이산화탄소는 기후변화와 관련된 매우 중요한 미량 기체이다. 따라서, 지표면 환경 및 기후에 대한 이산화탄소의 영향을 추정하기 위해서는 지표면 탄소의 흡수 및 방출을 이해하는 것이 중요하다. 전구 및 아시아 지역의 탄소 순환에 대한 좀 더 나은 이해를 위하여 본 학위논문에서는 미국 해양대기청에서 개발한 탄소추적시스템을 이용하여 지표면 탄소 플럭스 및 관측 자료 효과를 추정하는 연구를 수행 하였다. 탄소추적시스템은 앙상블 칼만 필터를 기반으로 하여 대기 중 이산화탄소 관측 자료로부터 지표면 탄소 플럭스를 추정하는 대기 중 이산화탄소 농도 역모델링 시스템이다.
첫째로, 아시아 지역의 지표면 탄소 플럭스를 추정하고 아시아 지역의 둥지 격자가 지표면 탄소 플럭스 분석에 미치는 영향을 평가하기 위해 서로 다른 둥지 격자 체계를 가진 두 실험을 수행하였다. 두 실험의 최적화된 식생 플럭스는 공간적으로 유사한 분포를 나타냈으나 흡수 및 방출의 강도에 있어서는 차이가 있었다. 아시아 지역의 둥지격자를 설정함으로써 아시아 지역에 대해 좀 더 자세하고 이산화탄소 관측 자료와 좀 더 일치하는 최적화된 지표면 탄소 플럭스를 추정할 수 있었다. 실험 결과는 아시아 지역에 둥지 격자를 사용함으로써 좀 더 정확한 지표면 탄소 플럭스 추정을 할 수 있다는 것을 보였다.
둘째로, 분석 이산화탄소 플럭스에 대한 이산화탄소 관측 자료의 효과를 영향 행렬을 이용하여 계산하였다. 영향 행렬의 대각 성분은 (self-sensitivity) 관측 값에 대한 분석 값의 민감도를 나타낸다. Self-sensitivity의 크기는 자료동화에서 사용된 관측 자료 숫자에 반비례 하며, 이러한 경향은 충분한 수의 관측 자료를 갖는 연속 관측 범주 자료에서 명확하게 나타났다. 전구에 대해 평균된 self-sensitivity의 시계열은 여름에 크고 겨울에 작은 계절 변동성을 나타낸다. 이것은 지표면 이산화탄소 플럭스의 불확실성과 연관된 것이다. 영향 행렬의 trace는 (i.e. 정보량) 관측 자료로부터 추출된 전체 정보의 양을 나타내는 값이다. 북미와 자른 지역간의 관측 자료 분포의 차이로 인해 추출된 정보량의 불균형이 나타났다. 약 절반의 관측 정보가 대부분 북미에 위치한 연속 관측 자료로부터 얻어졌다. 이로부터 연속 과측 자료가 제일 유용하며 북미 지역만큼 정확인 이산화탄소 플럭스 분석을 위해서는 다른 지역에 광범위한 규모의 추가적인 관측 자료가 필요하다는 것을 알 수 있다.
셋째로, 시베리아 지역에 추가적인 관측자료의 전구 및 아시아 지역 지표면 탄소 플럭스 분석에 대한 영향을 추정하기 위해 다른 관측 자료를 이용한 두 가지 실험을 수행하였다. 첫번째 실험은 시베리아 타워 관측 자료를 사용한 실험이고, 다른 실험은 추가적은 관측 자료없이 수행한 실험이다. 실험 결과 전규구모 지표면 이산화탄소 플럭스의 흡수 및 방출량은 추가적인 관측 자료 유무와 상관없이 유지되었다. 반면에 시베리아 지역에서의 지표면 탄소 플럭스의 흡수량은 감소하였고 북반구의 다른 지역에서의 지표면 탄소 플럭스의 흡수량은 증가하였다. 특히 유럽에서의 흡수량이 크게 증가하였다. 이러한 변화는 여름철의 최적화된 탄소 흡수량이 변화하였기 때문이다. 관측 자료의 효과를 정량적으로 파악해 보았을 때 추가된 관측 자료는 매우 유용함을 알 수 있었다. 앞으로 다양한 관측종이 지표면 탄소 플럭스 추정에 사용될 때 시베리아 지역의 관측 자료가 북반구 지표면 탄소 플럭스 추정에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

CO2 is the most important trace gas related to climate change. Therefore, understanding surface carbon sources and sinks is important when seeking to estimate the impact of CO2 on the environment and climate. To better understand the global and Asian carbon cycle, this study aims to estimate surface carbon flux and observation impact in CarbonTracker which is an atmospheric CO2 inverse modeling system developed by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) that uses the ensemble Kalman filter (EnKF) to estimate surface carbon fluxes from atmospheric CO2 observations.
First, to estimate the surface carbon flux in Asia and investigate the effect of the nesting domain on carbon flux analyses in Asia, two experiments with different nesting domains were conducted. The optimized biosphere fluxes of the two experiments exhibited roughly similar spatial patterns but different magnitudes. The nesting domain in Asia produced a detailed estimate of the surface carbon fluxes in Asia and exhibited better agreement with the CO2 observations. The results suggest that surface carbon fluxes in Asia can be estimated more accurately using an EnKF when the nesting domain is centered in Asian regions.
Second, the effect of CO2 observations on an analysis of surface CO2 flux was calculated using an influence matrix. The diagonal element of the influence matrix (self-sensitivity) represents a sensitivity of the analysis to the observations. The self-sensitivity is inversely proportional to the number of observations used in the assimilation, which is distinctly apparent in continuous observation categories with a sufficient number of observations. The time series of the globally averaged self-sensitivities shows seasonal variations, with greater sensitivities in summer and lower sensitivities in winter, which is attributed to the surface CO2 flux uncertainty. The trace of the influence matrix (i.e., information content) is a measure of the total information extracted from the observations. The information content indicates an imbalance between the observation coverage in North America and that in other regions. Approximately half of the total observational information is provided by continuous observations, mainly from North America, which indicates that continuous observations are the most informative and that comprehensive coverage of additional observations in other regions is necessary to estimate the surface CO2 flux in these areas as accurately as in North America
Third, to investigate the effect of additional CO2 observations in the Eurasian Boreal (EB) region on the Asian and global surface CO2 flux analyses, two experiments using different observation data set were performed. One experiment was conducted using a data sets that includes additional observations of Siberian tower measurements (Japan-Russia Siberian Tall Tower Inland Observation Network: JR-STATION), and the other experiment was conducted using a data set without the above additional observations. The results show that the global balance of the sources and sinks of surface CO2 fluxes was maintained for both experiments with and without the additional observations. While the magnitude of the optimized surface CO2 flux uptake in Siberia decreased, the magnitude of the optimized surface CO2 flux uptake in the other regions (e.g., Europe) of the Northern Hemisphere (NH) increased for the experiment with the additional observations. This change was mostly caused by changes in the magnitudes of surface CO2 flux in June and July. Additional observations provide useful information on estimated surface CO2 flux in terms of error reduction and self-sensitivity. It is expected that the Siberian observations play an important role in estimating surface CO2 flux in the NH.
In this dissertation, it is shown that CarbonTracker works appropriately for estimating the surface CO2 flux in Asia and the globe and that JR-STATION observations are useful for estimating surface CO2 flux in Siberia and Europe. Finally, a diagnostic tool is developed to calculate the effect of individual CO2 observations on estimating the surface CO2 flux in the CarbonTracker framework.