[이력서] 학술 발표 : Himawari-8/AHI 자료를 이용한 지표면 하향단파복사 산출

 정보

• 업무명     : 학술 발표 : Himawari-8/AHI 자료를 이용한 지표면 하향단파복사 산출

• 작성자     : 이상호

• 작성일     : 2020-04-01

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 내용

[개요]

• 안녕하세요? 기상 연구 및 웹 개발을 담당하고 있는 해솔입니다.

• 오늘은 학술 발표한 내용을 소개해 드리고자 합니다.

 

[특징]

• 학술 발표 내용 소개

 

[기능]

• 세부 내용 참조

 

[사용 OS]

• Windows v10

 

[사용 언어]

• 한글 v2018

• Power Point v2018

 

 세부 내용

[서론]

• 태양복사는 지구대기에 입사하여 지표면에 도달하는 동안 대기 중의 가스와 에어로졸 및 구름에 의하여 흡수 및 산란되어 기온을 변화시키고 특히 지표면에 도달하는 하향단파복사 (Downward Shortwave Radiation at the Surface, DSR)는 에너지 불균형 및 기후변화를 초래하기 때문에 (Stephens et al., 2015) 하향단파복사의 시∙공간적 변화 분석이 필요하다.

• 지표면 하향단파복사 측정 및 분석은 지상 관측 및 인공위성 자료를 이용할 수 있고 지상 관측은 특정 지역에 관측소가 집중 설치되며 사막 또는 해양 등에는 지표면 관측이 쉽지 않다.그러나 인공위성은 광범위한 하향단파복사 모니터링에 효과적이다.  

• 따라서 이 연구에서는 Himawari-8/AHI를 이용하여 지표면 하향단파복사를 산출하여 CERES 및 지상 관측 자료와 비교 검증하였다.

 

[자료 및 연구방법]

• 이 연구에서는 Himawari-8/AHI의 6개 단파 채널 자료를 사용하여 지표면 하향단파복사를 산출하였다 (2 km, 매 10분).  

• 산출된 결과는 Aqua/CERES SSF Level 2 Edition 4A 자료 (20 km 해상도, 매 초)를 사용하여 2016년 10월 1일 (태풍 CHABA)에 대한 장면 분석하였고 그림 1과 같이 지상 관측소 자료 (표 1)와 2015년 7월부터 2017년 2월까지의 매월 15일 사례에 대한 장기간 분석을 수행 및 검증하였다.

 

그림 1. 지상 관측소의 위치.

 

표 1. 지표면 하향단파복사를 검증하기 위한 지상 관측소의 장비 및 환경 특성.

 

• 지표면 하향단파복사는 그림 2와 같이 채널별 복사휘도를 채널별 반사율로 환산하고 (Process 1) 식 (1)과 (2)와 같이 대기 조건(태양 천정각, 위성 천정각, 상대 방위각, 지표면 특성, 구름의 유무)에 따른 보조 자료 및 회귀계수 조견표를 통해 광대역 알베도와 대기 투과율로 변환하여 (Process 2, 3) 식 (3)과 같이 산출된다.

 

그림 2. 지표면 하향단파복사 산출 알고리즘 흐름도. (*, **: 광대역 알베도 및 대기 투과율로 변환하기 위한 대기 조건)

 

• 이 연구에서 사용된 회귀계수는 복사전달모델 (SBDART)을 이용하여 각 대기 조건에 따라 수치 실험 결과와 회귀모형을 통해 조견표로 작성하였다 (Lee et al., 2017).  이러한 협대역 반사율에서 대기 투과율로 변환하기 위한 조견표 및 회귀계수를 그림 3과 4와 같이 나타내었다.

 

 

• 여기서 ci, a, b 와  ri는 대기 조건에 의한 회귀계수와  협대역 반사율이고 S0와 Eo 및 cos(q)는 태양 상수와 태양 천정각 및 이심률을 의미한다.

 

그림 3. 광대역 알베도로 변환하기 위한 채널별 반사율의 회귀계수 조견표 및 Fitting 결과.

 

그림 4. 광대역 알베도와 대기 투과율의 관계 그리고 구름의 유무 및 육해상에 따른 회귀계수.

 

[결과 (CERES 및 지상 관측소 비교)]

• 이 연구의 장면분석 결과 구름 영역에서 CERES와의 상관계수 (R)가 0.94 그리고 %평균제곱근오차 (%RMSE)가 15.75 %로 나타났으며 청천 영역 (R=0.96, %RMSE=8.70 %)보다 큰 오차를 보였다 (그림 5c, 5d).

• 그 이유는 공간 해상도 일치 과정에서 AHI의 평균되는 영역 (지표면 및 구름)이 CERES의 관측과 다를 경우 발생된 오차로 판단된다 (Kim et al., 2017).  특히 청천 영역보다 구름 가장자리 부근에서 오차가 크게 나타났으나 전체 영역에 대한 상관계수는 0.95로 0.001의 유의수준이다 (그림 5e).

 

그림 5. Himawari-8/AHI와 Aqua/CERES의 지표면 하향단파복사 (a, b), 두 자료의 백분율오차 (c), CERES의 청천 비율 (d) 그리고 산점도 (e).

 

• 장기간 관측된 지상 관측소와의 검증 결과는 그림 6과 같이 해상 관측소 (IORS, MNM)에서 상관계수가 0.94-0.95 이고 %평균제곱근오차가 18.05-27.40 %로 육지 관측소 (GWNU, ISH)보다 오차가 작게 나타났다.  

• 이는 해상 관측소의 경우 육지 관측소보다 주변 환경에 의한 태양광 난반사가 비교적 적기 때문으로 분석되었다.   
  

 

그림 6. Himawari-8/AHI와 지상 관측소의 지표면 하향단파복사 산점도.

 

[요약 및 향후계획]

• 이 연구에서는 Himawari-8/AHI를 이용하여 지표면 하향단파복사를 산출하였고 그 결과를  CERES 및 지상 관측소와 비교 검증하였다.

• 검증 결과 구름 영역에서는 청천 영역보다 다소 큰 오차가 발생하기 때문에 향후 구름 영역에 대한 알고리즘 개선이 요구된다.
  

 

 관련 자료

• 포스터

학술 발표 : Himawari-8/AHI 자료를 이용한 지표면 하향단파복사 산출 from Lee Sang-Ho

 

 참고 문헌

[논문]

• 없음

[보고서]

• 없음

[URL]

• 없음

 

 문의사항

[기상학/프로그래밍 언어]

• sangho.lee.1990@gmail.com

[해양학/천문학/빅데이터]

• saimang0804@gmail.com