Application of LiDAR Analysis Methods and Technologies for Air Quality Management and Satellite Data Verification = 대기질 관리와 위성 자료 검증을 위한 라이다 분석 방법 및 기술 응용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aimed to demonstrate the applicability of LiDAR as an advanced remote sensing instrument by analyzing variations in aerosol optical properties, evaluating the reliability of geostationary environmental satellite retrieval products, and examining the feasibility of quantitatively estimating high-concentration emission plumes using LiDAR observations. To achieve this, (1) long-term variations in mass extinction efficiency (MEE) were analyzed using AD-Net LiDAR observations and PM mass concentration data, (2) aerosol effective height (AEH) products from GEMS were validated based on AD-Net LiDAR measurements, and (3) uncertainties in high-concentration plume concentration retrieval were assessed using a mobile horizontal scanning LiDAR system. The results quantitatively confirmed that changes in fine-particle size characteristics, reflected by increases in PM2.5 MEE and the Ångström exponent, contributed to the weakened improvement in visibility. In addition, the influences of aerosol type and the presence of upper-level clouds on GEMS AEH retrieval errors were clearly identified. Furthermore, the feasibility of estimating concentrations of high-concentration industrial plumes and the associated uncertainties arising from parameter settings were quantitatively evaluated using the mobile scanning LiDAR system. These findings demonstrate that LiDAR is a core observational tool with broad applicability for air quality monitoring, emission rate estimation, and satellite product validation. The results further suggest that LiDAR-based analyses can provide reliable scientific support for the development of integrated air quality monitoring systems in the future.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 첨단 원격탐사 장비로서의 라이다(LiDAR)의 활용 가능성을 제시하고자 라이다 관측 자료를 이용하여 대기 입자 광학 특성 변화를 분석하고, 정지궤도 환경위성 산출물의 신뢰성을 평가하며, 고농도 배출 플룸의 정량화 가능성을 검토하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 (1) AD-Net 라이다 네트워크와 PM 질량농도 자료를 이용한 MEE 변화 분석, (2) AD-Net 라이다 기반 GEMS AEH 검증, (3) 이동형 수평 스캐닝 라이다 기반 고농도 플룸 농도 산출 불확실성 평가를 수행하였다. 그 결과 PM2.5 MEE 및 옹스트롬 지수 증가를 통해 미세입자의 입자 크기 변화가 시정 개선 약화에 미치는 영향을 정량적으로 확인하였으며, 입자 유형과 상층 구름의 존재 여부가 GEMS AEH 산출 오류에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 이동형 스캐닝 라이다를 통해 산업 지역 고농도 플룸의 농도 산출 가능성과 매개변수 설정에 따른 불확실성을 정량적으로 평가하였다. 이러한 결과는 라이다가 대기질 감시, 배출량 산정, 위성 산출물 검증에 폭넓게 활용될 수 있는 핵심 장비임을 보여주며, 향후 통합 대기질 감시 체계 구축을 위한 신뢰성있는 자료로 활용될 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. Literature review 1
• CHAPTER 2. Analysis of Changes in Aerosol Optical Properties in Korea 8
• 2.1 Introduction 8
• 2.2 Method 11
• 2.3 Results 19
• 2.4 Summary and Conclusion 45
• CHAPTER 3. Validation of Aerosol Effective Height from Geostationary Environmental Satellites 48
• 3.1 Introduction 48
• 3.2 Method 50
• 3.3 Results 58
• 3.4 Summary and Conclusion 85
• CHAPTER 4. Uncertainty Analysis of High-Concentration Emissions in Industrial Areas Using Scanning LiDAR 88
• 4.1 Introduction 88
• 4.2 Method 90
• 4.3 Results 98
• 4.4 Summary and Conclusion 116
• CHAPTER 5. Summary and Future Research 120
• Abbreviations 126
• References 128