KR20180099356A - 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법 - Google Patents

다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180099356A
KR20180099356A KR1020170026719A KR20170026719A KR20180099356A KR 20180099356 A KR20180099356 A KR 20180099356A KR 1020170026719 A KR1020170026719 A KR 1020170026719A KR 20170026719 A KR20170026719 A KR 20170026719A KR 20180099356 A KR20180099356 A KR 20180099356A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
simulated
scd
trace gas
vertical profile
trace
Prior art date
Application number
KR1020170026719A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101910468B1 (ko
Inventor
이한림
홍현기
박준성
최원이
김대원
Original Assignee
부경대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 부경대학교 산학협력단 filed Critical 부경대학교 산학협력단
Priority to KR1020170026719A priority Critical patent/KR101910468B1/ko
Publication of KR20180099356A publication Critical patent/KR20180099356A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101910468B1 publication Critical patent/KR101910468B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/3103—Atomic absorption analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N2021/3129—Determining multicomponents by multiwavelength light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명은 위성에 장착된 후 다파장 초분광 관측기법을 적용하여 기 설정되어 저장된 모의 대기 중 미량기체 연직 프로파일로부터 대기상태 예보를 위한 실제의 대기 중 미량기체 연직 프로파일을 도출할 수 있도록 하는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
상기 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템은, 기 저장된 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일들과 환경정보를 대기복사모델에 적용하여 모의 복사휘도자료를 생성하고, 생성된 모의 복사휘도자료로부터 모의 SCD를 도출하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 매칭한 모의 SCD-LUT를 생성하는 모의 SCD-LUT생성부(100); 서로 다른 파장의 피팅윈도우(fitting window)를 적용한 DOAS에 의해 서로 다른 파장들에서의 관측 대상 미량기체에 대한 SCD들을 측정한 후 합산하여 측정 대상 미량기체에 대한 관측 SCD를 도출하는 다파장 SCD 측정부(200); 및 상기 관측 SCD와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 모의 SCD 값을 상기 SCD-LUT에서 추출한 후 대응하는 모의 미량기체 연직 프로파일을 측정대상 미량기체에 대한 미량기체 연직 프로파일로 도출하는 미량기체 연직 프로파일 도출부(300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND THE METHOD FOR PRODUCING VERTICAL PROFILE OF ATMOSPHERIC TRACE GAS USING MULTIPLE WAVELENGTH}
본 발명은 대기 중에 존재하는 대기 중 미량기체에 대한 연직 프로파일을 산출하는 것에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 위성에 장착된 후 다파장 초분광 관측기법을 적용하여 기 설정되어 저장된 모의 대기 중 미량기체 연직 프로파일로부터 대기상태 예보를 위한 실제의 대기 중 미량기체 연직 프로파일을 도출할 수 있도록 하는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
스펙트럼 피팅(Spectrum fitting) 방법은 자외선 혹은 가시영역파장에서 미량기체, 대기분자 혹은 에어로졸들이 가지고 있는 특정한 흡수선에 의해 소산되는 복사휘도의 양으로부터 특정 미량기체들의 농도를 산출 하는 기술로서, 현재 운영 중인 극궤도 위성인 OMI (Ozone Monitoring Instrument), SCHIAMACHY (Scanning Imaging Spectrometer for Atomspheric Chartography), GOME-2 (Global Ozone Monitoring Experiment-2)등과 같은 위성 원격 측정 장비, 그리고, MAX-DOAS (Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy), PANDORA와 같은 지상 원격측정 장비 및 향후 발사할 정지궤도 위성인 GEMS (Geostationary Environment Monitoring Sensor), Tempo (Tropospheric Emission: Monitoring pollution), Sentinel-4등과 같은 위성에서 미량기체 산출을 위해 널리 쓰이는 방법 중 하나이다.
상술한 스펙트럼 피팅(Spectrum fitting) 방법을 이용하여, 미량기체 (NO2, ozone, SO2, HCHO, etc.)의 농도 산출시, SCD 에러는 약10% 미만으로 비교적 적으나, 오염지역에서의 대기질량인자(AMF: Air Mass Factor) 에러는 100%를 초과한다. 이러한 AMF 에러의 발생원인은 AMF 계산 시 사용하는 입력 자료들의 부정확성에 상당부분 기인한다. 이러한 모델 입력 자료는 대부분 화학 수송모델로부터 획득하며, AOD (aerosol optical depth), SSA (single scattering albedo)등과 같은 에어로졸 정보, SZA (solar zenith angle), VZA (viewing zenith angle)등과 같은 기하학 정보 그리고, 미량기체의 연직 프로파일 등이 포함되어있다. 그렇기 때문에 정확한 미량기체들의 연직 프로파일 정보를 산출하는 것은 DOAS 방법을 이용한 미량기체 산출 정확도를 높이는 대에 있어 매우 중요하다. 따라서 미량기체에 대한 관측의 정확성을 높이기 위해서는 미량기체들의 연직 프로파일을 정확하게 산출할 수 있도록 하는 기술의 필요성이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기 설정되어 저장된 다양한 환경 조건에 따른 대기 중 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일과 환경정보를 이용하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일로부터 모의 경사 층적분농도(SCD)를 도출한 후 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일에 대응하는 SCD 룩업테이블(SCD-LUT: SCD- Look Up Table)을 생성하고, 위성에서 다파장 초분광 관측기법을 적용하여 관측 SCD를 도출한 후, SCD 룩업테이블에서 관측 SCD와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 모의 SCD 값을 가지는 모의 미량기체 연직 프로파일을 미량기체 연직 프로파일로 산출하도록 하는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템(1)은,
기 저장된 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일들과 환경정보를 대기복사모델(이하, 'RTM' 이라 함, RTM: Radiative Transfer model)에 적용하여 모의 복사휘도자료를 생성하고, 생성된 모의 복사휘도자료로부터 모의 경사 층적분농도(이하, 'SCD'라 함, SCD: Slant Column Density)를 도출하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 매칭한 모의 경사 층적분농도 룩업 테이블(이하, 'SCD-LUT'라 함, LUT: Look Up Table)을 생성하는 모의 SCD-LUT생성부(100);
서로 다른 파장의 피팅윈도우(fitting window)를 적용한 DOAS에 의해 서로 다른 파장들에서의 관측 대상 미량기체에 대한 SCD들을 측정한 후 합산하여 측정 대상 미량기체에 대한 관측 SCD를 도출하는 다파장 SCD 측정부(200); 및
상기 관측 SCD와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 모의 SCD 값을 상기 SCD-LUT에서 추출한 후 대응하는 모의 미량기체 연직 프로파일을 측정대상 미량기체에 대한 미량기체 연직 프로파일로 도출하는 미량기체 연직 프로파일 도출부(300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 모의 SCD-LUT 생성부(100)는,
모의 미량기체 연직 프로파일들을 저장하는 모의 미량기체 연직 프로파일 DB부(110);
에어로졸, 지오메트리, 지형정보를 포함하는 환경정보를 저장하는 환경정보 DB부(120);
상기 모의 미량기체 연직 프로파일과 상기 환경정보를 RTM에 적용하여 모의복사휘도자료를 생성하는 모의복사휘도자료생성부(130);
상기 모의복사휘도자료값들에 대하여 모델방정식에 의해 흡수된 태양복사의 차이가 최소가 되는 SCD들을 추출하여 상기 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 도출하는 모의 SCD 도출부(140); 및
상기 모의 미량기체 연직 프로파일들과 상기 모의 SCD들을 매칭시킨 SCD-LUT를 생성하는 모의 SCD-LUT부(150);를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 모의 미량기체 연직 프로파일은,
서로 다른 VCD(Vertical Column Density: 연직 층적분농도) 조건에서 나올 수 있는 연직 프로파일들의 모양을 반영하여 구성될 수 있다.
모의 SCD 도출부(140)는,
Figure pat00001
가 최소가 되는 SCD값을 모의 SCD로 도출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서,
Figure pat00002
는 파장 λ의 태양으로부터 관측된 태양 복사 조도,
Figure pat00003
는 지구에서 반사되는(매질을 통과한) 파장 λ의 대기상한에서의 태양 복사 조도 (irradiance),
Figure pat00004
는 λ의 보정 값, offset(λ)는 광학기기에서 발생하는 미광(stray light)와 암전류(dark current)에 의해 발생하는 시그널을 나타내는 항, Sj(λ)는 파장 λ에서 물질 j의 흡수 단면적, Cj는 물질 j의 경사 층적분농도 (SCD),
Figure pat00005
는 미량 기체들에 발생하는 파장에 따른 빠른 흡수 (narrow band)에 의한 빛의 소멸,
Figure pat00006
는 에어로졸 및 대기물질 (N2, O2)에 의한 느린 흡수 (broad band)에 의한 빛의 소멸.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법은,
모의 SCD-LUT생성부(100), 다파장 SCD 측정부(200) 및 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)를 포함하는 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템에 의한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법에 있어서,
상기 모의 SCD-LUT생성부(100)가 기 저장된 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일들과 환경정보를 대기복사모델(이하, 'RTM' 이라 함, RTM: Radiative Transfer model)에 적용하여 모의 복사휘도자료를 생성하고, 생성된 모의 복사휘도자료로부터 모의 경사 층적분농도(이하, 'SCD'라 함, SCD: Slant Column Density)를 도출하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 매칭한 모의 경사 층적분농도 룩업 테이블(이하, 'SCD-LUT'라 함, LUT: Look Up Table)을 생성하는 모의 SCD-LUT생성과정(S100);
상기 다파장 SCD 측정부(200)가 서로 다른 파장의 피팅윈도우(fitting window)를 적용한 DOAS에 의해 서로 다른 파장들에서의 관측 대상 미량기체에 대한 SCD들을 측정한 후 합산하여 측정 대상 미량기체에 대한 관측 SCD를 도출하는 다파장 SCD 측정과정(S200); 및
상기 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)가 상기 관측 SCD와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 모의 SCD 값을 상기 SCD-LUT에서 추출한 후 대응하는 모의 미량기체 연직 프로파일을 측정대상 미량기체에 대한 미량기체 연직 프로파일로 도출하는 미량기체 연직 프로파일 도출과정(S300);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 모의 SCD-LUT 생성과정(S100)은,
모의 미량기체 연직 프로파일과 상기 환경정보를 RTM에 적용하여 모의복사휘도자료를 생성하는 모의복사휘도자료생성과정(S110);
상기 모의복사휘도자료값들에 대하여 모델방정식에 의해 흡수된 태양복사의 차이가 최소가 되는 SCD들을 추출하여 상기 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 도출하는 모의 SCD 도출과정(S120); 및
상기 모의 미량기체 연직 프로파일들과 상기 모의 SCD들을 매칭시킨 SCD-LUT를 생성하는 모의 SCD-LUT생성과정(S130);을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 모의 SCD 도출과정(S120)은,
Figure pat00007
가 최소가 되는 SCD값을 모의 SCD로 도출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서,
Figure pat00008
는 파장 λ의 태양으로부터 관측된 태양 복사 조도,
Figure pat00009
는 지구에서 반사되는(매질을 통과한) 파장 λ의 대기상한에서의 태양 복사 조도 (irradiance),
Figure pat00010
는 λ의 보정 값, offset(λ)는 광학기기에서 발생하는 미광(stray light)와 암전류(dark current)에 의해 발생하는 시그널을 나타내는 항, Sj(λ)는 파장 λ에서 물질 j의 흡수 단면적, Cj는 물질 j의 경사 층적분농도(SCD),
Figure pat00011
는 미량 기체들에 발생하는 파장에 따른 빠른 흡수 (narrow band)에 의한 빛의 소멸,
Figure pat00012
는 에어로졸 및 대기물질 (N2, O2)에 의한 느린 흡수 (broad band)에 의한 빛의 소멸.
상술한 구성의 본 발명은, 위성에서 다중 파장에서의 초분광 관측기반의 파장 민감도 특성을 이용하여 NO2 등의 대기 중 미량기체에 대한 정확한 미량기체 연직 프로파일을 산출할 수 있도록 하여, 기존 화학 수송 모델의 NO2 등의 미량기체 연직 프로파일과의 재분석 (re-analysis) 과정을 통해 더욱 신뢰도 있는 미량기체 연직 프로파일을 산출 할 수 있도록 하고, 이에 의해, 위성을 통해 더욱 정밀도 높은 NO2 등의 미량기체 연직 층적분농도의 산출을 가능하게 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 정확한 미량기체 연직 프로파일을 산출함으로서, 대기환경 오염물질 예보에 관심 있는 지표면 미량기체의 혼합비를 위성으로부터 산출 가능하도록 하여, 지상 장비가 존재하지 않는 넓은 지역에서 정지궤도 위성을 이용하여 높은 시공간적 대기환경 예보를 가능하게 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템(1)의 블록 구성도.
도 2는 미량 기체들에 발생하는 파장에 따른 빠른 흡수(narrow band)와 에어로졸 및 대기물질에 의한 느린 흡수(broad band)를 도식적으로 나타낸 도면.
도 3은 자외선(UV)과 가시광선 파장에 따른 빛의 투과도 및 각각의 파장에서 산출되는 미량기체 중 NO2의 농도 관측 값을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 5는 상기 도 4의 처리과정 중 모의 SCD-LUT 생성과정(S100)의 상세 처리과정을 나타내는 순서도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템(1)(이하, 프로파일 산출 시스템(1)'이라 함)의 블록 구성도이다.
도 1과 같이, 상기 프로파일 산출 시스템(1)은 모의 SCD-LUT생성부(100), 다파장 SCD 측정부(200) 및 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)를 포함하여 구성된다.
상기 모의 SCD-LUT 생성부(100)는 기 저장된 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일들과 환경정보를 대기복사모델(이하, 'RTM' 이라 함, RTM: Radiative Transfer model)에 적용하여 모의 복사휘도자료를 생성하고, 생성된 모의 복사휘도자료로부터 모의 경사 층적분농도(이하, 'SCD'라 함, SCD: Slant Column Density)를 도출하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 매칭한 모의 경사 층적분농도 룩업 테이블(이하, 'SCD-LUT'라 함, LUT: Look Up Table)을 생성한다.
이를 위해, 상기 모의 SCD-LUT 생성부(100)는 모의 미량기체 연직 프로파일 DB부(110), 환경정보 DB부(120), 모의복사휘도자료생성부(130), 모의 SCD 도출부(140) 및 모의 SCD-LUT부(150)를 포함하여 구성된다.
상기 모의 미량기체 연직 프로파일 DB부(110)는 화학수송모델(CTM: Chemical Transport Model)을 적용하여 미리 계산된 모의 미량기체 연직 프로파일들을 저장한다. 상기 모의 미량기체 연직 프로파일은 다양한 VCD(Vertical Column Density: 연직 층적분농도) 조건에서 나올 수 있는 모든 연직 프로파일의 모양을 반영하여 구성한다. 이때 화학수송모델(CTM)의 미량기체 연직 프로파일을 참고한다. 여기서 미량기체들은 NO2, 오존, SO2, HCHO 등을 포함한다.
상기 환경정보DB부(120)는 모의 미량기체 연직 프로파일과 함께 RTM에 적용되어 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 복사휘도 자료를 생성하기 위해 입력되는 에어로졸 정보, SZA(solar optical depth), VZA(viewing zenith angle), 등의 지오메트리 정보, 지형정보를 포함하는 환경정보를 저장한다.
상기 모의복사휘도자료생성부(130)는 상기 모의 미량기체 연직 프로파일과 상기 환경정보를 RTM에 적용하여 모의복사휘도자료를 생성하도록 구성된다.
상기 모의 SCD 도출부(140)는 상기 모의복사휘도자료값들에 대하여 모델방정식에 의해 흡수된 태양복사의 차이(χ)가 최소가 되는 SCD들을 추출하여 상기 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD들을 도출한다.
상기 χ는
Figure pat00013
에 의해 도출된다. 여기서, χ는 최소자승법에 의해 얻어질 수 있다.
여기서,
Figure pat00014
는 복사 조도,
Figure pat00015
는 파장 λ의 태양으로부터 관측된 태양 복사 조도,
Figure pat00016
는 지구에서 반사되는(매질을 통과한) 파장 λ의 대기상한에서의 태양 복사 조도 (irradiance),
Figure pat00017
는 λ의 보정 값(실제로 분광기(spectrometer)로 빛을 측정할 시 파장이 틀어지는 현상(shift)을 보정하는 항), offset(λ)는 광학기기에서 발생하는 미광(stray light)와 암전류(dark current)에 의해 발생하는 시그널을 나타내는 항, Sj(λ)는 파장 λ에서 물질 j의 흡수 단면적, Cj는 물질 j의 경사 층적분농도 (SCD),
Figure pat00018
는 미량 기체들에 발생하는 파장에 따른 빠른 흡수 (narrow band)에 의한 빛의 소멸,
Figure pat00019
는 에어로졸 및 대기물질 (N2, O2 등)에 의한 느린 흡수 (broad band)에 의한 빛의 소멸을 나타내는 다항식이다.
상기
Figure pat00020
는 에어로졸 및 대기물질 (N2, O2 등)에 의한 느린 흡수 (broad band)에 의한 빛의 소멸(흡수)을 나타내는 것으로, 도 2와 같이, 파장 변화에 따라서 느리게 변하기 때문에 저차원 다항식(예, 2차원으로 표현되는 경우 ax2+bx+c)으로 표현된다.
도 2는 미량 기체들에 발생하는 파장에 따른 빠른 흡수(narrow band)와 에어로졸 및 대기물질에 의한 느린 흡수(broad band)를 도식적으로 나타낸 도면이다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 모의 SCD-LUT부(150) 모의 미량기체 연직 프로파일들과 모의 SCD도출부(140)에서 도출된 모의 SCD들을 매칭시킨 SCD-LUT을 저장하도록 구성된다.
상기 다파장 SCD측정부(200)는 미량기체 연직 프로파일을 도출하기 위하여 인공위성에서 관측대상 미량기체에 대하여 다 파장들에 대한 다수의 피팅윈도우들을 적용하여 관측 SCD를 측정하도록 구성된다.
도 3은 자외선(UV)과 가시광선 파장에 따른 빛의 투과도 및 각각의 파장에서 산출되는 미량기체 중 NO2의 농도 관측 값을 나타내는 도면이다.
도 3과 같이, 가시 (visible) 영역 대 의 경우 태양 입자 (photon)가 지표면에까지 도달 가능함으로 대기 전체의 NO2 SCD 산출이 가능하다. 그러나 자외선 (ultraviolet) 영역 대 의 경우 성층권에 다량으로 존재하는 오존 등의 영향으로 태양 입자가 지표면까지 도달 하는 양이 매우 적으므로, 지표면 NO2의 산출 민감도가 떨어지게 된다. 더욱이 파장이 짧아지면 짧아질수록 지표면에 도달하는 양이 줄어들어, 파장이 짧을수록 고층부에 존재하는 NO2의 영향만을 받게 된다. 즉, 서로 다른 파장을 이용하여 대기중의 미량기체를 측정함으로써 성층권 혹은 대류권 상층까지 존재하는 NO2 등의 미량기체의 SCD의 산출이 가능하다.
즉, 도 1의 다파장SCD측정부(200)는 관측 대상 미량기체에 대한 농도 측정을 위해 서로 다른 파장들을 가지는 피팅윈도우들을 이용한 DOAS를 적용하는 것에 의해 각각의 파장들에 대응하는 SCD 값들을 산출한 후 이를 합산하여 관측 SCD 값을 산출하도록 구성된다.
상기 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)는 관측 SCD 값과 오차 범위 내에서 일치하는 SCD 값을 모의 SCD-LUT부(150)에서 추출한 후 대응되는 모의 미량기체 연직 프로파일을 관측 SCD 값에 대응하는 미량기체 연직 프로파일로 추출하도록 구성된다.
즉, 상기 관측 SCD는 인공위성에서 경사방향으로 측정한 미량기체에 대한 SCD 값을 가지며, 상기 추출된 미량기체 연직 프로파일은 지표면에서 수직으로 분포되는 미량기체의 농도 분포를 가지게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 4와 같이, 상기 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법은, 모의 SCD-LUT생성부(100), 다파장 SCD 측정부(200) 및 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)를 포함하는 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템에 의한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법에 있어서, 모의 SCD-LUT생성과정(S100), 다파장 SCD 측정과정(S200) 및 미량기체 연직 프로파일 도출과정(S300)을 포함하여 이루어진다.
상기 모의 SCD-LUT생성부(100)가 기 저장된 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일들과 환경정보를 대기복사모델(이하, 'RTM' 이라 함, RTM: Radiative Transfer model)에 적용하여 모의 복사휘도자료를 생성하고, 생성된 모의 복사휘도자료로부터 모의 경사 층적분농도(이하, 'SCD'라 함, SCD: Slant Column Density)를 도출하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 매칭한 모의 경사 층적분농도 룩업 테이블(이하, 'SCD-LUT'라 함, LUT: Look Up Table)을 생성하는 모의 SCD-LUT생성과정(S100)을 수행한다.
도 5는 상기 도 4의 처리과정 중 모의 SCD-LUT 생성과정(S100)의 상세 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하여 상기 모의 SCD-LUT생성과정(S100)을 상세히 설명하면, 먼저 모의복사휘도자료생성부(130)가 모의 미량기체 연직 프로파일과 상기 환경정보를 RTM에 적용하여 모의복사휘도자료를 생성하는 모의복사휘도자료생성과정(S110)을 수행한다.
다음으로, 모의 SCD도출부(140)가 상기 모의복사휘도자료값들에 대하여 모델방정식에 의해 흡수된 태양복사의 차이가 최소가 되는 SCD들을 추출하여 상기 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 도출하는 모의 SCD 도출과정(S120)을 수행한다. 이 경우, 모의 미량기체 연직 프로파일들에 의해 도출된 복사휘도값과 모델방정식으로부터 산출된 흡수복사휘도 값이 최소가 되는 모의 SCD 값을 모의 SCD 값으로 도출함은 상술한 바와 같다.
이 후, 모의 SCD-LUT부(150)가 모의 미량기체 연직 프로파일들과 상기 모의 SCD들을 매칭시킨 SCD-LUT를 생성하는 모의 SCD-LUT생성과정(S130)을 수행한다.
다시, 도 1을 참조하여 설명하면, 상술한 바와 같이, 모의 SCD-LUT가 생성된 후에는, 상기 다파장 SCD 측정부(200)가 서로 다른 파장의 피팅윈도우(fitting window)를 적용한 DOAS에 의해 서로 다른 파장들에서의 관측 대상 미량기체에 대한 SCD들을 측정한 후 합산하여 측정 대상 미량기체에 대한 관측 SCD를 도출하는 다파장 SCD 측정과정(S200)을 수행한다. 이 처리과정은 실제로 인공위성에서 지구 대기를 분광기법에 의해 관측하는 처리과정이 된다.
이 후, 상기 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)가 상기 관측 SCD와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 모의 SCD 값을 상기 SCD-LUT에서 추출한 후 대응하는 모의 미량기체 연직 프로파일을 측정대상 미량기체에 대한 미량기체 연직 프로파일로 도출하는 미량기체 연직 프로파일 도출과정(S300)을 수행한다. 이 과정에서, 관측된 관측 SCD 값에 대응하는 미량기체 연직 프로파일이 도출된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 프로파일 산출 시스템

Claims (8)

  1. 기 저장된 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일들과 환경정보를 대기복사모델(이하, 'RTM' 이라 함, RTM: Radiative Transfer model)에 적용하여 모의 복사휘도자료를 생성하고, 생성된 모의 복사휘도자료로부터 모의 경사 층적분농도(이하, 'SCD'라 함, SCD: Slant Column Density)를 도출하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 매칭한 모의 경사 층적분농도 룩업 테이블(이하, 'SCD-LUT'라 함, LUT: Look Up Table)을 생성하는 모의 SCD-LUT생성부(100);
    서로 다른 파장의 피팅윈도우(fitting window)를 적용한 DOAS에 의해 서로 다른 파장들에서의 관측 대상 미량기체에 대한 SCD들을 측정한 후 합산하여 측정 대상 미량기체에 대한 관측 SCD를 도출하는 다파장 SCD 측정부(200); 및
    상기 관측 SCD와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 모의 SCD 값을 상기 SCD-LUT에서 추출한 후 대응하는 모의 미량기체 연직 프로파일을 측정대상 미량기체에 대한 미량기체 연직 프로파일로 도출하는 미량기체 연직 프로파일 도출부(300);를 포함하여 구성되는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 모의 미량기체 연직 프로파일은,
    서로 다른 VCD(Vertical Column Density: 연직 층적분농도) 조건에서 나올 수 있는 연직 프로파일들의 모양을 반영하여 구성되는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 모의 SCD-LUT 생성부(100)는,
    모의 미량기체 연직 프로파일들을 저장하는 모의 미량기체 연직 프로파일 DB부(110);
    에어로졸, 지오메트리, 지형정보를 포함하는 환경정보를 저장하는 환경정보 DB부(120);
    상기 모의 미량기체 연직 프로파일과 상기 환경정보를 RTM에 적용하여 모의복사휘도자료를 생성하는 모의복사휘도자료생성부(130);
    상기 모의복사휘도자료값들에 대하여 모델방정식에 의해 흡수된 태양복사의 차이가 최소가 되는 SCD들을 추출하여 상기 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 도출하는 모의 SCD 도출부(140); 및
    상기 모의 미량기체 연직 프로파일들과 상기 모의 SCD들을 매칭시킨 SCD-LUT를 생성하는 모의 SCD-LUT부(150);를 포함하여 구성되는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 모의 SCD 도출부(140)는,
    Figure pat00021

    가 최소가 되는 SCD값을 모의 SCD로 도출하도록 구성되며,
    여기서,
    Figure pat00022
    는 파장 λ의 태양으로부터 관측된 태양 복사 조도,
    Figure pat00023
    는 지구에서 반사되는(매질을 통과한) 파장 λ의 대기상한에서의 태양 복사 조도 (irradiance),
    Figure pat00024
    는 λ의 보정 값, offset(λ)는 광학기기에서 발생하는 미광(stray light)와 암전류(dark current)에 의해 발생하는 시그널을 나타내는 항, Sj(λ)는 파장 λ에서 물질 j의 흡수 단면적, Cj는 물질 j의 경사 층적분농도 (SCD),
    Figure pat00025
    는 미량 기체들에 발생하는 파장에 따른 빠른 흡수 (narrow band)에 의한 빛의 소멸,
    Figure pat00026
    는 에어로졸 및 대기물질 (N2, O2)에 의한 느린 흡수 (broad band)에 의한 빛의 소멸인 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템.
  5. 모의 SCD-LUT생성부(100), 다파장 SCD 측정부(200) 및 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)를 포함하는 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템에 의한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법에 있어서,
    상기 모의 SCD-LUT생성부(100)가 기 저장된 미량기체에 대한 모의 미량기체 연직 프로파일들과 환경정보를 대기복사모델(이하, 'RTM' 이라 함, RTM: Radiative Transfer model)에 적용하여 모의 복사휘도자료를 생성하고, 생성된 모의 복사휘도자료로부터 모의 경사 층적분농도(이하, 'SCD'라 함, SCD: Slant Column Density)를 도출하여 각각의 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 매칭한 모의 경사 층적분농도 룩업 테이블(이하, 'SCD-LUT'라 함, LUT: Look Up Table)을 생성하는 모의 SCD-LUT생성과정(S100);
    상기 다파장 SCD 측정부(200)가 서로 다른 파장의 피팅윈도우(fitting window)를 적용한 DOAS에 의해 서로 다른 파장들에서의 관측 대상 미량기체에 대한 SCD들을 측정한 후 합산하여 측정 대상 미량기체에 대한 관측 SCD를 도출하는 다파장 SCD 측정과정(S200); 및
    상기 미량기체 연직 프로파일 도출부(300)가 상기 관측 SCD와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 모의 SCD 값을 상기 SCD-LUT에서 추출한 후 대응하는 모의 미량기체 연직 프로파일을 측정대상 미량기체에 대한 미량기체 연직 프로파일로 도출하는 미량기체 연직 프로파일 도출과정(S300);을 포함하여 이루어지는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 모의 미량기체 연직 프로파일은,
    서로 다른 VCD(Vertical Column Density: 연직 층적분농도) 조건에서 나올 수 있는 연직 프로파일들의 모양을 반영하여 구성되는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 모의 SCD-LUT 생성과정(S100)은,
    모의 미량기체 연직 프로파일과 상기 환경정보를 RTM에 적용하여 모의복사휘도자료를 생성하는 모의복사휘도자료생성과정(S110);
    상기 모의복사휘도자료값들에 대하여 모델방정식에 의해 흡수된 태양복사의 차이가 최소가 되는 SCD들을 추출하여 상기 모의 미량기체 연직 프로파일들에 대한 모의 SCD를 도출하는 모의 SCD 도출과정(S120); 및
    상기 모의 미량기체 연직 프로파일들과 상기 모의 SCD들을 매칭시킨 SCD-LUT를 생성하는 모의 SCD-LUT생성과정(S130);을 포함하여 이루어지는 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 모의 SCD 도출과정(S120)은,
    Figure pat00027

    가 최소가 되는 SCD값을 모의 SCD로 도출하며, 여기서,
    Figure pat00028
    는 파장 λ의 태양으로부터 관측된 태양 복사 조도,
    Figure pat00029
    는 지구에서 반사되는(매질을 통과한) 파장 λ의 대기상한에서의 태양 복사 조도 (irradiance),
    Figure pat00030
    는 λ의 보정 값, offset(λ)는 광학기기에서 발생하는 미광(stray light)와 암전류(dark current)에 의해 발생하는 시그널을 나타내는 항, Sj(λ)는 파장 λ에서 물질 j의 흡수 단면적, Cj는 물질 j의 경사 층적분농도 (SCD),
    Figure pat00031
    는 미량 기체들에 발생하는 파장에 따른 빠른 흡수 (narrow band)에 의한 빛의 소멸,
    Figure pat00032
    는 에어로졸 및 대기물질 (N2, O2)에 의한 느린 흡수 (broad band)에 의한 빛의 소멸인 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 방법.
KR1020170026719A 2017-02-28 2017-02-28 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법 KR101910468B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170026719A KR101910468B1 (ko) 2017-02-28 2017-02-28 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170026719A KR101910468B1 (ko) 2017-02-28 2017-02-28 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180099356A true KR20180099356A (ko) 2018-09-05
KR101910468B1 KR101910468B1 (ko) 2018-10-22

Family

ID=63594928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170026719A KR101910468B1 (ko) 2017-02-28 2017-02-28 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101910468B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101968087B1 (ko) * 2018-12-10 2019-04-11 대한민국 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치
CN110274916A (zh) * 2019-08-06 2019-09-24 云南电网有限责任公司电力科学研究院 基于卫星遥感的电网污染物浓度监测方法及系统
CN114112935A (zh) * 2021-11-22 2022-03-01 中国科学技术大学 大气污染物垂直分布的实时反演方法、装置、计算机设备和存储介质
KR20220078847A (ko) * 2020-12-04 2022-06-13 연세대학교 산학협력단 복수의 기체의 농도 산출 방법 및 복수의 기체의 농도 산출 장치

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102366058B1 (ko) * 2019-11-22 2022-02-21 강릉원주대학교산학협력단 정지궤도 인공위성의 모의 반사도 결정 장치 및 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101968087B1 (ko) * 2018-12-10 2019-04-11 대한민국 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치
CN110274916A (zh) * 2019-08-06 2019-09-24 云南电网有限责任公司电力科学研究院 基于卫星遥感的电网污染物浓度监测方法及系统
CN110274916B (zh) * 2019-08-06 2022-01-25 云南电网有限责任公司电力科学研究院 基于卫星遥感的电网污染物浓度监测方法及系统
KR20220078847A (ko) * 2020-12-04 2022-06-13 연세대학교 산학협력단 복수의 기체의 농도 산출 방법 및 복수의 기체의 농도 산출 장치
CN114112935A (zh) * 2021-11-22 2022-03-01 中国科学技术大学 大气污染物垂直分布的实时反演方法、装置、计算机设备和存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
KR101910468B1 (ko) 2018-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101910468B1 (ko) 다중 파장을 이용한 대기 중 미량기체 연직 프로파일 산출 시스템 및 그 방법
Orphal et al. Absorption cross-sections of ozone in the ultraviolet and visible spectral regions: Status report 2015
Povey et al. Known and unknown unknowns: uncertainty estimation in satellite remote sensing
Rozanov et al. NO2 and BrO vertical profile retrieval from SCIAMACHY limb measurements: Sensitivity studies
Irie et al. Evaluation of MAX-DOAS aerosol retrievals by coincident observations using CRDS, lidar, and sky radiometer inTsukuba, Japan
Irwin et al. Retrievals of jovian tropospheric phosphine from Cassini/CIRS
Nugent-Glandorf et al. Open-air, broad-bandwidth trace gas sensing with a mid-infrared optical frequency comb
Diedrich et al. Retrieval of daytime total columnar water vapour from MODIS measurements over land surfaces
Rozanov et al. BrO vertical distributions from SCIAMACHY limb measurements: comparison of algorithms and retrieval results
Chen et al. Characterization of long-term stability of suomi NPP cross-track infrared sounder spectral calibration
Wu et al. The application of PCRTM physical retrieval methodology for IASI cloudy scene analysis
Butz et al. Inter-comparison of stratospheric O 3 and NO 2 abundances retrieved from balloon borne direct sun observations and Envisat/SCIAMACHY limb measurements
Lu et al. Monitoring the performance of the Fengyun satellite instruments using radiative transfer models and NWP fields
CN115730176A (zh) 一种紫外高光谱大气臭氧垂直柱浓度反演方法
KR101968087B1 (ko) 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치
Irie et al. Dual-wavelength aerosol vertical profile measurements by MAX-DOAS at Tsukuba, Japan
Filioglou et al. Profiling water vapor mixing ratios in Finland by means of a Raman lidar, a satellite and a model
KR20170116805A (ko) 다중 각도에서 태양광 관측기반의 대기 분자의 라만 산란특성을 이용한 에어로솔 고도 산출방법
Gong et al. The use of 1572 nm Mie LiDAR for observation of the optical properties of aerosols over Wuhan, China
Sullivan et al. Optimization of the GSFC TROPOZ DIAL retrieval using synthetic lidar returns and ozonesondes–Part 1: Algorithm validation
Puķīte et al. Accounting for the effect of horizontal gradients in limb measurements of scattered sunlight
Niro et al. Spectra calculations in central and wing regions of CO2 IR bands between 10 and 20μm. II. Atmospheric solar occultation spectra
Ungermann et al. Quantification and mitigation of the airborne limb imaging FTIR GLORIA instrument effects and uncertainties
Jeong et al. Simultaneous retrievals of biomass burning aerosols and trace gases from the ultraviolet to near-infrared over northern Thailand during the 2019 pre-monsoon season
Deng et al. CH 4 retrieval from hyperspectral satellite measurements in short-wave infrared: Sensitivity study and preliminary test with GOSAT data

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant