KR20120032797A - 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 해안 갯벌의 조간대에 설치되어 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열환경을 정량적으로 관측한 뒤 그 관측결과를 열 환경 관측 서버에 전송하는 관측 시스템 및 상기 관측 시스템으로부터 전송받은 관측결과를 기 설정된 수학식에 대입하여 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하고, 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하며, 그 분석결과를 토대로 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석하는 열 환경 관측 서버를 포함한다. 상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 미기후 변화에 영향성을 규명할 수 있고, 연안지역의 초단기예보의 기술향상에 기여할 수 있으며, 연안지역의 기상예보 관측시스템 구축 시 기본자료로 활용될 수 있는 장점이 있다.

Description

갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING HEAT ENVIRONMENTS AT THE TIDAL FLAT IN COASTAL WETLAND}
본 발명은 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 갯벌 조간대에 설치된 관측 시스템이 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열 환경을 정량적으로 관측하고, 그 관측결과를 기 설정된 수학식에 대입하여 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하며, 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하고, 그 분석결과를 토대로 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석함으로써 미기후 변화에 영향성을 규명할 수 있는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
갯벌의 중요한 기능을 담당하는 생태계의 대부분의 활동(예컨대, 해조류와 식물성 플랑크톤의 광합성, 유기물 분해, 해저생물의 활동 등)은 열적 환경에 강하게 의존한다.
그리고 밀물과 썰물 조건에 의한 갯벌 지표 상태의 일변동과 같은 독특한 환경은 학문적으로 연구가치가 매우 높으며, 오염물질 정화와 탄소 저장능력은 기술적 환경적 측면에서 연구가치가 매우 높다.
체계적이고 정밀한 열환경 관측 시스템을 통한 갯벌의 열과 이산화탄소 수지 측정은 그 자체로 충분한 연구 가치를 지니고 있으며, 갯벌의 열과 이산화탄소의 특징적인 기능(예컨대, 생태계유지, 정화능력, 탄소저장능력 및 미기후 변화)에 대한 연구가 필요하다.
갯벌의 열환경을 지배하는 열과 이산화탄소 플럭스의 정량적인 관측과 두 성분 간의 상관성에 대한 연구는 갯벌 조간대에서 미기후 변화 해석에 필수적이다.
그러나, 갯벌 조간대의 미기후 변화는 열과 이산화탄소 플럭스에 많은 영향을 받을 것이나, 이에 대한 연구는 미비한 상태이다.
지구온난화에 의한 해수면 상승효과는 갯벌 조간대에서의 미기후 변화를 발생시킬 것이며, 이에 대한 원인 규명을 위해서는 열과 이산화탄소 플럭스에 대한 정량적인 분석이 필수적이다.
갯벌의 경제적 가치는 $9,900/ha로서 농경지의 100배 이상이며, 오염물질 저감능력 및 탄소저장능력 높고 국내 갯벌의 면적은 전 국토의 2.5% 정도이다.
갯벌과 기후의 관계는 거시규모에서는 대기 중 탄소 배출 차단하여 기후를 조절하고, 미시규모에서는 특정 지역의 대기 온도 및 습도를 조절하여 국지기후를 조절한다.
현재 미국, 유럽 그리고 일본에서는 갯벌의 연구 가치를 인식하고 해양생태분야부터 지구환경분야와 같은 넓은 범위까지 갯벌을 통한 다양한 연구가 진행되고 있다.
일본에서는 갯벌 조간대에서 갯벌 조간대에서 계절별 열플럭스 변화를 관측하였으며, 그 관측결과 여름이 겨울에 비해 열플럭스가 높음을 밝혔다.
아르헨티나에서는 갯벌에서 발생하는 열 교환 과정을 연구하였으며, 갯벌의 열플럭스는 대기와 조수의 조건에 의해 지배됨을 규명하였다.
그리고 중국에서는 하구 습지에서 탄소의 순 생태 교환에 대한 조수 효과를 관측을 통해 밝혔으며, 갯벌 생태계 호흡이 제한되는 밀물 시의 이산화탄소 방출량이 낮음을 밝혔다.
그리고 국내에서는 갯벌에서 이산화탄소 호흡율에 대한 계절별 특성이 순천만과 새만금 방조제 인근 갯벌 등에서 연구되었다.
그리고 갯벌에서 침적층의 깊이에 따른 시공간적 연직 온도를 관측 연구하였다.
한편, 반월만 갯벌에서 수온 분포에 영향을 미치는 열수지를 산정하였으며, 해수 표면을 통한 열의 유출입이나 이류에 의한 열의 수송이 표면에서 저층까지 일정함을 규명하였다.
그러나, 종래에는 갯벌 조간대에서 밀물과 썰물 사이에 발생하는 열과 이산화탄소 플럭스에 대한 연속적인 관측 연구는 수행되지 않았고, 갯벌의 열에너지 수지에 관한 연구는 수행되지 않았다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명은 갯벌 조간대에 설치된 관측 시스템이 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열 환경을 정량적으로 관측하고, 그 관측결과를 기 설정된 수학식에 대입하여 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하며, 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하고, 그 분석결과를 토대로 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석함으로써 미기후 변화에 영향성을 규명할 수 있는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템은, 해안 갯벌의 조간대에 설치되어 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열 환경을 정량적으로 관측한 뒤 그 관측결과를 열 환경 관측 서버에 전송하는 관측 시스템; 및 상기 관측 시스템으로부터 전송받은 관측결과를 기 설정된 수학식에 대입하여 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하고, 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하며, 그 분석결과를 토대로 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석하는 열 환경 관측 서버;를 포함한다.
이때, 상기 관측 시스템은, 3차원 초음파 풍속계, CO2 ?H2O 분석기, 난류 계측기, 토양열 플럭스 측정기, 순복사계, 온도?습도계, 풍향?풍속계, 지표면 온도계, 데이터 로거, 수위?온도?전기전도도 측정기, CO2 가스 측정기를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 열 환경 관측 서버는, 상기 CO2 ?H2O 분석기 및 3차원 초음파 풍속계로부터 CO2 ?H2O 농도 및 U', V', W' 바람의 섭동 성분을 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 의해 이산화탄소 플럭스 수지를 산출한다.
한편, 상기 열 환경 관측 서버는, 상기 순복사계, 토양열 플럭스 측정기, 난류 계측기, 3차원 초음파 풍속계, 온도?습도계, 지표면 온도계 및 풍향?풍속계로부터 순복사 에너지, 토양열 플럭스, 현열 플럭스, 잠열 플럭스, U', V', W' 바람의 섭동 성분, 기온, 습도, 지표면 온도, 풍향 및 풍속을 전송받은 뒤 M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 열 환경 관측 방법은, 해안 갯벌의 조간대에 설치된 관측 시스템이 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열 환경을 정량적으로 관측한 뒤 그 관측결과를 열 환경 관측 서버에 전송하는 (A)단계; 열 환경 관측 서버가 상기 (A)단계에 의해 전송받은 관측결과를 전송받은 뒤, M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출하는 (B)단계; 열 환경 관측 서버가 상기 (A)단계에 의해 전송받은 관측결과를 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 근거하여 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하는 (C)단계; 열 환경 관측 서버가 상기 (B)단계 및 (C)단계의 산출결과를 이용하여 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하는 (D)단계; 및 열 환경 관측 서버가 상기 (D)단계의 분석결과에 근거하여 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석하는 (E)단계;를 포함한다.
이때, 상기 관측 시스템은, 3차원 초음파 풍속계, CO2 ?H2O 분석기, 난류 계측기, 토양열 플럭스 측정기, 순복사계, 온도?습도계, 풍향?풍속계, 지표면 온도계, 데이터 로거, 수위?온도?전기전도도 측정기, CO2 가스 측정기를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 (B)단계는, 열 환경 관측 서버가 상기 순복사계, 토양열 플럭스 측정기, 난류 계측기, 3차원 초음파 풍속계, 온도?습도계, 지표면 온도계 및 풍향?풍속계로부터 순복사 에너지, 토양열 플럭스, 현열 플럭스, 잠열 플럭스, U', V', W' 바람의 섭동 성분, 기온, 습도, 지표면 온도, 풍향 및 풍속을 전송받은 뒤 M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출하는 것이다.
또한, 상기 (C)단계는, 열 환경 관측 서버가 CO2 ?H2O 분석기 및 3차원 초음파 풍속계로부터 CO2 ?H2O 농도 및 U', V', W' 바람의 섭동 성분을 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 의해 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 갯벌 조간대에 설치된 관측 시스템이 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열 환경을 정량적으로 관측하고, 그 관측결과를 기 설정된 수학식에 대입하여 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하며, 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하고, 그 분석결과를 토대로 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석함으로써 미기후 변화에 영향성을 규명할 수 있고, 연안지역의 초단기예보의 기술향상에 기여할 수 있으며, 연안지역의 기상예보 관측시스템 구축 시 기본자료로 활용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 갯벌 조간대의 열과 이산화탄소의 플럭스 관측 자료를 이용하여 갯벌 조간대의 인근 경작지에서 재배 계획을 수립함으로써 경제적인 가치를 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 관측시스템을 통해 갯벌 조간대 지역의 열 플럭스 및 이산화탄소 열 플럭스를 관측하고 그 관측결과를 기 설정된 사용자 단말기에 제공함으로써, 사용자가 그 관측결과를 갯벌 조간대 지역의 기초로 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 갯벌 조간대 지역의 이산화탄소 열 플럭스를 관측하고 그 관측결과를 기 설정된 사용자 단말기에 제공함으로써, 사용자가 그 관측결과를 연안지역의 이산화탄소 흡수 및 방출 총량 산정시 기초자료로 활용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 전체구성을 도시한 시스템도.
도 2는 도 1의 관측 시스템의 구성을 보여주는 모식도.
도 3은 갯벌 조간대에서 열에너지 수지 모식도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 열 환경 관측 서버가 열 에너지 수지를 산출하는 과정을 도시한 순서도.
도 5는 갯벌 생태계 에서의 이산화탄소 순환과정을 보여주는 설명도.
도 6은 본 발명의 토양호흡측정시스템의 구성을 보여주는 모식도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 동작과정을 도시한 순서도.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 전체구성을 도시한 시스템도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 관측 시스템의 구성을 보여주는 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명은 관측 시스템(100)과 열 환경 관측서버(200)를 포함한다.
관측 시스템(100)은 해안 갯벌의 조간대(tidal flat)에 소정 위치에 설치되어 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열 환경을 정량적으로 관측한 뒤 그 관측결과를 열 환경 관측 서버에 전송한다. 이때, 소정 위치란 갯벌 조간대에서 대기, 해수 및 퇴적물의 열환경을 정량적으로 정확하게 관측할 있는 지점을 의미하는 것이다.
이때, 관측 시스템(100)은, 다수의 관측장비를 포함하여 이루어지는데, 그 다수의 관측장비는 3차원 초음파 풍속계(101), CO2 ?H2O 분석기(102), 난류 계측기(103), 토양열 플럭스 측정기(104), 순복사계(105), 온도?습도계(106), 풍향?풍속계(107), 지표면 온도계(108), 데이터 로거(109), 수위?온도?전기전도도 측정기(110), CO2 가스 측정기(111)인 것이 바람직하다.
이하에서는 [표 1]을 통해 관측 시스템의 관측 장비의 기능 및 산출요소에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
관측 장비 기능 산출요소
3차원 초음파 풍속계(101) 난류계측기
(U, V, W 풍속)		 현열 플럭스
잠열 플럭스
CO2 ?H2O 분석기(102) CO2 ?H2O 농도 측정 CO2 플럭스
난류 계측기(103) 난류 계측기 현열 플럭스
토양열 플럭스 측정기(104) 토양열 플럭스 측정 토양열 플럭스
순복사계(105) 순복사계 순복사 플럭스
온도?습도계(106) 온도?습도계 온도?습도
풍향?풍속계(107) 풍향?풍속계 풍향?풍속
지표면 온도계(108) 토양 온도계 토양 온도
데이터 로거(109) - -
수위?온도?전기전도도 측정기(110) 수위?온도?EC 측정 해수의 수위?온도?EC
CO2 가스 측정기(111) CO2 가스 측정 CO2 농도 및 플럭스
한편, 갯벌 조간대에서 밀물 조건에서는 토양열 플럭스 측정기(104), 지표면 온도계(108), CO2 가스 측정기(111)가 사용되고, 썰물 조건에서는 수위?온도?전기전도도 측정기(110)가 사용되는 것이 바람직하다.
그리고 난류 계측기(103)는 레이져의 굴절률을 활용한 방식으로 빔이 통과하는 영역 내의 열 플럭스를 민감하게 측정하기 때문에 공간적인 제약을 받지 않고 두 지점 사이의 공간에 대한 열 플럭스를 직접적으로 측정할 수 있다.
또한, 토양열 플럭스 측정기(Soil plate)(104)는 토양열 플럭스를 직접 측정하는 것이 가능하다.
그리고 순복사계(105)는 순복사 에너지의 상향과 하향에 대한 각각의 장파와 단파의 성분별 관측을 수행한다.
한편, 열 환경 관측 서버(200)는 관측 시스템(100)으로부터 전송받은 관측결과를 기 설정된 수학식에 대입하여 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하고, 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하며, 그 분석결과를 토대로 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석한다.
이때, 상기 열 환경 관측 서버(200)는, 관측 시스템(100)의 순복사계(105), 토양열 플럭스 측정기(104), 난류 계측기(103), 3차원 초음파 풍속계(101), 온도?습도계(106), 지표면 온도계(108) 및 풍향?풍속계(107)로부터 순복사 에너지, 토양열 플럭스, 현열 플럭스, 잠열 플럭스, U', V', W' 바람의 섭동 성분, 기온, 습도, 지표면 온도, 풍향 및 풍속을 전송받은 뒤 M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출한다.
이하에서는 열 환경 관측 서버(200)가 열 에너지 수지를 분석하는 것에 대해 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서는 갯벌의 열 환경에 대한 변동을 정량적으로 분석하기 위해서 열에너지 수지에 대한 성분별 분석을 수행하였다. 지표면에서는 필수적으로 순복사에너지, 현열 플럭스, 잠열 플럭스 및 토양열 플럭스가 존재한다.
도 3에는 갯벌 조간대에서 열에너지 수지 모식도가 도시되어 있다. 지표면의 열에너지 수지는 4개의 에너지 플럭스의 관계를 바탕으로 구성된다. 그리고 캐노피의 존재에 따라 열 저장(△HS)항이 고려되고, 갯벌에서의 열에너지 수지는 [수학식 1]과 같은 형태로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, RN은 순복사에너지 (Net radiation (Wm-2)), QH는 현열 플럭스 (Sensible heat flux (Wm-2)), QG는 토양열 플럭스 (Soil heat flux (Wm-2)), LE는 잠열 플럭스 (Latent heat flux (Wm-2)), QA는 이류열 플럭스 (advective heat flux (Wm-2))이다.
열에너지 수지의 성분과 관계는 시?공간적 변화에 따라 다양한 형태와 경향을 보인다. Beigh에 의하면 갯벌에서는 현열 플럭스보다 잠열 플럭스가 열에너지 수지에서 차지하는 비중이 매우 높게 나타난다는 연구 결과가 제시었다. 이는 갯벌 표면이 밀물 시에는 해수로 포화되어 있고 썰물 시에도 다량의 수분을 함유하고 있기 때문이다.
도 4에는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 열 환경 관측 서버가 열 에너지 수지를 산출하는 과정을 도시한 순서도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 열 환경 관측 서버(200)는 관측 시스템(100)으로부터 수집된 일차적 자료인 3차원 난류 성분을 보정프로그램과 에디 공분산법을 통해서 에너지 수지를 구성하는 열플럭스의 형태로 산출하는 것이다. 이는 OEBMS로 산출된 열 플럭스와 비교 검증된다.
그리고 열 환경 관측 서버(200)는, 상기 CO2 ?H2O 분석기(102) 및 3차원 초음파 풍속계(101)로부터 CO2 ?H2O 농도 및 U', V', W' 바람의 섭동 성분을 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 의해 이산화탄소 플럭스 수지를 산출한다.
이하에서는 열 환경 관측 서버(200)가 이산화탄소 플럭스 수지를 분석하는 것에 대해 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서는 갯벌 조간대에서 대기, 해수, 퇴적물 사이에서 발생하는 이산화탄소 순환 과정을 조수 조건을 고려하여 관측한다. 도 5에는 갯벌 생태계에서의 이산화탄소 순환과정을 보여주는 설명도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 갯벌 조간대에서 이산화탄소의 1차 총생산량(GPP)은 식생(갈대, 수생식물, 식물플랑크톤 등)의 광합성(photosynthesis)과 호흡(respiration)에 의해 결정된다.
이때, 호흡은 이산화탄소를 대기 중으로 방출하는 과정이며, 갯벌 조간대에서는 동물플랑크톤과 미생물의 호흡, 식물의 뿌리호흡 등에 의해 지배된다.
일반적인 생태계 호흡(ecosystem respiration)은 지표면 상부의 식물호흡(aboveground plant respiration)과 토양표면호흡(surface respiration)으로 구분된다.
이때, 토양표면호흡은 지표면하 식물호흡(subsurface plant respiration)과 뿌리호흡(root respiration)으로 구분된다.
본 발명의 열 환경 관측 서버(200)는 갯벌 조간대의 대기, 해수, 퇴적물에서 이산화탄소량과 플럭스를 관측한 후, [수학식 2] 및 [수학식 3]을 이용하여 이산화탄소의 순생태계교환량(net ecosystem exchange)을 산출한다. 상술한 바와 같은 과정에서 갯벌 조간대의 계절별 및 조수 조건을 고려한 이산화탄소 플럭스 수지가 분석되는 것이다.
Figure pat00002
Figure pat00003
이때, [수학식 2]는 이산화탄소 호흡과정 관련 수식이며, [수학식 3]은 이산화탄소 생산량 관련 수식이다. 여기서, Rp는 독립영양체호흡, Ra는 지상식물호흡, Rb는 지표하식물호흡, Rm은 미생물호흡, Rs는 뿌리호흡+미생물호흡, Re는 생태계 호흡, GPP는 1차 총생산량, NPP는 1차 순생산량, NEP는 순생태계 생산량이다.
한편, 본 발명에 이용될 토양호흡측정시스템(soil respiration system)은 이산화탄소의 토양호흡을 측정하기 위해 고안된 폐쇄형 역학 챔버 시스템(closed dynamic chamber system)이다.
상기 토양호흡측정시스템은 도 6에 도시된 바와 같이, 본체(EGM-4)와 토양호흡챔버(SRC-1) 및 토양온도센서(STP-1)로 구성된다.
본체는 Environmental Gas Monitor(EGM-4, PP Systems)이며, 본체에는 이산화탄소량 측정을 위한 적외선가스분석기(infrared gas analyzer; IRGA)가 탑재된다. 그리고 챔버는 Soil respiration chamber(SRC-1, PP Systems)이며, 폐쇄형 역학 챔버이다. 토양온도센서는 Soil temperature probe(STP-1, PP Systems)인 것이 바람직하다.
이때, 이산화탄소의 측정은 적외선 기체 분석법을 이용하며, 마이크로프로세서의 제어를 통해 측정한다. 상술한 바에 따르면, 측정의 정확도가 높은 장점이 있다. 또한, 주기적으로 자동 영점보정(Auto-Zeroing)을 수행하여 최적의 상태를 유지한다.
한편, 폐쇄형 역학 챔버법(closed dynamic chamber method)은 측정이 용이하고 측정 시간이 짧아 토양호흡의 직접적인 관측에 있어서 가장 널리 이용되는 방법이다. 본 발명은 폐쇄형 역학 챔버를 토양에 설치한 후, 챔버 내 이산화탄소의 변화량을 이용하여 토양호흡을 산정한다. 이때, 이산화탄소의 변화율을 이용하여 토양호흡율이 산정되며, 일반적으로 이산화탄소의 토양호흡율 측정은 챔버법이 널리 이용된다.
한편, 챔버가 토양 표면에 설치되면 토양에서 대기로 이산화탄소의 방출(release) 또는 흡수(sequestration)가 발생하며, 이로 인해 챔버 내 이산화탄소 농도의 변화가 발생한다. 시간에 따른 챔버 내 이산화탄소 농도의 변화량을 측정하여, [수학식 4]를 이용하여 이산화탄소의 토양호흡율을 산정한다.
Figure pat00004
여기서, F는 이산화탄소의 토양호흡율, V는 챔버의 체적, △t는 측정 시간 간격, A는 챔버가 설치된 토양의 표면적, Ci는 챔버 내 이산화탄소의 초기농도 Cf는 △t 이후의 이산화탄소 농도이다.
이때, 토양탄소저장 및 토양호흡은 토양 온도, 함수비, 유기탄소량 및 pH 성분 등에 의해 지배된다. 그리고 토양 내 이산화탄소 플럭스의 자취(footprint)는 풍향, 대기안정도(atmospheric stability), 지표면 거칠기(roughness)에 의해 좌우된다.
토양의 샘플지점과 plot size의 개수는 토양/식물 분포, 환경생리학(ecophysiology), 지형(topography)의 불균질성(heterogeneity)을 고려하여야 한다. 토양에서 이산화탄소 방출의 공간적인 변화는 연구부지의 fine root biomass, surface litter, 부식토의 양 및 토양 공극율의 조합에 의해 나타난다.
토양의 이산화탄소 호흡은 식물, 토양, 대기의 조건에 지배되어 지며, 토양의 온도, 함수비 및 유기탄소량과 토양물성이 우선적으로 고려되어야 한다. 특히, 토양 온도는 이산화탄소 호흡의 시ㆍ공간적인 변화에 영향을 미치는 가장 주요한 요인이다. 본 발명에서는 갯벌에서 토양의 온도를 현장 측정하고, 챔버 내 토양의 함수비, 유기탄소량 및 pH 성분을 실내에서 분석한다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 동작과정을 첨부된 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 7에는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 동작과정을 도시한 순서도가 도시되어 있다.
우선, 해안 갯벌의 조간대에 설치된 관측 시스템(100)이 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열 환경을 정량적으로 관측한 뒤(단계 S100), 그 관측결과를 열 환경 관측 서버(200)에 전송한다(단계 S110).
즉, 관측 시스템(100)의 다수의 관측 장비(3차원 초음파 풍속계(101), CO2 ?H2O 분석기(102), 난류 계측기(103), 토양열 플럭스 측정기(104), 순복사계(105), 온도?습도계(106), 풍향?풍속계(107), 지표면 온도계(108), 데이터 로거(109), 수위?온도?전기전도도 측정기(110), CO2 가스 측정기(111))들이 그 장비들이 관측한 관측결과를 열 환경 관측 서버(200)에 전송하는 것이다.
그러면, 열 환경 관측 서버(200)는 단계 S110에 의해 관측시스템의 다수의 관측장비로부터 관측결과를 전송받은 뒤, M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출한다(단계 S120).
좀 더 구체적으로, 열 환경 관측 서버(200)는 상기 순복사계, 토양열 플럭스 측정기, 난류 계측기, 3차원 초음파 풍속계, 온도?습도계, 지표면 온도계 및 풍향?풍속계로부터 순복사 에너지, 토양열 플럭스, 현열 플럭스, 잠열 플럭스, U', V', W' 바람의 섭동 성분, 기온, 습도, 지표면 온도, 풍향 및 풍속을 전송받은 뒤 M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출하는 것이다.
그리고 열 환경 관측 서버(200)는 조석간만에 의한 미기상학적 변동을 정량화 한 뒤, 갯벌에서의 열에너지 수지 변화를 정량화한다(단계 S130).
이후, 열 환경 관측 서버(200)는 단계 S110에 의해 관측시스템의 다수의 관측장비로부터 관측결과를 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 근거하여 이산화탄소 플럭스 수지를 산출한다(단계 S140).
좀 더 구체적으로 열 환경 관측 서버(200)는 CO2 ?H2O 분석기 및 3차원 초음파 풍속계로부터 CO2 ?H2O 농도 및 U', V', W' 바람의 섭동 성분을 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 의해 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하는 것이다. 그리고나서 그 갯벌에서의 이산화탄소 플럭스를 정량화한다(단계 S150).
이후, 열 환경 관측 서버(200)가 상기 단계 S130 및 단계 S150의 정량화된 결과값을 이용하여 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석한다(단계 S160).
이후, 열 환경 관측 서버(200)가 상기 단계 S160의 분석결과에 근거하여 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석한다(단계 S170).
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 연안지역의 미기후 변화예측기술의 향상에 기여할 수 있고, 연안지역의 기상자료 데이터베이스 구축의 기초자료로 사용될 수 있으며, 또한 연안지역의 기상예보 관측 시스템 구축 시 기본 모델로서 기여할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 관측 시스템 101 : 3차원 초음파 풍속계
102 : CO2 ?H2O 분석기 103 : 난류 계측기
104 : 토양열 플럭스 측정기 105 : 순복사계
106 : 온도?습도계 107 : 풍향?풍속계
108 : 지표면 온도계 109 : 데이터 로거
110 : 수위?온도?전기전도도 측정기 111 : CO2 가스 측정기
200 : 열 환경 관측 서버

Claims (8)

  1. 해안 갯벌의 조간대에 설치되어 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열환경을 정량적으로 관측한 뒤 그 관측결과를 열 환경 관측 서버에 전송하는 관측 시스템; 및
    상기 관측 시스템으로부터 전송받은 관측결과를 기 설정된 수학식에 대입하여 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하고, 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하며, 그 분석결과를 토대로 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석하는 열 환경 관측 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 관측 시스템은,
    3차원 초음파 풍속계, CO2 ?H2O 분석기, 난류 계측기, 토양열 플럭스 측정기, 순복사계, 온도?습도계, 풍향?풍속계, 지표면 온도계, 데이터 로거, 수위?온도?전기전도도 측정기, CO2 가스 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열 환경 관측 서버는,
    상기 CO2 ?H2O 분석기 및 3차원 초음파 풍속계로부터 CO2 ?H2O 농도 및 U', V', W' 바람의 섭동 성분을 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 의해 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하는 것을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 열 환경 관측 서버는,
    상기 순복사계, 토양열 플럭스 측정기, 난류 계측기, 3차원 초음파 풍속계, 온도?습도계, 지표면 온도계 및 풍향?풍속계로부터 순복사 에너지, 토양열 플럭스, 현열 플럭스, 잠열 플럭스, U', V', W' 바람의 섭동 성분, 기온, 습도, 지표면 온도, 풍향 및 풍속을 전송받은 뒤 M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출하는 것을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템.
  5. 해안 갯벌의 조간대에 설치된 관측 시스템이 그 갯벌 조간대의 대기, 해수 및 퇴적물의 열환경을 정량적으로 관측한 뒤 그 관측결과를 열 환경 관측 서버에 전송하는 (A)단계;
    열 환경 관측 서버가 상기 (A)단계에 의해 전송받은 관측결과를 전송받은 뒤, M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출하는 (B)단계;
    열 환경 관측 서버가 상기 (A)단계에 의해 전송받은 관측결과를 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 근거하여 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하는 (C)단계;
    열 환경 관측 서버가 상기 (B)단계 및 (C)단계의 산출결과를 이용하여 갯벌의 조수에 따른 열 에너지 수지 및 이산화탄소 플럭스 수지의 상관성을 분석하는 (D)단계; 및
    열 환경 관측 서버가 상기 (D)단계의 분석결과에 근거하여 갯벌 조간대에서 열과 이산화탄소 플럭스에 의한 미기후 변화를 분석하는 (E)단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 열 환경 관측방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 관측 시스템은,
    3차원 초음파 풍속계, CO2 ?H2O 분석기, 난류 계측기, 토양열 플럭스 측정기, 순복사계, 온도?습도계, 풍향?풍속계, 지표면 온도계, 데이터 로거, 수위?온도?전기전도도 측정기, CO2 가스 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 열 환경 관측방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (B)단계는,
    열 환경 관측 서버가 상기 순복사계, 토양열 플럭스 측정기, 난류 계측기, 3차원 초음파 풍속계, 온도?습도계, 지표면 온도계 및 풍향?풍속계로부터 순복사 에너지, 토양열 플럭스, 현열 플럭스, 잠열 플럭스, U', V', W' 바람의 섭동 성분, 기온, 습도, 지표면 온도, 풍향 및 풍속을 전송받은 뒤 M - O 상사이론에 근거하여 열 에너지 수지를 산출하는 것을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 열 환경 관측방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (C)단계는,
    열 환경 관측 서버가 CO2 ?H2O 분석기 및 3차원 초음파 풍속계로부터 CO2 ?H2O 농도 및 U', V', W' 바람의 섭동 성분을 전송받은 뒤, 에디 공분산법에 의해 이산화탄소 플럭스 수지를 산출하는 것임을 특징으로 하는 갯벌 조간대의 열 환경 관측시스템의 열 환경 관측방법.

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