KR20180008056A - 히마와리 8호 위성의 ahi 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사산출방법 - Google Patents

히마와리 8호 위성의 ahi 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사 산출방법에 관한 것으로, 그 기술구현의 목적은, 협대역 밴드를 사용하는 히마와리 8호(Himawari-8) 인공위성의 AHI센서 자료를 이용하여, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR) 산출방안을 제시하고, 아울러, 히마와리 8호(Himawari-8) AHI센서의 적외영역 채널 12, 14, 15번 정보를 이용하여, 복사조도와 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)로 변환하는 계수 산출 및 적용방법 또한 제시함으로써, 낮과 밤 구분없이 연속적으로 지구방출 복사량을 용이하게 관측하고, 이를, 기상연구자료로 활용할 수 있도록 한 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사 산출방법을 제공함에 있다.
따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적 수단으로는;
히마와리(Himawari-8)위성 AHI 센서의 세가지 채널별정보, 예컨대, 채널12, 채널14, 채널15 자료와, 2km×2km의 공간해상도의 적외영역 센서자료를 수집하고;
상기 수집된 히마와리(Himawari-8) 위성 AHI 센서의 채널별 자료값을 복사휘도 변환계수를 이용 복사휘도로 변환하며;
재차, 상환 변환된 복사휘도를 복사조도로 더 변환하여, 경험식을 통해 대기 상단 상향장파복사(TOA OLR)를 산출되게 함으로써, 달성된다.

Description

히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사산출방법{Method of retrieval of outgoing longwave radiation at top-of-atmosphere using Himawari-8 AHI sensor data}
본 발명은 대기 상단에서의 상향장파복사 산출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 협대역 밴드를 사용하는 히마와리(Himawari-8)위성의 AHI(Advanced Himawari Imager)센서 자료를 이용하여 대기상단 상향장파복사 산출방안을 제시하고, 아울러, 히마와리(Himawari-8) 위성 AHI센서의 적외영역 채널 정보를 이용하여, 낮과 밤 구분없이 연속적으로 지구방출 복사량을 관측할 수 있도록 한 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사 산출방법에 관한 것이다.
지구의 기후시스템은 대기권, 수권, 설빙권, 생물권, 지권 등으로 구성되어 있으며, 이와 같이, 구성된 각 권역 간 물리과정이 서로 복잡하게 얽혀 현재의 기후상태를 유지하게 된다.
이러한, 기후 시스템을 움직이는 에너지의 대부분(99.98%)은 태양으로부터 공급되고, 상기 공급된 태양에너지는, 기후 시스템 속에서 여러 형태의 에너지로 변화하며 다양한 규모의 대기 대순환을 유도할 뿐 만 아니라. 주 온실기체로서 지구장파복사에 영향을 주어 복사수지에 기여하게 되는 것인바, 따라서, 정확한 지구 장파복사의 관측은, 지구 복사에너지 수지 및 변화를 이해하는데 있어, 필수적 요소라 할 수 있다.
이에, 상기 지구 복사에너지 수지는 일반적으로, 지표면에서의 하향 단파복사와, 상향장파복사, 그리고, 대기상단(TOA: Top of Atmosphere)에서의 하향 단파복사와 상향장파복사(OLR: Outgoing Longwave Radiation)를 관측함으로써 계산된다.
이때, 지구 복사에너지 수지 중에서 대기상단에서의 상향장파복사(OLR)는, 적외 영역내에서 지표면과 대기를 통해 방출되는 총 복사속을 의미하는 것인바, 이는 전지구에 평균적으로 입사되는 태양 복사량, 예컨대, 341.3Wm-2의 크기를 100%라고 하였을때, 구름과, 대기, 그리고 지면에 의하여 약 30%(101.9Wm-2)가 반사되고, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)는 지면과 대기에 의하여 흡수된 에너지를 대기 외로 약 70%(238.5Wm-2)의 방출하게 되는 양이다.
여기서, 상기 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)는 대기 조건과 수증기, 구름 등에 의하여 변화되는 것이고, 이는, 날씨와 기후 연구 등에 활용되는 것인바, 이러한, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)의 관측은 위성의 광대역, 혹은 협대역 밴드 복사계 센서로부터 관측된 자료에 의하여 적분된 결과, 또는, 경험적으로 구해진 결과로 추정 될 수 있다.
이때, 광대역 밴드 복사계 센서에 속하는 CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System; Wielicki et al., 1996 인용참조)의 경우, 전지구 영역에 대하여 관측자료를 제공해주고 있는 실정이기는 하나, 이는, 특정 지역에 대하여 하루에 한번 혹은, 하루에 두번 정도의 관측을 수행하는 것에 한정된 것으로, 따라서, 지역별로 변화가 다양한 구름, 또는 강수 활동 등에 의한 지구 방출복사량의 변화를 탐지하고, 연구하는데 적당하지 않은 문제점을 갖게 된다.
한편, 전술한 광대역 밴드 복사계 센서의 문제점을 일부 해결하기 위해 마련된 수단, 예컨대, 정지궤도 위성의 경우에 있어서는, 시간해상도가 조밀하여 에너지 수지와 물 순환 등의 관측과 연구가 용이한 특징을 갖는 것임을 알 수 있다.
하지만, 이와 같은, 정지궤도 위성의 경우, 협대역 밴드 센서를 탑재하고 있기 때문에 지구 복사 수지를 산출하기 위해서는 협대역 밴드 자료를 이용하여 추정할 수 밖에 없는 것인바;
따라서, 상기 정지궤도 위성에 탑재된 협대역 밴드 센서를 통해 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)를 추정하기 위해서는 위성천정각에 따른 복사휘도와 복사조도의 관계, 그리고, 복사조도와 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)사이의 경험적인 관계식을 필요하게 되는 또 다른 문제점을 상존되게 하는 것이다.
따라서, 본 발명은 지구 방출복사량의 변화를 용이하게 탐지하여, 이를, 효과적 연구자료로 활용하기 위해 창안된 것으로;
본 발명의 목적은, 협대역 밴드를 사용하는 히마와리 8호(Himawari-8), 예컨대, 일본 기상청이 운영하는 정지궤도 기상위성으로, 2015년 7월 가동을 시작한 8번째 히마와리 인공위성의 AHI센서 자료를 이용하여, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR) 산출방안을 제시하고, 아울러, 히마와리 8호(Himawari-8) AHI센서의 적외영역 채널 12, 14, 15번 정보를 이용하여, 복사조도와 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)로 변환하는 계수 산출 및 적용방법 또한 제시되게 함으로써, 낮과 밤 구분없이 연속적으로 지구방출 복사량을 용이하게 관측하고, 이를, 기상연구자료로 활용할 수 있도록 한 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사 산출방법을 제공함에 있다.
따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단 상향장파복사 산출방법의 구체적 수단으로는;
히마와리(Himawari-8)위성 AHI 센서의 세가지 채널별정보, 예컨대, 채널12, 채널14, 채널15의 자료와, 2km×2km의 공간해상도의 적외영역 센서자료를 수집하고;
상기 수집된 히마와리(Himawari-8) 위성 AHI 센서의 채널별 자료값을 복사휘도 변환계수를 이용 복사휘도로 변환하며;
재차, 상환 변환된 복사휘도를 복사조도로 더 변환하여, 경험식을 통해 대기 상단 상향장파복사(TOA OLR)를 산출되게 함으로써, 달성된다.
이상, 본 발명에 따른 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사 산출방법은, 기상 위성인 히마와리 8호(Himawari-8)의 AHI센서 자료를 이용하여, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR) 산출방안을 제시하고, 또한, AHI센서의 적외영역 채널인 12, 14, 15번 정보를 이용하여, 복사조도와 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)로 변환하는 계수 산출 및 적용방법을 제시한 것으로써, 이는, 낮과 밤 구분없이 연속적으로 지구방출 복사량을 관측 가능하게 하고, 이와 같이, 관측된 정보를, 기상연구자료로 활용할 수 있도록 한 것으로, 매우 유용한 기대효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 대기상단 상향장파복사 산출방법에 이용되는 히마와리 위성 8호 AHI 센서의 채널별 자료 표시도
도 2는 본 발명에 따른 대기상단 상향장파복사 산출방법의 알고리즘
도 3은 본 발명에 있어, 복사휘도 변환을 위한 히마와리 위성 AHI 센서의 채널별 계수 정보표시도.
도 4는 본 발명에 있어, 대기상단 상향장파복사 산출에 사용된 히마와리 위성 AHI 센서의 채널별 분광함수 정보표시도
도 5는 본 발명에 있어, 복사조도 변환을 위해 수학식 2의 (2)식 및 (3)식에 적용하기 위한 채널별 k계수 정보표시도
도 6은 본 발명에 있어, 대기상단 상향장파복사로 변환하기 위해 수학식 2의 (4)식 및 (5)식에 적용되는 계수 정보표시도
도 7a 및 도 7b 는 본 발명에 의해 산출된 대기상단 상향장파복사의 상태도
이하, 본 발명에 따른 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단상향장파복사 산출방법의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 의해 구현되는 대기상단 상향장파복사 산출방법은, 현재 일본 기상청이 운영중에 있는 정지궤도 기상위성, 예컨대, 히마와리(Himawari-8) 위성의 AHI(Advanced Himawari Imager) 센서 정보를 기초자료로 수집 이용하는 것임을 전제로 한다.
따라서, 본 발명의 기초정보로 이용되는 상기 히마와리(Himawari-8) 위성의 AHI 센서자료를 보다 구체적인 명시로써 살펴보면, 이는, 도 1에 표기된 바와 같은 세가지 채널, 예컨대, 오존,바람,난류를 주요 관측물체로 하며, 중심파장이 9.6㎛인 채널12, 구름,해양온도,강수를 주요 관측물체로 하며, 중심파장이 11.2㎛인 채널14, 그리고, 수증기,해양온도,재를 주요 관측물체로 하며, 중심파장은 12.4㎛인 채널15의 자료를 수집, 경험식을 통해 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)를 추정하고, 그외, 적외영역의 센서자료는 2km×2km의 공간해상도, 예컨대, 전구 5500 ×5500 화소에 해당하는 자료를 이용한다.
이때, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)를 산출함에 있어, 위성천정각(sza:satellite zenith angle)이 크게 되면, 오차범위 또한 상대적으로 커지게 되는것은 자명한 것으로, 따라서, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR) 산출시, 오차발생률을 최소화하기 위하여, 본 발명은 위성 관측각(sza:satellite zenith angle)이 80°미만인 자료만을 제한적으로 이용함이 바람직하다.
이에, 전술한, 히마와리(Himawari-8) 위성 AHI 센서자료를 기초로하여 이루어지는 본 발명의 개략적인 기술적 개념, 예컨대, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR) 산출 알고리즘을 간략하게 먼저 살펴보면, 이는, 도 2로 도시된 바와 같이, 복사휘도(Radiance) 자료를 통해 복사조도(Irradiance)로 변환한 후, 경험식을 통해 상향장파복사(TOA OLR)를 산출한다.
이때, 전술한 히마와리(Himawari-8) 위성 AHI 센서자료는 채널별 디지털값(Digital Number) 혹은, 시그널 값을 갖는 것이고, 따라서, 복사휘도로 변환되기 위해서는 각 위성의 변환계수를 필히 요구하게 되는 것인바, 따라서, 히마와리(Himawari-8) 위성 AHI 센서의 경우, 도 3으로 표기된 바와 같은, 채널별 고유의 계수를 통해 복사 휘도로 변환되며, 이는, 아래 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
복사휘도(Radiance) = Gain × 채널별 디지털값DN(Digital Number) + Offset
Gain,Offset : 선형변환상수
한편, 대기중에서의 적외복사는 비등방성인 특성을 갖는다.
따라서, 대기 상층에서의 복사조도를 계산하기 위해서는 복사휘도의 비등방성을 반드시 고려해야 한다.
이에, 본 발명은, 경험 감광함수(empinical limb darkening function; Able and Gruber, 1979; Schmetz and Liu, 1988 인용참조)를 이용하여 복사휘도를 복사조도로 변환하고, 변환된 복사조도는 최종적으로 경험식에 의해 상향장파복사(TOA OLR)를 산출하게 되는 것으로, 그에 대한 산출방식은 아래 수학식 2 및 수학식 3과 같다.
[수학식 2]
- step 1 : 복사휘도의 복사조도 변환(Radiance to irradiance)
F = A(θ)L(θ) + B(θ) (1)
A(θ) = k1 + k2(secθ - 1) + k3(secθ - 1)2 (2)
B(θ)= k4 + k5(secθ - 1) + k6(secθ - 1)2 (3)
여기서, 상기 수학식2의 각 변수는;
F : 채널 복사조도(channel irradiance)[Wm-2 ㎛-1]
θ : 위성천정각(satellite zenith angle)
L : 채널 복사휘도(channel radiance) [Wm-2 ㎛-1sr-1]
k1 ~ k6 : 계수(coefficients)
A, B : 경험 감광함수(empirical limb darkening function)(Able and Gruber, 1979; Schmetz and Liu, 1988) 이다.
- step 2 : 복사조도의 상향장파복사 변환(Irradiance to OLR)
OLR12.4 = a0 + a1F12.4 + a2F12.4 2 (4)
OLR9.6+11.2+12.4 = b0 + b1F9.6 + b2F9.6 0.5+ b3F11.2 0.5+ b5F12.4 + b6F12.4 2 (5)
(IF F11.2 > 30 Then OLR9.6+11.2+12.4)
F : 채널별 복사조도(irradiance of channels)[Wm-2]
a, b : 계수(coefficients)
이때, 상기 수학식 2에 있어, F11.2가 30Wm-2보다 큰 화소인 경우 OLR9.6+11.2+12.4를 따른다.
이와 같은, 이유는, 청명한 대기 조건에서 지면이 방출하는 복사량이 11.2 ㎛ 채널(채널 14)에서 크게 나타나지만, 11.4 ㎛ 채널(채널 15)에서는 민감하게 반응하지 않기 때문이다.
따라서, 지표면 방출을 고려하기 위하여 상기 수학식 2의 (4)식 " OLR12.4 = a0 + a1F12.4 + a2F12.4 2 " 조건에 따른, 상기 수학식 2의 (5)식 " OLR9.6+11.2+12.4 = b0 + b1F9.6 + b2F9.6 0.5+ b3F11.2 0.5+ b5F12.4 + b6F12.4 2 " 을 통해 대기상단 상향장파복사를 산출한다.
한편, 위 단계에서 필요한 계수는 복사전달모델(SBDART:Santa Barbara Disort Atmospheric Radiative Transfer; Ricchiazzi et al., 1988 인용참조)을 이용하여, 옵션에 따라 계산된 복사휘도와 복사조도, 그리고, 대기상단 상향장파복사(TOA OLR) 결과를 통계 프로그램인 SPSS(Statistical Package for the Social Sciences; Levesque, 2007 인용참조)의 다중회귀와 비선형회귀를 이용하여 계수을 도출하였다.
또한, 여기서, 상기 복사전달모델(SBDART)을 옵션으로 하여, 대기 연직자료는 총 6개의 연직 프로파일 자료, 예컨대, US62 표준(US62 standard), 열대(tropics), 중위도 여름(mid-latitude summer), 중위도 겨울(mid-latitude winter), 북극의 여름(sub-arctic summer), 북극의 겨울(sub-arctic winter) 자료를 사용하였고, 구름광학두께는 총 5가지, 예컨대, 8,16,32,64,128로 구성하였으며, 운고는 총 8가지, 예컨대, 2,4,6,8,10,12,14,16 km로 구성하였다.
또한, 다중회귀와 비선형회귀 계산을 위하여, 종속변수로 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)의 경우 3.3 ~ 100㎛의 범위로 계산을 수행하였으며, 독립변수는 각 채널마다의 복사조도로 설정하였다.
또한, 복사전달모델(SBDART)에 입력되는 채널별 분광반응함수(SRF:Spectral Response Function)는, 파장간격이 조밀할수록 복사전달모델(SBDART)의 구동시간이 오래걸리는 이유로 인하여, 파장간격을 0.005㎛ 변환한 채널별 분광반응함수(SRF), 예컨대, 도 4로 도시된 바와 같은, 분광반응함수를 사용하였다.
따라서, 결론적으로, 히마와리(Himawari-8)위성 AHI 센서자료를 이용하여 대기 상단 상향장파복사(TOA OLR) 계산을 위해 사용된 계수는 도 5 및 도 6에 표기된 바와 같으며, 산출된 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)는 도 7a 및 도 7b와 같음을 알 수 있다.
이때, 상기 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)는 물체의 절대온도에 비례하여 방출되는 복사에너지로써, 절대온도가 낮은 구름에서는 낮은 값을 나타내고, 육지에서 높은 값을 보이는 것인바, 이에, 도 7a는 2015년 8월 2일 0210 UTC이고, 그림 7b는 같은 날 1410 UTC로써, 결국 본 발명에 따른 히마와리 위성 AHI 센서자료를 이용한 대기상단의 상향장파복사 산출방법은 적외영역의 채널자료를 이용하기 때문에 낮과 밤 모두 산출이 가능한 것이다.

Claims (2)

  1. 오존,바람,난류를 관측물체로 하며, 중심파장이 9.6㎛인 채널12, 구름,해양온도,강수를 관측물체로 하며, 중심파장이 11.2㎛인 채널14, 그리고, 수증기,해양온도,재를 관측물체로 하며, 중심파장이 12.4㎛인 채널15의 정보를 갖는 히마와리(Himawari-8)위성 AHI 센서의 채널별 자료와, 2km×2km의 공간해상도를 갖는 적외영역 센서자료를 수집하고;
    상기 수집된 히마와리(Himawari-8) 위성 AHI 센서의 채널별 자료값을 복사휘도 변환계수를 이용 복사휘도로 변환하되, 그 변환 복사휘도는 수학식 1;
    복사휘도(Radiance) = Gain × 채널별 디지털값DN(Digital Number) + Offset 로 계산되며;
    상기 변환된 복사휘도를 복사조도로 더 변환한 후, 경험식을 통해 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)를 산출하되, 상기 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)의 산출 알고리즘은;
    Figure pat00001

    로 이루어짐을 특징으로 하는 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사 산출방법.
  2. 제 1항에 있어서;
    상기 대기상단 상향장파복사(TOA OLR)의 산출 수학식은;
    - step 1 : 복사휘도의 복사조도변환
    F = A(θ)L(θ) + B(θ) (1)
    A(θ) = k1 + k2(secθ - 1) + k3(secθ - 1)2 (2)
    B(θ)= k4 + k5(secθ - 1) + k6(secθ - 1)2 (3)
    여기서, 상기 수학식2의 각 변수는;
    F : 채널 복사조도(channel irradiance)[Wm-2 ㎛-1]
    θ : 위성천정각(satellite zenith angle)
    L : 채널 복사휘도(channel radiance) [Wm-2 ㎛-1sr-1]
    k1 ~ k6 : 계수(coefficients)
    A, B : 경험 감광함수(empirical limb darkening function)(Able and Gruber, 1979; Schmetz and Liu, 1988) 이다.

    - step 2 : 복사조도의 상향장파복사 변환
    OLR12.4 = a0 + a1F12.4 + a2F12.4 2 (4)
    OLR9.6+11.2+12.4 = b0 + b1F9.6 + b2F9.6 0.5+ b3F11.2 0.5+ b5F12.4 + b6F12.4 2 (5)
    (IF F11.2 > 30 Then OLR9.6+11.2+12.4)
    F : 채널별 복사조도(irradiance of channels)[Wm-2]
    a, b : 계수(coefficients)
    로 이루어짐을 특징으로 하는 히마와리 8호 위성의 AHI 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사 산출방법.








KR1020160089835A 2016-07-15 2016-07-15 히마와리 8호 위성의 ahi 센서자료를 이용한 대기상단에서의 상향장파복사산출방법 KR102054909B1 (ko)

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