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JOURNAL OF THE KOREAN EARTH SCIENCE SOCIETY

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수록정보
수록범위 : 1권1호(1979)~40권5호(2019) |수록논문 수 : 2,074
한국지구과학회지
40권5호(2019년 10월) 수록논문
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1인공위성 합성개구레이더 영상 자료의 해양 활용 - 해상풍 산출을 중심으로 -

저자 : 장재철 ( Jae-cheol Jang ) , 박경애 ( Kyung-ae Park )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 40권 5호 발행 연도 : 2019 페이지 : pp. 447-463 (17 pages)

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해상풍은 해양 현상을 이해하고, 지구 온난화에 의한 지구 환경의 변화를 분석하기 위한 필수 요소이다. 전세계 연구 기관은 해상풍을 정확하고 지속적으로 관측하기 위해 산란계(scatterometer)를 개발하여 운영해오고 있으며, 정확도는 풍향이 ±20°, 풍속이 ±2 m s-1 안팎이다. 하지만, 산란계의 해상도는 12.5-25.0 km로, 해안선이 복잡하고 섬이 많은 한반도 근해에서는 자료의 결측이 빈번하게 발생하여 활용도가 감소한다. 그에 반해, Synthetic Aperture Radar (SAR, 합성개구레이더)는 마이크로파를 활용하는 전천후 센서로, 1 km 이하의 고해상도 해상풍이 산출이 가능하여 산란계의 단점 보완이 가능하다. 본 연구에서는 일반적으로 활용되는 SAR 자료 기반 해상풍 산출 알고리즘인 Geophysical Model Function (GMF, 지구 물리 모델 함수)를 밴드별로 분류하여 조사하였다. 상대 풍향, 입사각, 풍속에 따른 후방산란계수를 L-band Model (LMOD, L 밴드 모델), C-band Model (CMOD, C 밴드 모델), X-band Model (XMOD, X 밴드 모델)에 적용하여 모의하였고, 각 GMF의 특성을 분석하였다. 이러한 GMF를 SAR 탑재 인공위성 자료에 적용하여 산출한 해상풍의 정확도 검증 연구에 대해 조사하였다. SAR 자료 기반 해상풍의 정확도는 영상 관측 모드, 적용한 GMF의 종류, 정확도 비교 기준 자료, SAR 자료 전처리 방법, 상대 풍향 정보 산출 방법 등에 따라 변하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 국내 연구자들의 SAR 자료 기반 해상풍 산출 방법에 대한 접근성이 향상되고, 고해상도 해상풍 자료를 활용한 한반도 근해 분석에 이바지할 것으로 기대된다.


Sea surface wind is a fundamental element for understanding the oceanic phenomena and for analyzing changes of the Earth environment caused by global warming. Global research institutes have developed and operated scatterometers to accurately and continuously observe the sea surface wind, with the accuracy of approximately ±20˚ for wind direction and ±2 m s-1 for wind speed. Given that the spatial resolution of the scatterometer is 12.5-25.0 km, the applicability of the data to the coastal area is limited due to complicated coastal lines and many islands around the Korean Peninsula. In contrast, Synthetic Aperture Radar (SAR), one of microwave sensors, is an all-weather instrument, which enables us to retrieve sea surface wind with high resolution (<1 km) and compensate the sparse resolution of the scatterometer. In this study, we investigated the Geophysical Model Functions (GMF), which are the algorithms for retrieval of sea surface wind speed from the SAR data depending on each band such as C-, L-, or X-band radar. We reviewed in the simulation of the backscattering coefficients for relative wind direction, incidence angle, and wind speed by applying LMOD, CMOD, and XMOD model functions, and analyzed the characteristics of each GMF. We investigated previous studies about the validation of wind speed from the SAR data using these GMFs. The accuracy of sea surface wind from SAR data changed with respect to observation mode, GMF type, reference data for validation, preprocessing method, and the method for calculation of relative wind direction. It is expected that this study contributes to the potential users of SAR images who retrieve wind speeds from SAR data at the coastal region around the Korean Peninsula.

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2DSLR 카메라를 이용한 도심지의 밤하늘 밝기 측정

저자 : 이동섭 ( Dongseob Lee ) , 심현진 ( Hyunjin Shim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 40권 5호 발행 연도 : 2019 페이지 : pp. 464-475 (12 pages)

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대부분의 중·고등학교가 도심지에 위치하며 사용할 수 있는 천문 관측 장비에 제한이 있다는 점을 고려하여 DSLR 카메라와 교육용 소형 망원경을 결합하여 도심지 밤하늘 밝기를 측정하였다. DSLR 카메라의 다양한 설정은 ISO 설정 외에는 원본 파일에 영향을 주지 않았으며, 필터 변환까지 고려한 일반적인 측광 정밀도는 대략 0.1 등급이다. 밤하늘 밝기는 천정 부근의 경우 B, V, r 필터에서 각각 약 17.5, 17.1, 16.9 mag arcsec-2으로 측정되었다. 이를 통해 도심지의 대략적인 한계등급은 B 필터에서 17.5 등급, V와 r 필터에서 17등급으로 추정할 수 있다. 관측지점과 가까운 대규모 인공 조명은 고도와 필터에 무관하게 밤하늘 밝기를 약 0.6 mag arcsec-2 증가시킴으로써 관측 환경을 악화시키는 주요인으로 나타났다.


We measured night sky brightness (NSB) over the downtown using a Digital Single Lens Reflex (DSLR) camera combined to a small telescope for educational purpose, considering that most secondary schools are located in urban areas and have limitation in the equipment for astronomical observation. Raw format images from DSLR camera are not affected by various camera settings except for the ISO, and the typical photometric uncertainty including filter transformation is about 0.1 mag. Near the zenith, the NSB of the B, V, and r-band is 17.5, 17.1, and 16.9 mag arcsec-2, respectively. The approximate limiting magnitude is derived to be 17.5 mag at B-band and 17 mag at V, r-band. A large scale artificial light close to the observation site is the dominant cause for making observing condition worse, increasing the NSB by 0.6 mag arcseec-2 regardless of the altitude and filter.

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3Dominant Synoptic Patterns Controlling PM10 Spatial Variabilities over the Korean Peninsula

저자 : Hyo-jin Park , Jieun Wie , Byung-kwon Moon

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 40권 5호 발행 연도 : 2019 페이지 : pp. 476-486 (11 pages)

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This study examines the controlling role of synoptic disturbances on PM10 spring variability in the Korean Peninsula by using empirical orthogonal function (EOF) and back trajectory analyses. Three leading EOF modes are identified, and a lead-lag analysis suggests that PM10 variabilities be closely related to the synoptic weather systems. The first EOF shows the spatially homogeneous distribution of PM10, which is influenced by travelling anticyclonic disturbance with negative precipitation and descending motion. The second and third modes exhibit the dipole structures of PM10, being associated with propagating cyclones. Furthermore, the back-trajectory analysis suggests that the transport of pollutants by anomalous winds associated with synoptic disturbances also contribute to the altered PM10 concentration. Hence, a substantial synoptic control should be considered in order to fully understand the PM10 spatiotemporal variability.

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4Steric Sea Level Variability in the East Asian Seas estimated from Ocean Reanalysis Intercomparison Project Data

저자 : You-soon Chang , Min-ji Kang

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 40권 5호 발행 연도 : 2019 페이지 : pp. 487-501 (15 pages)

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In this study, steric height variability in the East Asian Seas (EAS) has been analyzed by using ocean reanalysis intercomparison project (ORA-IP) data. Results show that there are significant correlations between ocean reanalysis and satellite data except the phase of annual cycle and interannual signals of the Yellow Sea. Reanalysis ensemble derived from 15-different assimilation systems depicts higher correlation (0.706) than objective analysis ensemble (0.296) in the EAS. This correlation coefficient is also much higher than that of the global ocean (0.441). For the longterm variability of the thermosteric sea level during 1993-2010, a significant warming trend is found in the East/Japan Sea, while cooling trend is shown around the Kuroshio extension area. For the halosteric sea level, a dominant freshening trend is found in the EAS. However, below 300 m depth around this area, the signal-to-noise ratio of the linear trend is generally less than one, which is related to the low density of observation data.

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5인공위성 SAR 영상 기반 태풍 중심 산정

저자 : 정준범 ( Jun-beom Jung ) , 박경애 ( Kyung-ae Park ) , 변도성 ( Do-seong Byun ) , 정광영 ( Kwang-yeong Jeong ) , 이은일 ( Eunil Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 40권 5호 발행 연도 : 2019 페이지 : pp. 502-517 (16 pages)

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지구온난화와 급속한 기후 변화는 북서 태평양 내 태풍의 특성에 오랫동안 영향을 미쳤고, 이로 인해 한반도 연안에서 치명적인 재해가 증가하고 있다. 마이크로파 센서의 일종인 Synthetic Aperature Radar (SAR)는 위성 광학 및 적외선 센서로는 바람을 구할 수 없는, 흐린 대기 조건인 태풍 주위에서 고해상도 바람장을 생산할 수 있다. SAR 자료로부터 해상풍을 산출하기 위한 Geophysical Model Functions (GMFs)에는 풍향 입력이 필수적이며, 이는 태풍 중심을 정확히 추정하는 것에 기반해야 한다. 본 연구는 태풍 중심 탐지 방법의 문제점을 개선하고 이를 해상풍 산출에 반영하기 위하여, Sentinel-1A 영상을 이용해 태풍 중심을 추정하였다. 그 결과는 한국 및 일본 기상청이 제공한 태풍 경로자료와 비교하여 검증하였고, Himawari-8 위성의 적외 영상도 활용하여 검증하였다. 태풍의 초기 중심 위치는 VH 편파를 이용해 설정하여 오차의 발생 가능성을 줄였다. 탐지된 중심은 한국 및 일본 기상청에서 제공하는 4개 태풍의 경로 자료와 평균 23.76 km의 차이를 보였다. Himawari-8 위성에서 추정된 태풍 중심에 비교했을 때 결과는 육지 근처에 위치하면서 58.73 km의 큰 차이를 보인 한 태풍을 제외하고는 평균 11.80 km의 공간 변이를 보였다. 이는 고해상도 SAR 영상이 태풍 중심을 추정하고 태풍 주위 해상풍 산출에 활용될 수 있음을 시사한다.


Global warming and rapid climate change have long affected the characteristics of typhoons in the Northwest Pacific, which has induced increasing devastating disasters along the coastal regions of the Korean peninsula. Synthetic Aperature Radar (SAR), as one of the microwave sensors, makes it possible to produce high-resolution sea surface wind field around the typhoon under cloudy atmospheric conditions, which has been impossible to obtain the winds from satellite optical and infrared sensors. The Geophysical Model Functions (GMFs) for sea surface wind retrieval from SAR data requires the input of wind direction, which should be based on the accurate estimation of the center of the typhoon. This study estimated the typhoon centers using Sentinel-1A images to improve the problem of typhoon center detection method and to reflect it in retrieving the sea surface wind. The results were validated by comparing with the typhoon best track data provided by the Korea Meteorological Administration (KMA) and Japan Meteorological Agency (JMA), and also by using infrared images of Himawari-8 satellite. The initial center position of the typhoon was determined by using VH polarization, thereby reducing the possibility of error. The detected center showed a difference of 23.76 km on average with the best track data of the four typhoons provided by the KMA and JMA. Compared to the typhoon center estimated by Himawari-8 satellite, the results showed an average spatial variation of 11.80 km except one typhoon located near land with a large difference of 58.73 km. This result suggests that high-resolution SAR images can be used to estimate the center and retrieve sea surface wind around typhoons.

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6수학과 연계한 장소기반 지구과학 프로그램에 대한 교육봉사활동 사례 연구: 지구의 크기 측정

저자 : 유은정 ( Eun-jeong Yu ) , 김경화 ( Kyung Hwa Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 40권 5호 발행 연도 : 2019 페이지 : pp. 518-537 (20 pages)

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본 연구는 중학교 교육과정에서 수학과 연계된 지구과학 실험 중 지구의 크기 측정을 중심으로 총 30시간 동안 지구과학 교육봉사 활동에 참여한 예비 지구과학교사와 중학생들에게 본 프로그램이 주는 의미를 살펴보고 혁신적 수업으로의 가능성을 탐색해 보았다. 중학교 과학 교과서에 소개된 고대 그리스 시대 에라토스테네스의 그림자 길이를 이용한 지구 크기 측정 실험에서 나타나는 오차를 최소화하기 위하여, 멀리 떨어진 수도권과 지방의 두 개의 중학교에서 삼각비를 이용한 탐구 활동을 수행 한 후, 실측한 자료를 두 학교 학생들이 공유하여 지구의 크기를 최종적으로 계산하였다. 이 과정을 통해 실측 자료를 효과적으로 표현하는 수학적 방법을 배우며, 반복적이고 정확한 자료 획득 과정의 중요성과 어려움을 체험하고, 도출된 결과에 포함된 오차의 원인들에 대해 토론하였다. 본 연구 결과는 학생들이 지구과학 탐구의 특성을 이해하고, 2015 개정 교육과정에서 과학과 수학교과에서 공통적으로 강조하고 있는 교과 역량인 문제 해결력, 사고력, 의사소통 능력을 함양할 수 있는 수학·과학 통합 프로그램 개발에 기초 자료를 제공할 것이다.


This study examined the implications of a place-based earth science program integrated with Mathematics. 11 pre-service earth science teachers and 22 middle school students participated in the service education activities of earth science for 30 hours focusing on the measurement of the earth's size through earth science experiments as part of the middle school curriculum. In order to minimize errors that may occur during the earth's size measurement experiments using Eratosthenes's shadows length method of the ancient Greek era, the actual data were collected after triangulation ratios were conducted in the locations of two middle schools: one in remote metropolitan and the other in rural area. The two schools' students shared the final estimate result. Through this process, they learned the mathematical method to express the actual data effectively. Participants, experienced the importance and difficulty of the repetitive and accurate data acquisition process, and also discussed the causes of errors included in the final results. It implies that a Place-Based Earth Science Program activity can contribute to students' increased-understanding of the characteristics of earth science inquiry and to developing their problem solving skills, thinking ability, and communication skills as well, which are commonly emphasized in science and mathematics in the 2015 reunion curriculum. It is expected that a place-based science program can provide a foundation for developing an integrated curriculum of mathematics and science.

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7현직 및 예비 지구과학교사의 '별의 진화'에 대한 개념 이해 분석

저자 : 하민경 ( Min-kyoung Ha ) , 손정주 ( Jungjoo Sohn )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 40권 5호 발행 연도 : 2019 페이지 : pp. 538-547 (10 pages)

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본 연구는 현직 및 예비 지구과학교사의 H-R도와 별의 진화에 대한 개념 이해 상태를 알아보기 위해 개념 지위 분석틀을 활용하여 수행하였다. 이해 가능성 영역에서 현직교사의 비과학적 용어 사용이 다수 발견되었고, 그래프작성에서 낮은 과학적 탐구 능력과 개념에 대한 비과학적 비유가 발견되어 교수 과정에서 잘못된 개념 전달의 가능성이 확인되었다. 예비교사는 중등교육과정 연계 문항에서 다수의 오류를 보였으며, 이와 관련하여 학교 현장에 적용이 더 잘 될 수 있도록 예비교사 교육 과정의 개선이 필요하겠다. 개연성 영역에서, 두 집단 모두 별의 진화가 갖는 우주론적 의미를 이해하고 있었으나, 예비교사의 별의 실제기작에 대한 설명이 구체적이지 않았다. 유용성 영역에서, 현직교사는 지구과학의 학문적 특성을 반영한 교육적 고민을 하고 있었고, 지식을 현실 문제해결에 활용, 적용하려는 경향이 높았다. 반면, 예비교사는 높은 무응답률을 보여 H-R도와 별의 진화를 실용적 개념으로 파악하지 않는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 두 집단 모두에서 H-R도와 별의 진화에 대한 비과학적 개념이 다수 발견되어 교사 교육 및 교수 학습 계획 수립 시 주의가 필요함을 확인할 수 있었다.


This study analyzes the conceptual understanding of in-service and pre-service earth science teachers about the H-R diagrams and evolution of stars using conceptual status analysis categories. The results show that (a) many teachers use unscientific language in the Intelligibility range, (b) teachers are categorized in Low scientific inquiry ability related to graph creation and unscientific analogy for scientific concept which is hightly corelated to the possibility of misunderstanding in the teaching process, and (c) pre-service teachers lack the understanding of the secondary science curriculum. It is necessary to develop pre-service curriculum that can be applied to the school site. In the category of Plausibility range, (d) both groups understood the cosmological meaning of stellar evolution. However, pre-service teachers do not specifically explain the mechanism of a star. In the category of Fruitfulness range, in-service teachers come up with educational problems reflecting the academic characteristics of earth science and apply their knowledge to actual problem solving. On the other hand, pre-service teachers show high nonresponse ratio, they do not see the H-R diagram and the evolution of stars as a practical concept. In the analysis process, both groups are found to have many unscientific conceptions about the H-R diagram and evolution of stars. Therefore, it is suggested that caution be used in developing a professional development program of earth science teachers.

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