Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.18
no.4
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pp.307-319
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2016
A Land-Atmosphere Modeling Package (LAMP) for supporting agricultural and forest management was developed at the National Center for AgroMeteorology (NCAM). The package is comprised of two components; one is the Weather Research and Forecasting modeling system (WRF) coupled with Noah-Multiparameterization options (Noah-MP) Land Surface Model (LSM) and the other is an offline one-dimensional LSM. The objective of this paper is to briefly describe the two components of the NCAM-LAMP and to evaluate their initial performance. The coupled WRF/Noah-MP system is configured with a parent domain over East Asia and three nested domains with a finest horizontal grid size of 810 m. The innermost domain covers two Gwangneung deciduous and coniferous KoFlux sites (GDK and GCK). The model is integrated for about 8 days with the initial and boundary conditions taken from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) Final Analysis (FNL) data. The verification variables are 2-m air temperature, 10-m wind, 2-m humidity, and surface precipitation for the WRF/Noah-MP coupled system. Skill scores are calculated for each domain and two dynamic vegetation options using the difference between the observed data from the Korea Meteorological Administration (KMA) and the simulated data from the WRF/Noah-MP coupled system. The accuracy of precipitation simulation is examined using a contingency table that is made up of the Probability of Detection (POD) and the Equitable Threat Score (ETS). The standalone LSM simulation is conducted for one year with the original settings and is compared with the KoFlux site observation for net radiation, sensible heat flux, latent heat flux, and soil moisture variables. According to results, the innermost domain (810 m resolution) among all domains showed the minimum root mean square error for 2-m air temperature, 10-m wind, and 2-m humidity. Turning on the dynamic vegetation had a tendency of reducing 10-m wind simulation errors in all domains. The first nested domain (7,290 m resolution) showed the highest precipitation score, but showed little advantage compared with using the dynamic vegetation. On the other hand, the offline one-dimensional Noah-MP LSM simulation captured the site observed pattern and magnitude of radiative fluxes and soil moisture, and it left room for further improvement through supplementing the model input of leaf area index and finding a proper combination of model physics.
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.18
no.4
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pp.233-241
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2016
Experiments were carried out to quantify the topographic effects on attenuation of sunshine in complex terrain and the results are expected to help convert the coarse resolution sunshine duration information provided by the Korea Meteorological Administration (KMA) into a detailed map reflecting the terrain characteristics of mountainous watershed. Hourly shaded relief images for one year, each pixel consisting of 0 to 255 brightness value, were constructed by applying techniques of shadow modeling and skyline analysis to the 3m resolution digital elevation model for an experimental watershed on the southern slope of Mt. Jiri in Korea. By using a bimetal sunshine recorder, sunshine duration was measured at three points with different terrain conditions in the watershed from May 15, 2015 to May 14, 2016. The brightness values of the 3 corresponding pixel points on the shaded relief map were extracted and regressed to the measured sunshine duration, resulting in a brightness-sunshine duration response curve for a clear day. We devised a method to calibrate this curve equation according to sky condition categorized by cloud amount and used it to derive an empirical model for estimating sunshine duration over a complex terrain. When the performance of this model was compared with a conventional scheme for estimating sunshine duration over a horizontal plane, the estimation bias was improved remarkably and the root mean square error for daily sunshine hour was 1.7hr, which is a reduction by 37% from the conventional method. In order to apply this model to a given area, the clear-sky sunshine duration of each pixel should be produced on hourly intervals first, by driving the curve equation with the hourly shaded relief image of the area. Next, the cloud effect is corrected by 3-hourly 'sky condition' of the KMA digital forecast products. Finally, daily sunshine hour can be obtained by accumulating the hourly sunshine duration. A detailed sunshine duration distribution of 3m horizontal resolution was obtained by applying this procedure to the experimental watershed.
Atmospheric nitrogen dioxide (NO2) is mainly caused by anthropogenic emissions. It contributes to the formation of secondary pollutants and ozone through chemical reactions, and adversely affects human health. Although ground stations to monitor NO2 concentrations in real time are operated in Korea, they have a limitation that it is difficult to analyze the spatial distribution of NO2 concentrations, especially over the areas with no stations. Therefore, this study conducted a comparative experiment of spatial interpolation of NO2 concentrations based on two linear-regression methods(i.e., multi linear regression (MLR), and regression kriging (RK)), and two machine learning approaches (i.e., random forest (RF), and support vector regression (SVR)) for the year of 2020. Four approaches were compared using leave-one-out-cross validation (LOOCV). The daily LOOCV results showed that MLR, RK, and SVR produced the average daily index of agreement (IOA) of 0.57, which was higher than that of RF (0.50). The average daily normalized root mean square error of RK was 0.9483%, which was slightly lower than those of the other models. MLR, RK and SVR showed similar seasonal distribution patterns, and the dynamic range of the resultant NO2 concentrations from these three models was similar while that from RF was relatively small. The multivariate linear regression approaches are expected to be a promising method for spatial interpolation of ground-level NO2 concentrations and other parameters in urban areas.
Rice lodging is an annual occurrence caused by typhoons accompanied by strong winds and strong rainfall, resulting in damage relating to pre-harvest sprouting during the ripening period. Thus, rapid estimations of the area of lodged rice are necessary to enable timely responses to damage. To this end, we obtained images related to rice lodging using a drone in Gimje, Buan, and Gunsan, which were converted to 128 × 128 pixels images. A convolutional neural network (CNN) model, a deep learning model based on these images, was used to predict rice lodging, which was classified into two types (lodging and non-lodging), and the images were divided in a 8:2 ratio into a training set and a validation set. The CNN model was layered and trained using three optimizers (Adam, Rmsprop, and SGD). The area of rice lodging was evaluated for the three fields using the obtained data, with the exception of the training set and validation set. The images were combined to give composites images of the entire fields using Metashape, and these images were divided into 128 × 128 pixels. Lodging in the divided images was predicted using the trained CNN model, and the extent of lodging was calculated by multiplying the ratio of the total number of field images by the number of lodging images by the area of the entire field. The results for the training and validation sets showed that accuracy increased with a progression in learning and eventually reached a level greater than 0.919. The results obtained for each of the three fields showed high accuracy with respect to all optimizers, among which, Adam showed the highest accuracy (normalized root mean square error: 2.73%). On the basis of the findings of this study, it is anticipated that the area of lodged rice can be rapidly predicted using deep learning.
Ocean salinity affects ocean circulation on a global scale and low salinity water around coastal areas often has an impact on aquaculture and fisheries. Microwave satellite sensors (e.g., Soil Moisture Active Passive [SMAP]) have provided sea surface salinity (SSS) based on the dielectric characteristics of water associated with SSS and sea surface temperature (SST). In this study, a Light Gradient Boosting Machine (LGBM)-based model for generating high resolution SSS from Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) data was proposed, having machine learning-based improved SMAP SSS by Jang et al. (2022) as reference data (SMAP SSS (Jang)). Three schemes with different input variables were tested, and scheme 3 with all variables including Multi-scale Ultra-high Resolution SST yielded the best performance (coefficient of determination = 0.60, root mean square error = 0.91 psu). The proposed LGBM-based GOCI SSS had a similar spatiotemporal pattern with SMAP SSS (Jang), with much higher spatial resolution even in coastal areas, where SMAP SSS (Jang) was not available. In addition, when tested for the great flood occurred in Southern China in August 2020, GOCI SSS well simulated the spatial and temporal change of Changjiang Diluted Water. This research provided a potential that optical satellite data can be used to generate high resolution SSS associated with the improved microwave-based SSS especially in coastal areas.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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