Seasonal Variation of Carbon dioxide Exchange in a Coniferous Forest in Korea

Bindu Malla Thakuri,Hyojung Kwon,Jong-Hwan Lim,Joon Kim 한국기상학회 2010 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2010 No.4

Biases in Storage Fluxes Estimated from a Single-level CO₂ Concentration over a Rice Paddy

Minkyu Moon,Minseok Kang,Bindu Malla Thakuri,Joon Kim 한국기상학회 2015 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2015 No.4

New gap-filling and partitioning technique for H₂O eddy fluxes measured over forests

Kang, Minseok,Kim, Joon,Malla Thakuri, Bindu,Chun, Junghwa,Cho, Chunho Copernicus GmbH 2018 Biogeosciences Vol.15 No.2

<P><p><strong>Abstract.</strong> The continuous measurement of H<span class='inline-formula'>₂</span>O fluxes using the eddy covariance (EC) technique is still challenging for forests because of large amounts of wet canopy evaporation (<span class='inline-formula'><i>E</i>_WC)</span>, which occur during and following rain events when the EC systems rarely work correctly. We propose a new gap-filling and partitioning technique for the H<span class='inline-formula'>₂</span>O fluxes: a model-statistics hybrid (MSH) method. It enables the recovery of the missing <span class='inline-formula'><i>E</i>_WC</span> in the traditional gap-filling method and the partitioning of the evapotranspiration (ET) into transpiration and (wet canopy) evaporation. We tested and validated the new method using the data sets from two flux towers, which are located at forests in hilly and complex terrains. The MSH reasonably recovered the missing <span class='inline-formula'><i>E</i>_WC</span> of 16-41<span class='thinspace'></span>mm<span class='thinspace'></span>yr<span class='inline-formula'>⁻¹</span> and separated it from the ET (14-23<span class='thinspace'></span>% of the annual ET). Additionally, we illustrated certain advantages of the proposed technique which enable us to understand better how ET responds to environmental changes and how the water cycle is connected to the carbon cycle in a forest ecosystem.</p> </P>

광릉 KoFlux 관측지 계곡에서의 국지순환 수치모의

이승재,김준,강민석,Bindu Malla Thakuri 한국기상학회 2014 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2014 No.10

단일 높이에서 관측된 저장 플럭스를 사용할 때 발생하는 논의 이산화탄소, 수증기, 현열의 순생태계교환량 오차

문민규 ( Minkyu Moon ),강민석 ( Minseok Kang ),빈두말라타쿠리 ( Bindu Malla Thakuri ),이정훈 ( Jung Hoon Lee ) 한국농림기상학회 2015 한국농림기상학회지 Vol.17 No.3

에디 공분산 방법(eddy covariance method)을 이용한 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 현열(sensible heat)의 순생태계과환량[net ecosystem exchange (NEE)]은 에디플럭스(eddy flux, FC)와 저장 플럭스(storage flux, FS) 의 합으로 어림한다. 스칼라의 흡원과 발원의 세기와분포, 연직 난류 혼합의 정도에 따라 스칼라의 변화율은 높이에 따라 다르게 나타난다. 따라서 정확한 FS를 얻기 위해서는 프로파일 시스템을 운용하여 높이에 따라 달라지는 스칼라의 변화율을 고려하여야한다. 하지만 아시아의 대부분의 농경지 관측지에서는 프로파일 시스템을 운용하지 않고, FC 관측 지점과 지면 사이에서 높이와 관계없이 스칼라 변화율이 동일하다는 가정하에 에디 공분산 시스템에서 관측되는 스칼라 변화율 만으로 FS를 산정한다. 본 연구에서는 논에서 에디 공분산 관측 높이에서 측정된 FS(프로파일 시스템에서 관측된 단일 높이의 스칼라만을 이용한 FS, FS_single)와 프로파일 관측(에디 공분산 관측 지점과 지면 사이의 여러 높이에서 스칼라 관측)을 이용한 FS와의 차이를 정량화하고, FS_single로 NEE를 산정할 때 발생하는 오차를 확인하기 위해, 경기도 여주에 위치한 청미천 농경지 플럭스 관측지 (Chengmicheon Farmland Korea, CFK)에서 에디공분산 방법과 프로파일 시스템을 이용해 CO2, H2O, 기온(Ta)의 FC와 FS를 측정하였다. CO2, H2O, Ta는 흡원과 발원의 강도와 분포, 대기 경계층의 안정도에 따라 높이별로 변화율이 달랐고, 그 결과 FS_single은 FS를 과소 또는 과대 평가하였다[특히, 해질 녘과 해 뜰 녘(0430-0800h와 1630-2000h)에 CO2의 FS를 평균 21% 과소평가]. FS_single로 인해 발생하는 NEE 계산의 오차는 FCO2의 경우, 하루 중시간에 따라 밤(2030-0400h), 해 질 녘과 해 뜰 녘에 각각 평균적으로 3%, 2%씩 FCO2 를 과소평가했다. 이러한 차이는 FCO2 의 야간 자료 보정과 분배의 과정에서 논의 탄소수지를 과소평가하게 할 수 있다. 이와는 다르게 LE, H의 경우 시간에 관계없이 거의 차이를 보이지 않았다. Using eddy covariance method, net ecosystem exchange (NEE) of CO2 (FCO2), H2O (LE), and sensible heat (H) can be approximated as the sum of eddy flux (FC) and storage flux term (FS). Depending on strength and distribution of sink/source of scalars and magnitude of vertical turbulence mixing, the rates of changes in scalars are different with height. In order to calculate FS accurately, the differences should be considered using scalar profile measurement. However, most of flux sites for agricultural lands in Asia do not operate profile system and estimate FS using single-level scalars from eddy covariance system under the assumption that the rates of changes in scalars are constant regardless of the height. In this study, we measured FC and FS of CO2, H2O, and air temperature (Ta) using eddy covariance and profile system (i.e., the multi-level measurement system in scalars from eddy covariance measurement height to the land surface) at the Chengmicheon farmland site in Korea (CFK) in order to quantify the differences between FS calculated by single-level measurements (FS_single i.e., FS from scalars measured by profile system only at eddy covariance system measurement height) and FS calculated by profile measurements and verify the errors of NEE caused by FS_single. The rate of change in CO2, H2O, and Ta were varied with height depending on the magnitudes and distribution of sink and source and the stability in the atmospheric boundary layer. Thus, FS_single underestimated or overestimated FS (especially 21% underestimation in FS of CO2 around sunrise and sunset (0430-0800 h and 1630-2000 h)). For F CO2, the errors in FS_single generated 3% and 2% underestimation of FCO2 during nighttime (2030-0400 h) and around sunrise and sunset, respectively. In the process of nighttime correction and partitioning of F CO2, these differences would cause an underestimation in carbon balance at the rice paddy. In contrast, there were little differences at the errors in LE and H caused by the error in FS_single, irrespective of time. Key words: Eddy covariance, Storage flux, Net ecosystem exchange, Rice

광릉 KoFlux 관측지 계곡에서의 국지순환 수치모의

이승재 ( Seung Jae Lee ),김준 ( Joon Kim ),강민석 ( Min Seok Kang ),빈드말러타쿠리 ( Bindu Malla Thakuri ) 한국농림기상학회 2014 한국농림기상학회지 Vol.16 No.3

90m 고해상도 SRTM 지형자료를 장착한 WRF 수치모형을 이용하여 광릉 활엽수림 KoFlux 타워 (GDK)와 침엽수림 KoFlux 타워(GCK)가 위치한 계곡 및 주변에서의 국지 대기순환을 식생-대기 이산화탄소 순환 및 미기상학적 관점에서 연구하였다. 지표 부근 온도와 바람에 대하여 모형과 관측 결과를 비교함으로써 모형의 전반적인 성능을 평가하였고, 연구지역에 국지순환이 발생한 맑은 날(Case I)과 흐린날(Case II) 사례를 선정하여 수치모의를 수행하고 그 결과를 정성적으로 분석하였다. 관측된 바람장은 GDK와 GCK 간에, 또 Case I과 Case II 간에 주간 및 야간 국지풍의 시작, 종료, 지속시간, 강도 등에 차이를 보였다. 모형의 수치모의 결과들은 광릉 KoFlux 타워 관측으로부터 그 가능성이 제기된 관측지 계곡의 배수류가 실제로 존재함을 증거하였다. 전반적으로 모형이 모의한 바람장은 아침의 배수류-사면활승풍 전이와 저녁의 사면활승풍 역전 등을 포함하여 계곡 및 주변에서 관측된 국지풍의 일변화를 현실적으로 모사하였다. 또한 국지풍 간 상호 작용의 복잡성도 지시하였는데, 가령 주간에 광릉 관측지 계곡 내부의 서풍은 반드시 산풍인 것은 아니었으며, 종종 약한 종관규모 바람 또는 서쪽에서 불어온 해풍과 같은 보다 큰 규모의 중규모 바람 등 다른 풍계와 결합이 되어 있었다. 광릉 생태계의 에너지, 물질, 정보 흐름의 시공간적 변동을 입체적으로 이해하는데 있어서 이러한 고해상도 국지순환 수치모의 결과는 상당히 유용한 것으로 판단되며, 구축된 국지모의 시스템을 지속적으로 개선하는 노력이 향후 뒤따라야 할 것이다. 아울러, 다른 농림생태계 관측지도 모의 영역에 포함시켜 모형 결과의 활용도를 넓힐 필요가 있다. A 90-m horizontal-resolution numerical model was configured to study the micrometeorological features of local winds in the valley of Gwangneung KoFlux (Korea Flux network) Sites (GDK: Gwangneung Deciduous forest site in Korea, GCK: Gwangneung Coniferous forest site in Korea) during summer days. The U. S. Geological Survey (USGS) Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data were employed for high-resolution model terrain height. Model performance was evaluated by comparing observed and simulated near-surface temperature and winds. Detailed qualitative analysis of the model-simulated wind field was carried out for two selected cases which are a clear day (Case I) and a cloudy day (Case II). Observed winds exhibited that GDK and GCK, as well as Case I and Case II, had differences in timing, duration and strength of daytime and nighttime wind direction and speeds. The model simulation results strongly supported the existence of the drainage flow in the valley of the KoFlux tower sites. Overall, the simulated model fields realistically presented the diurnal cycle of local winds in and around the valley, including the morning drainageupslope transition and the evening reversal of upslope wind. Also, they indicated the complexity of local winds interactions by presenting that daytime westerly winds in the valley were not always pure mountain winds and were often coupled with larger-scale wind systems, such as synoptic-scale winds or mesoscale sea breezes blowing from the west coast of the peninsula.

복잡지형의 온대산림에서 에디 공분산으로 관측된 CO2 플럭스의 야간 자료 보정에 관하여

강민석 ( Min Seok Kang ),김준 ( Joon Kim ),김현석 ( Hyun Seok Kim ),빈두말라타쿠리 ( Bindu Malla Thakuri ),천정화 ( Jung Hwa Chun ) 한국농림기상학회 2014 한국농림기상학회지 Vol.16 No.3

복잡지형에서의 에디 공분산 방법을 이용한 플럭스 관측에 있어서 가장 중요하면서도 어려운 문제 중에 하나가 야간 이산화탄소(CO2) 플럭스 자료 보정이다. 본 연구에서는 복잡산림지형에 위치한 두 KoFlux 관측지(광릉의 활엽수림과 침엽수림 관측지, GDK와 GCK)의 2009년도 플럭스 타워 자료에 대표적인 야간자료 보정 방법인 마찰속도 보정 방법, 광 반응 곡선 보정 방법, 이류를 고려한 반 고셀 보정 방법을 적용한 결과를 평가하였다. 계산된 CO2 플럭스(생태계호흡, 총일차생산, 순생태계교환)는 방법에 따라 그 크기와 계절변동에 차이를 보였는데, 그 차이는 관측지 별로 다르게 나타났다. 각 방법에서 나온 결과들을 선행연구에서 보고된 결과들과의 비교와 함께, 기상학적인 접근뿐만 아니라 생태학적인 접근을 통해 검증하였다. 검증결과, 이러한 차이의 원인은 야간 자료 보정 과정에서 선별된 자료의 일부가 이미 배수류에 의한 CO2 이류의 영향을 받았기 때문인 것으로 추측된다. GDK의 광 반응 곡선 방법의 결과를 제외한 나머지 CO2 플럭스 결과들은 아시아의 다양한 생태계에서 보고된 값들의 범위에 포함되었다. 본 연구는 현재 배포된 플럭스 자료들은 개선의 여지가 있으며, 최신 자료의 올바른 사용을 위한 자료 사용자와 자료 생산자 간의 소통의 중요성을 상기시켜 준다. Nighttime correction of CO2 flux is one of the most important and challenging tasks in eddy covariance measurements over a complex mountainous terrain. In this study, we have scrutinized the quality and the credibility of the CO2 flux datasets which were produced by employing three different methods of nighttime correction, i.e., (1) friction velocity (u*) correction, (2) light response curve (LRC) correction, and (3) advection-based van Gorsel (VG) correction. The whole year datasets used in our analysis were collected at the two KoFlux tower sites (i.e., GDK deciduous forest site at the upper hill and GCK coniferous forest site at the lower hill) located in the valley of Gwangneung National Arboretum in central Korea. The resultant magnitudes and patterns of ecosystem respiration (RE), gross primary productivity (GPP), and net ecosystem exchange (NEE) of CO2 showed marked differences among the datasets produced with three different correction methods, which were also site-specific. The examination from micrometeorological and ecological perspectives suggests that the major cause of some inconsistency seems to be associated with the advection of CO2 along the sloping terrain and the inappropriate selection of the correction data that might have been already affected by advective flows. The comparison with the results from other studies indicated that the overall characteristics of the corrected CO2 fluxes at GDK and GCK (except those with LRC correction) were well within the ranges reported in the literature for various ecosystems in East Asia in similar latitudes. However, our study also implies that there will be always a room for further improvement in the present datasets. Therefore, caution must be exercised for the data users in order to properly use the updated version of datasets through transparent, open and participatory communication with data producers.

복잡지형의 온대산림에서 에디 공분산으로 관측된 CO₂ 플럭스의 야간 자료 보정에 관하여

강민석,김준,김현석,빈두 말라 타쿠리,천정화,Kang, Minseok,Kim, Joon,Kim, Hyun-Seok,Thakuri, Bindu Malla,Chun, Jung-Hwa 한국농림기상학회 2014 한국농림기상학회지 Vol.16 No.3

복잡지형에서의 에디 공분산 방법을 이용한 플럭스 관측에 있어서 가장 중요하면서도 어려운 문제 중에 하나가 야간 이산화탄소($CO_2$) 플럭스 자료 보정이다. 본 연구에서는 복잡산림지형에 위치한 두 KoFlux 관측지(광릉의 활엽수림과 침엽수림 관측지, GDK와 GCK)의 2009년도 플럭스 타워 자료에 대표적인 야간 자료 보정 방법인 마찰속도 보정 방법, 광 반응 곡선 보정 방법, 이류를 고려한 반 고셀 보정 방법을 적용한 결과를 평가하였다. 계산된 $CO_2$ 플럭스(생태계호흡, 총일차생산, 순생태계교환)는 방법에 따라 그 크기와 계절변동에 차이를 보였는데, 그 차이는 관측지 별로 다르게 나타났다. 각 방법에서 나온 결과들을 선행연구에서 보고된 결과들과의 비교와 함께, 기상학적인 접근뿐만 아니라 생태학적인 접근을 통해 검증하였다. 검증 결과, 이러한 차이의 원인은 야간 자료 보정 과정에서 선별된 자료의 일부가 이미 배수류에 의한 $CO_2$ 이류의 영향을 받았기 때문인 것으로 추측된다. GDK의 광 반응 곡선 방법의 결과를 제외한 나머지 $CO_2$ 플럭스 결과들은 아시아의 다양한 생태계에서 보고된 값들의 범위에 포함되었다. 본 연구는 현재 배포된 플럭스 자료들은 개선의 여지가 있으며, 최신 자료의 올바른 사용을 위한 자료 사용자와 자료 생산자 간의 소통의 중요성을 상기시켜 준다. Nighttime correction of $CO_2$ flux is one of the most important and challenging tasks in eddy covariance measurements over a complex mountainous terrain. In this study, we have scrutinized the quality and the credibility of the $CO_2$ flux datasets which were produced by employing three different methods of nighttime correction, i.e., (1) friction velocity ($u^*$) correction, (2) light response curve (LRC) correction, and (3) advection-based van Gorsel (VG) correction. The whole year datasets used in our analysis were collected at the two KoFlux tower sites (i.e., GDK deciduous forest site at the upper hill and GCK coniferous forest site at the lower hill) located in the valley of Gwangneung National Arboretum in central Korea. The resultant magnitudes and patterns of ecosystem respiration ($R_E$), gross primary productivity (GPP), and net ecosystem exchange (NEE) of $CO_2$ showed marked differences among the datasets produced with three different correction methods, which were also site-specific. The examination from micrometeorological and ecological perspectives suggests that the major cause of some inconsistency seems to be associated with the advection of $CO_2$ along the sloping terrain and the inappropriate selection of the correction data that might have been already affected by advective flows. The comparison with the results from other studies indicated that the overall characteristics of the corrected $CO_2$ fluxes at GDK and GCK (except those with LRC correction) were well within the ranges reported in the literature for various ecosystems in East Asia in similar latitudes. However, our study also implies that there will be always a room for further improvement in the present datasets. Therefore, caution must be exercised for the data users in order to properly use the updated version of datasets through transparent, open and participatory communication with data producers.