Improving the diurnal cycle of in-situ soil moisture measurements with physically based land surface model datasets using a Fourier time-filtering method = Fourier 변환 기반 시간 필터링을 통한 토양수분 관측자료의 일주기 오차 개선

국문 초록 (Abstract)

토양수분은 낮 동안 증발산 증가로 감소하는 것이 물리적으로 타당하지만, 실제 현장 관측에서는 낮 시간에 오히려 토양수분이 증가하는 비정상적 일변동이 자주 나타난다. 이는 유전율 기반 토양수분 센서가 Maxwell-Wagner 분극과 온도 민감도에 의해 낮 시간에 인위적인 증가 신호를 만들어내기 때문이다. 본 연구는 이러한 온도에 의한 일변동 오차를 개선하기 위해 푸리에 변환 시간 필터링 기법을 제시한다. ISMN 장기 관측을 LSM 재분석 자료(ERA5-Land, MERRA-2)의 물리적 일변동 패턴과 결합하여, Fourier domain에서 위상 왜곡을 보정하고, 야간 시간의 평균 보정을 수행하였다. 오차는 일교차가 크고 건조한 지역에서 가장 두드러졌으며, 쾨펜 기후구분 분석에서도 건조 기후대에서 오차가 크게 나타났다. 보정 후 토양수분의 일변동은 새벽 최대-주간 감소라는 water balance를 따르는 형태로 바뀌었고, 토양 온도와의 상관관계도 양(+)에서 음(-)으로 전환되었다. Flux tower의 잠열 자료를 이용한 검증에서도 토양수분과 잠열 플럭스의 관계가 실제 증발산 과정과 일치하는 음의 상관성을 나타냈다. 결과적으로, 본 방법은 토양수분 일변동의 물리적 일관성을 크게 향상시키며, 향후 위성 및 모델 기반 토양수분 검증과 sub-daily 규모의 지면-대기 상호작용 연구에 유용하게 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Data 8
• 1. In-situ observation 8
• 2. Land Reanalysis Datasets 13
• 3. Flux tower observations 15
• Ⅲ. Methodology 19
• 1. Data preprocessing 19
• 2. Diurnal Soil Moisture adjustment 22
• 3. Effect of diurnal temperature on soil moisture-temperature coupling 26
• 4. Land coupling strength 27
• Ⅳ. Results 29
• 1. Evaluation of SM diurnal cycle and its relationship with temperature 29
• 2. Land segment-based evaluation of L-A interaction 42
• Ⅴ. Summary and Conclusions 45
• References 49