초록 ▼

□ 개발 목적 및 필요성
본 연구단의 목표는 2019년 3월 발사 계획에 있는 환경위성탑재체 GEMS(Geostationary Environment Monitoring Spectrometer)의 관측 자료를 바탕으로 한 측정항목별 산출알고리즘 개발과 산출물 활용방안 개발 수행에 있다. 이를 위해서 환경위성탑재체에 최적화 된 복사전달 모델을 개발하고, 측정 항목별 민감도 조사를 통해 환경위성탑재체의 설계요소에 대한 요구 조건을 제시하고자 한다. 한편, 설계된 탑재체의 조건에 근거하여 알고리즘을 설계하고, 평가과정을 거쳐 수정 보

□ 개발 목적 및 필요성
본 연구단의 목표는 2019년 3월 발사 계획에 있는 환경위성탑재체 GEMS(Geostationary Environment Monitoring Spectrometer)의 관측 자료를 바탕으로 한 측정항목별 산출알고리즘 개발과 산출물 활용방안 개발 수행에 있다. 이를 위해서 환경위성탑재체에 최적화 된 복사전달 모델을 개발하고, 측정 항목별 민감도 조사를 통해 환경위성탑재체의 설계요소에 대한 요구 조건을 제시하고자 한다. 한편, 설계된 탑재체의 조건에 근거하여 알고리즘을 설계하고, 평가과정을 거쳐 수정 보완된 정확한 산출 알고리즘을 개발한다. 그리고 개발된 알고리즘 산출물을 통해 배출량과 대기화학수송모델 등, 환경응용 분야에 대한 활용 기반기술을 개발하여 환경위성탑재체의 활용성을 극대화하는 것을 최종 목표로 한다.
본 연구는 2019년 발사될 정지궤도복합위성 2호에 탑재된 환경위성탑재체 GEMS로부터 제공되는 자료를 이용하여 에어로솔, 오존, 포름알데하이드의 총 적분농도(Total Column Density) 정보를 생산하기 위한 처리 알고리즘을 개발하는 것을 목적으로 한다. 또한, 환경위성탑재체 규격 및 관측영역에 최적화된 고분해능 대기복사전달모델 개발 및 환경위성탑재체 상세설계 특성 분석 및 검정 알고리즘을 개발하고, 이들의 자료처리 통합 알고리즘을 구축하고자 한다.

□ 연구개발 결과
본 연구에서는 환경위성탑재체로부터 생산되는 자료를 이용하여, 에어로솔, 오존, 포름알데하이드 총적분농도 정보를 생산하기 위한 처리 알고리즘을 개발하였다. 또한, 환경위성탑재체로부터 제공되는 자료를 이용하여, 에어로솔 및 기체상 물질자료(Aerosol, O₃, HCHO, NO₂ 및 SO₂)를 생산하는 포트란 기반 통합 자료처리 알고리즘을 구축하였다. 통합 자료처리 알고리즘 시험운영을 통해 각 요소(오존, 에어로솔, 포름알데하이드)별 산출 알고리즘의 최종 산출결과 및 성능을 제시하였다. 환경위성탑재체 규격 및 관측영역에 최적화 된 고분해능 대기복사전달모델 VLIDORT를 개발하였고, 환경위성탑재체 상세설계 특성 분석 및 검정 알고리즘을 개발하여 제시하였으며, 산출 요소 관련 환경탑재체 하드웨어 설계요소와의 피드백 및 일관성을 검증하였다.
에어로솔 산출 알고리즘은 Optimal Estimation에 기반을 두고 있으며, 모의된 파장별 복사휘도와 관측된 복사휘도의 파장별 피팅(spectral fitting)을 통해, 에어로솔 광학두께, 단일산란알베도, 에어로솔 유효 고도가 동시에 산출된다. 산출물의 초기 값은 복사전달모델 VLIDORT를 이용해 모의한 조견표의 복사휘도와 관측된 복사휘도자료를 비교하여 역추정하는 방법을 이용해 산출된다. 조견표를 모의하는 VLIDORT의 입력자료를 생성하기 위해 동아시아 영역에 대해 지상에서 관측된 에어로솔의 입자 특성을 유형별로 분석하였다. 최종적으로 산출된 에어로솔 광학두께의 경우 OMI의 자외선-가시광 대역 관측 복사량을 이용하여 표출한 관측산출물을 지상관측 자료와 검증 시 상관관계 0.7 이상의 값을 보였으며, 이는 OMI 수준의 상관관계를 만족하였다.
대류권을 포함한 오존(O₃) 프로파일 알고리즘 및 TOMS 기반의 오존 전량산출 알고리즘 역시 Optimal Estimation을 기반으로 개발 완료되었다. 개발된 오존 프로파일 알고리즘을 OMI 자외선 관측 복사량에 적용, 산출하여 오존존데와 비교검증 시 대류권 오존량의 비교는 0.81의 매우 높은 상관성을 보였으며, 2.54 DU (8.52%)의 bias와 5.21 DU (16.11%)의 표준편차를 보였다. 이는 270-330nm 영역에서 산출된 OMI 오존산출 정확도와 비슷한 수준이다.
TOMS 기반 오존전량 알고리즘은, 산출된 오존의 값을 Brewer 오존 관측 자료와의 비교 분석을 수행한 결과 상관관계 0.97, RMSE 2.35를 나타내었다. 이는 OMI 현업알고리즘(V8.5)을 Brewer 오존 관측 값과 비교할 시의 상관관계 0.98, RMSE 2.25와 매우 유사한 수준이다.
포름알데하이드(HCHO) 산출 알고리즘은 least-squares fitting of a non-linearized Lambert-Beer model 방법 기반으로 개발되었다. 개발된 알고리즘으로부터 산출된 HCHO 경사층적분농도는 OMI HCHO 경사층적분농도와 비교 했을 때 3, 6, 9월에 대해 상관계수 값은 0.82-0.84, 기울기는 1.06-1.21을 보여준다. 이는 OMI 산출정확도 대비 50~100% 오차 수준을 만족한다.
환경위성탑재체 규격 및 관측영역에 최적화 된 0.1 nm 급 분광해상도의 복사전달모델이 자외선-가시광대역에 대해 개발 완료 되었다. 개발된 복사전달 모델은 O₂-O₂, NO₂, SO₂, O₃, OCHO, CHOCHO, H₂O, Raman 산란을 포함한다.
환경탑재체 특성의 분석을 통해, 파장검보정 알고리즘을 개발하였다. 이는 에어로솔 및 기체상 물질자료의 정확한 산출을 위해 필수적으로 선행되어야 한다. 실제 관측자료인 OMI 태양관측 자료와 항공기용 탑재체 관측 자료를 통해 알고리즘의 성능을 평가하였다. GEMS 분광해상도에서 SAO2010 자료는 OMI 자료와의 복사 값의 차이가 감소하였으며, 저해상도 자료와 비교했을 때 300nm 영역에서의 큰 차이가 감소되었다. 또한 파장 검보정에서 새롭게 얻어진 SAO2010 기준자료로 활용 시 검보정 정확도의 향상이 나타나 SAO2010 개선 작업이 효과적으로 수행되었다고 판단된다.

□ 성능사양 및 기술개발 수준
• 최종적으로 산출된 에어로솔 광학두께의 경우 OMI 자외선-가시광 대역의 관측 복사량에 적용하여 표출한 관측산출물을 지상관측 자료와 검증 시 상관관계 0.7 이상의 값을 보였으며, 이는 OMI 수준의 상관관계 및 최종 목표달성 수치를 만족한다.
• 개발된 오존 프로파일 알고리즘을 OMI 자외선 관측 복사량에 적용, 산출하여 오존 존데와 비교검증 시 대류권 오존량의 비교는 0.81의 매우 높은 상관성을 보였으며, 2.54 DU(8.52%)의 bias와 5.21DU(16.11%)의 표준편차를 보였다. 이는 270-330 nm 영역에서 산출된 OMI 오존산출 정확도와 비슷한 수준이다.
• 오존전량 알고리즘은, 산출된 오존의 값을 Brewer 오존 관측 자료와의 비교 분석을 수행한 결과 상관관계 0.97, RMSE 2.35를 나타내었다. 이는 OMI 현업알고리즘(V8.5)을 Brewer 오존 관측 값과 비교할 시의 상관관계 0.98, RMSE 2.25와 매우 유사한 수준이다.
• 산출된 HCHO 경사농도는 OMI HCHO 경사농도와 비교 했을 때 3, 6, 9월에 대해 상관계수 값은 0.82-0.84, 기울기는 1.06-1.21을 보여준다. 이는 OMI 산출정확도 대비 50~100% 오차 수준을 만족한다.
• GEMS 분광해상도에서 SAO2010 자료는 OMI 자료와의 복사 값의 차이가 감소하였으며, 저해상도 자료와 비교했을 때 300 nm 영역에서의 큰 차이가 감소되었다. 또한 파장 검보정에서 새롭게 얻어진 SAO2010 기준자료로 활용 시 검보정 정확도의 향상이 나타나 SAO2010 개선 작업이 효과적으로 수행되었다고 판단된다.

□ 활용계획
• 국내의 증가하는 위성자료 활용사례에 맞는 독자적인 산출알고리즘 개발로 대기질 변화의 효율적 파악 가능
• 대기질 예보 현업 활용 및 대기환경기체 배출량 DB 구축
• 환경부 대기질예경보 제도 정책지원 및 대기오염물질총량제 시행정책 지원
• 미래창조과학부 지구관측위성 국제협력 정책 지원
• 보건복지부 국민보건정책 지원
• 외교부 기후변화대사 정책에 과학적 근거자료 제공
• 원형 복사전달모델을 통한 다양한 모의실험 및 사례분석 활용이 가능, 모의 자료를 통해 자료처리 알고리즘 개발에 활용

□ 주요성과
- 출원(국내) : 4 건
- 등록(국내) : 3 건
- 출원(국외) : 1 건
- SCI급 : 36 건
- 일반 : 2 건
- 기타 : 국제학술회의 개최(5건), 소프트웨어 등록(8건), 저작권(6건), 학술회의 발표 성과(145건), 수상실적(2건), 보도실적(2건)

(출처 : 요약서 5p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results
■ Development of data processing algorithm for environment satellite payload and development of radiative transfer model
- Retrieval algorithm development of Ozone, Aerosol, and Formaldehyde
- Identify payload characteristics and develop algorithm for wavelength calibration of

Ⅳ. Results
■ Development of data processing algorithm for environment satellite payload and development of radiative transfer model
- Retrieval algorithm development of Ozone, Aerosol, and Formaldehyde
- Identify payload characteristics and develop algorithm for wavelength calibration of raw data
- Development of high spectral resolution RTM in ultraviolet-visible band
- Developed the integrated data processing algorithm and validation of aerosols, ozone, and formaldehyde products using ground observation and other reference data
■ [Aerosol]
- Development of aerosol retrieval algorithm based on Optimal Estimation , retrieving Aerosol Optical Dhickness, Single Scatter Albedo, and Aerosol Effective Altitude simultaneously.
- In the case of AOD, the correlation coefficient between the retrieved output from OMI ultraviolet-visible broadband observations and ground observation data was over 0.7.
■ [Ozone (O₃)]
- Development of ozone profile algorithm including troposphere based on Optimal Estimation and development of ozone total algorithm based on TOMS
- The ozone profile algorithm was applied to the OMI ultraviolet radiation, and the comparison of tropospheric ozone with ozone sonde showed a very high correlation of 0.81, with a bias of 2.54 DU (8.52%) and 5.21 DU (16.11%). Respectively.
- The TOMS-based total ozone algorithm shows a correlation of 0.97 and RMSE of 2.35 when the calculated ozone value is compared with Brewer ozone observation data. The correlation coefficient of OMI with Brewer ozone observation data was 0.98, RMSE of 2.25.
■ [Formaldehyde (HCHO)]
- Development of HCHO retrieval algorithm based on least-squares fitting of a non-linearized Lambert-Beer model
- The slope of the HCHO calculated from the GEMS algorithm showed a correlation coefficient of 0.82-0.84 and a slope of 1.06-1.21 for 3, 6, and 9 months compared with the OMI HCHO slope concentration. It satisfies the error level of 50~100% compared with OMI calculation
■ [Radiative Transfer Model]
- The development of radiative transfer model was completed with 0.1 nm spectral resolution in ultraviolet-visible band.
- Developed RTM include O₂-O₂ absorption, NO₂, SO₂, HCHO, CHOCHO, Raman scattering
■ [Analysis of environment payload characteristics and development of spectral calibration algorithm]
- We have developed a wavelength calibration algorithm and evaluated the performance of the algorithm through observations of OMI solar observations and aircraft payload observations.
- At the GEMS spectral resolution, the SAO2010 data showed a reduced difference in radiance from the OMI data. Compared with low-resolution data, large differences in the 300 nm region were reduced. In addition, SAO2010 was newly improved in wavelength calibration, and accuracy of calibration was improved when SAO2010 was used as reference data.
■ [Standardization and integration of environmental satellite data processing algorithm]
- The developed environment data processing algorithm has been standardized based on FORTRAN, and an integrated algorithm has been developed

(출처 : SUMMARY 28p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요 약 서 ... 5
• 요 약 문 ... 11
• SUMMARY ... 24
• 목차 ... 34
• 표목차 ... 35
• 그림목차 ... 38
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 51
• 1-1. 연구개발 목적 ... 51
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 51
• 1-3. 연구개발 범위 ... 62
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 64
• 2-1. 에어로솔 ... 69
• 2-2. 오존(O3) ... 71
• 2-3. 포름알데하이드(HCHO) ... 74
• 2-4. 복사전달모델 ... 77
• 2-5. 환경탑재체 특성분석 및 검보정 알고리즘 ... 78
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 79
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 79
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 109
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 283
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 321
• 4-1. 목표달성도 ... 321
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 332
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 335
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 339
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 345
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 346
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 347
• 9-1. 연구실 안전 점검 체계 및 실시 ... 347
• 9-2. 연구실 안전관리 규정 작성 및 준수 ... 347
• 9-3. 안전교육 ... 347
• 9-4. 그 외 안전조치 ... 348
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 349
• 11. 기타사항 ... 351
• 12. 참고문헌 ... 352
• 부 록 ... 369
• 끝페이지 ... 398