원격탐사

Transcription

1 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016, pp.201~220 ISSN ( Print ) ISSN (Online) Article 극궤도위성관측을이용한지표면에서의태양복사에너지도출 김동철 정명재 강릉원주대학교대기환경과학과 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations Dong-Cheol Kim and Myeong-Jae Jeong Department of Atmospheric Environmental Sciences, Gangneung-Wonju National University Abstract : In this study, the net solar radiation fluxes at the surface are retrieved by updating an existing algorithm to be applicable for MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) observations, in which linear relationships between the solar radiation reflected from the top of atmosphere and the net surface solar radiation are employed. The results of this study have been evaluated through intercomparison with existing Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES) data products and ground-based data from pyranometers at Gangneung-Wonju National University (GWNU) and the Southern Great Plains (SGP) of observatory of Atmospheric Radiation Measurement (ARM) site. Prior to the comparison of the surface radiation energy in relation to the energy balance of the earth, the radiation energy of the upper part of the atmosphere was compared. As a result, the coefficient of determination was over 0.9, showing considerable similarity, but the Root-Mean-Square-Deviation () value was somewhat different, and the downward and net solar-radiation energy also showed similar results. The surface solar radiation data measured from pyranometers at Gangneung-Wonju National University (GWNU) and Atmospheric Radiation Measurement (ARM) observatory are used to validate the solar radiation data produced in this study. When compared to the GWNU, The results of this study show smaller values than CERES data, showing slightly better agreements with the surface data. On the other hand, when compared with the data from ARM SGP observatory, the results of this study bear slightly larger values than those for CERES. The downward and net solar radiation estimated by the algorithm of this study at a high spatial resolution are expected to be very useful in the near future after refinements on the identified problems, especially for those area without ground measurements of solar radiation. Key Words : Surface Solar Radiation, Satellite Retrievals, MODIS, CERES 요약 : 본연구에서는대기상단에서반사된복사와지표면에서흡수된복사에너지가서로선형관계임을보인기존의알고리즘을 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 관측자료에적용 Received April 14, 2016; Revised May 12, 2016; Accepted June 17, Corresponding Author: Dong-Cheol Kim (mr_cheol@naver.com) This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 201

2 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 시킬수있도록개선하여하향및순태양복사에너지를산출하였다. 비교검증을수행하기위해 Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES) 센서와강릉원주대학교 (GWNU), 미국의 Atmospheric Radiation Measurement (ARM) 관측소의지상일사계자료를사용하였다. 지구에너지수지와관련하여지표면에서의복사에너지를비교하기에앞서알고리즘을통한산출결과와 CERES 자료의대기상단복사에너지를비교한결과, 결정계수가 0.9이상을보여상당히유사함을보였지만 Root-Mean-Square- Deviation () 값이다소차이가있는것으로나타났고하향과순태양복사에너지도비슷한결과를얻었다. 강릉원주대학교자료와비교한결과, 본연구의알고리즘을통해산출된결과가 CERES 자료보다작은 를보임으로서더높은정확도를보였다. 한편, ARM 관측소의경우하향태양복사에너지의평균적인 가 CERES 자료에비해다소크게산출되었지만순태양복사에너지의경우비슷한결과가나타났으며시 공간해상도를고려하였을때상당히유사한경향을보이고있음을확인하였다. 본연구에서파악된문제점에대한개선을통해향후지상관측을대신하여위성관측으로부터지표면에서의하향및순태양복사에너지자료를고해상도로제공하는데유용하게활용될수있을것으로기대된다. 1. 서론 태양복사에너지는지구-대기시스템에서의에너지순환과기후변화에직접적으로영향을주는중요한요소이기때문에정확한이해가필요하다. 또한이와관련된다양한관측자료들은기후, 환경, 일기예보등수많은분야에서활용되기때문에그중요성이크다고할수있다. 특히지표면에서의순 (net) 태양복사에너지는에너지순환또는기후변화에직접적으로관련된중요한입력자료이기때문에보다정확한값을필요로한다. 과거지구복사수지에관한다양한연구들은불규칙한지형분포와기술적한계로인해지상에서의관측값을사용하여대부분수행되었다 (Justus et al., 1985; Liepert et al., 1997; Kim et al., 1998; Cho et al., 2000; Jee et al., 2010). 지상관측기기가존재하는해당지역의경우일사량분포를확인할수있지만관측소가존재하지않는사막이나바다등에서는관측장비의유지보수가어려우므로관측수행및자료품질의유지에큰어려움이있다. 이는관측망의공간적밀도가충분하지못하므로공간적대표성에도문제가제기될수있다 (Li et al., 2005). 이러한문제들은인공위성을통한원격관측을통해해결될수있으며, 인공위성을통해제공되는자료들은지상관측자료와달리광역공간에대한정보와비접근지역에대한정보를제공할수있는장점이있다 (Lee et al., 2013). 그동안인공위성을이용하여일사량산출에대한다 양한연구들이진행되어왔다 ( 예, Pinker and Laszlo, 1992; Darnell et al., 1992; Feng et al., 2003). 국외의경우 Pinker and Laszlo(1992) 은위성에서관측한자료를통해전지구규모의하향태양복사를계산하기위한물리적인복사모델을개발하였으며, Darnell et al.(1992) 은 International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) 와 Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) 의자료를기반으로지역적, 계절적복사에너지의변화를전구에걸쳐산출하였다. Feng et al.(2003) 은 Mackenzie River 의분지지역에서 National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) 의 Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHHR) 센서를통해추정한태양복사에너지를 Canadian Regional Climate Model (CRCM) 과비교분석하여긍정적인결과를얻었다. 반면, 국내의경우 Cha et al.(2001) 은 GMS-5위성의대기상단알베도자료를이용하여일사량산출을시도하였고, Jee et al.(2011) 은지형효과를고려한한반도태양에너지자원지도를구축하여강릉원주대학교 (Gangneung-Wonju National University, GWNU) 단층태양복사모델을통해표면도달일사량을계산하였을뿐다양한연구가수행되지않았으며, 특히순태양복사에너지에대한연구는거의시도되지못한상황이다. 우리나라에서는 2010년에발사된정지궤도위성으로천리안 (Communication, Ocean and Meteorological Satellite, COMS) 에탑재된기상영상기 (Meteorological Imager, MI) 관측을통해표면도달일사량 (Solar Insolation) 을산출하여배포하고있다. Baek et al.(2013) 과 Jee et al.(2013) 은 202

3 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations COMS의표면도달일사량과지상관측자료인일누적일사량을비교하여좋은상관관계를보였지만이는하루동안평균된값을비교하였기에즉각적인값산출에대한연구및비교분석이부족하다. 또한 COMS의표면도달일사량에대한많은검증이이루어지지않았고태양복사에너지는대기중의수증기나에어로솔, 구름광학두께등에큰영향을받기때문에보다정밀한연구와개선이이루어져야한다. 선행연구에서 Li et al.(1993) 은대기상단 (Top of the Atmosphere, TOA) 에서반사된복사와지표면에서흡수된복사사이의선형관계를하나의식으로서표현하였으며구름광학두께와지표면알베도에독립적이고구름이낀하늘아래의지표면에서순태양복사에너지를추론하는데사용될수있음을보였다. 이에본연구에서는 Li et al.(1993) 에의해개발된알고리즘을 Terra 및 Aqua에탑재된 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 센서의관측에적용시킬수있게개선하여지표면과대기에의해흡수된태양복사에너지를산출하였다. 이렇게산출된순복사량은대기와지표의태양복사에너지를직접적으로산출하여실측자료라고할수있는 Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES) 센서의산출물과지상관측자료와의비교분석을통해검증을수행하였다. 2. 자료및분석방법 1) 입력자료 MODIS는극궤도위성인 Terra와 Aqua 위성에탑재된센서로서가시광선, 근적외선, 중적외선및열적외선영역을포함한 0.4~14 μm의넓은파장대에서 36개의채널을통해다양한산출물들을제공한다. 또한 10년이넘게운영되고있으며다양한연구에적용되어왔고현재까지도많은연구자들에의해사용되고있어이에대한신뢰성이입증된자료라할수있다 (Wang and Pinker, 2009; Bisht and Bras, 2010; Kim and Liang, 2010). 알고리즘에사용된 MODIS 자료들은 Level 1B, Level 2 그리고전지구자료로서 2012년에서 2013년까지사용하였다. Level 1B 자료는 1 km 해상도로제공하고있 는반사도 (MOD/MYD021KM) 값과위 경도를비롯한기하학정보를제공하는 MOD/MYD03_L1A 자료를사용하였다. Level 2 자료는에어로솔 (MOD/MYD04_3K), 가강수량 (MOD/MYD05), 구름특성 (MOD/MYD06, MOD/MYD35) 에대한자료이다. 본연구는 5 km 해상도로결과물을산출하기때문에 3 km 해상도의에어로솔자료를사용하였으며구름의광학두께, 고도, 기압등에관한정보를얻기위한 MOD/MYD06 자료와구름의존재유무를판단할수있는 MOD/MYD35 자료를사용하였다. 마지막으로전지구자료는 0.05 해상도를가진격자자료로서지표면에서눈의유무를확인하기위한 MOD/MYD10C1, 지표면유형을알수있는 MCD12C1, 알베도값을제공하는 MCD43C3 자료를사용하였다. 더불어태양복사에너지산출에있어중요한요소중하나인오존양은 MODIS 센서로부터제공되고있지만직접적인관측을통해보다정확한값을제공하고있는 Ozone Monitoring Instrument (OMI) 센서의 OMI_Aura_Level 3 자료를사용하였으며 1 1 해상도를가진다. 본연구에서사용된입력자료들은공간분해능이다르기때문에최근린내삽법 (Nearest Neighbor Interpolation Method) 을적용하여 5 km 해상도로일치작업을수행하였다. 2) 검증자료 (1) CERES CERES 센서는 MODIS 센서와함께 Terra와 Aqua 위성에탑재되어지구-대기시스템에서의복사에너지와구름간의상호작용을연구하기위해대기상단반사도값을측정한다 (Wielicki et al., 1996). 또한 년까지운영되었던 ERBE 센서를개선하기위해만들어졌으며 2000년 3월부터현재까지운영되고있다. CERES 는지구복사수지를모니터링하기위해단파채널 (0.3-5 μm), 전채널 ( μm), 적외채널 (8-12 μm) 을사용하고있으며관측주기는 1시간이고일자료로서제공되고있다. Yan et al.(2011) 은 Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University (SACOL) 의지상관측자료와 CERES 센서의하향단파복사를비교한결과 bias가 6~16 W/m 2 임을보였다. 또한 Kratz et al.(2010) 은 203

4 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 전지구에존재하는다양한관측소들을지표면유형별로나누어맑은날과흐린날을 CERES의하향단파복사와비교한결과, 계통오차가 (Systematic Error) 가 14~21 W/m 2 을보이는등많은연구자들에의해 CERES 자료가사용되고있으며 MODIS 센서와같이그신뢰성이어느정도검증된자료라할수있다. 이렇듯 CERES 센서는태양복사에너지와관련된자료들을직접적으로산출하고있으며순태양복사에너지를산출하는위성센서가거의없기때문에비교분석을위한위성자료로서 Single Scanner Footprint (SSF) 인 Level 2 자료를사용하였다. 또한 SSF 자료는 20km 해상도를가지고있기때문에앞서언급한 OMI_Aura_L3 자료와같은방법으로최근린내삽법을적용한후에비교분석하였다. (2) 지상자료위성자료는관측된값을통해산출된자료인반면에지상자료는관측기기를통해직접관측된값이므로정확성이높고가장신뢰할수있는자료이다. 본연구에서는보다정확하고신뢰성있는비교검증을수행하기위해국내와국외의지상관측자료를활용하였다. 국내의경우강릉원주대학교 (GWNU) 생명과학대학 2호관에설치되어운용되고있는일사계 (CMP 21 Pyranometer) 자료를사용하였으며국외의경우 Atmospheric Radiation Measurement (ARM) 관측소자료를사용하였다. 특히국외의대표적관측소로는 ARM 과 Baseline Surface Radiation Network (BSRN) 이있으며두관측소모두전세계의다양한지역에분포하고있어많은연구자들의연구또는검증자료로서사용되고있다 (Trishchenko and Li, 1998; Li et al., 2005; Wang and Pinker, 2009; Bisht and Bras, 2010). 본연구에서비교검 증을위해사용한 CERES 센서는 ARM 관측소에서 CERES/ARM Validation Experiment (CAVE) 를통해검증된 3시간평균자료 (SYN1deg) 를제공하고있다. 이에본연구에서는 ARM 관측소로미국북부중앙에위치한 Southern Great Plains (SGP) 의 Solar and Infrared Radiation Station (SIRS) 일사계를선택하여알고리즘산출결과와비교분석하였다. GWNU와 ARM 관측소의일사계정보는 Table 1에나타내었다. 앞절에서언급한위성자료처럼지상자료도시 공간해상도를일치시켜야한다. Li et al.(2005) 는지상자료를위성자료와비교함에있어해상도일치에관한연구를수행하였으며공간해상도가작고시간해상도는클수록좋은상관관계를보인바있다. 이에본연구에서는여러실험결과를바탕으로공간해상도의경우에는지상관측소위 경도를기준으로 0.1 영역의반경을평균하였으며시간해상도는위성관측시간을기준으로 ±30분평균하여비교분석하였다. 3) 알고리즘대기또는지표면에흡수된태양복사에너지값은대기중의수증기, 에어로졸, 지표면유형, 구름광학두께등여러요소에의해영향을받게되는데이러한값들은위성으로부터높은정확성을가진자료로산출하는데어려움이있다. 반면태양천정각은태양복사에너지에지배적인영향을미치기때문에중요성이크고다른변수들에비해정확하게알려진값이다. Li et al.(1993) 은지표면에서의흡수와대기상단에서반사된복사에너지가선형적으로반비례함을복사전달모델을통해확인하였고이관계는지표면유형이나구름광학두께에독립적이고태양천정각에의존함을보였다. 즉, 태양천정각을기준으로대기구성요소들에대한여러실 Table 1. Specifications for pyranometer of GWNU and ARM Site GWNU ARM Lat/Lon N/ E N/97.485W Measurements Direct normal Diffuse Horizontal Downwelling Shortwave Uncertainty ±10W/m 2 Temporal 1-minute Unit W/m 2 Direct normal Diffuse Horizontal Downwelling Shortwave Upwelling shortwave 204

5 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations 험을하였으며그결과, 태양천정각과가강수량이가장큰영향을주고있음을확인하였다. 그외에여러대기구성요소들의결과를종합하여식 (1) 과같은하나의식으로서모수화하였다. αs = α(μ, p) + β(μ, p)r (1) αs는지표면에서흡수된순태양복사에너지이고 μ 는코사인태양천정각, p는가강수량, r은행성알베도이다. 이식은앞서언급한것처럼지표면유형과구름광학두께에독립적이고맑은날이나흐린날에모두사 용될수있으며이를사용한연구들이수행된바있다 (Conant et al., 1997; Jing and Cess, 1998; Feng et al., 2003; Tang et al., 2006). 한편, Masuda et al.(1995) 는 Li et al.(1993) 의알고리즘에구름과에어로솔에대한정보가부족함을언급하였고분석을통해구름과에어로솔뿐만아니라가강수량, 오존에관한부분을보완함으로서긍정적인결과를보였기에본연구에추가적으로적용하였다. 본연구의목적인순태양복사에너지산출과정은 Fig. 1에흐름도로서나타냈다. 알고리즘은위성에서관측된복사값을사용하기때문에 MOD/MYD021KM Fig. 1. Flowchart of the estimating procedures of the net surface solar fluxes between surface and atmosphere. 205

6 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 자료를이용하였으며이자료는 Digital Number (DN) 값과각각의 scale factor와 offset을제공하여반사도 (Reflectance) 또는복사휘도 (Radiance) 로전환할수있다. 본연구에서는 0.55 μm(band4) 의복사휘도값을사용하였으며이값은지표에서대기로반사되는모든각도로변경해야된다. 따라서복사휘도값에 Angular Dependence Model (ADM) 에적용시켜대기상단에서의복사조도 (Irradiance) 값으로전환하였으며이값은단일파장에해당하므로단파전체영역에대한값으로계산하기위해 Narrow To Broadband (NTB) 를사용하였다. 본연구에사용된 NTB방법은 Trishchenko and Li (1998) 가 Geostationary Operational Environmental Satellite-7 (GOES-7) 과 METEOR-3/ 위성의 Scanner for Radiation Budget (ScaRaB) 센서와의비교를통해입증된바있다. NTB를통해전환된단파전체영역의복사에너지는 Li et al.(1993) 의알고리즘에적용되어지표면에흡수된태양복사에너지를산출하게된다. 이렇게산출된값은다음과같은식으로서다시나타낼수있다. F Net SFC = FSW _ FSW (2) 지표면에흡수된태양복사에너지 (F SFC) Net 는지표면으로들어오는하향복사 (FSW ) 와지표면에서대기로나가는상향복사 (FSW ) 의차이로서나타낼수있고상향복사는식 (3) 처럼다시표현된다. FSW = FSW Albedo (3) Albedo는지표면에서의값으로하향복사와의곱으로서상향복사를나타낼수있다. 따라서앞서보인식들과알고리즘을통해산출된순태양복사에너지를이용하여하향및상향복사에너지를계산할수있게된다. 1) 알고리즘적용 3. 결과및분석 본연구는 Li et al.(1993) 의알고리즘에 MODIS 관측을적용시켜순태양복사에너지를산출하게되며, 이러한적용이잘이루어졌는지확인할필요가있다. 이에알고리즘을통해산출된순태양복사에너지를 RGB 영상으로표현하였으며, 비교영상으로는 Terra/Aqua 의 MODIS Image 영상과 CERES 센서자료를사용하였다. 자료는 2012년중계절별로하루씩임의로선택하였으며 Fig. 2(Terra) 와 Fig. 3(Aqua) 에나타내었다. MODIS Image 영상과알고리즘을통해산출된값을비교해보면구름이존재하는곳을찾을수있고이곳은같은태양천정각에서지표면으로흡수되는태양복사에너지값이적기때문에맑은영역보다상대적으로작은값을보이며반대로맑은영역은구름이존재하는영역보다상대적으로큰값이나타남을알수있다. 반면, 겨울철 (Fig. 2(b) 와 2(c) 또는 Fig. 3(b) 와 3(c)) 이나두터운구름이존재하는경우다소차이가발생되는데이는눈과구름이함께존재할경우로서위성에서의반사도값산출에어려움이있기때문이다. 즉, MODIS 알베도자료에의한차이로서해석할수있으므로향후알베도에의한차이가발생할것으로판단된다. CERES 자료의경우, MODIS 관측을적용시켜산출된결과와상당히유사한모습을보이며구름및수륙분포를고려할때예상되는분포를보이고있어산출결과가합리적임을정성적으로확인할수있다. 2) 위성자료비교 (1) 대기상단에서비교태양복사에너지는대기상단에서산란및흡수과정을거쳐반사되고남은복사에너지가지구로들어오게되며그중의일부가지표면에흡수된다. 알고리즘을통해산출된지표면에서의순태양복사에너지는대기상단에서반사된에너지와지표및대기조건의함수로모수화된양이므로추후산출결과를정략적으로평가하기위해서는대기상단에서반사된복사에너지값을일차적으로비교해야한다. 따라서본연구에서개선 / 개발된알고리즘을통해산출된대기상단에서의복사에너지와 CERES 자료를우선적으로비교하였고 Fig. 4 (Terra) 와 Fig. 5(Aqua) 에각각나타내었다. 앞서언급한네사례를이용하여 CERES 자료와시 공간해상도를일치시켰고 n은 MODIS와 CERES 자료간의공통된화소개수이다. 두자료의비교결과, Terra와 Aqua의두위성이겨울철 (Fig. 4(a)) 인한사례를제외하고결정계수가모두 0.9 이상으로높은상관성을 206

7 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations 보였다. 또한 기울기가 거의 1에 가까운 것을 확인할 수 있고 평균제곱근편차(Root-Mean-Square-Deviation, ) 는 Terra의 경우 각각 W/m2, W/m2, W/m2, W/m2으로 계산되었으며, Aqua는 W/m2, UTC UTC UTC UTC Fig. 2. (Left line panels) An RGB image for a granule taken from Terra/MODIS sensor over Korea. (Middle line panels) A map of the estimated net surface solar flux from MODIS for the same granule. (Right line panels) Same as the middle panel, but from Terra/CERES. 2 07

8 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, UTC UTC UTC Fig. 3. Same as Fig. 2, but from Aqua/MODIS and Aqua/CERES W/m2, W/m2, W/m2으로 계산되었다. 문에 기하학 정보는 같지만 측정되는 복사에너지 값을 두 결과를 비교함에 있어 값이 약간의 차이를 처리하는 과정에 있어 각 센서마다 차이가 있는 것으로 보이고 있는데 이는 같은 위성에 탑재된 센서들이기 때 판단된다. 즉, 단파 전체 영역의 값을 산출함에 있어 2 08

9 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations (a) (b) (c) (d) Fig. 4. Comparison of upward TOA solar fluxes derived from Terra/MODIS and Terra/CERES on (a)12 January, (b)16 May, (c)4 August and (d)16 October (a) (b) (c) (d) Fig. 5. Same as Fig. 4, but from Aqua/MODIS and Aqua/CERES. 2 09

10 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 CERES 센서는 자체 개발된 ADM과 자료 처리 방법을 양 복사에너지의 결과는 Fig. 8(Terra), Fig. 9(Aqua)에 각 사용하고 있어 두 결과간의 차이가 있는 것으로 보이고 각 나타내었다. 이는 지구로 들어오는 태양 복사에너지의 양을 산출하 는 과정에서 두 자료 사이에 차이가 있음을 의미한다. 따라서 이러한 차이는 본 연구에서 산출된 결과와 비교 함에 있어 영향을 미칠 것으로 판단된다. 하향 태양 복사에너지에 대한 CERES 자료를 비교한 결과, 흐린 날에 대한 Terra와 CERES 자료의 는 W/m 2, W/m 2, W/m 2, W/m 2이고 Aqua는 W/m2, W/m2, W/m2, W/m 2 으로 계산되었다. 반면, 맑은 날의 경우에는 Terra의 (2) 지표면에서 비교 지표면에 흡수되는 양은 대기 구성요소에 의해 큰 영 향을 받고 특히 구름에 의한 영향이 크기 때문에 하향 과 순 태양 복사에너지에 대한 값을 구름이 없는 맑은 날(Clear sky)과 구름이 있는 흐린 날(Cloudy sky)로 구분 할 필요가 있다. Tang et al.(2006)은 순 태양 복사에너지 를 지상 자료와 비교하기 위해 맑은 날과 흐린 날로 분 류하였고 Cloud Mask 자료를 사용하여 Clear와 Probably Clear로 분류된 화소들은 맑은 날로 Uncertain과 Cloudy 로 분류된 화소들은 흐린 날로 나눈바 있어 본 연구에 도 같은 방법을 적용하였다. 하향 태양 복사에너지의 결 가 W/m2, W/m2, W/m2, W/m2 이고Aqua의가 W/m2, W/m2, W/m2, W/m 2으로 계산되었다. 대기 상단에서의 복사에 너지 비교 결과와 유사하게 약간의 차이가 있는 것으로 나타났고 맑은 날이 흐린 날에 비해 상대적으로 좋은 결 과가 나타났음을 알 수 있다. 특히 겨울철 하향 태양 복 사에너지의 차이가 크게 나타나는데 이는 3.1절에서 언 급한 것처럼 지면에 눈과 구름이 함께 존재하여 알베도 자료에 의한 차이로서 판단된다. 위와 같은 방법으로서 순 태양 복사에너지를 비교한 결과, 흐린 날의 Terra에 대한 가 W/m 2, 과는 Fig. 6(Terra), Fig. 7(Aqua)에 각각 나타내었고 순 태 W/m 2, W/m 2, W/m 2이고 Aqua는 (a) (b) (c) (d) Fig. 6. Comparison of clear sky and all sky for downward solar fluxes derived from Terra/MODIS and Terra/CERES. 2 10

11 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations (a) (b) (c) (d) Fig. 7. Same as Fig. 6, but from Aqua/MODIS. (a) (b) (c) (d) Fig. 8. Comparison of clear sky and all sky for net surface solar fluxes derived from Terra/MODIS and Terra/CERES. 2 11

12 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 (a) (b) (c) (d) Fig. 9. Same as Fig. 8, but from Aqua/MODIS. W/m 2, W/m 2, W/m 2, W/m 2 으로계산되었다. 또한맑은날의 Terra에대한 가 W/m 2, W/m 2, W/m 2, W/m 2 이고 Aqua 에서의 는 W/m 2, W/m 2, W/m 2, W/m 2 로계산되었다. 비록흐린날에비해화소수가적지만그분포가 1:1 line에근접해있음을알수있고 값들도상당히작게계산되어맑은날에대한결과가 CERES 자료와상당히잘일치하고있음을알수있다. 앞서보인결과들을보아맑은날과흐린날에대한비교결과가차이를보이고있으며특히구름이없는맑은날에잘일치하고있음을보였다. 즉, 구름에의한복사효과의영향이크다는것을알수있다. 본연구에사용한알고리즘은 MODIS band4인 0.554μm의단일파장값을사용하고있으며이를이용해단파전체영역의복사에너지를계산하고있다. 또한대기를구성하는성분들은가강수량, 에어로솔, 오존등여러요소들이있고그요소들마다복사에너지에대한반응정도가파장마다다르기때문에모든파장에서의특성을고려하 는데어려움이있고 CERES 자료와비교함에있어차이가있을수있다. 3) 지상자료비교 (1) GWNU 알고리즘을통해산출된결과를보다정확한값이라판단할수있는지상자료와비교검증을수행하기위해강릉원주대학교 (GWNU) 생명대학 2호관옥상에설치된일사계자료를사용하였다. 더불어 CERES 자료도일사계자료와함께비교하였으며같은위 경도에서두위성자료의결과값이어느정도의차이를보이는지파악하기위해 MODIS와 CERES의결과도함께비교하였다. 하향태양복사에너지의경우 Terra와 Aqua 의결과를 Fig. 10, 11의왼쪽에나타내었으며순태양복사에너지는오른쪽에나타내었다. MODIS 관측을적용시켜산출된결과와 GWNU와의비교는 (a) 와 (b), CERES 자료와 GWNU의비교는 (c) 와 (d), MODIS와 CERES와의비교는 (e) 와 (f) 로표시하였다. 자료기간은 2012년 1월 1일부터 2013년 12월 31일까지 2년으로총 212

13 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations 731일중Terra의경우는 250일이며그중구름이없는맑은날은 30일로나타났다. Aqua의경우는 211일이며그중맑은날은 26일로나타났다. GWNU의일사계자료는하향태양복사에너지만을측정하기때문에앞서언급한식 (2), (3) 과 MODIS 알베도자료를사용해순태양복사에너지를계산하여비교하였다. 하양태양복사에너지에대해 GWNU와의 를계산한결과 (Fig. 10), Terra의경우맑은날과흐린날이각각 W/m 2 와 W/m 2 으로계산되었고 CERES 의경우 W/m 2 와 W/m 2 으로계산되어알고리즘을통한산출결과가 CERES보다약 7 W/m 2, 29 W/m 2 정도더작게계산되었다. 또한순태양복사에너지를비교한결과, Terra의경우맑은날과흐린날이각각 W/m 2 와 W/m 2 으로계산되었고 CERES 의경우 W/m 2 와 W/m 2 으로계산되었다. 두날모두약 20 W/m 2 정도 CERES결과보다더작게계산되었으며기울기역시 1:1 line에더근접한것으로나타났다. 따라서하향과순태양복사에너지모두지상자료와비교함에있어 CERES 자료보다더나은결과임을확인할수있다. 앞서비교한것과같은방법으로 Aqua에대한하향태양복사에너지의결과 (Fig. 11), 맑은날과흐린날이각각 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었고 CERES의경우는 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었다. 또한순태양복사에너지를비교한결과, Aqua 의경우맑은날과흐린날이 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었고 CERES의경우 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었다. 하향과순태양복사에너지모두맑은날에대해서는두위성의 값이큰차이를보이지않았지만구름이포함된흐린날에대해서는알고리즘산출결과가약 38 W/m 2 과 30 W/m 2 정도더작은값을보여 Fig. 8의 Terra 경우처럼더나은결과를보였다. 이에 Terra와 Aqua의하향과순태양복사에너지모두 CERES 자료와유사하거나조금더일치하고있음을확인할수있고지상자료에더근접함을알수있다. 자세한통계수치는 Table 2와 3에 Terra의결과를, Table 4 과 5에 Aqua의결과를각각나타내었다. (2) ARM_SGP 이번절에서는앞서비교한것과같이 ARM관측소의 SGP에있는 SIRS 일사계관측자료의비교결과를서술하였다. SIRS 일사계는 GWNU의일사계와는다르게하향뿐만아니라상향태양복사에너지도제공하고있어식 (2) 와같은방법으로순태양복사에너지를계산하였다. 앞절에서비교한방법과같은식으로진행되었으며하향태양복사에너지에대한 Terra와 Aqua의결과는 Fig. 12, 13의왼쪽에, 순태양복사에너지는오른쪽에나타내었다. 알고리즘을통해산출된결과와 ARM 의비교는 (a) 와 (b), CERES 자료와 ARM의비교는 (c) 와 (d), MODIS와 CERES의비교는 (e) 와 (f) 로표시하였다. 또한자료기간은 GWNU와같은 2년동안의기간을선정하였으며 Terra의경우 212일이며그중구름이없는맑은날은 77일로나타났다. Aqua의경우 333일이며그중맑은날은 125일로나타났다. 하향태양복사에너지에대한 ARM 관측소와의 를계산한결과 (Fig. 12), Terra의경우맑은날과흐린날이 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었고 CERES는 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되어알고리즘을통한산출결과가약 18 W/m 2 과 7 W/m 2 정도의차이를보였다. 또한순태양복사에너지를비교한결과, Terra의경우맑은날과흐린날이 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었고 CERES의경우 W/m 2 과 W/m 2 으로각각 12 W/m 2 과 13 W/m 2 정도의차이가나타나알고리즘을통해산출된결과가 CERES 결과보다다소높은것으로나타났다. Aqua에대한하향태양복사에너지의결과 (Fig 13), 맑은날과흐린날에대한 는 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었고 CERES의경우 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되어알고리즘을통한산출결과가 CERES보다약 54 W/m 2 과 15 W/m 2 정도로큰차이를보였다. 반면순태양복사에너지를비교한결과, Aqua의경우맑은날과흐린날이 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되었으며 CERES의경우 W/m 2 과 W/m 2 으로계산되어맑은날과흐린날모두유사한결과를보였다. 본연구의목적이라할수있는순태양복사에너지의경우지상또는 CERES 자료와큰차이를보이진않지만하향태양복사에너지는어느정도 213

14 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. 10. (Left panels) Comparison of clear sky and all sky for downward solar fluxes derived from Terra/MODIS, Terra/CERES against the ground-based measurements at GWNU. (Right panels) Same as the left panels, but for net solar fluxes. Table 2. Statistical comparison of the downward solar fluxes among Terra/MODIS, Terra/CERES and the ground-based measurements at GWNU., and (Standard Deviation) are in W/m2 MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES clear sky clear sky All sky All sky Table 3. Same as Table 2, but for net solar fluxes. 2 14

15 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations (a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. 11. Same as Fig. 10, but from Aqua/MODIS and Aqua/CERES. Table 4. Same as Table 2, but the results for Aqua/MODIS, Aqua/CERES and the ground-based measurements at GWNU MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES clear sky Table 5. Same as Table 4, but for net solar fluxes MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES clear sky All sky All sky

16 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. 12. (Left panels) Comparison of clear sky (red symbols) and all sky (black symbols) downward solar fluxes derived from Terra/MODIS, Terra/CERES and ARM. (Right panels) Same as the left panels, but for net solar fluxes. Table 6. Statistical comparison of the downward solar fluxes derived from Terra/MODIS, Terra/CERES and the ground-based measurements at the ARM SGP site MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES clear sky All sky clear sky All sky Table 7. Same as Table 6, but for net solar fluxes 2 16

17 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations (a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. 13. Same as Fig. 12, but from Aqua/MODIS and Aqua/CERES. Table 8. Statistical comparison of the downward solar fluxes derived from Aqua/MODIS, Aqua/CERES and the ground-based measurements at the ARM SGP site MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES MODIS vs GWNU CERES vs GWNU MODIS vs CERES clear sky All sky clear sky All sky Table 9. Same as Table 8, but for net solar fluxes 2 17

18 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 의차이가있는것으로나타났고이는 MODIS의알베도자료에의한것으로판단된다. 자세한통계수치는 Table 6와 7에 Terra의결과를, Table 8과 9에 Aqua의결과를각각나타내었다. 4. 결론 본연구에서는대기상단과지표면에서흡수된태양복사에너지관계를모수화한 Li et al.(1993) 의알고리즘에 Terra/Aqua 위성의 MODIS 관측을적용시켜하향및순태양복사에너지를산출하였다. 이렇게산출된결과를비교및검증하기위해 NASA에서개발된알고리즘을사용하여태양복사에너지값을직접산출하고있는 CERES센서자료, GWNU와 ARM 관측소에있는일사관측자료를사용하여수행하였다. 하향및순태양복사에너지를비교하기전에지구에입사하는태양복사에너지의정확도를평가할필요가있다. 따라서기존의검증된 CERES 자료와알고리즘을통해산출된대기상단에서의태양복사에너지값을비교한결과, 가다소차이를보였지만어느정도일치성을확인하였으며겨울철을제외한나머지사례에대해서유사한경향을보였다. ADM 및 NTB 적용시실제대기환경조건의다양한변화를충분히반영하지못함으로서두알고리즘에서발생할수있는각기다른오차들로인한차이가발생되고이러한원인들은산출결과에비교적작지않은기여를하고있는것으로보인다. 이러한차이를보다자세히파악하기위해맑은날과흐린날을구분하여비교하였고, 그결과구름이존재하는흐린날보다구름이없는맑은날에상당히좋은결과를보여구름의특성과분포를포함한대기구성요소의효과를개선시킬필요가있을것으로판단된다. 또한지상자료와비교함에있어 GWNU에서는 CERES 자료보다더나은결과를보였지만 ARM 관측소에서는 CERES 결과보다다소크게산출되거나유사한경향을보였다. 위성자료와지상자료를비교함에있어 Li et al.(2005) 는시 공간해상도에따라결과가다르게나타날수있음을제시하였고 Wang et al.(2009) 은위성자료를통해순태양복사에너지를추정함에있어구름의특성즉, 구름광학두께, 유효입자, 열역학적현상 에의한불확실성때문에오차를야기할수있음을보인바있다. 따라서 가다소크게계산된부분들이있더라도시 공간해상도또는자료간의오차를고려한다면알고리즘을통해산출된결과가어느정도의유사성을보이고잘일치한다고볼수있으며본연구의알고리즘을바탕으로지상관측자료가없는곳에서의하향및순태양복사에너지추정에대한문제를긍정적으로평가할수있다. 또한본연구에서는 5km 해상도로산출하기때문에 CERES 센서보다비교적높은해상도를갖게되며일반적으로 CERES 자료와비교하여단시간내에하향및순태양복사에너지를생산할수있게된다. 향후본연구에서사용된알고리즘의정확도를향상시키기위해대기구성요소, 특히구름에의한복사효과를고려한모수화과정이필요할것으로판단되며, 이연구결과는추후다채널정지궤도위성관측으로부터순태양복사에너지의일변화또는일누적태양복사에너지를보다정확하게도출하는데도움이될것으로기대된다. 감사의글 이연구를수행할수있게지도해주신정명재교수님께감사의말을전하며주신가르침잊지않고항상기억하겠습니다. References Baek, J., K. Byun, D. Kim, and M. Choi, Assessment of solar insolation from COMS: Sulma and Cheongmi watersheds. Korean Journal of Remote Sensing, 29(1): (in Korean with English abstract). Bisht, G., and R.L. Bras, Estimation of net radiation from the MODIS data under all sky conditions: Southern Great Plains case study. Remote Sensing of Environment, 114(7):

19 Derivations of Surface Solar Radiation from Polar Orbiting Satellite Observations Cha, J.W., Y.H. Kim, H.S. Jeong, and D.S. Sin, Use of GMS-5 Albedo as Cloud Effect for the Estimation of Surface Solar Radiation. Asia- Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 37(5): Cho, H.K., M.J. Jeong, and Y.J. Kim, Changes in Surface Solar Radiation with Atmospheric Optical Depth. Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 36(3): Conant, W.C., V. Ramanathan, F.P. Valero, and J. Meywerk, An examination of the clearsky solar absorption over the central equatorial Pacific: Observations versus models. Journal of climate, 10(8): Darnell, W.L., W.F. Staylor, S.K. Gupta, N.A. Ritchey, and A.C. Wilber, Seasonal variation of surface radiation budget derived from International Satellite Cloud Climatology Project C1 data. Journal of Geophysical Research: Atmospheres ( ), 97(D14): Feng, J., H. Leighton, and M. MacKay, Radiation budgets in the Mackenzie River Basin: retrieval from satellite observations and an evaluation of the Canadian Regional Climate Model. Journal of Hydrometeorology, 4(4): Jee, J.B., Y.D. Kim, W.H. Lee, and K.T. Lee, Temporal and Spatial Distributions of Solar Radiation with Surface Pyranometer Data in South Korea. Journal of the Korean earth science society, 31(7): (in Korean with English abstract). Jee, J.B., I.S. Zo, K.T. Lee, and W.H. Lee, The Development of Photovoltaic Resources Map Concerning Topographical Effect on Gangwon Region. Journal of the Korean Solar Energy Society, 31(2): (in Korean with English abstract). Jee, J.B., I.S. Zo, and K.T. Lee, A Study on the Retrievals of Downward Solar Radiation at the Surface based on the Observations from Multiple Geostationary Satellites. Korean Journal of Remote Sensing, 29(1): Jing, X., and R.D. Cess, Comparison of atmospheric clear-sky shortwave radiation models to collocated satellite and surface measurements in Canada. Journal of Geophysical Research: Atmospheres ( ), 103(D22): Justus, C.G., and M.V. Paris, A model for solar spectral irradiance and radiance at the bottom and top of a cloudless atmosphere. Journal of Climate and Applied Meteorology, 24(3): Kim, Y.K., H.W. Lee, J.W. Cha, Y.S. Lee, and Y.S. Moon, The Study on Estimation for Surface Radiation by Parameter Equation (II): The Estimation for Cloud Day. Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 34(3): Kim, H.Y., and S. Liang, Development of a hybrid method for estimating land surface shortwave net radiation from MODIS data. Remote Sensing of Environment, 114(11): Kratz, D.P., S.K. Gupta, A.C. Wilber, and V.E. Sothcott, Validation of the CERES Edition 2B surface-only flux algorithms. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 49(1): Lee, J., W. Choi, Y. Kim, C. Yun, D. Jo, and Y. Kang, Estimation of global horizontal insolation over the Korean Peninsula based on COMS MI satellite images. Korean Journal of Remote Sensing, 29(1): (in Korean with English abstract). Li, Z., H.G. Leighton, K. Masuda, and T. Takashima, Estimation of SW flux absorbed at the surface from TOA reflected flux. Journal of Climate, 6(2): Liepert, B.G., and G.J. Kukla, Decline in global 219

20 Korean Journal of Remote Sensing, Vol.32, No.3, 2016 solar radiation with increased horizontal visibility in Germany between 1964 and Journal of Climate, 10(9): Li, Z., M.C. Cribb, F.L. Chang, A. Trishchenko, and Y. Luo, Natural variability and sampling errors in solar radiation measurements for model validation over the Atmospheric Radiation Measurement Southern Great Plains region. Journal of Geophysical Research: Atmospheres ( ), 110(D15). Masuda, K., H.G. Leighton, and Z. Li, A new parameterization for the determination of solar flux absorbed at the surface from satellite measurements. Journal of Climate, 8(6): Pinker, R.T., and I. Laszlo, Modeling surface solar irradiance for satellite applications on a global scale. Journal of Applied Meteorology, 31(2): Tang, B., Z.L. Li, and R. Zhang, A direct method for estimating net surface shortwave radiation from MODIS data. Remote sensing of Environment, 103(1): Trishchenko, A., and Z. Li, Use of ScaRaB measurements for validating a GOES-based TOA radiation product. Journal of Applied Meteorology, 37(6): Wang, H., and R. T. Pinker, Shortwave radiative fluxes from MODIS: Model development and implementation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres ( ), 114(D20). Wielicki, B.A., B.R. Barkstrom, E.F. Harrison, III, R.B. Lee, G. Louis Smith, and J.E. Cooper, Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES): An earth observing system experiment. Bulletin of the American Meteorological Society, 77(5): Yan, H., J. Huang, P. Minnis, T. Wang, and J. Bi, Comparison of CERES surface radiation fluxes with surface observations over Loess Plateau. Remote Sensing of Environment, 115(6):