본 연구는 앙상블 칼만 필터 (EnKF) 기반의 대기 역모델링 (atmospheric inverse modeling) 시스템인 탄소추적시스템 (CarbonTracker)을 이용하여 아시아 지역의 지표면 탄소 플럭스를 추정함에 있어 그 정확도를 높이고 모델 결과를 검증하기 위해 수행되었다. 대기 역모델링 방법은 대기 중 이산화탄소 몰농도 관측 자료로부터 대기 수송 모델을 사용하여 지표면 탄소 플럭스를 역으로 추정하는 방법이다. 역모델링 방법은 제한된 관측 자료로부터 효과적인 플럭스 추정을 가능하게 하며, 육지와 해양 플럭스에 대한 합리적인 결과를 얻을 수 있음이 알려져 있다.
탄소추적시스템에서 사용되는 앙상블 칼만 필터 자료동화 방법에서는 자료동화 매개변수 (e.g., 동화 기간, 앙상블 수)의 설정이 결과에 영향을 준다. 현재 탄소추적시스템을 이용해 아시아 지역에 대해 수행된 연구에서는 탄소추적시스템이 먼저 적용된 북미와 유럽 지역의 설정을 따라 동화 기간 5주, 앙상블 수 150개의 설정을 따르고 있다. 하지만, 북미와 유럽 지역은 아시아 지역에 비해 관측자료가 조밀하게 분포한 지역이기 때문에 아시아 지역에 적합한 자료동화 매개변수에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 먼저, 아시아 지역에 적합한 자료동화 매개변수 설정 값을 찾기 위해 여러 가지 설정의 실험을 수행하고 자료동화에 사용되지 않은 관측 자료와 비교를 통해 결과를 검증하였다. 동화 기간 3, 5, 7, 10 주의 4가지 설정과 앙상블 수 100, 150, 300 개의 3가지 설정을 조합하여 총 12개 실험을 수행하였다. 본 연구에서 아시아 지역은 Transcom 지역 구분에 따라 Eurasian Boreal (EB), Eurasian Temperate (ET), Tropical Asia (TA) 지역으로 구성된다. 아시아 지역의 지표면 탄소 플럭스는 실험 설정에 민감한 편이였으며, 실험 간 차이는 EB, ET, TA 순으로 컸고 겨울보다 여름에 컸다. 최적화된 지표면 탄소 플럭스에 대한 불확실성은 앙상블 수가 클수록, 동화 기간이 짧을수록 컸다. 자료동화에 사용되지 않은 4곳의 독립적 관측 자료와 비교하여 검증한 결과 동화 기간 10주, 앙상블 수 300개의 설정이 아시아 지역에 가장 적합하였다.
또한, 보다 심층적인 분석을 위해 탄소추적시스템을 통해 추정된 대기 중 이산화탄소 농도를 항공 관측 자료인 CONTRAIL (Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner) CO2 자료와 비교하여 모의된 결과를 검증하고 특성을 분석하였다. CONTRAIL 프로젝트는 상업용 항공기를 이용해 온실 기체를 관측하는 것을 목표로 2005년 후반에 시작되었으며, 자료의 신뢰도가 높아 역모델링 결과를 검증하기 위한 비교 자료로 사용하기에 적합하다. 전반적으로, 모의된 이산화탄소 농도는 관측된 이산화탄소 농도 값과 잘 맞았고, 약간의 양의 편향이 존재하여 모의된 이산화탄소 농도가 관측된 이산화탄소 농도에 비해 높은 편이었다. 항공기의 비행 경로를 따른 이산화탄소 농도의 수평 분포를 보면, 유라시아 대륙 북부에서 계절 별 모델-관측 간 차이의 변동성이 가장 컸는데, 성층권 이산화탄소 농도의 계절 변동성이 대류권에 비해 상 이동 (phase shift)이 존재하며 그 진폭 또한 작아 모의하기가 어려울 뿐만 아니라, 높은 고도에서 모델의 연직 해상도가 낮아 성층권 이산화탄소 농도를 충분히 모의하지 못하기 때문에 이러한 차이가 발생한 것으로 추측된다. 또한 북반구 여름철에 모델-관측 간 차이가 컸다. 결론적으로, 고위도 부근과 북반구 여름철에 상대적으로 모델-관측 간 차이가 컸지만 전반적으로는 모델에서 모의한 이산화탄소 농도 결과와 관측 값이 잘 맞았다. 연직 분포를 보면, 모든 공항에서 모델이 관측에 비해 이산화탄소 농도를 과대 모의하여 양의 편향이 존재하였고, 40°N 이상 위도 대에 위치한 공항에서는 고도가 높아짐에 따라 양의 편향이 점차 증가하였다. 반면, 그 외 공항에서는 전 고도에서 모델-관측 차이가 거의 일정하였는데, 이는 모델이 지표로부터 상층으로 이산화탄소가 수송되는 과정을 잘 모의하고 있음을 의미한다. NRT (나리타 공항)에서 연직 시계열 자료를 분석한 결과 고도가 높아질수록 모델-관측 간 상관 관계가 감소하였고, 특히 225 hPa 이상 고도에서 모델-관측 간 차이가 상대적으로 컸다. 같은 위도 대에서 내륙 지역에 위치한 DEL (델리 공항)과 태평양 한가운데 위치한 HNL (호놀룰루 공항)에서 이산화탄소 농도의 연직 분포를 비교한 결과, HNL에 비해 DEL에서 모델-관측 간 차이가 훨씬 컸다. 이는 균질한 해양 지역에 비해 다양한 영향 (e.g., 식생의 영향)이 존재하는 복잡한 내륙 지역에서 대기 중 이산화탄소 농도 모의가 더 어렵다는 것을 의미한다.

This study was conducted to validate and improve the accuracy of the modeled results obtained using CarbonTracker, an atmospheric inverse modeling system based on the ensemble Kalman filter, for estimating surface CO2 fluxes in Asia. In inverse modeling system, surface CO2 flux is estimated inversely from atmospheric CO2 concentrations using atmospheric transport model. Inverse modeling enables the effective estimation from limited observations and reasonable results about land and ocean fluxes.
In ensemble Kalman filter used in CarbonTracker, configuration of data assimilation parameters affects the results. Previous studies about CarbonTracker applied in Asia used 5-week assimilation window and 150 ensemble members following the configurations in North America and Europe where CarbonTracker was applied first. However, those regions have dense observations compared with Asia where observations are sparsely distributed, which implies the necessity of the research for Asia region. Therefore, several experiments with different parameter configurations were conducted and the results were verified based on comparisons with independent observations that were not used for data assimilation to find the optimal parameters for Asian region. The assimilation window lengths tested were 3, 5, 7, and 10 weeks and the ensemble sizes were 100, 150, and 300. Therefore, a total of 12 experiments using combinations of these parameters were conducted. In this study, Asian region consists of Eurasian Boreal (EB), Eurasian Temperate (ET), and Tropical Asia (TA) in Transcom regions. The optimized surface CO2 fluxes in Asia are sensitive to experimental settings. Differences between the optimized surface CO2 fluxes of the experiments were largest in EB region, followed by ET and TA and were larger in boreal summer than in boreal winter. The larger the ensemble size and the shorter the assimilation window length, the larger the uncertainty of optimized surface CO2 fluxes. The 10-week assimilation window and 300 ensemble sizes were the optimal configuration for CarbonTracker in the Asian region based on verification with four independent observations.
Moreover, the atmospheric CO2 concentrations estimated by CarbonTracker were compared with CO2 measurements from the Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner (CONTRAIL) project to validate and characterize the modeled results. CONTRAIL project was started in late 2005 to measure greenhouse gases using commercial airlines. Observation data from CONTRAIL project is appropriate to be used for verifying inverse modeling results because of its high reliability. Overall, the modeled results represented the atmospheric CO2 concentrations well with a slight overestimation compared to observations. In the case of horizontal distribution, variations in the model and observation difference were large in northern Eurasia because most of the model and data mismatch were located in the stratosphere where the model could not represent CO2 variations well enough due to low vertical resolution at high altitude and existing phase shift from the troposphere. In addition, the model and observation difference became larger in boreal summer. Despite relatively large differences at high latitudes and in boreal summer, overall, the modeled CO2 concentrations fitted well with observations. Vertical profiles of modeled and observed CO2 concentrations showed that the model overestimated the observations at all airports and the extent of the overestimation increased with higher altitudes at airports located above 40°N. Differences between modeled and observed CO2 concentrations were nearly constant at all altitudes for other airports, which implied that the surface CO2 concentration is transported well vertically in the transport model. At Narita, overall differences were small, although the correlation between modeled and observed CO2 concentrations decreased at higher altitude, showing relatively large differences above 225hPa. The vertical profiles at Moscow and Delhi located on land and at Hawaii on the ocean showed that the model is less accurate on land than on the ocean due to various effects (e.g., biospheric effect) on land compared to the homogeneous ocean surface.