실측기반 모형 초기화 방법과 다양한 토지피복 특성을 고려한 생태수문모형(RHESSys)의 개선과 평가

Abstract

기후변화를 이해하고 저감하고 적응하기 위해 탄소 순환과 물 순환을 보다 정확하게 이해하고 변화를 전망하는 연구가 필요하며, 이를 위해 실측자료, 공간자료, 탄소/물 순환 모형의 결합을 통하여 정보를 시•공간적으로 확장해 나가야 한다. 현재, 원격탐사 자료와 분석기술의 발전에 의해 토지피복 공간정보의 세밀도와 정밀도가 지속적으로 향상되고 있고 모형연구에 활용 가능한 자료의 종류도 다양해지고 있다. 이러한 공간정보의 향상은 모형의 공간적 예측능력을 향상시킬 수 있는 좋은 기회요소이다. 따라서 모형이 새로운 공간정보를 받아들일 수 있는 내용과 구조를 보유하고 있는지, 새로운 공간정보가 탄소/물 순환 요소 추정에 의미 있는 정보를 제공하는지 평가가 필요하다. 본 연구에서는 탄소와 물 순환 요소를 통합적으로 고려하는 생태수문모형(RHESSys)을 대상으로, 토지피복 공간정보의 향상에 대한 탄소/물 순환 요소 추정의 민감도를 평가하고 이를 통해 향후 모형 수행 과정에서 고려해야 할 토지피복 정보의 수준(새로운 공간정보 활용의 수준, 정보의 세밀도 수준)을 이해하는 것을 목적으로 하였다. 기존 모형연구에서 고려하지 못했던 세 가지의 토지피복 공간정보 향상에 의한 효과, 즉 (1) 실측기반의 산림탄소저장량 정보를 모형 초기화 자료로 활용함에 따라 발생하는 효과, (2) 혼효림을 개별 임상으로 구분함에 따라 발생하는 효과, (3) 경작지의 관개활동을 고려함에 따라 발생하는 효과에 대해 주요 탄소/물 수지 성분인 총일차생산량과 증발산량을 대상으로 민감도를 평가하였다. 이를 위해 혼효림과 경작지의 토지피복 특성을 반영할 수 있도록 기존의 생태수문모형을 수정•개선하고 실측자료를 이용해 모형을 보정하고 총일차생산량과 증발산량의 추정능력을 검증하였다. 그리고 토지피복 정보 수준에 따른 토지피복 분류도와 산림탄소지도를 제작하였으며, 검증된 개선모형을 이용하여 토지피복 공간자료의 활용 수준에 따른 탄소/물 수지 추정의 민감도를 분석하였다. 그 결과, 첫째, 실측기반의 산림탄소저장량 정보를 활용함에 있어서 발생하는 효과를 평가한 결과, 토양탄소량이 식물의 토양질소흡수 제한효과로 인해 LAImax의 추정에 있어서 매우 큰 민감도를 보였고, 이에 따라 GPP, ET의 추정에 영향을 미쳤다. 기존의 탄소초기화 방법인 스핀업 시뮬레이션은 입목의 고사율과 교란을 적절히 반영해주지 못해 실측기반의 자료에 비해 토양탄소량을 상대적으로 작게 추정하였다. 따라서 실측기반의 탄소초기값을 적용한 경우 스핀업 방법을 적용한 경우보다 GPP와 ET을 26.4, 17.9% 크게 추정하였으며, 초기화 방법에 대한 민감도는 활엽수림보다 침엽수림에서 크게 나타났다. 둘째, 혼효림을 개별 임상으로 구분함에 따라 발생하는 효과를 평가한 결과, 혼효림은 활엽수림과 달리 증발산량 증가기간이 2개월 길었으며, 3월의 증발산량 증가 효과가 두드러지는 것으로 나타났다. 혼효림의 연ET와 연GPP는 활엽수림과 침엽수림의 중간적인 특징을 보였으며, 혼효림이 전체 면적의 15%를 차지하는 가상경관에서 혼효림을 개별적으로 고려한 경우의 연GPP와 연ET가 그렇지 않은 경우보다 각각 13.8%, 12.2% 크게 추정되었다. 셋째, 경작지의 관개활동을 고려함에 따라 발생하는 효과를 평가한 결과, 논 경작지의 관개는 토양표면을 담수상태로 변화시켜 증발산량을 증가시키고, 이에 따라 관개가 주로 이루어지는 시기인 5,6,8,9월의 증발산량의 차이가 컸다. 논의 담수관개를 고려한 경우 관개시기의 일증발산량이 평균 2.1 mm/day 크게 발생했으며, 토양 내 수분조건의 향상으로 인해 증산량의 증가량이 크게 발생했다. 탄소초기화 효과, 혼효림 효과, 관개용수 효과를 함께 고려함에 따라, 퇴계원수위표유역의 연GPP, 연ET는 이전 방법에 의한 결과와 비교했을 때 33.7%, 26.2%의 차이가 발생함을 확인하였다. GPP의 연간변화가 2.6~3.6%, ET의 연간변화가 -0.2~3.3%인 것을 고려했을 때 공간정보의 변화에 따른 GPP, ET의 민감도가 매우 크게 나타난다고 평가할 수 있다. 소유역 규모로는 GPP는 19.8~42.5% , ET는 20.1~43.9% 범위에서 증가하였으며, 소유역 내 침엽수림의 비율이 클수록 변화율이 크게 나타났다. 격자규모에서는 변화율의 변동이 매우 컸으며, GPP에서 혼효림이, ET에서는 논경작지의 변화율이 가장 크게 나타났다. 즉, 공간위계별 토지피복 특성과 공간적 이질성에 따라 탄소/물 순환 요소의 민감도가 다르게 나타났다. 이 연구 결과에 따라, 탄소/물 수지를 추정하고 미래를 예측하기 위한 생태수문모델 연구에서 실측기반의 토양탄소량 자료를 활용하고 혼효림과 논 관개활동과 같은 다양한 토지피복 특성을 추가로 반영하는 것이 탄소/물 수지의 예측능력 향상에 주요한 영향요인이라는 결론을 도출할 수 있었다.