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문제 정의
- 본 연구는 합성 알고리듬 개발과정에 대한 논리적인 접근을 하고, NGSST 생산 알고리듬과의 비교를 통해 알고리듬 개발 연구하는데 목표를 두고 있다.
- 본 연구에서는 다양한 해양 현상들의 연구 분야로의 정확도 높은 위성 해수면온도 활용 극대화를 위하여 센서 특성이 다른 위성 해수면 온도 자료로 합성을 시도하였다.
- 제안 방법을 통해 획기적인 개선이 이루어졌다고 할 수 없지만, 해수면온도 합성장을 생성하는데 있어 위성별 특성을 반영 하기 위한 방향이 제시되었다. 부이와의 절대비교를 위해서는 추후 정밀 검토가 필요하다.
제안 방법
- 3은 센서별 합성 작업 순서도이다. NaN 값을 가지는 해상도 5 km인 합성장을 생성한 후 합성장에서 육지인 부분은 모두 특정 음수 값으로 할당 처리를 한 뒤, 합성장에서 음수 값을 가지지 않는 픽셀만 해수면온도 값을 차례로 추정한다. 추정할 픽셀 기준으로 L, T 이내의 자료의 t, x, y, sensor 정보를 수집하는데, 여기서 t값은 합성 기준일은 0값을 가지고 기준일로부터 앞날은 1을 뺀 값, 다음 날은 1을 더한 값을 가진다.
- 1에서 보여지는 4점의 부이에서 관측되는 해수면온도와 비교가 이루어졌다. 그리고 2가지 결과를 직접 비교하였다. 이것은 교차상 관계수에 센서별로 가지고 있는 해수면온도 정확도를 추가로 고려했을 때의 차이를 보기 위한 것이다.
- 그리고 센서별 정확도와 시·공간 상관도 값을 이용해 해수면온도 합성을 수행한다.
- 본 연구에서는 교차상관계수를 산출에 관한 식(4)에 정확도를 적용시키기 위해 센서별로 가지고 있는 오차 평균 제곱 값을 적용한 변환식 식(6)를 이용해 교차상관계수 값을 산출하였 다. 여기서, a값은 센서별로 가지는 실측치데이터와의 오차 평균값에 제곱을 한 값이다.
- 본 연구에서는 위 과정에서 시․공간상의 상관도뿐만 아니라 센서별로 가지는 정확도를 추가로 적용하여 해수면온도 합성장을 산출하였다. 따라서 같은 시공간 상관도를 가지더라도 센서의 정확도가 높은 해수면온도 값일 경우 우선순위가 높게 산출된다.
- 이와 같은 분포의 주된 이유는 AMSR-E 데이터에 대한 가중치와 관련이 있다고 판단된다. 여기서 테스트한 기간에 해상도가 낮은 AMSR-E는 다른 위성에 비해서 비교적 낮은 수온 값을 보였으나, 본 논문에서 제시된 방법에서는 그 영향을 줄이도록 설계되어 있다.
- 따라서 같은 시공간 상관도를 가지더라도 센서의 정확도가 높은 해수면온도 값일 경우 우선순위가 높게 산출된다. 여기서는 2011년 4월 2일부터 6일까지의 분석기간 동안 MODIS, AVHRR과 AMSR-E의 해수면온도 자료를 사용하여 합성장을 산출하여 얻어진 결과를 기존 방법과 부이 관측자료를 활용하여 비교했다.
- 전처리는 세 위성의 해수면온도 모두 음수 값을 제거하는 필터링 작업을 한 후, 일일합성 자료를 만들기 위해 평균치를 낸 다음 공간해상도 5 km로 리샘플링 작업을 수행하였다. 이때쓰인 보간법은 보간 할 점의 주위 16개 관측점의 픽셀 값을 이용하여 3차회선함수에 적용시켜 보간하는 3차회선 보간법을 사용하였다.
- 즉, 기준이 되는 픽셀로부터 상관성이 존재한다고 분석된 거리 L이내, 시간 T 이내의 자료 중에서도 정확도가 높은 센서일 경우 교차상관계수 값을 높여주도록 적용하였다. 위 변환 식을 적용함으로써, 정확도가 비교적 더 높은 센서에서 산출한 해수면온도 값에 대한 가중치가 높여주었다.
- 합성 방법은, 먼저 각각 다른 공간 해상도를 가지고 있는 3종류의 해수면온도 데이터를 5km의 공간해상도로 변환하고 노이즈 필터링을 한다. 그리고 센서별 정확도와 시·공간 상관도 값을 이용해 해수면온도 합성을 수행한다.
- 사용된 위성자료는 2011년 4월 2일부터 6일까지 5일간에 대해서 이루어졌으며, AVHRR은 79개, MODIS는 30개, AMSRE는 25개가 사용되었다. 합성기준일은 4월 4일로 하여 현장자 료와 비교를 하였다.
- 해수면온도 값을 추정 할 때 프로그램 상에서 가장 시간이 소요되는 부분은 교차상관계수에 따른 내림차순으로 정렬하는 부분인데, L, T 영역 중 교차상관계수 값이 높은 순으로 25개만 정렬하면 되기 때문에 본 연구에서는 가장 큰 값을 차례로 가져와 정렬하는 선택적 정렬을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 합성 연구에 이용된 위성 해수면 온도 자료는 극궤도 위성인 NOAA/AVHRR(National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Very High Resolution Radiometer) 의 MCSST(Multi Channel Sea Surface Temperature)기반 해수면온도, Terra&Aqua/MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectro-radiometer) 해수면온도와 Aqua/AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer - Earth Observing System) 해수면온도 자료이다. AVHRR과 MODIS는 한국해양연구원 해양위성센터에서 처리한 자료이고, AMSR-E는 NSIDC(http:// nsidc.org)에서 다운로드하였다.
- 부이 관측데이터는 기상청에서 제공하는 것으로 1시간 간격으로 산출되는 수온자료를 사용하였다. 본 연구에서 합성장의 시간 해상도는 1일이므로 부이관측 자료의 24시간 평균치 자료가 비교에 사용되었다.
- 본 합성 연구에 이용된 위성 해수면 온도 자료는 극궤도 위성인 NOAA/AVHRR(National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Very High Resolution Radiometer) 의 MCSST(Multi Channel Sea Surface Temperature)기반 해수면온도, Terra&Aqua/MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectro-radiometer) 해수면온도와 Aqua/AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer - Earth Observing System) 해수면온도 자료이다.
- 1의 4개점들은 부이 위치와 식별번호를 나타낸다. 부이 관측데이터는 기상청에서 제공하는 것으로 1시간 간격으로 산출되는 수온자료를 사용하였다. 본 연구에서 합성장의 시간 해상도는 1일이므로 부이관측 자료의 24시간 평균치 자료가 비교에 사용되었다.
- 한반도를 중심의 영역을 선택하였고, 공간해상도는 약 5km로 설정하였다. 분석 영역은 Fig. 1에서와 같이 한반도 중심으로 위도 31.77N에서 41.37N까 지, 경도 120.84E에서 132.99E의 범위이다.
- 사용된 위성자료는 2011년 4월 2일부터 6일까지 5일간에 대해서 이루어졌으며, AVHRR은 79개, MODIS는 30개, AMSRE는 25개가 사용되었다. 합성기준일은 4월 4일로 하여 현장자 료와 비교를 하였다.
- Table 2는 서로 다른 3종류 위성 해수면온도를 합성하여 산출한 자료의 데이터 구조를 나타낸다. 한반도를 중심의 영역을 선택하였고, 공간해상도는 약 5km로 설정하였다. 분석 영역은 Fig.
데이터처리
- r2값은 교차상관계수 값이고, φ값은 교차상관계수가 큰 순으로 25×1의 위성 해수면 온도 값들에 대한 행렬이다. 마지막으로 M은 평균가중치 값으로, 교차상관계수가 높은 25개의 자료와 각각의 위성에 따른 RMSE값을 이용해 산출하였다. 가중평균값을 구하는 식은 식 (8)과 같다.
- 여기서는 Guan and Kawamura(2004)에서 제시된 교차상관 계수를 이용하는 NGSST 생산방식(식(5))과 본 연구에서 제안한 합성장 생성방식(식(6))의 비교를 하였다. 먼저 Fig.
이론/모형
- 선형회귀 모형에서 최소제곱법에 의하여 모수의 선형불편 추정량이 얻어졌을 때, 이 추정량은 최소분산을 갖는다는 Gauss-Markov 이론에 근거한 식(3)을 사용하였고, 시공간 해상도 5km 일평균 합성장을 산출하였다. 식(6)을 사용해 추정할 픽셀에 대한 주변 픽셀들을 수집해 합성식을 적용한 합성 장과 부이관측 자료와의 4지점 표준편차 값은 0.
- 전처리는 세 위성의 해수면온도 모두 음수 값을 제거하는 필터링 작업을 한 후, 일일합성 자료를 만들기 위해 평균치를 낸 다음 공간해상도 5 km로 리샘플링 작업을 수행하였다. 이때쓰인 보간법은 보간 할 점의 주위 16개 관측점의 픽셀 값을 이용하여 3차회선함수에 적용시켜 보간하는 3차회선 보간법을 사용하였다. 3차회선 보간에서 사용되는 식은 식(2)와 같다.
성능/효과
- 즉, 기준이 되는 픽셀로부터 상관성이 존재한다고 분석된 거리 L이내, 시간 T 이내의 자료 중에서도 정확도가 높은 센서일 경우 교차상관계수 값을 높여주도록 적용하였다. 위 변환 식을 적용함으로써, 정확도가 비교적 더 높은 센서에서 산출한 해수면온도 값에 대한 가중치가 높여주었다.
- 5도 이상의 양(+)의 값을 갖는 영역보다 훨씬 많은 것을 알 수 있다. 즉 여기서 제안한 방법은 NGSST생산방법보다 비교적 높은 값을 보이는 경향이 있다. 특히, 연안과 외해의 수온이 비교적 높은 해역 에서 그 경향은 뚜렷하다.
후속연구
- 본 연구 결과는 일변화를 고려하지 않은 결과이다. 더 정확한 비교, 분석 결과를 산출하기 위해 분석 기간을 늘리고 시간 해상도를 8시간이하로 낮춰 낮, 밤 시간으로 나눈 다음 분석 할 필요성이 있다.
- org), 우리나라에서도 정지 및 극궤도 위성을 이용한 해수면온도 합성 연구가 활발하다(국립기상연구소, 2009). 지금까지는 합성기법적인 측면에서 연구가 주로 이루어져 왔지만 앞으로는 합성장의 정확도 향상과 현장자료와의 연계에 대한 연구가 필요하다.
- 향후 한반도 주변 해역에 대한 부이자료를 이용하여 위성별 가중치를 다시 결정하는 것과 수온의 일주변화를 고려하는 것이 필요하다.
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