KR20190066791A - 지표면에서의 하향 단파 복사 산출 방법 - Google Patents

지표면에서의 하향 단파 복사 산출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지표면에서의 하향 단파 복사 산출 방법에 관한 것으로, 하향 단파 복사 산출 방법은 복수의 단파 채널의 복사 휘도를 협대역 반사율로 환산하고, 대기 조건에 따른 보조 자료 및 회귀계수 조견표를 통해 지표면의 하향 단파 복사를 산출한다.

Description

지표면에서의 하향 단파 복사 산출 방법{METHOD OF DOWNWARD SHORTWAVE RADIATION CALCULATION AT THE SURFACE}
본 발명은 지표면에서의 하향 단파 복사 산출 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고해상도의 위성 자료를 기반으로 대류권의 기온 변화에 따른 구름 분포 및 지표면의 특성 변화에 따른 하향 단파 복사를 산출하는 방법에 관한 것이다.
지표면에서의 하향 단파 복사(Downward Shortwave Radiation at the Surface, DSR)는 대기 중의 가스와 에어로졸 그리고 구름 등의 영향을 크게 받는다. 특히, 파장이 짧은 자외선은 오존과 공기분자 및 에어로졸 그리고 근적외선의 경우는 수증기와 이산화탄소 및 구름에 의하여 대기 중의 하향단파복사가 감쇠된다. 또한 중국으로부터 이동해 오는 황사와 미세먼지 등의 에어로졸은 지표면에서의 하향단파복사의 흡수 및 산란과 관련되어 대류권 기온을 변화시킬 수 있고, 구름 분포 및 특성 변화에 영향을 미칠 뿐만 대기 알베도와 지표면 단파복사와 관련되어 지구 냉각을 유발할 수 있다. 따라서, 고해상도 위성 자료를 이용한 지표면에서의 하향단파복사는 에어로졸에 의한 복사 강제력을 간접적으로 파악하게 된다.
다시 말해, 복사 강제력을 간접적으로 파악하기 위해서는 지상 관측과 모델링 및 인공위성을 이용한 통계적 방법을 통해 지표면에서의 하향단파복사를 산출한다. 지상 관측은 WMO(World Meteorological Organization)에 의해 해당 국가마다 지표면 복사 관측 이외에도 전 세계적으로 복사관측 국제협력 프로그램을 운영하고 있으며, 대표적으로 WRC(World Radiation Center), GERA(Global Energy Balance Archive), BSRN(Baseline Surface Radiation Network), SURFRAD(Surface Radiation Budget Network) 그리고 ARM(Atmospheric Radiation Measurement) 등이 있다.
이러한 복사 그룹들은 전천 일사계를 사용하여 매 1분 간격으로 자료를 수집하고 있다. 이를 위해, 최근에는 복사 관측소가 지속해서 증가하는 추세이나, 특정 지역에 집중적으로 설치·운영됨에 따라 사막 또는 해양 등에서는 관측 장비의 유지보수를 못해 관측하기 어렵다.
반면에, 모델링의 경우 위성 자료 및 재분석 모델(NCEP, ECMWF 등)에서 가공된 자료를 복사전달모델에 입력하여 복사 요소를 모의한다. 이러한 방법은 입력자료 등에 따른 수치실험 분석이 우선되어야 할 뿐만 아니라 해당 격자마다 모델링을 수행하기 때문에 많은 시간이 소요된다. 일반적으로 지상 관측 및 모델링을 이용한 지표면에서의 하향단파복사 산출은 통계적 방법에 비해 높은 정확성을 가지나 시·공간 변화 분석에 한계를 드러낸다.
따라서, 시·공간 변화 분석에 한계를 해결하면서, 보다 높은 정확성을 갖는 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 고해상도의 위성 자료를 기반으로 복수의 단파 채널별 협대역 반사율, 광대역 알베도 및 대기 투과율을 이용하여 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출함으로써, 시간 및 공간의 변화에 대한 통계적 접근을 통해 보다 정확한 하향 단파 복사를 산출하는 하향 단파 복사 산출 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 복수의 단파 채널의 복사 휘도를 협대역 반사율로 환산하고, 대기 조건에 따른 보조 자료 및 회귀계수 조견표를 통해 지표면의 하향 단파 복사를 산출함으로써, 지표면을 구성하는 자연적, 인위적 요인으로 인한 복사 강제력 및 구름 중 권운과 비행운에 의한 하향 단파 복사에 대한 특성을 파악하는 하향 단파 복사 산출 방법을 제공할 수 있다.
일실시예에 따른 하향 단파 복사 산출 방법은 복수의 단파 채널별 복사 휘도로부터 협대역 반사율을 결정하는 단계; 결정된 협대역 반사율 및 중력에 의해 지구의 표면을 둘러싸고 있는 대기 조건을 이용하여 광대역 알베도로 변환하는 단계; 변환된 광대역 알베도를 대기 투과율을 변환하는 단계; 및 변환된 대기 투과율에 따른 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 협대역 반사율을 결정하는 단계는 대기에 입사되는 단파 복사와 상기 복수의 단파 채널별 복사 조도 간의 비율에 따른 복사 휘도로부터 협대역 반사율을 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 광대역 알베도로 변환하는 단계는 결정된 협대역 반사율과 대기 조건에 관련된 보조 정보 및 복수의 단파 채널 간의 상관성에 따른 능형 회귀 모형(Ridge Regression Model)을 활용한 회귀계수 조견표를 이용하여 대기 상단에서의 광대역 알베도로 변환할 수 있다.
일실시예에 따른 대기 조건은 1) 지표면에서 수직 방향과 태양이 이루는 각도를 나타내는 태양 천정각(SZA: Solar Zenith Angle), 2) 지표면에 존재하는 물체와 대기층이 이루는 각도를 나타내는 위성 천정각(VZA: Viewing Zenith Angle), 3) 위성에 따른 시계 방향으로 측정한 각도를 나타내는 상대 방위각(Relative Bearing), 4) 지표면에 존재하는 물질의 종류에 따라 상이하게 나타나는 지표면 특성, 5) 대기 상에 존재하는 구름의 유무를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 대기 투과율을 변환하는 단계는 대기 조건 중 지표면 특성과 구름의 유무를 고려하여 대기 상단에서의 광대역 알베도로부터 대기의 경계층을 투과한 대기 투과율로 변환할 수 있다.
일실시예에 따른 하향 단파 복사를 산출하는 단계는 단파 영역에서 상기 대기 투과율의 기울기에 기초하여 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 하향 단파 복사 산출 방법은 고해상도의 위성 자료를 기반으로 복수의 단파 채널별 협대역 반사율, 광대역 알베도 및 대기 투과율을 이용하여 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출함으로써, 시간 및 공간의 변화에 대한 통계적 접근을 통해 보다 정확한 하향 단파 복사를 산출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 하향 단파 복사 산출 방법은 복수의 단파 채널의 복사 휘도를 협대역 반사율로 환산하고, 대기 조건에 따른 보조 자료 및 회귀계수 조견표를 통해 지표면의 하향 단파 복사를 산출함으로써, 지표면을 구성하는 자연적, 인위적 요인으로 인한 복사 강제력 및 구름 중 권운과 비행운에 의한 하향 단파 복사에 대한 특성을 파악할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 하향 단파 복사를 산출하기 위한 전반적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 단파 복사 관측 서버의 세부구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 하향 단파 복사 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 일실시예에 따른 하향 단파 복사를 산출하는 과정에서의 광대역 알베도와 대기 투과율 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 하향 단파 복사 및 청천 비율을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 하향 단파 복사를 산출하기 위한 전반적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 단파 복사 관측 서버(미도시)는 고해상도의 위성 자료를 기반으로 태양으로부터 복사되는 짧은 파장의 단파장이 지표면의 매질을 통해 복사되는 단파 복사를 산출할 수 있다. 여기서, 매질은 지표면을 구성하는 자연적 요인, 인위적 요인으로 태양에서 방출되는 태양 에너지를 반사하는 것으로 짧은 파장의 단파장을 매개하는 물질일 수 있다. 일례로, 매질은 태양 에너지를 반사시키는 물질로, 대기 상의 두꺼운 구름(Thick Cloud), 얇은 구름(Thin Cloud)를 포함하고, 지표면의 자연적 요인으로 잔디, 눈, 숲, 밭, 모래사장, 해상 등을 포함하며, 지표면의 인위적 요인으로 아스팔트, 밝은 지붕, 어두운 지붕 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 단파 복사 관측 서버는 지구-대기-해양 간의 열에너지 교환을 조절하고, 지구 에너지의 수지와 기후 연구 및 농업 기상뿐만 아니라 수치 모델이나 기후 모델의 입력자료로 사용하기 위해, 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있다.
자세하게, 본 발명은 단파 복사 관측 서버를 통해 고해상도의 위성 자료를 이용하여 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출하기 위한 하향 단파 복사 산출 방법을 제안할 수 있다. 일례로, 본 발명은 차세대 정지궤도 기상위성(Geostationary Korea Multi-Purse Satellite/Advanced Meteorological Imager, GK-2A/AMI)과 유사한 특성을 갖는 히마와리8호 위성(Himawari-8/Advanced Himawari Imager, Himawari-8/AHI)을 통해 수집되는 위성 자료와 통계적 방법을 이용하여 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출하기 위한 방법을 제안할 수 있다.
이를 위해, 단파 복사 관측 서버는 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출하기 위하여, 사전에 장기적인 관측에 따른 복수의 단파 채널별 복사 휘도를 수집할 수 있다. 일례로, 단파 복사 관측 서버는 극궤도 위성(Polar Orbit)으로부터 측정되는 CERES(Cloud and the Earth’s Radiant Energy System)의 극궤도 위성 자료를 이용하는 것으로 장기적으로 관측된 복사 수지를 수집할 수 있다. 즉, 본 발명은 극궤도 위성에 탑재된 센서를 이용하여 ① 단파 영역(0.3-5.0
Figure pat00001
), ② 대기의 창 영역(8-12
Figure pat00002
), ③ 전체 영역(0.3-200
Figure pat00003
)에서의 광대역 복사휘도를 관측할 수 있다.
단파 복사 관측 서버는 관측된 광대역 복사 휘도에 따른 스캔 영역에 대한 검증을 수행하기 위해, 관측 시간 내에서 매 순간 관측된 20km 해상도를 가지는 위성 자료를 수집할 수 있다. 이 때, 단파 복사 관측 서버는 고해상도의 위성 자료의 포맷을 극궤도 위성 자료의 포맷으로 일치시킬 수 있다. 다시 말해, 히마와리8호 위성을 통해 수집되는 위성 자료와 극궤도 위성을 통해 수집되는 극궤도 위성 자료는 시-공간 해상도가 서로 상이하다. 이에, 본 발명은 위성 자료를 극궤도 위성 자료의 위도 및 경도를 기준으로 시-공간 해상도를 일치시킬 수 있다. 일례로, 본 발명은 위성 자료와 극궤도 위성 자료 간 10km 내로 평균하여, 공간을 일치시켰고, 히마와리8호 위성의 관측 시각을 기준으로 ±5분 이내의 CERES의 극궤도 위성 자료로 시간을 일치시켰다.
그리고, 단파 복사 관측 서버는 상술한 과정을 통해 수집한 6개 단파 채널의 복사휘도를 협대역 반사율로 환산하고, 대기 조건에 따른 보조 자료 및 회귀계수 조견표를 통해 지표면에서의 하향단파복사를 산출할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 단파 복사 관측 서버의 세부구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참고하면, 단파 복사 관측 서버(201)는 복수의 단파 채널별 복사 휘도, 대기 조건에 따른 보조 자료 및 회귀계수 조견표를 이용하여 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있다. 여기서, 단파 복사 관측 서버는 시·공간 해상도가 높은 지표면에서의 하향단파복사를 산출하기 위해 인공 위성으로부터 위성 자료를 입력받을 수 있다. 일례로, 본 발명은 차세대 정지궤도 기상위성(GK-2A/AMI; 0.0°N, 128.2°E)와 유사한 센서 위치 및 특성을 갖는 히마와리8호 위성(Himawari-8/AHI; 0.0°N, 140.7°E)의 위성 자료를 사용할 수 있다. 여기서, 히마와리8호 위성은 16개 채널을 가지며 대기 상에 다양한 기상 요소들을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명은 전구영역에 대한 관측 간격을 10분으로 설정하고, 공간 해상도는 가시 영역 0.5-2.0 km, 적외 영역 2 km로 설정되고, 설정된 조건에 따른 기상 요소들을 산출할 수 있다. 이때, 본 발명은 아래의 표 1과 같이 각 채널마다 공간 해상도가 다르기 때문에 각 채널에 대한 해상도를 2.0 km로 통일시킬 수 있다.
Figure pat00004
그리고, 단파 복사 관측 서버(201)는 해상도가 통일된 복수의 단파 채널 별 복사 휘도를 입력받고, 입력된 복수의 단파 채널 별 복사 휘도로부터 협대역 반사율을 결정할 수 있다. 단파 복사 관측 서버(201)는 대기에 입사되는 단파 복사와 복수의 단파 채널별 복사 조도 간의 비율에 따른 복사 휘도로부터 협대역 반사율을 결정할 수 있다.
단파 복사 관측 서버(201)는 결정된 협대역 반사율 및 중력에 의해 지구의 표면을 둘러싸고 있는 대기 조건(203)을 이용하여 광대역 알베도로 변환할 수 있다. 다시 말해, 단파 복사 관측 서버(201)는 결정된 협대역 반사율과 대기 조건에 관련된 보조 정보 및 복수의 단파 채널 간의 상관성에 따른 능형 회귀 모형을 활용한 회귀계수 조견표를 이용하여 대기 상단에서의 광대역 알베도로 변환할 수 있다.
여기서, 대기 조건(203)에 관한 보조 자료는 태양 천정각(SZA: Solar Zenith Angle, 204), 위성 천정각(VZA: Viewing Zenith Angle, 205), 상대 방위각(Relative Bearing, 206), 지표면 특성(207) 및 구름의 유무(208)에 대한 정보일 수 있다. 여기서, 태양 천정각(204)은 지표면에서 수직 방향과 태양이 이루는 각도를 나타낼 수 있으며, 위성 천정각(205)은 지표면에 존재하는 물체와 대기층이 이루는 각도를 나타낼 수 있다. 그리고, 상대 방위각(206)은 기준선에 따른 시계 방향으로 측정한 각도를 나타낼 수 있으며, 지표면 특성(207)은 지표면에 존재하는 물질의 종류에 따라 상이하게 나타내고, 구름의 유무(208)는 대기 상에 존재하는 구름에 대한 존재 여부이다.
회귀계수 조견표는 복사 전달 모델(SBDART: Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer, 202)을 이용하여 각 대기 조건에 따른 수치 실험 결과와 회귀모형을 통해 작성된 환산표일 수 있다. 자세하게, 본 발명은 복사전달모델(202)을 각 대기조건에 따라 수치 실험한 이후, 협대역 반사율에서 광대역 알베도로 변환하는 과정은 능형회귀모형을 이용한 환산표를 작성하고, 광대역 알베도에서 대기 투과율로 변환하는 과정은 선형회귀모형을 이용한 환산표를 작성할 수 있다.
그리고, 단파 복사 관측 서버(201)는 복수의 단파 채널별 복사휘도로부터 결정된 협대역 반사율과 대기조건(태양 천정각, 위성 천정각, 상대 방위각, 지표면 특성, 구름의 유무)에 따른 회귀계수 조견표를 통해 광대역 알베도 및 대기 투과율을 변환하여 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있다.
여기서, 본 발명은 단파 복사 관측 서버(201)를 통해 산출한 하향 단파 복사를 검증하기 위해, Aqua/CERES 자료와 비교 및 분석할 수 있으며, 검증 방법은 다음과 같을 수 있다.
(1) 스칼라 측정 방법
본 발명은 스칼라 측정 방법을 이용하여 산출한 하향 단파 복사의 측정 결과를 검증할 수 있다. 스칼라 측정 방법은 편이(Bias) 및 %편이(%Bias = Bias / CERESMean × 100%) 그리고, 평균제곱근오차(RMSE: Root Mean Square Error) 및 %평균제곱근오차(%RMSE = RMSE / CERESMean × 100%)를 계산함으로써, 하향 단파 복사의 측정 결과를 검증할 수 있다.
(2) 관계성 확인 방법
본 발명은 관계성 확인 방법을 이용하여 산출한 하향 단파 복사의 측정 결과를 검증할 수 있다. 관계성 확인 방법은 상관 분석 및 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 상관계수 및 유의수준을 계산하여 Himawari-8/AHI와 Aqua/CERES의 하향단파복사의 관계성을 확인할 수 있다. 이후, 본 발명은 Himawari-8/AHI와 Aqua/CERES의 하향단파복사의 관계성에 따른 하향 단파 복사의 측정 결과를 검증할 수 있다.
이 때, 본 발명은 지표면에서의 하향 단파 복사를 검증함에 있어, 태양 및 위성 천정각이 클수록 광학 경로가 길어져 오차를 유발하기 때문에 천정각이 80° 이상인 자료를 제외하였다.
도 3은 일실시예에 따른 하향 단파 복사 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계(301)에서 단파 복사 관측 서버는 복수의 단파 채널별 복사 휘도(
Figure pat00005
)로부터 협대역 반사율(
Figure pat00006
)을 결정할 수 있다. 일례로, 단파 복사 관측 서버는 히마와리8호 위성으로부터 수집된 각 단파 채널별 협대역 복사휘도를 입력받을 수 있다. 그리고, 단파 복사 관측 서버는 입력된 각 단파 채널별 협대역 복사휘도를 협대역 반사율로 계산할 수 있다.
여기서, 단파 복사 관측 서버는 대기에 입사되는 단파 복사와 상기 복수의 단파 채널별 복사 조도 간의 비율에 따른 복사 휘도로부터 협대역 반사율을 결정할 수 있다. 자세하게, 협대역 반사율(
Figure pat00007
)은 다음의 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00008
여기서, 수학식 1은 해당 식에서 등방성을 가정하여 대기에 입사되는 단파 복사와 위성이 관측하는 각 단파 채널의 복사 조도(
Figure pat00009
)의 비율에 따른 각 단파 채널별 협대역 반사율(
Figure pat00010
)을 계산할 수 있다. 여기서,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
,
Figure pat00014
는 각각 태양 천정각과 위성 천정각 및 태양 방위각 그리고 위성 방위각을 각각 의미할 수 있다.
단계(302)에서 단파 복사 관측 서버는 결정된 협대역 반사율과 중력에 의해 지구의 표면을 둘러싸고 있는 대기 조건에 따른 보조 자료 및 회귀계수 조견표를 이용하여 광대역 알베도로 변환할 수 있다.
여기서, 회귀계수 조견표에서 사용되는 회귀계수는 복사 전달 모델을 이용하여 대기 조건에 따른 보조 자료로, 태양 천정각, 위성 천정각, 상대 방위각, 표준 대기 조건, 그리고, 지표면 특성 및 구름의 유무에 대해 수치 실험을 수행한 결과일 수 있다. 다시 말해, 회귀 계수는 ① 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85°의 총 12개의 태양 천정각, ② 0-85° 까지 5° 간격의 총 18개의 위성 천정각, ③ 0-180° 까지 10o 간격의 총 19개의 상대 방위각, ④ 열대, 중위도 여름, 중위도 겨울, 아북극 여름, 아북극 겨울, 미국 표준대기의 총 6개의 표준 대기 조건, ⑤ 해양, 식생, 눈, 모래의 총 4개의 지표면 특성, ⑥ 청천 영역의 경우 에어로졸 종류(시골, 도시, 해양, 대류권의 총 4개)와 시정(5, 10, 15, 20 km의 총 4개) 그리고 구름 영역에서 구름광학두께(8, 16, 32, 64, 128의 총 5개)와 구름 높이(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 km의 총 8개)에 대한 수치 실험을 수행할 수 있다.
그리고, 단파 복사 관측 서버는 수치 실험된 결과에 따른 회귀 계수의 정확성을 향상시키기 위해, 능형회귀모형을 사용할 수 있다. 다시 말해, 회귀 모형을 생성함에 있어, 본 발명은 다중선형회귀모형 또는 능형회귀모형으로 회귀계수를 계산할 수 있다 이때, 본 발명은 다중선형회귀모형을 사용하는 경우, 최소제곱법으로 회귀계수를 결정할 수 있으나 단파 채널 간의 상관성이 높아 다중공선성이 존재하여 회귀계수의 정확성을 낮출 수 있다. 이에, 본 발명은 단계(302)에서 복사 전달 모델을 형성함에 있어, 회귀 계수에 따른 능형 회귀 모형을 형성할 수 있다.
그리고, 단파 복사 관측 서버는 결정된 협대역 반사율과 대기 조건에 관련된 보조 정보 및 복수의 단파 채널 간의 상관성에 따른 능형 회귀 모형을 활용한 회귀계수 조견표를 이용하여 대기 상단에서의 광대역 알베도로 변환할 수 있다. 이는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
는 대기 상단에서의 광대역 알베도와 대기 조건에 따른 회귀계수이고,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
는 복수의 단파 채널별 협대역 반사율을 의미할 수 있다.
단계(303)에서 단파 복사 관측 서버는 광대역 알베도를 대기 투과율을 변환할 수 있다. 여기서, 단파 복사 관측 서버는 수학식 3을 참고하여 광대역 알베도를 대기 투과율을 변환할 수 있다.
Figure pat00024
여기서
Figure pat00025
,
Figure pat00026
와
Figure pat00027
는 각 대기조건에 따른 회귀계수 및 대기 투과율일 수 있다.
이 과정에서, 단파 복사 관측 서버는 복사 전달 모델을 이용하여 대기 조건의 보조 자료에 대한 수치 실험을 수행할 수 있다. 여기서, 단파 복사 관측 서버는 수치 실험을 수행함에 있어, 구름의 유무와 육지 및 해상에 따라 선형 회귀 모형을 형성할 수 있다. 선형 회귀 모형은 도 4에 도시된 그래프와 같이 나타낼 수 있다. 도 4의 그래프는 광대역 알베도와 대기 투과율의 관계를 나타낸 그래프로, 청천 영역의 경우 에어로졸 광학두께가 증가할수록 투과율은 낮아지며 이러한 경향은 구름 영역(구름광학두께)과도 유사하도록 표현될 수 있다. 특히, 도 4의 그래프는 단파 영역에서 에어로졸이 구름보다 더 흡수하기 때문에 기울기가 더 가파르게 표현될 수 있다.
단계(304)에서 단파 복사 관측 서버는 변환된 대기 투과율에 따른 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있다. 자세하게, 단파 복사 관측 서버는 아래의 수학식 4와 같이 태양 상수와 태양 천정각 및 이심률 그리고 대기 투과율을 통해 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있다.
Figure pat00028
여기서,
Figure pat00029
와
Figure pat00030
는 태양 상수와 이심률을 의미할 수 있으며 태양 상수와 태양 천정각 및 이심률은 이론적으로 계산된 결과일 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 하향 단파 복사를 산출하는 과정에서의 광대역 알베도와 대기 투과율 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 4의 그래프는 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출하는 과정에서 광대역 알베도와 대기 투과율의 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서, 광대역 알베도는 채널별 반사율과 각 대기조건에 따른 회귀계수를 통해 변환될 수 있다. 단파 복사 관측 서버는 광대역 알베도와 회귀계수(구름의 유무와 지표면의 특성(육지 및 해상))를 통해 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 하향 단파 복사 및 청천 비율을 나타낸 도면이다.
도 5의 (a), (b)는 Aqua/CERES의 지표면에서의 하향 단파 복사를 나타낸 도면일 수 있다.
도 5의 (c)는 Aqua/CERES의 청천 비율을 나타낸 도면일 수 있다. 여기서, 청천 비율은 0-100 %에 따라 구름을 흐림: < 5%, 구름 많음: 5-50 %, 구름 조금: 50-95 %, 맑음: ≥ 95 %으로 상세하게 분류할 수 있다. 또한, 주간에 위성과 태양 천정각이 80° 이하인 영역에 대해 분석을 수행하였기 때문에 약 3-5개의 스캔 라인(scan line)이 분석될 수 있다.
지표면에서의 하향 단파 복사는 구름의 유무에 따라 상이하며, 고위도로 갈수록 태양 천정각이 커지기 때문에 단파 복사의 세기가 현저히 줄어들 수 있다. 즉, 구름 영역에서 상관계수(R)가 0.94 그리고 %평균제곱근오차(%RMSE)가 15.75%로 나타났고, 청천 영역(R=0.95, %RMSE=8.70%)보다 다소 크게 나타났다.
도 5의 (d)는 지표면에서의 하향 단파 복사(a, b)와 청천 비율(c)의 백분율 오차를 나타낸 도면이다.
도 5의 (e)는 지표면에서의 하향 단파 복사(a, b)와 청천 비율(c)의 상호 변동 관계를 나타내는 산점도를 나타낸 도면이다. 산점도에서 음영은 3 간격마다 일치하는 2차원 빈도분포를 나타내고 빨강선은 선형 회귀를 의미하고 검정선은 1:1 라인을 나타낼 수 있다. 도 5의 (e)는 AHI와 CERES 자료의 시·공간 불일치로 발생된 오차로 구름 영역에서 크게 나타났지만, 전체 영역에 대한 두 자료(하향 단파 복사(a, b)와 청천 비율(c))의 상관계수는 0.95로 0.001의 유의수준으로 나타날 수 있다.
이러한 결과는 위성 자료의 공간 해상도가 클수록, 그리고 장기간에 대한 자료가 많을수록 상관 계수뿐만 아니라 편이와 평균제곱근오차가 좋아지기 때문에 본 발명에서 제안하는 하향 단파 복사 측정 방법을 통해 개선되었다고 판단된다.
더욱이, 지표면에서의 하향단파복사는 지구-대기-해양 간의 열에너지 교환을 조절하고 지구 에너지 수지와 기후 연구 및 농업 기상뿐만 아니라 수치 모델이나 기후모델의 입력자료로 사용될 수 있다.
특히나, 해양에서 표층 플랑크톤은 해수면에 도달하는 하향단파복사를 통해 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 산소를 생산할 수 있다. 이러한 결과로 산출된 지표면에서의 하향단파복사는 표층 해양환경특성을 이해할 뿐만 아니라 실제 표층 플랑크톤의 이산화탄소량을 간접적으로 파악하는데 사용될 수 있으며, 지구 온난화의 기초자료로써 활용될 수 있다.
또한 높은 시·공간 해상도의 지표면에서의 하향 단파 복사는 자연적·인위적 요인(대기오염, 도시화, 산불 등)으로 발생된 복사강제력을 이해하는 연구뿐만 아니라 시시각각 변화하는 구름 중에서 권운과 비행운에 의한 복사 효과 연구에 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 각종 기술들의 구현들은 디지털 전자 회로조직으로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어로, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 구현들은 데이터 처리 장치, 예를 들어 프로그램가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 컴퓨터들의 동작에 의한 처리를 위해, 또는 이 동작을 제어하기 위해, 컴퓨터 프로그램 제품, 즉 정보 캐리어, 예를 들어 기계 판독가능 저장 장치(컴퓨터 판독가능 매체)에 기록된 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다. 상술한 컴퓨터 프로그램(들)과 같은 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 인터프리트된 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기록될 수 있고, 독립형 프로그램으로서 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서의 사용에 적절한 다른 유닛으로서 포함하는 임의의 형태로 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에서 하나의 컴퓨터 또는 다수의 컴퓨터들 상에서 처리되도록 또는 다수의 사이트들에 걸쳐 분배되고 통신 네트워크에 의해 상호 연결되도록 전개될 수 있다.
컴퓨터 프로그램의 처리에 적절한 프로세서들은 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들 둘 다, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 판독 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 둘 다로부터 명령어들 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 요소들은 명령어들을 실행하는 적어도 하나의 프로세서 및 명령어들 및 데이터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터를 저장하는 하나 이상의 대량 저장 장치들, 예를 들어 자기, 자기-광 디스크들, 또는 광 디스크들을 포함할 수 있거나, 이것들로부터 데이터를 수신하거나 이것들에 데이터를 송신하거나 또는 양쪽으로 되도록 결합될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어들 및 데이터를 구체화하는데 적절한 정보 캐리어들은 예로서 반도체 메모리 장치들, 예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Video Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 롬(ROM, Read Only Memory), 램(RAM, Random Access Memory), 플래시 메모리, EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 등을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적 논리 회로조직에 의해 보충되거나, 이에 포함될 수 있다.
또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용매체일 수 있고, 컴퓨터 저장매체 및 전송매체를 모두 포함할 수 있다.
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (1)

  1. 복수의 단파 채널별 복사 휘도로부터 협대역 반사율을 결정하는 단계;
    상기 결정된 협대역 반사율 및 중력에 의해 지구의 표면을 둘러싸고 있는 대기 조건을 이용하여 광대역 알베도로 변환하는 단계;
    상기 변환된 광대역 알베도를 대기 투과율을 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 대기 투과율에 따른 지표면에서의 하향 단파 복사를 산출하는 단계
    를 포함하는 하향 단파 복사 산출 방법.
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