Errors in Net Ecosystem Exchanges of CO2, Water Vapor, and Heat Caused by Storage Fluxes Calculated by Single-level Scalar Measurements Over a Rice Paddy

Abstract

에디 공분산 방법(eddy covariance method)을 이용한 이산화탄소($CO_2$), 수증기($H_2O$), 현열(sensible heat)의 순생태계과환량[net ecosystem exchange (NEE)]은 에디 플럭스(eddy flux, $F_c$)와 저장 플럭스(storage flux, $F_s$)의 합으로 어림한다. 스칼라의 흡원과 발원의 세기와 분포, 연직 난류 혼합의 정도에 따라 스칼라의 변화율은 높이에 따라 다르게 나타난다. 따라서 정확한 $F_s$를 얻기 위해서는 프로파일 시스템을 운용하여 높이에 따라 달라지는 스칼라의 변화율을 고려하여야 한다. 하지만 아시아의 대부분의 농경지 관측지에서는 프로파일 시스템을 운용하지 않고, $F_c$ 관측 지점과 지면 사이에서 높이와 관계없이 스칼라 변화율이 동일하다는 가정하에 에디 공분산 시스템에서 관측되는 스칼라 변화율 만으로 $F_s$를 산정한다. 본 연구에서는 논에서 에디 공분산 관측 높이에서 측정된 $F_s$(프로파일 시스템에서 관측된 단일 높이의 스칼라만을 이용한 $F_s$, $F_s_{-single}$)와 프로파일 관측(에디 공분산 관측지점과 지면 사이의 여러 높이에서 스칼라 관측)을 이용한 FS와의 차이를 정량화하고, $F_s_{-single}$로 NEE를 산정할 때 발생하는 오차를 확인하기 위해, 경기도 여주에 위치한 청미천 농경지 플럭스 관측지(Chengmicheon Farmland Korea, CFK)에서 에디공분산 방법과 프로파일 시스템을 이용해 $CO_2$, $H_2O$, 기온($T_a$)의 $F_c$와 $F_s$를 측정하였다. $CO_2$, $H_2O$, $T_a$는 흡원과 발원의 강도와 분포, 대기 경계층의 안정도에 따라 높이별로 변화율이 달랐고, 그 결과 $F_s_{-single}$은 $F_s$를 과소 또는 과대 평가하였다[특히, 해질 녘과 해 뜰 녘(0430-0800h와 1630-2000h)에 $CO_2$의 $F_s$를 평균 21% 과소평가]. $F_s_{-single}$로 인해 발생하는 NEE 계산의 오차는 $F_{CO_2}$의 경우, 하루 중 시간에 따라 밤(2030-0400h), 해 질 녘과 해 뜰 녘에 각각 평균적으로 3%, 2%씩 $F_{CO_2}$를 과소평가했다. 이러한 차이는 $F_{CO_2}$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 $CO_2$ ($F_{CO_2}$), $H_2O$ (LE), and sensible heat (H) can be approximated as the sum of eddy flux ($F_c$) and storage flux term ($F_s$). 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 $F_s$ 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 $F_s$ 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 $F_c$ and $F_s$ of $CO_2$, $H_2O$, and air temperature ($T_a$) 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 $F_s$ calculated by single-level measurements ($F_s_{-single}$ i.e., $F_s$ from scalars measured by profile system only at eddy covariance system measurement height) and $F_s$ calculated by profile measurements and verify the errors of NEE caused by $F_s_{-single}$. The rate of change in $CO_2$, $H_2O$, 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, $F_s_{-single}$ underestimated or overestimated $F_s$ (especially 21% underestimation in $F_s$ of $CO_2$ around sunrise and sunset (0430-0800 h and 1630-2000 h)). For $F_{CO_2}$, the errors in $F_s_{-single}$ generated 3% and 2% underestimation of $F_{CO_2}$ during nighttime (2030-0400 h) and around sunrise and sunset, respectively. In the process of nighttime correction and partitioning of $F_{CO_2}$, 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 $F_s_{-single}$, irrespective of time.

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