된 출력값(수증기/이산화탄소 농 도, 샘플셀의 온도와압력)을 250milliseconds 간격으 로측정하고, ^{솔레노이드밸브를조정하고}, ^각측정높

이에서의 평균값을 30분 간격으로 계산하며, 자료를 메모리에 저장한다. ^매 30^{분의 평균 시간에 대해 데}

이터집록기는수증기와이산화탄소농도변화의기울 기를최소제곱법선형회귀(least square linear fit)방법 에의해계산하는데, 이는서로다른높이에서의농도 가 각기 다른 시간에 측정되는 현상에 의한 오차를 보정해주는역할을한다.

측정 시간, 순서 그리고 밸브의 전환은 데이터집 록기에의해이루어지는데, ^{측정상황에따라사용자에}

의해수정이가능하다. 제작자에의해설정된조건은,

밸브가매 10^{초마다새로운높이로 순서대로전환되}

어(즉, 10초간같은 높이를측정함) 전체높이(8개)를 모두측정하는데 80^{초의시간이소요된다}. ^위에서언

급한 것처럼밸브가 새로운높이로전환되면 약 6초 간의안정화시간이소요되는데이기간의자료는버 려진다. 안정화시간이지나면 4초간측정이이루어지 고측정값의평균이계산된다. 앞에언급한안정화시 간과 측정시간은특정한측정조건(^{기체 유동속도} 1.3 SLPM, 샘플셀의압력 49kPa, 다기관(manifold)과기 체분석기를연결하는튜브의크기와길이등)^에적합

하도록설정되었기때문에이러한조건이변화하게되 면재설정하여야한다.

Fig. 6. SDM CD16S Flow Control Module.

측정의정확도를향상시키고계통(systematic) 오차 가 발생하는 것을 최소화하기 위해 관측 높이는 1,

3, 5, 7, 8, 6, 4, 2의 순서를따른다. 이러한 순서는

연속된두높이의차이(^{기체의수증기}/^{이산화탄소농도})

를 최소화할 수있어 이전 높이의기체에의해 발생

할 수 있는 기억효과(memory effect)를 효과적으로

제거하는 데 도움이 된다. 매 24시간(사용자 지정에 따라다름)마다데이터집록기는샘플셀에 5분간에걸 쳐제로기체를투입해수증기와이산화탄소제로값의 편차를측정하고이후표준이산화탄소농도기체를 5

분간투입해농도를측정한후표준농도와의차이를 자동으로 계산한다. 이러한보정과정에의해 새로운 보정 변수들이 데이터집록기에 입력되어 다음 자동 보정이전까지의측정값에반영된다. 수증기표준농도 측정과보정은이슬점생성기를이용하여수동으로이 루어진다.

2.6. 보조장치

시스템내로 유입되는 모든 기체는, 위치와 시간에 관계없이, ^{반드시적절한필터링을거쳐야한다}. ^오염

물질이유입될경우, 측정값의편차발생, 기체분석기의 오작동, ^{주파수 반응의 감소}, ^{진공펌프의 고장 등을}

야기할 수 있다. 따라서 시스템을 작동하기 전에 각 필터가정확한위치에정확하게설치되었는지그리고 기체의 유동방향에 일치하는지를 반드시 확인하여야 한다. 각공기흡입장치에는 7μm의공극을갖는직렬

필터가장착되어있다(Fig. 7).

2.6.1. 필터

기체제거용화학필터용기로유입되는공기가통과

하는 라인을보호하기 위해 ACRO50 ^{직렬필터가이}

용된다. 총세개의일회용카트리지필터가이용되는 데, ^{하나는 샘플셀로들어가는 곳에}, ^{다른 하나는 기}

준셀로들어가는 곳에, 그리고마지막은제거용필터

용기에서 나오는 곳에 설치된다. 이들 필터는 50mm

의직경과 1μm의공극을갖는데튜브와 barb fitting

에의해연결된다(Fig. 8).

2.6.2. 진공펌프

진공펌프는시스템의공기흡입장치로부터배기장치 까지안정된공기흐름을형성하고내부압력을조절한 다. 장시간, 야외에서작동되는특성을고려해회전부 위가 적고 윤활유를 필요로 하지 않는 내구성 있는

진동판(diaphragm) 펌프를 사용한다. 펌프는 반드시

평탄하고단단한면위에설치하여진동과소음을줄인 다. 비와직달일사를피할수있으면서동시에환기가 잘되는곳에설치하여여름철에과열되는것을막는 다. 진공펌프의톱니모양연결부에시스템의배기부로

통하는 0.5inch 직경의폴리에틸렌 튜브를 연결한다.

연장된폴리에틸렌튜브는시스템내의급격한압력변

화를 방지하는 완충기(buffer)의 역할을 하기 때문에

자르지 않고시스템과함께제공된전체 길이를모두

Fig. 7. Swagelok^® Inline Filter Holder with 7^μm Sintered Stainless Steel Filter.

Fig. 8. Disposable Polypropylene Catridge Filter with 1μm Pore Size PTFE Filter Element.

사용한다. 펌프로공급되는전원에는과부하차단장치 가설치되어야한다. ^{앞서언급한바와같이시스템내}

부의 압력은 대기압의 50%로 유지되어야 한다. 이를 위해진공펌프연결부위에있는니들밸브를시계반대방 향(증가시킬 때)이나 시계방향(감소시킬 때)으로 돌려 압력을조절한다. 시스템내에서공기의유동량은관측

지의대기압에따라 1.1~1.4SLPM 사이의값을갖는다.

이때각공기흡입장치에서측정된공기유동량은모두 오차범위이내에서동일하여야한다.

2.6.3. 보정기체

이산화탄소를포함하지않은건조압축기체가기체 분석기의제로편차를측정하기위해필요하다(^제로농

도기체). 즉동일한제로기체를기체분석기의양쪽셀로 흘려보내게될경우 ‘0’ ppm^{의값이측정되어야하는}

데다른값을보일경우차이를보정해야한다. 이때

1% 내외의오차로정확한농도를알고있는이산화탄

소 함유 건조 기체(표준기체)가 적외선 기체분석기의 측정값오차를보정하기위해이용된다. 이때표준기체 의이산화탄소농도가실제측정장소의대기중이산 화탄소농도와 유사한값을갖는것이좋다. 보정기체 용기는일반적으로매우높은압력을갖기때문에기체 분석기와직접연결할경우손상을야기할수있다. 따 라서 기체용기를 시스템에 연결할 때 압력 조절기

(pressure regulator)를이용하는것이필요하다.

2.6.4. 기체제거용 화학물질

프로파일시스템의운영을위해서는공기중에함유 된수증기와이산화탄소를제거하는화학물질이필요 하다. 이들 기체성분이제거된공기는제로보정시에 기체분석기의샘플셀이나절대모드로작동되는기체분 석기의기준셀에공급된다. 이들화학물질은먼지발생 을방지하고표면적을증가시키기위해불규칙한형태 의 다공성입자상으로사용된다. 입자의크기는메쉬

(mesh)로표현되는데이는 1 평방인치의면적에들어

갈 수있는 입자의크기를 말하고수가 클수록작은 입자를, 수가 작을수록 큰입자를 의미한다. 특히 신 선하고 좋은 상태의 물질을사용하는 것이 시스템의 상태를유지하는무엇보다중요하다. 일부의화학물질 은색의변화를통해물질의상태를지시하는경우가 있다. 하지만색의변화가물질의상태를지시하는유 일한기준은아니다. ^때로, ^{공기의흐름이화학물질의}

입자를 관통하는 통로를 만드는 경우(channeling

effect)^{가있는데이경우 기체제거효과가크게 감소}

하게된다. 일반적으로사용되는화학물질로서건조제 의 경우, ^{과염소마그네슘}(Magnesium perchlorate, Mg(ClO4)2)과 Drierite^ⓒ 염화코발트(cobalt chloride);

이산화탄소 흡수제의 경우, 소다석회(Soda lime)와

Decarbite^ⓒ가있다.

2.6.5. 히터

야외에서작동되는프로파일시스템이급격한외부온 도변화에도정상적으로작동하도록하기위해온도조절 장치가있는히터가사용된다. 히터는프로파일시스템 전면패널안쪽다기관주변에팬과함께설치된다. ^히터

는일최저기온이영하인기간동안에작동시킨다.

2.6.6. 기압계

프로파일시스템에서는몰분율로관측된자료를밀도 로변환하기위해대기압을함께측정하고있으며, 설 치된 대기압 측정 센서는 Integrated Silicon Pressure Sensor(Model: MPX4115A, Freescale Semiconductor,

Inc.)이다. 이들 신호는다음 관계식을이용하여 대기

압력으로변환된다.

(5)

여기서 Vs는 공급 전원(단위: V, Vs=5.1^±0.25VDC),

P는대기압력, Vout는출력전압(V)이다. III. 프로파일 시스템의 활용

3.1. 기체농도자료의계산방법, 자료수집및저장 앞서설명한바와 같이측정시간, ^{순서그리고밸}

브의 전환은데이터집록기에의해 이루어지는데, 본 시스템의경우, 밸브가새로운높이로전환되면약 6

초간의 안정화 시간이 소요되고 이후 4^{초간 측정이}

이루어져측정값의평균이계산된다. 기체분석기의전

기적신호는전압(mV) ^{단위로집록기에기록되며}, ^보

정 변수(즉, 기울기(slope)와오프셋(offset))를이용하 여이산화탄소는 ppm, ^수증기는 mmol/mol^단위로변

환된다. 이때사용되는식은다음과같다.

CO2농도(ppm)=(CO2[in mV]−οffset)×slope (6) H2O 농도(mmol/mol)=(H2O[in mV]−offset)×slope (7)

V_out=V_s(P×0.009 0.095– )±

pressure error Temp. Factor 0.009( × × V_s)

변환에사용되는기울기와오프셋은자동보정과수 동보정을통해결정된다. ^{기본값은이산화탄소의경우},

기울기는 0.21ppm/mV, 오프셋은 238.095mV, 수증기

의 경우 기울기는 0.021mmol/mol/mV, ^오프셋은

238.095mV이다. 그리고위에서언급한것처럼매 30

분의평균 시간에대해데이터집록기는수증기와이 산화탄소농도변화의기울기를최소제곱법선형회귀

(least square linear fit)방법에의해계산한디.

3.2. 자료의활용

3.2.1. 실측 수증기 농도 자료

Fig. 9는 2008년 각 계절별로 대표적인 날에 광릉

활엽수림에서관측된수증기농도의일변화를보여주 고 있다. 먼저 수증기 농도의 연직 분포를보면 7월 을제외한대부분의기간동안모든높이에서의수증기

Fig. 9. Daily Variations of Water Vapor Concentration in Gwangneung Deciduous Forest on, (a) 13 January, 2008, (b) 18 April, 2008, (c) 14 July, 2008 (d) 30 October, 2008.

Note that the y-scale of fig. (c) is different from the rest.

The height of each level: level 1-0.1m, level 2-1m, level 3- 4m, level 4-8m, level 5-12m, level 6-18m, level 7-25m, level 8-40m.

Fig. 10. Daily Variations of CO2 Concentration in Gwan- gneung Deciduous Forest on, (a) 13 January, 2008, (b) 18 April, 2008, (c) 14 July, 2008 (d) 30 October, 2008. Note that the y-scale of fig. (c) is different from the rest. The height of each level: level 1-0.1m, level 2-1m, level 3- 4m, level 4-8m, level 5-12m, level 6-18m, level 7-25m, level 8-40m.

농도가 거의 유사하고 동일한 변화경향을 나타난다.

특징적으로, 여름낮시간에 지표면근처와상층의수 증기 농도가 뚜렷하게 다른 값(^{지표면근처에서 높고}

상층에서 낮은)을 보인다(Fig. 9(c)). 계절에 따라 나

타나는수증기농도의일변화양상의차이를살펴보면 먼저 1월의경우가장낮은수증기농도와미약한일

변화(^{오후에다소증가})^를보이고, 4^월의경우 12~18

시에상대적으로낮은값을그리고 10월의경우 12시 이후지속적으로증가하는경향을보인다. 7월의경우 앞서언급한바와같이지표면부근에서는 12시를전 후한 시간에 하루중 가장 높은 값을 그리고상층에 서는같은시간에하루중가장낮은값을보인다.

3.2.2. 실측 이산화탄소 농도 자료

Fig. 10은 2008년광릉 활엽수림에서 관측된이산

화탄소농도의일변화이다. 4^월의 12^{시를전후한시간}

대 그리고 1월의 경우 연직농도의차이가거의 보이 지 않지만이 기간을제외한다른 모든 기간에서 현 저한 연직농도의차이를보이고있다. 공통적으로지 표면 부근에서가장 높은 이산화탄소농도를 보인다.

하루중에는대체로낮시간보다밤시간에지표와최상 층간이산화탄소의농도차이가더크다.

Fig. 11^은 Fig. 10(c)^{와같은 날관측된이산화탄소}

(a)/수증기(b)의연직분포의변화추이를 3시간간격으 로 보여준다. 상하층간농도 차이가 커질 때, 순생태 교환량에대한 저장항의기여가커지기 때문에(^식 2)

이시간대연직농도분포 관측은순생태교환량추정 의정확도를높이는데매우중요하다.

3.2.3. 저류/이류항이 복잡지형 산림생태계의 증발산 및 순생태교환량에 미치는 영향 해석

우리는서론에서이미다중수증기/이산화탄소프로 파일관측시스템이복잡지형에서증발산이나이산화 탄소교환량을추정하는데있어서매우중요한요소인 저류플럭스와연직이류항을추정하는데매우유용하 게 쓰일 수 있음을 언급하였다. 예를 들어, Hong et

al.(2008)^은광릉 KoFlux ^{관측지에설치된다중 수증}

기/이산화탄소 프로파일 관측 시스템을 이용하여 두 지점에서에디공분산방법으로관측된난류플럭스를 추정하여 1) 타워에서관측되는수증기와 이산화탄소 플럭스에대한수평및수직이류항의영향을정량화

하였고, 2) 저류항은해뜰녁과 해질녘에만무시할수

없는양이지만일누적의관점에서는무시할수있었고, 3) ^{이류의영향은에디공분산기기의관측높이}(20m^와

40m) 그리고수증기와 이산화탄소에 따라서로 다르

게나타났고, 4) ^{마지막으로수평이류와연직이류가}

Fig. 11. Vertical Profiles of Three-Hour Averaged Water Vapor and CO2 Concentration measured on 14 July, 2008.

개별적으로난류플럭스보다크다고할지라도이두 개의 독립적인 연직 플럭스는 서로 상쇄되는 경향을 보여 40m에서 관측된 플럭스의 경우 에디공분산 난 류플럭스항만으로순생태교환량을정량화할수있음 을보여주었다.

한편다중수증기/이산화탄소프로파일관측시스템 으로부터얻어지는수증기와이산화탄소농도를역라 그란지 방법(inverse Lagrangian method)과결합하여 대기와 식생 사이에 교환되는 난류 플럭스의 발원과 흡원의강도가연직적으로어떻게분포하는지추정할 수 있다(^예, Raupach, 1989; Denmead ^{et al}., 2005;

Katul et al., 1997). 이 방법에서는 군락 난류가 근

접장(near field)^와원격장(far-field)^{에대해 서로다른}

효과를 보인다는사실을활용하여 수증기/이산화탄소 프로파일을만들어내는개개의연직층의발원및흡원 강도를찾아내게된다. 아울러다중수증기/이산화탄소 프로파일관측시스템을활용하는다른예로는수증기

/이산화탄소농도의연직프로파일자료로부터군락내 부의오염물질, 농약또는꽃가루의확산을예측하는 모형을 검증하고 개선하는데 사용하거나(^예, Coppin

et al., 1986; Haverd et al., 2009), 군락 하부에서 관측된난류플럭스의발자국을분석하고이를계산하 는발자국모형의성능을평가하는데활용될수있다

(예, Baldocchi et al., 1997).

감사의 글

본 연구는수자원의지속적확보기술개발사업단(과제

번호 1-8-3)^{에의해 지원되었다}. ^{본 보고서의 작성을}

위해 많은 조언을 제공해 준 Campbell Scientific.

Inc.^의 Senior Application Engineer^인 Edward Swiatek

에게감사의뜻을전한다. 적 요

연직으로여러높이에서측정된기체의농도는다양 한목적에활용될수있다. 예를들어, 복잡지형에위 치한 우리나라의 일반적인 산림유역에서 에디공분산 방법에의한증발산및이산화탄소순생태교환량(Net

Ecosystem Exchange, NEE)^{을 관측하기위해서는 수}

평및연직 이류(advection)와저류(storage)항의효과 를정량화해야한다. ^{그리고미량기체의발원 및흡}

원을추적하거나관측의발자국분석을위해서도필요 하다. ^{수증기와이산화탄소의 연직농도 분포는일반}

적으로에디공분산플럭스타워에보조장치로설치되 는다중기체 프로파일관측시스템(^{이하프로파일시}

스템)에 의해측정된다. 이 시스템은다른 미기상관 측기기와는달리 서로 독립된여러 기기와장치들이 하나의목적을위해결합되어작동되기때문에사용방 법과 기기의운영/유지/보수에많은 어려움이따른다.

현재전세계적으로플럭스타워관측과함께이용되고 있는 프로파일 시스템은 대부분 미국의 캠벨사

(Campbell Sci. Inc.)^{에서 제작}/^{판매하는 시스템과 개}

별연구자들이각자의목적과관측환경에적합하도록 자체제작한시스템으로구분된다. ^{연세대학교대기과}

학과생물기상/생지화학연구팀은 2005년부터광릉산

림유역의활엽수림과침엽수림에미국캠벨사에서제 작한 두개의프로파일 시스템을설치/운영하며다양 한기술적, 이론적경험과지식을축적해왔다. 이총 설에서는복잡지형산림에서의물과탄소의순생태교 환량관측에중요한도구로사용되는프로파일시스템 의원리, ^구성, ^{활용방법에대해서소개한다}.

Appendix: Specification

본보고서에서설명하고있는프로파일시스템의기 본적사양은다음과같이요약될수있다.

− 공기흡입장치의수: 8개

− 최대측정높이: 40m

− 샘플링빈도: 4Hz

− 측정값평균시간: 30^분

− 공기흡입장치의공기유동속도: 1.3SLPM(대기압에 따라달라짐)

− 내부기압: 50kPa(관측지대기압에따라달라짐)

− 전체높이분석시간: 80^초/1^회

− 기체분석기 보정: 공장보정, 제로 및 표준농도 보정 1일 1회(사용자환경에따라변경가능)

− 기체분석기표준기체: 제로농도기체(절대모드) 또 는기체제거화학물질

− 해상도: 0.1ppm(450ppm ^농도기준), 30^{분평균시간},

80초분석사이클, 6초간측정값생략시

− 변화도(gradient) ^계산: ^{장기 변화경향에 대한 시}

간비대칭보정에의한평균값

− 안정화시간(^{다기관과 기체분석기의영향에의한}):

6초(이산화탄소 99.7%, 수증기 99.18%의 단계 변화완료)

− 수증기이동효과: 건조공기에대한 이산화탄소와 수증기의혼합관계를이용

− 이산화탄소측정범위: 0-1000ppm

− 전력소모량: 약 3A(시스템시작시 6A)

− 작동온도범위: 5-40^oC

− 상대습도범위: 0-95%에서응결이일어나지않음

− 케이스의크기(inch): 22(W)×19(D)×40(H) REFERENCES

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