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위성영상

배경 및 목적

기상청에서는 황사를 탐지하는 한 방법으로 기상위성자료를 활용하고 있다. 그러나 황사를 직접 관측한 자료가 아니고, 황사 가능성이 있는 지역을 간접적으로 추정하는 방법이다. 그 방법으로 크게 가시 채널 합성기법에 의한 칼라 위성영상분석 방법과 적외 파장역의 채널 간 휘도 온도차를 이용한 분석 방법이 있다.

가시 채널 합성기법에 의한 칼라 위성영상 자료는 빛의 3원색 칼라 합성원리를 이용하여 고해상도 위성자료의 가시 파장역 3개 채널을 합성하는 방법이다. 이와 같은 황사분석영상은 육안으로 황사를 식별할 수 있다는 장점이 있지만, 극궤도 위성의 주간 관측자료만 사용할 수 있어 연속적인 감시가 불가능한 단점이 있다.

한편 적외 파장역의 채널간 휘도 온도차를 이용한 분석자료는 화산재 탐지를 위해 고안되었고, 이후 안개 및 황사 등 에어로졸에 대해 특정 값을 나타내는 것에 착안하여 황사탐지 기법으로 활용하기 시작하였다.

적외 파장역은 대기 중의 흡수체(수증기, 이산화탄소 등) 영향이 가장 작은 대기창 영역(11-12㎛ 파장대)으로, 적외1 채널(11㎛)과 적외 2채널(12㎛)로 나누어진다. 적외1 채널과 적외2 채널은 육안으로는 구별이 어렵고, 적외1 채널은 적외2 채널보다 화산재나 먼지, 황사 등에 의해 흡수가 잘 되는 반면, 적외2 채널은 수증기에 의해 흡수가 잘 된다. 따라서 이 성질을 이용하여 적외1 - 적외2를 하면 (+) 값이 나오면 대기중에 수증기가 많은 것으로 해석할 수 있으며, (-) 값이 나오면 황사 가능성이 있는 것으로 분석할 수 있다. 그러나 다른 에어로졸에 대해서도 반응하기 때문에 황사로 잘못 분석될 수 있음에 유의해야 한다.

황사탐지 기법

  • 적외1의 값이 적외2의 값보다 크면 대기 중의 수증기가 많은 것으로 해석할 수 있으며, 반대로 적외1의 값이 적의 2의 값보다 작으면 황사 등이 있을 가능성이 큰 것으로 분석될 수 있다.

위성 분석영상의 종류

  • 천리안위성 황사지수(AI) 방법
    • 천리안위성 기상산출물 중의 하나인 황사지수(Aerosol Index, AI)는 적외차 방법(DCD)에 배경 적외차(DCD')를 도입함으로써 시공간에 따라 달라지는 황사탐지 경계값을 적용하였다. 황사지수는 황사에 의한 11μm 채널 휘도온도의 변화로 추정한 것으로, 황사가 발생한 날과 맑은 날의 적외차 지수들 간 차이를 의미한다.

    AI = 적외차(DCD)-배경적외차(DCD')=[T*11-T*12]-[T*11max-T*12]
    AI* = AI×(-10)

황사지수(AI) 영상이미지
황사지수(AI) 값은 위의 식에서 알수 있듯이 휘도온도의 차이를 나타내므로 단위는 K로 정의될 수 있으며, 홈페이지에 표출되는 영상의 황사지수(AI*)에는 이 값에 10을 곱하여 0에서 60까지의 범위로 구분하였다. 이 값이 클수록 대기중의 황사농도가 강하다고 해석할 수 있 으나 지상에서 관측하는 PM10 농도와 바로 대응되지는 않는다.
맑은 날의 적외차를 의미하는 배경적외차(T*11max-T*12)는 관측일을 포함한 이전 10일 중 해당 관측시각의 11μm 채널 휘도온도의 최대값(T*11max)과 12μm 채널 휘도온도값을 이용하여 화소별로 계산된다.
황사가 관측되는 시기는 주로 봄철이며 기온이 지속적으로 상승하는 시기이므로 11μm 휘도온도가
최대값을 나타낼 때 관측일에 가장 가까운 날의 지표온도일 가능성이 높고, 또한 에어로솔의 영향을 가장 적게 받았다고 볼 수 있다. 또한 수증기나 구름의 영향을 제거하기 위하여 배경 적외차에도 경계값을 설정하였으며, 이 값은 현재 -0.5K로서 이 값보다 작은 값일 때의 배경적외차만을 사용하고 있다.
적외차(T*11-T*12) 값은 위성천정각, 대기 연직 수증기량 및 지표면 온도/상태에 민감하기 때문에 황사와 구름을 구별하기 위한 경계값을 어떻게 선택하는가에 따라 강한 황사 신호를 약화시키거나 황사가 존재하지 않는 지점에서 신호를 주기도 한다. 황사지수 방법에서는 단순한 적외차의 경계값에 따른 오탐지를 최소화하기 위하여 시공간에 따라 달라지는 배경적외차를 적용하였으며, 구름이나 수증기의 영향 등으로 배경적외차 산출에 오차를 포함할 수 있기 때문에 이를 지속적으로 개선해야 할 필요가 있다.
  • 황사지수 영상 분석시 유의점
    • 메마른 토양지역
      • 지표면의 온도변화에 따라 적외차 값이 커질 수 있으므로 맑은 지역을 에어로솔 지역으로 잘못 탐지할 수 있음.
    • 구름과 해양지역 등 수증기의 영향을 자주 받는 곳
      • 구름이 제거되지 않거나 수증기의 영향 때문에 배경적외차 값이 -0.5K보다 클 경우 탐지가 어려움
    • 황사영상에서 표출되는 값(AI*)의 의미

      AI* = (DCD-DCD')x -10(DCD'≤-0.5)
      예) DCD=-0.5 , DCD'=-0.5 => AI*=0
           DCD=-1.5 , DCD'=-0.5 => AI*=10

황사 분석시 유의사항

위성을 이용한 황사 분석에 있어서 다음과 같은 사항들을 유의하여야 한다.

가. 기상위성은 우주에서 지구대기를 통과해 오는 태양복사량과 지구장파복사량을 관측하므로, 황사가 위치한 연직높이에 따라 위성에서 관측되는 강도와 지상관측과는 다를 수 있다.

나. 황사분석영상은 구름이 있는 지역에서는 분석되지 않는 단점이 있다.

다. 황사입자들은 장거리를 이동하면서 바람에 의해 사방으로 확산되기 때문에 한반도를 통과할 때에는 발원지보다 농도가 많이 약해지고 입자 크기도 작아지므로, 황사 분석영상에서는 아주 약하거나 전혀 분석되지 않을 수도 있다.

라. 황사가 빈번하게 발생하고 관측되는 내몽골, 외몽골 지역의 감시도 중요하지만, 특히 만주지역은 황사가 발생하여 유입되는 시간이 짧기 때문에 잘 감시해야 한다.

마. 황사가 존재하는 연직 방향의 층이 두텁고 고도가 높은 경우에는 적외차 휘도온도값의 차가 발생하지 않아 구름으로 분석될 가능성이 많다. 따라서 연속적인 분석을 통해 구름과 구분할 수 있어야 한다.

바. 같은 농도의 황사역이라 할지라도, 육·해상, 주·야간의 다른 복사 특성에 의해 야간 및 해상에서 약하게 분석되는 경향이 많다. 또한 대기 중에 수증기가 많을수록 양의 값을 보여 수증기가 많은 해상에서는 적외 채널차 값이 황사로 인한 음의 값과 수증기로 인한 양의 값이 서로 상쇄되어 황사로 분석될 가능성이 낮아진다.

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