The Evaluation of Meteorological Inputs retrieved from MODIS for Estimation of Gross Primary Productivity in the US Corn Belt Region

MODIS 위성 영상 기반의 일차생산성 알고리즘 입력 기상 자료의 신뢰도 평가: 미국 Corn Belt 지역을 중심으로

Investigation of the $CO_2$ exchange between biosphere and atmosphere at regional, continental, and global scales can be directed to combining remote sensing with carbon cycle process to estimate vegetation productivity. NASA Earth Observing System (EOS) currently produces a regular global estimate of gross primary productivity (GPP) and annual net primary productivity (NPP) of the entire terrestrial earth surface at 1 km spatial resolution. While the MODIS GPP algorithm uses meteorological data provided by the NASA Data Assimilation Office (DAO), the sub-pixel heterogeneity or complex terrain are generally reflected due to coarse spatial resolutions of the DAO data (a resolution of $1{\circ}\;{\times}\;1.25{\circ}$). In this study, we estimated inputs retrieved from MODIS products of the AQUA and TERRA satellites with 5 km spatial resolution for the purpose of finer GPP and/or NPP determinations. The derivatives included temperature, VPD, and solar radiation. Seven AmeriFlux data located in the Corn Belt region were obtained to use for evaluation of the input data from MODIS. MODIS-derived air temperature values showed a good agreement with ground-based observations. The mean error (ME) and coefficient of correlation (R) ranged from $-0.9^{\circ}C$ to $+5.2^{\circ}C$ and from 0.83 to 0.98, respectively. VPD somewhat coarsely agreed with tower observations (ME = -183.8 Pa ~ +382.1 Pa; R = 0.51 ~ 0.92). While MODIS-derived shortwave radiation showed a good correlation with observations, it was slightly overestimated (ME = -0.4 MJ $day^{-1}$ ~ +7.9 MJ $day^{-1}$; R = 0.67 ~ 0.97). Our results indicate that the use of inputs derived MODIS atmosphere and land products can provide a useful tool for estimating crop GPP.

다양한 공간규모에 대해서 식생의 생산성을 추정하기 위해 대기와 생태계내의 탄소순환 과정을 모니터링 하는 것은 탄소순환과정과 원격탐사기법을 결합함으로써 기능하다. 그 대표적인 예로서 미국 항공우주국(NASA)에서 개발한 지구관측시스템(Earth Observing System, EOS)은 총 일차생산성 (Gross Primary Productivity, GPP), 순 일차생산성 (Net Primary Productivity, NPP)을 전 지구에 대해 1km의 공간해상도로 제공한다. 그러나 MODIS의 생산성 추정에 기상입력자료로 이용되는 The NASA Data Assimilation Office (DAO)자료는 $1{\circ}\;{\times}\;1.25{\circ}$의 거친 해상도를 가지기 때문에 지역규모에서 지표기상의 상세한 공간적인 이질성을 반영하기 어렵다. 본 연구에서는 MODIS의 Aqua와 Terra 위성의 영상만을 이용하여 생산성을 추정하기 위한 입력자료로 사용되는 일 단위 일사량(MJ $day^{-1}$), 열 최저기온($^{\circ}C$, 낮 시간 평균 대기수증기압 포차(Yapor Pressure Deficit, Pa)을 5 km 해상도로 각각 추정하였다. 각각의 입력자료의 평가를 위해 미국 중서부 Corn Belt 지역 내에 위치하고 있는 7 개소의 지상기반의 관측자료를 수집하였다. MODIS 위성영상을 이용하여 추정한 기상입력자료와 관측자료를 비교한 결과, 일 최저기온은 ME와 상관계수가 각각 0.83에서 0.98, $-0.9^{\circ}C$ 에서 $+5.2^{\circ}C$ 의 범위로 양호한 상관성을 보였다. VPD는 약간 산개하는 경향을 보인다(ME = -183.8 Pa ~ +382.1 Pa; R = 0.51 ~ 0.92). 반면에, 일 단위 일사량은 MODIS가 약간 과대평가하는 경향을 보였지만 대부분의 지역에서 관측자료와 유의한 일치도를 보였다(ME = -0.4 MJ $day^{-1}$ +7.9 MJ $day^{-1}$; R = 0 67 ~ 0.97). 본 연구에서는 맑은 날에 대해서 MODIS 위성영상으로부터 추정된 기상입력자료가 MODIS가 제공하는 기상입력자료보다 상세한 지표 기상의 이질성을 반영한 자료를 생산할 수 있음을 확인하였다.