본 연구에서는 대기 상단에서 반사된 복사와 지표면에서 흡수된 복사에너지가 서로 선형 관계임을 보인 기존의 알고리즘을 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 관측 자료에 적용시킬 수 있도록 개선하여 하향 및 순 태양 복사에너지를 산출하였다. 비교 검증을 수행하기 위해 Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) 센서와 강릉원주대학교(GWNU), 미국의 Atmospheric Radiation Measurement (ARM) 관측소의 지상 일사계 자료를 사용하였다. 지구 에너지 수지와 관련하여 지표면에서의 복사에너지를 비교하기에 앞서 알고리즘을 통한 산출 결과와 CERES 자료의 대기 상단 복사에너지를 비교한 결과, 결정계수가 0.9이상을 보여 상당히 유사함을 보였지만 Root-Mean-Square-Deviation (RMSD) 값이 다소 차이가 있는 것으로 나타났고 하향과 순 태양 복사에너지도 비슷한 결과를 얻었다. 강릉원주대학교 자료와 비교한 결과, 본 연구의 알고리즘을 통해 산출된 결과가 CERES 자료보다 작은 RMSD를 보임으로서 더 높은 정확도를 보였다. 한편, ARM 관측소의 경우 하향 태양 복사에너지의 평균적인 RMSD가 CERES 자료에 비해 다소 크게 산출되었지만 순 태양 복사에너지의 경우 비슷한 결과가 나타났으며 시 공간 해상도를 고려하였을 때 상당히 유사한 경향을 보이고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 파악된 문제점에 대한 개선을 통해 향후 지상 관측을 대신하여 위성 관측으로부터 지표면에서의 하향 및 순 태양 복사에너지 자료를 고해상도로 제공하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 대기 상단에서 반사된 복사와 지표면에서 흡수된 복사에너지가 서로 선형 관계임을 보인 기존의 알고리즘을 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 관측 자료에 적용시킬 수 있도록 개선하여 하향 및 순 태양 복사에너지를 산출하였다. 비교 검증을 수행하기 위해 Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) 센서와 강릉원주대학교(GWNU), 미국의 Atmospheric Radiation Measurement (ARM) 관측소의 지상 일사계 자료를 사용하였다. 지구 에너지 수지와 관련하여 지표면에서의 복사에너지를 비교하기에 앞서 알고리즘을 통한 산출 결과와 CERES 자료의 대기 상단 복사에너지를 비교한 결과, 결정계수가 0.9이상을 보여 상당히 유사함을 보였지만 Root-Mean-Square-Deviation (RMSD) 값이 다소 차이가 있는 것으로 나타났고 하향과 순 태양 복사에너지도 비슷한 결과를 얻었다. 강릉원주대학교 자료와 비교한 결과, 본 연구의 알고리즘을 통해 산출된 결과가 CERES 자료보다 작은 RMSD를 보임으로서 더 높은 정확도를 보였다. 한편, ARM 관측소의 경우 하향 태양 복사에너지의 평균적인 RMSD가 CERES 자료에 비해 다소 크게 산출되었지만 순 태양 복사에너지의 경우 비슷한 결과가 나타났으며 시 공간 해상도를 고려하였을 때 상당히 유사한 경향을 보이고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 파악된 문제점에 대한 개선을 통해 향후 지상 관측을 대신하여 위성 관측으로부터 지표면에서의 하향 및 순 태양 복사에너지 자료를 고해상도로 제공하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
In this study, the net solar radiation fluxes at the surface are retrieved by updating an existing algorithm to be applicable for MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) observations, in which linear relationships between the solar radiation reflected from the top of atmosphere and the...
In this study, the net solar radiation fluxes at the surface are retrieved by updating an existing algorithm to be applicable for MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) observations, in which linear relationships between the solar radiation reflected from the top of atmosphere and the net surface solar radiation are employed. The results of this study have been evaluated through intercomparison with existing Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) data products and ground-based data from pyranometers at Gangneung-Wonju National University (GWNU) and the Southern Great Plains (SGP) of observatory of Atmospheric Radiation Measurement (ARM) site. Prior to the comparison of the surface radiation energy in relation to the energy balance of the earth, the radiation energy of the upper part of the atmosphere was compared. As a result, the coefficient of determination was over 0.9, showing considerable similarity, but the Root-Mean-Square-Deviation (RMSD) value was somewhat different, and the downward and net solar-radiation energy also showed similar results. The surface solar radiation data measured from pyranometers at Gangneung-Wonju National University (GWNU) and Atmospheric Radiation Measurement (ARM) observatory are used to validate the solar radiation data produced in this study. When compared to the GWNU, The results of this study show smaller RMSD values than CERES data, showing slightly better agreements with the surface data. On the other hand, when compared with the data from ARM SGP observatory, the results of this study bear slightly larger RMSD values than those for CERES. The downward and net solar radiation estimated by the algorithm of this study at a high spatial resolution are expected to be very useful in the near future after refinements on the identified problems, especially for those area without ground measurements of solar radiation.
In this study, the net solar radiation fluxes at the surface are retrieved by updating an existing algorithm to be applicable for MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) observations, in which linear relationships between the solar radiation reflected from the top of atmosphere and the net surface solar radiation are employed. The results of this study have been evaluated through intercomparison with existing Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) data products and ground-based data from pyranometers at Gangneung-Wonju National University (GWNU) and the Southern Great Plains (SGP) of observatory of Atmospheric Radiation Measurement (ARM) site. Prior to the comparison of the surface radiation energy in relation to the energy balance of the earth, the radiation energy of the upper part of the atmosphere was compared. As a result, the coefficient of determination was over 0.9, showing considerable similarity, but the Root-Mean-Square-Deviation (RMSD) value was somewhat different, and the downward and net solar-radiation energy also showed similar results. The surface solar radiation data measured from pyranometers at Gangneung-Wonju National University (GWNU) and Atmospheric Radiation Measurement (ARM) observatory are used to validate the solar radiation data produced in this study. When compared to the GWNU, The results of this study show smaller RMSD values than CERES data, showing slightly better agreements with the surface data. On the other hand, when compared with the data from ARM SGP observatory, the results of this study bear slightly larger RMSD values than those for CERES. The downward and net solar radiation estimated by the algorithm of this study at a high spatial resolution are expected to be very useful in the near future after refinements on the identified problems, especially for those area without ground measurements of solar radiation.
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문제 정의
이번 절에서는 앞서 비교한 것과 같이 ARM관측소의 SGP에 있는 SIRS 일사계 관측 자료의 비교 결과를 서술하였다. SIRS 일사계는 GWNU의 일사계와는 다르게 하향뿐만 아니라 상향 태양 복사에너지도 제공하고 있어 식(2)와 같은 방법으로 순 태양 복사에너지를 계산하였다.
제안 방법
이렇게 산출된 순 복사량은 대기와 지표의 태양 복사에너지를 직접적으로 산출하여 실측자료라고 할 수 있는 Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) 센서의 산출물과 지상 관측 자료와의 비교 분석을 통해 검증을 수행하였다.
더불어 CERES 자료도 일사계 자료와 함께 비교하였으며 같은 위·경도에서 두 위성 자료의 결과 값이 어느 정도의 차이를 보이는지 파악하기 위해 MODIS와 CERES의 결과도 함께 비교하였다.
본 연구에 사용한 알고리즘은 MODIS band4인 0.554μm의 단일 파장 값을 사용하고 있으며 이를 이용해 단파 전체 영역의 복사에너지를 계산하고 있다.
이에 본 연구에서는 여러 실험 결과를 바탕으로 공간 해상도의 경우에는 지상 관측소 위·경도를 기준으로 0.1° 영역의 반경을 평균하였으며 시간 해상도는 위성 관측 시간을 기준으로 ±30분 평균하여 비교 분석하였다.
이에 본 연구에서는 Li et al.(1993)에 의해 개발된 알고리즘을 Terra 및 Aqua에 탑재된 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)센서의 관측에 적용시킬 수 있게 개선하여 지표면과 대기에 의해 흡수된 태양 복사에너지를 산출하였다. 이렇게 산출된 순 복사량은 대기와 지표의 태양 복사에너지를 직접적으로 산출하여 실측자료라고 할 수 있는 Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) 센서의 산출물과 지상 관측 자료와의 비교 분석을 통해 검증을 수행하였다.
더불어 태양 복사에너지 산출에 있어 중요한 요소 중 하나인 오존 양은 MODIS 센서로부터 제공되고 있지만 직접적인 관측을 통해 보다 정확한 값을 제공하고 있는 Ozone Monitoring Instrument (OMI) 센서의 OMI_Aura_Level 3 자료를 사용하였으며 1°×1° 해상도를 가진다. 본 연구에서 사용된 입력 자료들은 공간 분해능이 다르기 때문에 최근린 내삽법(Nearest Neighbor Interpolation Method)을 적용하여 5 km 해상도로 일치 작업을 수행하였다.
이렇듯 CERES 센서는 태양 복사에너지와 관련된 자료들을 직접적으로 산출하고 있으며 순 태양 복사에너지를 산출하는 위성 센서가 거의 없기 때문에 비교 분석을 위한 위성자료로서 Single Scanner Footprint (SSF)인 Level 2 자료를 사용하였다. 또한 SSF 자료는 20km 해상도를 가지고 있기 때문에 앞서 언급한 OMI_Aura_L3 자료와 같은 방법으로 최근린 내삽법을 적용한 후에 비교 분석하였다.
, 2005; Wang and Pinker, 2009; Bisht and Bras, 2010). 본 연구에서 비교 검증을 위해 사용한 CERES 센서는 ARM 관측소에서 CERES/ARM Validation Experiment (CAVE)를 통해 검증된 3시간 평균 자료(SYN1deg)를 제공하고 있다. 이에 본 연구에서는 ARM 관측소로 미국 북부 중앙에 위치한 Southern Great Plains (SGP)의 Solar and Infrared Radiation Station (SIRS) 일사계를 선택하여 알고리즘 산출 결과와 비교 분석하였다.
본 연구에서 비교 검증을 위해 사용한 CERES 센서는 ARM 관측소에서 CERES/ARM Validation Experiment (CAVE)를 통해 검증된 3시간 평균 자료(SYN1deg)를 제공하고 있다. 이에 본 연구에서는 ARM 관측소로 미국 북부 중앙에 위치한 Southern Great Plains (SGP)의 Solar and Infrared Radiation Station (SIRS) 일사계를 선택하여 알고리즘 산출 결과와 비교 분석하였다. GWNU와 ARM 관측소의 일사계 정보는 Table 1에 나타내었다.
(1995)는 Li et al.(1993)의 알고리즘에 구름과 에어로솔에 대한 정보가 부족함을 언급하였고 분석을 통해 구름과 에어로솔 뿐만 아니라 가강수량, 오존에 관한 부분을 보완함으로서 긍정적인 결과를 보였기에 본 연구에 추가적으로 적용하였다.
1에 흐름도로서 나타냈다. 알고리즘은 위성에서 관측된 복사 값을 사용하기 때문에 MOD/MYD021KM 자료를 이용하였으며 이 자료는 Digital Number (DN)값과 각각의 scale factor와 offset을 제공하여 반사도(Reflectance) 또는 복사휘도(Radiance)로 전환할 수 있다. 본 연구에서는 0.
알고리즘을 통해 산출된 지표면에서의 순 태양 복사에너지는 대기 상단에서 반사된 에너지와 지표 및 대기 조건의 함수로 모수화된 양이므로 추후 산출 결과를 정략적으로 평가하기 위해서는 대기 상단에서 반사된 복사에너지 값을 일차적으로 비교해야 한다. 따라서 본 연구에서 개선/개발된 알고리즘을 통해 산출된 대기 상단에서의 복사에너지와 CERES 자료를 우선적으로 비교하였고 Fig. 4 (Terra)와 Fig. 5(Aqua)에 각각 나타내었다.
Aqua의 경우는 211일이며 그 중 맑은 날은 26일로 나타났다. GWNU의 일사계 자료는 하향 태양 복사에너지만을 측정하기 때문에 앞서 언급한 식(2), (3)과 MODIS 알베도 자료를 사용해 순 태양 복사에너지를 계산하여 비교하였다.
(1993)의 알고리즘에 Terra/Aqua 위성의 MODIS 관측을 적용시켜 하향 및 순 태양 복사에너지를 산출하였다. 이렇게 산출된 결과를 비교 및 검증하기 위해 NASA에서 개발된 알고리즘을 사용하여 태양 복사에너지 값을 직접 산출하고 있는 CERES센서 자료, GWNU와 ARM 관측소에 있는 일사 관측 자료를 사용하여 수행하였다.
대상 데이터
더불어 태양 복사에너지 산출에 있어 중요한 요소 중 하나인 오존 양은 MODIS 센서로부터 제공되고 있지만 직접적인 관측을 통해 보다 정확한 값을 제공하고 있는 Ozone Monitoring Instrument (OMI) 센서의 OMI_Aura_Level 3 자료를 사용하였으며 1°×1° 해상도를 가진다.
마지막으로 전 지구 자료는 0.05° 해상도를 가진 격자 자료로서 지표면에서 눈의 유무를 확인하기 위한 MOD/MYD10C1, 지표면 유형을 알 수 있는 MCD12C1, 알베도 값을 제공하는 MCD43C3 자료를 사용하였다.
Level 1B 자료는 1 km 해상도로 제공하고 있는 반사도(MOD/MYD021KM) 값과 위·경도를 비롯한 기하학 정보를 제공하는 MOD/MYD03_L1A자료를 사용하였다.
알고리즘에 사용된 MODIS 자료들은 Level 1B, Level 2 그리고 전 지구 자료로서 2012년에서 2013년까지 사용하였다. Level 1B 자료는 1 km 해상도로 제공하고 있는 반사도(MOD/MYD021KM) 값과 위·경도를 비롯한 기하학 정보를 제공하는 MOD/MYD03_L1A자료를 사용하였다.
Level 1B 자료는 1 km 해상도로 제공하고 있는 반사도(MOD/MYD021KM) 값과 위·경도를 비롯한 기하학 정보를 제공하는 MOD/MYD03_L1A자료를 사용하였다. Level 2 자료는 에어로솔(MOD/MYD04_3K), 가강수량(MOD/MYD05), 구름 특성(MOD/MYD06, MOD/MYD35)에 대한 자료이다. 본 연구는 5 km 해상도로 결과물을 산출하기 때문에 3 km 해상도의 에어로솔 자료를 사용하였으며 구름의 광학두께, 고도, 기압 등에 관한 정보를 얻기 위한 MOD/MYD06 자료와 구름의 존재 유무를 판단할 수 있는 MOD/MYD35 자료를 사용하였다.
Level 2 자료는 에어로솔(MOD/MYD04_3K), 가강수량(MOD/MYD05), 구름 특성(MOD/MYD06, MOD/MYD35)에 대한 자료이다. 본 연구는 5 km 해상도로 결과물을 산출하기 때문에 3 km 해상도의 에어로솔 자료를 사용하였으며 구름의 광학두께, 고도, 기압 등에 관한 정보를 얻기 위한 MOD/MYD06 자료와 구름의 존재 유무를 판단할 수 있는 MOD/MYD35 자료를 사용하였다. 마지막으로 전 지구 자료는 0.
이렇듯 CERES 센서는 태양 복사에너지와 관련된 자료들을 직접적으로 산출하고 있으며 순 태양 복사에너지를 산출하는 위성 센서가 거의 없기 때문에 비교 분석을 위한 위성자료로서 Single Scanner Footprint (SSF)인 Level 2 자료를 사용하였다. 또한 SSF 자료는 20km 해상도를 가지고 있기 때문에 앞서 언급한 OMI_Aura_L3 자료와 같은 방법으로 최근린 내삽법을 적용한 후에 비교 분석하였다.
위성 자료는 관측된 값을 통해 산출된 자료인 반면에 지상 자료는 관측 기기를 통해 직접 관측된 값이므로 정확성이 높고 가장 신뢰할 수 있는 자료이다. 본 연구에서는 보다 정확하고 신뢰성 있는 비교 검증을 수행하기 위해 국내와 국외의 지상 관측 자료를 활용하였다.
국내의 경우 강릉원주대학교(GWNU) 생명과학대학 2호관에 설치되어 운용되고 있는 일사계(CMP 21 Pyranometer)자료를 사용하였으며 국외의 경우 Atmospheric Radiation Measurement (ARM) 관측소 자료를 사용하였다. 특히 국외의 대표적 관측소로는 ARM 과 Baseline Surface Radiation Network (BSRN)이 있으며 두 관측소 모두 전 세계의 다양한 지역에 분포하고 있어 많은 연구자들의 연구 또는 검증 자료로서 사용되고 있다(Trishchenko and Li, 1998; Li et al.
(1993)의 알고리즘에 MODIS 관측을 적용시켜 순 태양 복사에너지를 산출하게 되며, 이러한 적용이 잘 이루어졌는지 확인할 필요가 있다. 이에 알고리즘을 통해 산출된 순 태양 복사에너지를 RGB 영상으로 표현하였으며, 비교 영상으로는 Terra/Aqua 의MODIS Image 영상과 CERES 센서 자료를 사용하였다. 자료는 2012년 중 계절별로 하루씩 임의로 선택하였으며 Fig.
이에 알고리즘을 통해 산출된 순 태양 복사에너지를 RGB 영상으로 표현하였으며, 비교 영상으로는 Terra/Aqua 의MODIS Image 영상과 CERES 센서 자료를 사용하였다. 자료는 2012년 중 계절별로 하루씩 임의로 선택하였으며 Fig. 2(Terra)와 Fig. 3(Aqua)에 나타내었다.
알고리즘을 통해 산출된 결과를 보다 정확한 값이라 판단할 수 있는 지상 자료와 비교 검증을 수행하기 위해 강릉원주대학교(GWNU) 생명대학 2호관 옥상에 설치된 일사계 자료를 사용하였다. 더불어 CERES 자료도 일사계 자료와 함께 비교하였으며 같은 위·경도에서 두 위성 자료의 결과 값이 어느 정도의 차이를 보이는지 파악하기 위해 MODIS와 CERES의 결과도 함께 비교하였다.
MODIS 관측을 적용시켜 산출된 결과와 GWNU와의 비교는 (a)와 (b), CERES 자료와 GWNU의 비교는 (c)와 (d), MODIS와 CERES와의 비교는 (e)와 (f)로 표시하였다. 자료기간은 2012년 1월 1일부터 2013년 12월 31일까지 2년으로 총 731일 중 Terra의 경우는 250일이며 그 중 구름이 없는 맑은 날은 30일로 나타났다. Aqua의 경우는 211일이며 그 중 맑은 날은 26일로 나타났다.
알고리즘을 통해 산출된 결과와 ARM의 비교는 (a)와 (b), CERES 자료와 ARM의 비교는 (c)와 (d), MODIS와 CERES의 비교는 (e)와 (f)로 표시하였다. 또한 자료기간은 GWNU와 같은 2년 동안의 기간을 선정하였으며 Terra의 경우 212일이며 그 중 구름이 없는 맑은 날은 77일로 나타났다. Aqua의 경우 333일이며 그 중 맑은 날은 125일로 나타났다.
이론/모형
55 μm(Band4)의 복사휘도 값을 사용하였으며 이 값은 지표에서 대기로 반사되는 모든 각도로 변경해야 된다. 따라서 복사휘도 값에 Angular Dependence Model (ADM)에 적용시켜 대기 상단에서의 복사조도(Irradiance)값으로 전환하였으며 이 값은 단일 파장에 해당하므로 단파 전체 영역에 대한 값으로 계산하기위해 Narrow To Broadband (NTB)를 사용하였다. 본 연구에 사용된 NTB방법은 Trishchenko and Li (1998)가 Geostationary Operational Environmental Satellite-7(GOES-7)과 METEOR-3/위성의 Scanner for Radiation Budget (ScaRaB)센서와의 비교를 통해 입증된바 있다.
성능/효과
따라서 RMSD가 다소 크게 계산된 부분들이 있더라도 시·공간 해상도 또는 자료간의 오차를 고려한다면 알고리즘을 통해 산출된 결과가 어느 정도의 유사성을 보이고 잘 일치한다고 볼 수 있으며 본 연구의 알고리즘을 바탕으로 지상 관측 자료가 없는 곳에서의 하향 및 순 태양 복사에너지 추정에 대한 문제를 긍정적으로 평가할 수 있다.
하양 태양 복사에너지에 대해 GWNU와의 RMSD를 계산한 결과(Fig. 10), Terra의 경우 맑은 날과 흐린 날이 각각 52.05W/m2와 82.71W/m2으로 계산되었고 CERES의 경우 59.79 W/m2와 111.56 W/m2으로 계산되어 알고리즘을 통한 산출 결과가 CERES보다 약 7 W/m2, 29W/m2 정도 더 작게 계산되었다.
하향 태양 복사에너지에 대한 CERES 자료를 비교한 결과, 흐린 날에 대한 Terra와 CERES 자료의 RMSD는 154.84W/m2, 90.68W/m2, 83.42W/m2, 66.24W/m2이고 Aqua는 104.94W/m2, 75.60W/m2, 78.64W/m2, 51.56W/m2 으로 계산되었다.
(1993)은 지표면에서의 흡수와 대기 상단에서 반사된 복사에너지가 선형적으로 반비례함을 복사전달 모델을 통해 확인하였고 이 관계는 지표면 유형이나 구름 광학두께에 독립적이고 태양 천정각에 의존함을 보였다. 즉, 태양 천정각을 기준으로 대기 구성요소들에 대한 여러 실험을 하였으며 그 결과, 태양 천정각과 가강수량이 가장 큰 영향을 주고 있음을 확인하였다. 그 외에 여러 대기 구성요소들의 결과를 종합하여 식(1)과 같은 하나의 식으로서 모수화하였다.
MODIS Image 영상과 알고리즘을 통해 산출된 값을 비교해 보면 구름이 존재하는 곳을 찾을 수 있고 이곳은 같은 태양 천정각에서 지표면으로 흡수되는 태양 복사에너지 값이 적기 때문에 맑은 영역보다 상대적으로 작은 값을 보이며 반대로 맑은 영역은 구름이 존재하는 영역보다 상대적으로 큰 값이 나타남을 알 수 있다. 반면, 겨울철(Fig.
두 자료의 비교 결과, Terra와 Aqua의 두 위성이 겨울철(Fig. 4(a))인 한 사례를 제외하고 결정계수가 모두 0.9 이상으로 높은 상관성을 보였다. 또한 기울기가 거의 1에 가까운 것을 확인할 수 있고 평균제곱근편차(Root-Mean-Square-Deviation, RMSD) 는 Terra의 경우 각각 25.
두 결과를 비교함에 있어 RMSD 값이 약간의 차이를 보이고 있는데 이는 같은 위성에 탑재된 센서들이기 때문에 기하학 정보는 같지만 측정되는 복사에너지 값을 처리하는 과정에 있어 각 센서마다 차이가 있는 것으로 판단된다. 즉, 단파 전체 영역의 값을 산출함에 있어 CERES 센서는 자체 개발된 ADM과 자료 처리 방법을 사용하고 있어 두 결과간의 차이가 있는 것으로 보이고 이는 지구로 들어오는 태양 복사에너지의 양을 산출하는 과정에서 두 자료 사이에 차이가 있음을 의미한다. 따라서 이러한 차이는 본 연구에서 산출된 결과와 비교함에 있어 영향을 미칠 것으로 판단된다.
36 W/m2으로 계산되었다. 대기 상단에서의 복사에너지 비교 결과와 유사하게 약간의 차이가 있는 것으로 나타났고 맑은 날이 흐린 날에 비해 상대적으로 좋은 결과가 나타났음을 알 수 있다. 특히 겨울철 하향 태양 복사에너지의 차이가 크게 나타나는데 이는 3.
위와 같은 방법으로서 순 태양 복사에너지를 비교한 결과, 흐린 날의 Terra에 대한 RMSD가 64.52 W/m2, 69.40W/m2, 67.57W/m2, 60.29W/m2이고 Aqua는 64.51 W/m2, 66.88 W/m2, 67.39 W/m2, 44.77 W/m2으로 계산되었다. 또한 맑은 날의 Terra에 대한 RMSD가 25.
앞서 보인 결과들을 보아 맑은 날과 흐린 날에 대한 비교 결과가 차이를 보이고 있으며 특히 구름이 없는 맑은 날에 잘 일치하고 있음을 보였다. 즉, 구름에 의한 복사 효과의 영향이 크다는 것을 알 수 있다.
두 날 모두 약 20W/m2 정도 CERES결과보다 더 작게 계산되었으며 기울기 역시 1:1 line에 더 근접한 것으로 나타났다. 따라서 하향과 순 태양 복사에너지 모두 지상 자료와 비교함에 있어 CERES 자료보다 더 나은 결과임을 확인할 수 있다.
이에 Terra와 Aqua의 하향과 순 태양 복사에너지 모두 CERES 자료와 유사하거나 조금 더 일치하고 있음을 확인할 수 있고 지상 자료에 더 근접함을 알 수 있다. 자세한 통계 수치는 Table 2와 3에 Terra의 결과를, Table 4과 5에 Aqua의 결과를 각각 나타내었다.
하향 태양 복사에너지에 대한 ARM 관측소와의 RMSD를 계산한 결과(Fig. 12), Terra의 경우 맑은 날과 흐린 날이 60.37 W/m2과 99.81 W/m2으로 계산되었고 CERES는 42.37 W/m2과 92.93 W/m2으로 계산되어 알고리즘을 통한 산출 결과가 약 18 W/m2과 7 W/m2정도의 차이를 보였다. 또한 순 태양 복사에너지를 비교한 결과, Terra의 경우 맑은 날과 흐린 날이 54.
93 W/m2으로 계산되어 알고리즘을 통한 산출 결과가 약 18 W/m2과 7 W/m2정도의 차이를 보였다. 또한 순 태양 복사에너지를 비교한 결과, Terra의 경우 맑은 날과 흐린 날이 54.54 W/m2과 96.04 W/m2으 로 계산되었고 CERES의 경 우 42.69W/m2과 83.29 W/m2으로 각각 12 W/m2과 13 W/m2정도의 차이가 나타나 알고리즘을 통해 산출된 결과가 CERES 결과보다 다소 높은 것으로 나타났다.
Aqua에 대한 하향 태양 복사에너지의 결과(Fig 13), 맑은 날과 흐린 날에 대한 RMSD는 99.67W/m2과 93.30W/m2으로 계산되었고 CERES의 경우 35.74 W/m2과 78.17 W/m2으로 계산되어 알고리즘을 통한 산출 결과가 CERES보다 약 54 W/m2과 15 W/m2정도로 큰 차이를 보였다. 반면 순 태양 복사에너지를 비교한 결과, Aqua의 경우 맑은 날과 흐린 날이 30.
17W/m2으로 계산되어 맑은 날과 흐린 날 모두 유사한 결과를 보였다. 본 연구의 목적이라 할 수 있는 순 태양 복사에너지의 경우 지상 또는 CERES 자료와 큰 차이를 보이진 않지만 하향 태양 복사에너지는 어느 정도의 차이가 있는 것으로 나타났고 이는 MODIS의 알베도 자료에 의한 것으로 판단된다. 자세한 통계 수치는 Table 6와 7에 Terra의 결과를, Table 8과 9에 Aqua의 결과를 각각 나타내었다.
하향 및 순 태양 복사에너지를 비교하기 전에 지구에 입사하는 태양 복사에너지의 정확도를 평가할 필요가 있다. 따라서 기존의 검증된 CERES 자료와 알고리즘을 통해 산출된 대기 상단에서의 태양 복사에너지 값을 비교한 결과, RMSD가 다소 차이를 보였지만 어느 정도 일치성을 확인하였으며 겨울철을 제외한 나머지 사례에 대해서 유사한 경향을 보였다. ADM 및 NTB 적용 시 실제 대기 환경 조건의 다양한 변화를 충분히 반영하지 못함으로서 두 알고리즘에서 발생할 수 있는 각기 다른 오차들로 인한 차이가 발생되고 이러한 원인들은 산출 결과에 비교적 작지 않은 기여를 하고 있는 것으로 보인다.
이러한 차이를 보다 자세히 파악하기 위해 맑은 날과 흐린 날을 구분하여 비교하였고, 그 결과 구름이 존재하는 흐린 날보다 구름이 없는 맑은 날에 상당히 좋은 결과를 보여 구름의 특성과 분포를 포함한 대기 구성 요소의 효과를 개선시킬 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 지상 자료와 비교함에 있어 GWNU에서는 CERES 자료보다 더 나은 결과를 보였지만 ARM 관측소에서는 CERES 결과 보다 다소 크게 산출되거나 유사한 경향을 보였다. 위성자료와 지상 자료를 비교함에 있어 Li et al.
후속연구
(2013)은 COMS의 표면도달일사량과 지상 관측 자료인 일누적일사량을 비교하여 좋은 상관관계를 보였지만 이는 하루 동안 평균된 값을 비교하였기에 즉각적인 값 산출에 대한 연구 및 비교 분석이 부족하다. 또한 COMS의 표면도달일사량에 대한 많은 검증이 이루어지지 않았고 태양 복사에너지는 대기 중의 수증기나 에어로솔, 구름 광학두께 등에 큰 영향을 받기 때문에 보다 정밀한 연구와 개선이 이루어져야 한다.
3(b)와 3(c))이나 두터운 구름이 존재하는 경우 다소 차이가 발생되는데 이는 눈과 구름이 함께 존재할 경우로서 위성에서의 반사도 값 산출에 어려움이 있기 때문이다. 즉, MODIS 알베도 자료에 의한 차이로서 해석할 수 있으므로 향후 알베도에 의한 차이가 발생할 것으로 판단된다. CERES 자료의 경우, MODIS 관측을 적용시켜 산출된 결과와 상당히 유사한 모습을 보이며 구름 및 수륙분포를 고려할 때 예상되는 분포를 보이고 있어 산출 결과가 합리적임을 정성적으로 확인할 수 있다.
태양 복사에너지는 대기 상단에서 산란 및 흡수 과정을 거쳐 반사되고 남은 복사에너지가 지구로 들어오게 되며 그 중의 일부가 지표면에 흡수된다. 알고리즘을 통해 산출된 지표면에서의 순 태양 복사에너지는 대기 상단에서 반사된 에너지와 지표 및 대기 조건의 함수로 모수화된 양이므로 추후 산출 결과를 정략적으로 평가하기 위해서는 대기 상단에서 반사된 복사에너지 값을 일차적으로 비교해야 한다. 따라서 본 연구에서 개선/개발된 알고리즘을 통해 산출된 대기 상단에서의 복사에너지와 CERES 자료를 우선적으로 비교하였고 Fig.
ADM 및 NTB 적용 시 실제 대기 환경 조건의 다양한 변화를 충분히 반영하지 못함으로서 두 알고리즘에서 발생할 수 있는 각기 다른 오차들로 인한 차이가 발생되고 이러한 원인들은 산출 결과에 비교적 작지 않은 기여를 하고 있는 것으로 보인다. 이러한 차이를 보다 자세히 파악하기 위해 맑은 날과 흐린 날을 구분하여 비교하였고, 그 결과 구름이 존재하는 흐린 날보다 구름이 없는 맑은 날에 상당히 좋은 결과를 보여 구름의 특성과 분포를 포함한 대기 구성 요소의 효과를 개선시킬 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 지상 자료와 비교함에 있어 GWNU에서는 CERES 자료보다 더 나은 결과를 보였지만 ARM 관측소에서는 CERES 결과 보다 다소 크게 산출되거나 유사한 경향을 보였다.
향후 본 연구에서 사용된 알고리즘의 정확도를 향상시키기 위해 대기 구성 요소, 특히 구름에 의한 복사 효과를 고려한 모수화 과정이 필요할 것으로 판단되며, 이 연구 결과는 추후 다채널 정지궤도 위성 관측으로부터 순 태양 복사에너지의 일변화 또는 일 누적 태양 복사에너지를 보다 정확하게 도출하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CERES 센서의 운영시기는 어떻게 되는가?
, 1996). 또한 1985-1999년까지 운영되었던 ERBE 센서를 개선하기 위해 만들어 졌으며 2000년 3월부터 현재까지 운영되고 있다. CERES는 지구 복사 수지를 모니터링 하기위해 단파 채널(0.3 - 5 μm), 전 채널(0.3 - 200 μm), 적외 채널(8 - 12 μm)을 사용하고 있으며 관측 주기는 1시간이고 일 자료로서 제공되고 있다.
MODIS센서는 무엇인가?
MODIS는 극궤도 위성인 Terra와 Aqua 위성에 탑재된 센서로서 가시광선, 근적외선, 중적외선 및 열적외선 영역을 포함한 0.4~14 μm의 넓은 파장대에서 36개의 채널을 통해 다양한 산출물들을 제공한다. 또한 10년이 넘게 운영되고 있으며 다양한 연구에 적용되어 왔고 현재까지도 많은 연구자들에 의해 사용되고 있어 이에 대한 신뢰성이 입증된 자료라 할 수 있다(Wang and Pinker, 2009; Bisht and Bras, 2010; Kim and Liang, 2010).
인공위성을 통해 제공되는 자료의 장점은 무엇인가?
, 2005). 이러한 문제들은 인공위성을 통한 원격관측을 통해 해결될 수 있으며, 인공위성을 통해 제공되는 자료들은 지상관측 자료와 달리 광역 공간에 대한 정보와 비접근 지역에 대한 정보를 제공할 수 있는 장점이 있다(Lee et al., 2013).
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