본 연구에서는 다파장 라만라이다 시스템을 이용하여 대기 중의 비구형 순수 황사입자와 구형 오염 입자가 혼합된 황사 입자의 단산란 알베도를 산출할 수 있는 방법론을 제시하고, 실제 대기 관측 사례 분석 자료로부터 정확도를 검증하고자 하였다. 편광소멸도는 황사와 비황사와의 혼합정도에 반비례함을 응용하여 편광소멸도 값으로부터 황사비를 산출하고 이를 이용하여 황사와 비황사로 황사층을 구분하였다. 산출된 비황사의 두 파장(355, 532 nm)의 소산계수와 세 파장(355, 532, 1064 nm)의 후방산란계수를 이용하여 역행렬 분석을 수행하여 비황사의 고도별 단산란알베도를 도출하였다. 황사와 비황사의 가중치를 소산계수값으로부터 산출하고 각 가중치를 황사와 비황사에 적용하여 황사 층 전체의 고도별 단산란알베도를 산출하였다. 단, 황사의 단산란알베도는 순수황사로 가정하여 발원지에서 측정된 순수황사가 나타내는 0.96의 값을 적용하였다. 본 연구로부터 개발된 분석방법은 기존의 원격탐사 기술의 한계점을 극복하여 황사의 이동시 타 오염입자와의 혼합에 따른 광학적 특성의 변화에 대한 정밀한 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여 대기 중의 비구형 순수 황사입자와 구형 오염 입자가 혼합된 황사 입자의 단산란 알베도를 산출할 수 있는 방법론을 제시하고, 실제 대기 관측 사례 분석 자료로부터 정확도를 검증하고자 하였다. 편광소멸도는 황사와 비황사와의 혼합정도에 반비례함을 응용하여 편광소멸도 값으로부터 황사비를 산출하고 이를 이용하여 황사와 비황사로 황사층을 구분하였다. 산출된 비황사의 두 파장(355, 532 nm)의 소산계수와 세 파장(355, 532, 1064 nm)의 후방산란계수를 이용하여 역행렬 분석을 수행하여 비황사의 고도별 단산란알베도를 도출하였다. 황사와 비황사의 가중치를 소산계수값으로부터 산출하고 각 가중치를 황사와 비황사에 적용하여 황사 층 전체의 고도별 단산란알베도를 산출하였다. 단, 황사의 단산란알베도는 순수황사로 가정하여 발원지에서 측정된 순수황사가 나타내는 0.96의 값을 적용하였다. 본 연구로부터 개발된 분석방법은 기존의 원격탐사 기술의 한계점을 극복하여 황사의 이동시 타 오염입자와의 혼합에 따른 광학적 특성의 변화에 대한 정밀한 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
A new approach to retrieve the single-scattering albedo (SSA) of Asian dust plume, mixed with pollution particles, using multi-wavelength Raman lidar system was suggested in this study. Asian dust plume was separated as dust and non-dust particle (i.e. spherical particle) by the particle depolarizat...
A new approach to retrieve the single-scattering albedo (SSA) of Asian dust plume, mixed with pollution particles, using multi-wavelength Raman lidar system was suggested in this study. Asian dust plume was separated as dust and non-dust particle (i.e. spherical particle) by the particle depolarization ratio at 532 nm. The vertical profiles of optical properties (the particle extinction coefficient at 355 and 532 nm and backscatter coefficient at 355, 532 and 1064 nm) for non-dust particle were used as input parameter for the inversion algorithm. The inversion algorithm provides the vertical distribution of microphysical properties of non-dust particle only so that the estimation of the SSA for the Asian dust in mixing state was suggested in this study. In order to estimate the SSA for the mixed Asian dust, we combined the SSA of non-dust particles retrieved by the inversion algorithms with assumed the SSA of 0.96 at 532 nm for dust. The retrieved SSA of Asian dust plume by lidar data was compared with the Aerosol Robotics Network (AERONET) retrieved values and showed good agreement.
A new approach to retrieve the single-scattering albedo (SSA) of Asian dust plume, mixed with pollution particles, using multi-wavelength Raman lidar system was suggested in this study. Asian dust plume was separated as dust and non-dust particle (i.e. spherical particle) by the particle depolarization ratio at 532 nm. The vertical profiles of optical properties (the particle extinction coefficient at 355 and 532 nm and backscatter coefficient at 355, 532 and 1064 nm) for non-dust particle were used as input parameter for the inversion algorithm. The inversion algorithm provides the vertical distribution of microphysical properties of non-dust particle only so that the estimation of the SSA for the Asian dust in mixing state was suggested in this study. In order to estimate the SSA for the mixed Asian dust, we combined the SSA of non-dust particles retrieved by the inversion algorithms with assumed the SSA of 0.96 at 532 nm for dust. The retrieved SSA of Asian dust plume by lidar data was compared with the Aerosol Robotics Network (AERONET) retrieved values and showed good agreement.
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문제 정의
본 연구는 기존에 분석되지 않던 황사의 고도별 ω를 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여 분석하는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 광주과학기술원의 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여 황사층의 광흡수 특성에 대한 정보를 제공할 수 있는 고도별 ω를 직접적으로 산출할 수 있는 새로운 분석 방법을 제안하고자 한다.
이에 본 연구는 기존 연구의 한계점을 극복하기 위하여 황사 발생 시 황사층에서 순수황사와 비황사로 분리하는 것으로 시작한다. 이를 위하여 532 nm 수평 및 수직 후방산란광의 비로부터 입자의 비구형성을 알 수 있는 편광소멸도(Depolarization ratio)를 도출하고, 이를 활용하여 황사층에서 순수황사와 비황사의 비(황사비: Dust ratio: RD)를 고도분포에 따라 산출하였다.
제안 방법
이를 적용하여 532 nm에서 산출된 순수황사의 후방산란계수로부터 355와 1064 nm의 순수황사 후방산란계수를 산출하였다. 구분되지 않은 355 와 1064 nm의 후방산란계수에서 순수황사 후방산란계 수 값을 빼주어 비황사의 후방산란계수를 산출하였다. 소산계수 부분도 같은 방법을 적용하여 355와 532 nm파장에서 각각의 소산계수를 산출하였다.
산출된 황사비로 순수황사와 비황사로 구분하는 것 또한 532 nm 파장만 가능하므로 355와 1064 nm 파장대는 파장멱지수 (Ångström exponent, å)를 이용하여 산출하였다.
구분되지 않은 355 와 1064 nm의 후방산란계수에서 순수황사 후방산란계 수 값을 빼주어 비황사의 후방산란계수를 산출하였다. 소산계수 부분도 같은 방법을 적용하여 355와 532 nm파장에서 각각의 소산계수를 산출하였다.
이에 본 연구는 기존 연구의 한계점을 극복하기 위하여 황사 발생 시 황사층에서 순수황사와 비황사로 분리하는 것으로 시작한다. 이를 위하여 532 nm 수평 및 수직 후방산란광의 비로부터 입자의 비구형성을 알 수 있는 편광소멸도(Depolarization ratio)를 도출하고, 이를 활용하여 황사층에서 순수황사와 비황사의 비(황사비: Dust ratio: RD)를 고도분포에 따라 산출하였다. 황사비를 활용하여 전체 황사층에서 황사 외 에어로졸의 소산 및 후방산란계수를 산출하고, 산출된 데이터로부터 역행렬 알고리즘(Noh et al.
순수황사의 경우 대부분 조대입자로 구성되어 532 nm와 355 nm, 532 nm와 1064 nm 후방산란계수 상호 간의 å를 0으로 적용할 수 있다. 이를 적용하여 532 nm에서 산출된 순수황사의 후방산란계수로부터 355와 1064 nm의 순수황사 후방산란계수를 산출하였다. 구분되지 않은 355 와 1064 nm의 후방산란계수에서 순수황사 후방산란계 수 값을 빼주어 비황사의 후방산란계수를 산출하였다.
대상 데이터
본 연구에서 제안된 방법은 광주과학기술원(35.10˚N,126.53˚E)의 다파장 라만 라이다 시스템(Multi-wavelength Raman lidar system)으로 2004년 4월 2일에 관측된 데이터를 이용하여 분석을 수행하였다. Fig.
이론/모형
(1999)가 고안한 역행렬 분석을 수행하여 ω를 산출하였다.
(2007)에 설명되어있는 라만 분석방법으로 산출되는 세 파장(355, 532 및 1064 nm)에서의 후방산란계수(Backscatter coefficient, β)와 두 파장(355, 532 nm)에서의 소산계수(Extinction coefficient, α)를 이용하여 ω를 포함한 미세물리적 특성값을 산출할 수 있는 역행렬 분석법(Noh et al., 2011)이 기본이론으로 적용된다.
황사비를 활용하여 전체 황사층에서 황사 외 에어로졸의 소산 및 후방산란계수를 산출하고, 산출된 데이터로부터 역행렬 알고리즘(Noh et al., 2007)을 이용하여 532 nm에서의 ω를 산출하였다.
성능/효과
또한, 전체층에 대한 값은 비슷한 결과를 보여주더라고 Fig. 5에서와 같이 고도에 따라서는 층별로 다른 광흡수 특성이 있는 에어로졸이 이동할 때 라이다를 이용한 분석이 매우 유용함을 확인하였다.
AERONET 데이터와 비교하면 라이다로부터 도출된 ω 값이 0.2 정도 적은 값을 보여주나 라이다 분석 값의 오차범위 이내에 있는 결과이며, AERONET 데이터는 낮에 측정되어 밤에 측정된 라이다 결과와는 6시간 정도의 시간차가 있어 절대적 분석값의 비교는 의미가 퇴색된다.
특히, 고도에 따라 다른 광학적 특성이 있는 에어로졸이 두 개 이상의 층으로 나누어져 분포할 경우, 다른 원격탐사 장비와는 달리 본 연구에서 제안된 라이다 분석법은 각각 에어로졸 층의 광학적 특성을 구분할 수 있었다. 또한, 선포토미터와의 비교를 통하여 오차범위 내에서 일치되는 분석결과를 산출함을 확인할 수 있었다.
본 연구는 기존에 분석되지 않던 황사의 고도별 ω를 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여 분석하는 방법을 제시하였다. 제안된 방법으로 황사의 정확한 고도에 따른 분포 및 광학적 농도, 그리고 광흡수 특성까지 정밀하게 파악할 수 있음을 분석 결과를 통하여 알 수 있었다. 특히, 고도에 따라 다른 광학적 특성이 있는 에어로졸이 두 개 이상의 층으로 나누어져 분포할 경우, 다른 원격탐사 장비와는 달리 본 연구에서 제안된 라이다 분석법은 각각 에어로졸 층의 광학적 특성을 구분할 수 있었다.
제안된 방법으로 황사의 정확한 고도에 따른 분포 및 광학적 농도, 그리고 광흡수 특성까지 정밀하게 파악할 수 있음을 분석 결과를 통하여 알 수 있었다. 특히, 고도에 따라 다른 광학적 특성이 있는 에어로졸이 두 개 이상의 층으로 나누어져 분포할 경우, 다른 원격탐사 장비와는 달리 본 연구에서 제안된 라이다 분석법은 각각 에어로졸 층의 광학적 특성을 구분할 수 있었다. 또한, 선포토미터와의 비교를 통하여 오차범위 내에서 일치되는 분석결과를 산출함을 확인할 수 있었다.
후속연구
향후 본 연구에서 제안된 방법을 이용하여 축적된 분석 데이터를 확보한다면 황사 이동시 황사의 이동경로에 따른 광학적 특성 변화 연구에 매우 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 위성이나 선포토미터와 같은 기존의 원격탐사 기술이 제공하지 못하였던 고도분포의 정보를 제공하여 기존 원격 탐사 기술을 근본적으로 보완할 수 있는 응용기술로 활용될 수 있을 것이다.
향후 본 연구에서 제안된 방법을 이용하여 축적된 분석 데이터를 확보한다면 황사 이동시 황사의 이동경로에 따른 광학적 특성 변화 연구에 매우 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 위성이나 선포토미터와 같은 기존의 원격탐사 기술이 제공하지 못하였던 고도분포의 정보를 제공하여 기존 원격 탐사 기술을 근본적으로 보완할 수 있는 응용기술로 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
황사가 이동하는 경로는?
편서기류를 타고 장거리 이동 시 기상조건에 따라 다양한 고도 및 이동경로로 이동하는 황사는 경우에 따라 중국의 도심 및 공업지역에서 발생된 오염물질이나 biomass smoke 입자 등과 혼합되기도 한다. 황사와 다른 입자와의 혼합은 황사 층의 광학적 특성 변화를 유발한다(Yu et al.
황사란 무엇인가?
황사(Asian dust)는 중앙아시아의 사막지역에서 매년1000에서 2150 Tg 가량이 발생되며(Zender et al., 2004), 다른 에어로졸과 더불어 아시아 지역의 대기환경 및 기후변화에 직·간접적으로 영향을 미치는 중요한 에어로졸의 하나이다(Tengen et al., 2004; Rosenfeld et al.
순수황사 외에 미세한 오염입자가 혼합되어 있음을 나타내는 측정 값은?
Anderson et al.(2003)은 ACE-Asia 기간 동안 항공기를이용한 황사 관측을 통하여 입경크기가 1 mm 이상 조대입자의 단산란 알베도(Single-scattering albedo, ω)는 550 nm에서 0.96 ± 0.01인데 반하여 1 μm 이하의 미세입자에서는 0.88 ± 0.03으로 상대적으로 낮은 값을 측정하였다. 이는 황사 발생시 황사 층에 조대입자인 순수황사 외에 미세한 오염입자가 혼합되어있음을 나타낸다.
참고문헌 (18)
Anderson, T.L., S.J. Masonis, D.S. Covert, N.C. Ahlquist, S.G. Howell, A.D. Clarke, and C.S. McNaughton, 2003. Variability of aerosol optical properties derived from in situ aircraft measurement during ACE-Asia, Journal of Geophysical Research, 108(D23): 8647.
Cairo, F., D. Donfrancesco, A. Adriani, L. Pulvirenti, and F. Fierli, 1999. Comparison of various linear depolarization parameters measured by lidar, Applied Optics, 38(21): 4425-4432.
Huang, J., P. Minnis, B. Lin, T. Wang, Y. Yi, Y. Hu, S. Sun-Mack, and K. Ayers, 2005. Possible influences of Asian dust aerosols on cloud properties and radiative forcing observed from MODIS and CERES, Geophysical Research Letters, 33: L06824, doi:10.1029/2005GL024724.
Jung, J., and Y.J. Kim, 2011. Tracking sources of severe haze episodes and their physicochemical and hygroscopic properties under Asian continental outflow: Long-range transport pollution, postharvest biomass burning, and Asian dust, Journal of Geophysical Research, 116(D2): D02206.
Lee, K.H., J.E. Kim, Y.J. Kim, J. Kim, and W.V. Hoyningen-Huene, 2005. Impact of the smoke aerosol from Russian forest fires on the atmospheric environment over Korea during May 2003, Atmospheric Environment, 39(1): 85-99.
Lee, K.H., Y.J. Kim and M.J. Kim, 2006. Characteristics of aerosol observed during two severe haze events over Korea in June and October 2004, Atmospheric Environment, 40(27): 5146-5155.
Muller, D., U. Wandinger, and A. Ansmann, 1999. Microphysical particle parameter from extinction and backscatter lidar data by inversion with regularization: Theory, Applied Optics, 38(12):2346-2357.
Noh, Y.M., Y.J. Kim, B.C. Choi, and T. Murayama, 2007. Aerosol lidar ratio characteristics measured by a multi-wavelength Raman lidar system at Anmyeon Island, Korea, Atmospheric Research, 86(1): 76-87.
Noh, Y.M., D. Muller, I. Mattis, H. Lee, and Y.J. Kim, 2011. Vertically resolved light absorption characteristics and the influence of relative humidity on particle properties: multiwavelength Raman lidar observations of East Asian aerosol types over Korea. Journal of Geophysical Research, 116: D06206.
Noh, Y.M., D. Muller, H. Lee, K.H. Lee, K. Kim, S. Shin, and Y.J. Kim, 2012. Estimation of radiative forcing by the dust and non-dust content in mixed east Asian pollution plumes on the basis of depolarization ratios measured with lidar, Atmospheric Environment, 61: 221-231.
Noh, Y.M., and K.H. Lee, 2013. Characterization of optical properties of long-range transported Asian dust in Northeast Asia, Korean Journal of Remote Sensing, 29(2): 243-251 (in Korean with English abstract).
Rosenfeld, D., Y. Rudich, and R. Lahav, 2001. Desert dust suppressing precipitation: A possible desertification feedback loop, Proc. of the National Academy of Sciences of the United States of America, 98: 5975-5980.
Shimizu, A., N. Sugimoto, I. Matsui, K. Arao, I. Uno, T. Murayama, N. Kagawa, K. Aoki, A. Uchiyama, and A. Yamazaki, 2004. Continuous observations of Asian dust and other aerosols by polarization lidars in China and Japan during ACE-Asia, Journal of Geophysical Research, 109: D19S17.
Sugimoto, N., I. Uno, M. Nishikawa, A. Shimizu, I. Matsui, X. Dong, Y. Chen, and H. Quan, 2003. Record heavy Asian dust in Beijing in 2002:Observations and model analysis of recent events. Geophysical Research Letters, 30(12):1640.
Sugimoto, N., A. Shimizu, I. Matsui, I. Uno, K. Arao, X. Dong, S. Zhao, J. Zhou, and C.H. Lee, 2005. Study of Asian dust phenomena in 2001-2003 using a network of continuously operated polarization lidars. Water, Air, and Soil Pollution:Focus 5(3-6): 145-157.
Tegen, I., M. Werner, S.P. Harrison, and K.E. Kohfeld, 2004. Relative importance of climate and land use in determining present and future global soil dust emission, Geophysical Research Letter, 31, L05105, doi:10.1029/2003GL019216.
Yu, X., T. Cheng, J. Chen, and Y. Liu, 2006. A comparison of dust properties between China continent and Korea, Japan in East Asia, Atmospheric Environment, 40(30): 5787-5797.
Zender, C.S., R.L. Miller, and I. Tegen, 2004. Quantifying mineral dust mass budgets: Terminology, constraints, and current estimates, EOS Trans. AGU, 85(48): 509-512.
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