[논문]GEMS 이산화황 산출 현업 알고리즘에서 오프셋 보정 계수 산정 방법에 대한 영향 조사

박정현; 양지원; 최원이; 김세린; 이한림

doi:10.7780/kjrs.2022.38.2.5

GEMS 이산화황 산출 현업 알고리즘에서 오프셋 보정 계수 산정 방법에 대한 영향 조사
Investigation of the Effect of Calculation Method of Offset Correction Factor on the GEMS Sulfur Dioxide Retrieval Algorithm 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.38 no.2, 2022년, pp.189 - 198

박정현 (부경대학교 공간정보시스템공학과) , 양지원 (부경대학교 공간정보시스템공학과) , 최원이 (부경대학교 지오메틱연구소) , 김세린 (부경대학교 공간정보시스템공학과) , 이한림 (부경대학교 공간정보시스템공학과)

초록
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본 연구에서는 지난 2020년 2월에 발사된 정지궤도환경위성탑재체(Geostationary Environment Monitoring Spectrometer; GEMS)의 이산화황 산출 현업 알고리즘에서 오프셋 보정 계수 산정 방법이 이산화황 칼럼 농도 산출 결과에 미치는 영향을 확인하였다. GEMS의 현업 이산화황 산출 알고리즘은 차등흡수분광법(Differential Optical Absorption Spectroscopy; DOAS)과 주성분분석방법(Principal component analysis; PCA)이 융합된 하이브리드 알고리즘이다. 하이브리드 알고리즘에서는 차등흡수분광법을 이용하여 스펙트럴 피팅 후 나오는 이산화황 경사층적분농도 값에 나타나는 오존에 의한 흡수 영향을 보정하기 위하여 편차 보정 과정을 필수적으로 거치게 되며, 오프셋 보정 계수를 산정하는 조건에 따라 이산화황 칼럼농도 산출결과가 달라질 수 있기 때문에 적절한 오프셋 보정 계수 값의 적용이 필요하다. 본 연구에서는 구름 화소가 많이 존재하는 날짜와 적게 존재하는 날짜에 대해 오존 보정 계수를 각각 계산하고, 각각의 오존 보정 계수를 GEMS 현업 이산화황 산출 알고리즘에 적용하여 산출한 이산화황 칼럼농도의 비교를 수행하였다. 구름 화소가 많이 존재하는 날의 GEMS 복사휘도 자료를 이용하여 계산된 오존 보정 계수를 사용한 경우, GEMS 관측 영역의 가장자리에 해당하는 인도 부근에서의 이산화황 칼럼농도의 표준편차가 1.27 DU, 한반도 부근에서 0.58 DU, 주변에 구름 화소가 많았던 홍콩 부근에서 0.77 DU로 나타났다. 한편, 구름 화소가 적은 날의 GEMS 자료를 이용하여 계산된 오존 보정 계수를 사용하였을 경우의 이산화황 칼럼농도의 표준편차는 인도주변에서 0.72 DU, 한반도 주변에서 0.38 DU, 홍콩 부근에서 0.44 DU로 다소 감소하였음을 확인하였으며, 구름 화소가 많은 날의 오존 보정 계수를 사용하여 이산화황을 산출한 경우 대비 비교적 안정적인 산출이 이루어졌음을 확인하였다. 이에 따라, GEMS 이산화황 산출 알고리즘의 불확실성 최소화 및 안정적인 산출을 위해서 적절한 조건에서의 오존 보정 계수 산정이 이루어져야 할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this present study, we investigated the effect of the offset correction factor calculation method on the sulfur dioxide (SO2) column density in the SO2 retrieval algorithm of the Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS) launched in February 2020. The GEMS operational SO2 retrieval algorithm is the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) - Principal Component Analysis (PCA) Hybrid algorithm. In the GEMS Hybrid algorithm, the offset correction process is essential to correct the absorption effect of ozone appearing in the SO2 slant column density (SCD) obtained after spectral fitting using DOAS. Since the SO2 column density may depend on the conditions for calculating the offset correction factor, it is necessary to apply an appropriate offset correction value. In this present study, the offset correction values were calculated for days with many cloud pixels and few cloud pixels, respectively. And a comparison of the SO2 column density retrieved by applying each offset correction factor to the GEMS operational SO2 retrieval algorithm was performed. When the offset correction value was calculated using radiance data of GEMS on a day with many cloud pixels was used, the standard deviation of the SO2 column density around India and the Korean Peninsula, which are the edges of the GEMS observation area, was 1.27 DU, and 0.58 DU, respectively. And around Hong Kong, where there were many cloud pixels, the SO2 standard deviation was 0.77 DU. On the other hand, when the offset correction value calculated using the GEMS data on the day with few cloud pixels was used, the standard deviation of the SO2 column density slightly decreased around India (0.72 DU), Korean Peninsula (0.38 DU), and Hong Kong (0.44 DU). We found that the SO2 retrieval was relatively stable compared to the SO2 retrieval case using the offset correction value on the day with many cloud pixels. Accordingly, to minimize the uncertainty of the GEMS SO2 retrieval algorithm and to obtain a stable retrieval, it is necessary to calculate the offset correction factor under appropriate conditions.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. List of satellite-based SO2 monitoring instruments and retrieval algorithms
그림 Fig. 1. The flow chart of the GEMS SO₂ retrieval algorithm.
그림 Fig. 2. (a) SO₂ SCD before offset correction, (b) ozone SCD, and (c) offset correction value calculated using the relationship between SO₂ SCD and ozone SCD from GEMS measurement data (September 11, 2020).
그림 Fig. 3. Retrieved SO₂ VCDs (a) around India, (b) around Hong Kong (December 5, 2020, 03 UTC), and (c) Retrieved SO₂ VCD around the Korean Peninsula (April 28, 2021, 00 UTC) retrieved based on the GEMS SO₂ Hybrid algorithm using the offset value calculated from the GEMS observation data where there are many cloud pixels.
그림 Fig. 4. Retrieved SO₂ VCDs (a) around India, (b) around Hong Kong (December 5, 2020, 03 UTC), and (c) Retrieved SO₂ VCD around the Korean Peninsula (April 28, 2021, 00 UTC) retrieved based on the GEMS SO₂ Hybrid algorithm using the offset value calculated from the GEMS observation data where there are few cloud pixels.
표 Table 2. Average SO₂ column density, standard deviation, and the number of negative SO₂ pixels of Case 1 (around India), Case 2 (around Hong Kong), Case 3 (around Korea Peninsula)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 오존 보정 계수 산정 조건이 GEMS 이산화황 산출 결과에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 위하여 GEMS 위성센서로부터 측정한 구름 화소가 적은 날(맑은 날)과 구름 화소가 많은 날(흐린 날)의 복사휘도로부터 계산한 각각의 오존 보정 계수를 GEMS 이산화황 산출 알고리즘에 적용하여 이산화황의 수직층적분 농도를 산출하고, 상호비교를 수행하였다.

제안 방법

오존 보정이 수행된 차등흡수분광법 기반의 이산화황 경사층적분농도는 이산화황의 농도 가 낮은 청정 영역 선정에 사용된다. 선택된 이산화황 청정영역 픽셀의 복사휘도 값으로부터 주성분분석을 수행하여 이산화황 청정지역 픽셀에 대한 주성분을 추출하며, 청정지역에 대한 주성분(Principal Component; PC)들과 이산화황의 흡수단면적을 각 픽셀에서 측정된 복사휘도 값과 선형피팅을 수행하여 이산화황의 흡수 단면적의 계수로 계산되어지는 이산화황 경사층적분 농도를 산출한다(Fig. 1B).
본 연구에서는 오존 보정 계수 산정 조건이 GEMS 이산화황 산출 결과에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 위하여 GEMS 위성센서로부터 측정한 구름 화소가 적은 날(맑은 날)과 구름 화소가 많은 날(흐린 날)의 복사휘도로부터 계산한 각각의 오존 보정 계수를 GEMS 이산화황 산출 알고리즘에 적용하여 이산화황의 수직층적분 농도를 산출하고, 상호비교를 수행하였다. 흐린 날의 GEMS 초분광 복사휘도(L1C)로부터 계산된 오존 보정 계수를 사용하여 이산화황 수직층적분농도를 산출한 경우 맑은 날의 오존 보정 계수를 이용한 산출 결과에 비하여 비교적 불안정(선 형태의 고농도 이산화황 값, 음의 값 산출 빈도 다수)하게 산출됨을 확인하였다.

성능/효과

Table 2와 Fig. 3, 4의 결과를 기반으로 확인한 결과, 오프셋 보정을 위한 오프셋 값 계산 과정에서 구름 조건의 차이에 따라 이산화황 산출 결과에 큰 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 따라서 흐린 날의 오존 보정 계수를 이용하여 이산화황의 수직층적분농도를 산출할 경우 선 형태의 고농도 이산화황 값이 나타나고, 음의 값 산출 빈도가 높을 것으로 판단되므로 맑은 날 대비 불안정한 GEMS 이산화황이 산출될 것으로 생각된다.
Fig. 3의 인도, 홍콩, 한반도 부근에서 구름 화소가 많은 날의 복사휘 도로부터 계산된 오존 보정 계수로 산출된 결과에서 발생하던 선형태의 고농도 이산화황이 대부분 제거된 경향을 보였으며, Fig. 3(a)에서 음의 값으로 산출되었던 이산화황 수직층적분농도가 Fig.
3, 4의 결과를 기반으로 확인한 결과, 오프셋 보정을 위한 오프셋 값 계산 과정에서 구름 조건의 차이에 따라 이산화황 산출 결과에 큰 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 따라서 흐린 날의 오존 보정 계수를 이용하여 이산화황의 수직층적분농도를 산출할 경우 선 형태의 고농도 이산화황 값이 나타나고, 음의 값 산출 빈도가 높을 것으로 판단되므로 맑은 날 대비 불안정한 GEMS 이산화황이 산출될 것으로 생각된다. 이에 따라 GEMS 이산화황 산출 알고리즘에서 오존 보정 계수를 계산할 시 구름 조건을 면밀히 고려해야 할 필요가 있다.
5 이상인 픽셀이 많 이 존재하는 지역 주변에서 선 형태의 고농도 이산화황이 분포하는 경향을 보였다. 이를 통해 구름이 많이 존재하는 날의 자료를 이용하여 오프셋 보정을 수행할 경우 다수의 구름 픽셀이 존재하는 영역 주변과 GEMS 관측 영역의 가장자리 부근에서 선모양의 불안정한 이산화황의 농도가 산출되는 것을 알 수 있다.
이를 위하여 GEMS 위성센서로부터 측정한 구름 화소가 적은 날(맑은 날)과 구름 화소가 많은 날(흐린 날)의 복사휘도로부터 계산한 각각의 오존 보정 계수를 GEMS 이산화황 산출 알고리즘에 적용하여 이산화황의 수직층적분 농도를 산출하고, 상호비교를 수행하였다. 흐린 날의 GEMS 초분광 복사휘도(L1C)로부터 계산된 오존 보정 계수를 사용하여 이산화황 수직층적분농도를 산출한 경우 맑은 날의 오존 보정 계수를 이용한 산출 결과에 비하여 비교적 불안정(선 형태의 고농도 이산화황 값, 음의 값 산출 빈도 다수)하게 산출됨을 확인하였다. 이에 따라 안정적인 GEMS 이산화황 수직층적분농도 산출을 위해서는 오존 보정 계수 산정 조건이 중요함을 확인하였으며, 구름 화소가 최대한 적은 날을 선정할 필요가 있다.

후속연구

흐린 날의 GEMS 초분광 복사휘도(L1C)로부터 계산된 오존 보정 계수를 사용하여 이산화황 수직층적분농도를 산출한 경우 맑은 날의 오존 보정 계수를 이용한 산출 결과에 비하여 비교적 불안정(선 형태의 고농도 이산화황 값, 음의 값 산출 빈도 다수)하게 산출됨을 확인하였다. 이에 따라 안정적인 GEMS 이산화황 수직층적분농도 산출을 위해서는 오존 보정 계수 산정 조건이 중요함을 확인하였으며, 구름 화소가 최대한 적은 날을 선정할 필요가 있다.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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