위성자료를 이용한 주요 항구도시에서 가스상 대기오염물질의 칼럼농도 변화 특성 조사 및 이산화질소 혼합비 첫 산출 연구

최원이(Wonei Choi),박준성(Junsung Park),김대원(Daewon Kim),양지원(Jiwon Yang),강형우(Hyeongwoo Kang),이한림(Hanlim Lee) 한국대기환경학회 2018 한국대기환경학회지 Vol.34 No.6

UV-VIS 초분광 위성센서 모의복사휘도를 활용한 다양한 관측환경에서의 에어로솔 유효고도에 대한 O4 대기질량인자 민감도 조사

최원이 ( Wonei Choi ),이한림 ( Hanlim Lee ),최철웅 ( Chuluong Choi ),이양원 ( Yangwon Lee ),노영민 ( Youngmin Noh ) 대한원격탐사학회 2020 大韓遠隔探査學會誌 Vol.36 No.2

본 연구에서는 복사전달모델을 사용하여 다양한 변수환경(파장 (340 nm, 477 nm), 에어로솔 종류(스모크, 황사, 황산염), AOD (aerosol optical depth), 지표면 반사도, 관측기하)에 따라 에어로솔 유효 고도(aerosol peak height; APH)에 대한 O₄ 대기질량인자(air mass factor; AMF)의 민감도를 조사하였다. 전반적으로, 477 nm의 O₄ AMF 가 340 nm 보다 APH에 대한 민감도가 크고 안정적으로 산출 가능한 것으로 확인하였다. AOD가 높을 때 APH에 대한 O₄ AMF의 민감도가 커지는 것을 확인하였다. 477 nm에서는 340 nm 보다 지표면 반사도의 영향이 큰 것으로 나타났다. 태양천정각 증가에 따라 340 nm에서의 O₄ AMF가 감소하는 추세를 발견하였으며, 이러한 경향은 태양천정각 40°인 환경에서 높은 Rayleigh 및 Mie 산란에 의한 장벽효과로 인해 O₄ 흡수가 발생하는 광경로 길이가 줄어들기 때문인 것으로 사료된다. 477 nm에서는 태양천정각이 증가함에 따라 Rayleigh 및 Mie 산란에 의한 다중산란이 일부 발생하여 O₄ AMF가 비선형함수 형태로 증가하는 경향을 보였다. 마지막으로, AOD의 불확실성이 APH 산출오차에 미치는 영향을 조사하였다. 황산염 타입에 대한 APH 산출 시, AOD의 불확실성으로 인한APH 산출오차가 다른 에어로솔 타입보다 크게 나타났으며, 황사의 경우 AOD 불확실성에 대한 APH 산출오차에 대한 영향이 미미하게 나타났다. 이러한 결과는 각 에어로솔 타입의 흡수 산란 특성이 다양하기 때문에, 에어로솔 타입이 APH 산출 오차에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. In this present study, the sensitivity of O₄ Air Mass Factor (AMF) to Aerosol Peak Height (APH) has been investigated using radiative transfer model according to various parameters (wavelength (340 nm and 477 nm), aerosol type (smoke, dust, sulfate), aerosol optical depth (AOD), surface reflectance, solar zenith angle, and viewing zenith angle). In general, it was found that O₄ AMF at 477 nm is more sensitive to APH than that at 340 nm and is stably retrieved with low spectral fitting error in Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) analysis. In high AOD condition, sensitivity of O₄ AMF on APH tends to increase. O₄ AMF at 340 nm decreased with increasing solar zenith angle. This dependency is thought to be induced by the decrease in length of the light path where O4 absorption occurs due to the shielding effect caused by Rayleigh and Mie scattering at high solar zenith angles above 40°. At 477 nm, as the solar zenith angle increased, multiple scattering caused by Rayleigh and Mie scattering partly leads to the increase of O₄ AMF in nonlinear function. Based on synthetic radiance, APHs have been retrieved using O₄ AMF. Additionally, the effect of AOD uncertainty on APH retrieval error has been investigated. Among three aerosol types, APH retrieval for sulfate type is found to have the largest APH retrieval error due to uncertainty of AOD. In the case of dust aerosol, it was found that the influence of AOD uncertainty is negligible. It indicates that aerosol types affect APH retrieval error since absorption scattering characteristics of each aerosol type are various.

기계학습을 이용한 위성기반 타입분류 알고리즘 개발

최원이(Wonei Choi),이한림(Hanlim Lee) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.11

OMI 위성센서를 이용한 중국 지역에서 TOMS 오존 산출에 대한 이산화황의 영향 조사 연구

최원이 ( Wonei Choi ),홍현기 ( Hyunkee Hong ),김대원 ( Daewon Kim ),류재용,이한림 ( Hanlim Lee ) 대한원격탐사학회 2016 大韓遠隔探査學會誌 Vol.32 No.6

본 연구에서는 2005년부터 2007년 사이에 중국 공업지대에서 Ozone Monitoring Instrument (OMI) 센서에서 관측한 이산화황 값의 증가에 따른 Total Ozone Mapping Spectrometer (OMI-TOMS)와 Differential Optical Absorption Spectrometer (OMI-DOAS) 오존전량 값의 차이를 위성자료를 이용하여 비교를 수행하였다. 중국 공업지대에서는 Planetary boundary layer (PBL)내의 이산화황을 나타내는 PBL SO₂ 자료가 사용되었다. 중국 공업지대에서 PBL내의 이산화황 농도 증가에 대하여 두 오존 값의 차이가 증가하는 경향성(R (Correlation coefficient) = 0.36)이 나타났다. 이산화황 이외에 두 오존 산출 알고리즘에 모두 영향을 미칠 수 있는 에어로솔 광학 두께(AOD; Aerosol Optical Depth)가 증가하는 경우 이산화황과 두 오존 값의 차이 사이의 회귀식의 기울기(1.83 ≤ slope ≤ 2.36)가 비슷하게 유지되는 경향이 나타났다. 이는 다양한 AOD 조건에서도 이산화황이 두 오존 값의 차이를 증가시키는 관계가 나타나는 경향은 거의 비슷하게 유지되는 것으로 생각된다. 중국 공업지대에서 PBL내에 존재하는 이산화황과 화산 폭발에 의하여 고층(Middle troposphere (TRM), Upper troposphere and Stratosphere (STL))에서 존재하는 이산화황의 농도가 1 DU 증가하는 경우 두 오존 값의 차이는 각각 1.6 DU, 3.9 DU, 4.9 DU로 계산되었다. 고층(TRM, STL)의 이산화황과 저층(PBL)의 이산화황이 증가하는 경우 두 오존 값의 차이가 다르게 나타나는 것은 이산화황이 존재하는 고도에 따라서 두 오존 값의 차이에 미치는 영향이 다름을 의미한다. 이는 OMI-TOMS 오존을 산출하는데 사용되는 파장영역(317.5 nm)에서 행성경계층에서 이산화황에 의해 흡수되는 복사휘도의 감소된 민감도에 의한 것으로 생각된다. In this present study, we identified the SO₂ effect on O₃ retrieval from the Ozone Monitoring Instrument (OMI) measurement over Chinese Industrial region from 2005 through 2007. The Planetary boundary layer (PBL) SO₂ data measured by OMI sensor is used in this present study. OMI-Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) total O3 is compared with OMI-Differential Optical Absorption Spectrometer (DOAS) total O₃ in various SO₂ condition in PBL. The difference between OMI-TOMS and OMI-DOAS total O₃ (T-D) shows dependency on SO₂ (R (Correlation coefficient) = 0.36). Since aerosol has been reported to cause uncertainty of both OMI-TOMS and OMI-DOAS total O3 retrieval, the aerosol effect on relationship between PBL SO₂ and T-D is investigated with changing Aerosol Optical Depth (AOD). There is negligible aerosol effect on the relationship showing similar slope (1.83 ≤ slope ≤ 2.36) between PBL SO₂ and T-D in various AOD conditions. We also found that the rate of change in T-D per 1.0 DU change in PBL, middle troposphere (TRM), and upper troposphere and stratosphere (STL) are 1.6 DU, 3.9 DU and 4.9 DU, respectively. It shows that the altitude where SO₂ exist can affect the value of T-D, which could be due to reduced absolute radiance sensitivity in the boundary layer at 317.5 nm which is used to retrieve OMI-TOMS ozone in boundary layer.

GOCI와 AHI 자료를 활용한 에어로졸 광학두께 합성장 산출 연구

강형우 ( Hyeongwoo Kang ),최원이 ( Wonei Choi ),박정현 ( Jeonghyun Park ),김세린 ( Serin Kim ),이한림 ( Hanlim Lee ) 대한원격탐사학회 2021 大韓遠隔探査學會誌 Vol.37 No.5

본 연구에서는 COMS (Communication, Oceanography and Meteorology Satellite) 위성의GOCI (Geostationary Ocean Color Imager) 센서와 Himawari-8 위성의 AHI (Advanced Himawari Imager) 센서에서 산출되는 에어로졸 광학두께 (Aerosol Optical Depth; AOD)를 활용하여 단일화된 AOD 합성장을 생산하였다. 위성 간의 공간해상도와 위치좌표계가 다르기 때문에 이를 맞춰주는 전처리 작업을 선행하였다. 이후 지상관측 기반인 AERONET (AErosol RObotic NETwork)의 레벨 1.5 AOD 자료를 사용하여 각 위성과 AERONET과의 상관관계 분석 및 추세를 보간하여 기존 위성 AOD 보다 정확한 위성 AOD 자료를 생산하였다. 이후 합성과정을 진행하며 최종적으로 시공간적으로 더 완벽하고 정확한 AOD 합성장을 생산하였다. 생산된 AOD 합성장의 제곱근 평균 오차(Root Mean Square Error; RMSE)는 0.13, 평균 편향(mean bias)는 0.05로, 기존의 GOCI AOD (RMSE: 0.15, Mean bias: 0.11)와 AHI AOD (RMSE: 0.15, Mean bias: 0.05) 보다 나은 성능을 보였다. 또한 합성된 AOD는 단일위성에서 구름으로 인하여 관측되지 못한 지역에서 시공간적으로 보다 완벽하게 생산되었음을 확인하였다. In this study, fused Aerosol Optical Depth (AOD) data were produced using AOD products from the Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) onboard Communication, Oceanography and Meteorology Satellite (COMS) satellite and the Advanced Himawari Imager (AHI) onboard Himawari-8. Since the spatial resolution and the coordinate system between the satellite sensors are different, a preprocessing was first preceded. After that, using the level 1.5 AOD dataset of AErosol RObotic NETwork (AERONET), which is ground-based observation, correlations and trends between each satellite AOD and AERONET AOD were utilized to produce more accurate satellite AOD data than the original satellite AODs. The fused AOD were found to be more accurate than the original satellite AODs. Root Mean Square Error (RMSE) and mean bias of the fused AODs were calculated to be 0.13 and 0.05, respectively. We also compared errors of the fused AODs against those of the original GOCI AOD (RMSE: 0.15, mean bias: 0.11) and the original AHI AOD (RMSE: 0.15, mean bias: 0.05). It was confirmed that the fused AODs have better spatial coverage than the original AODs in areas where there are no observations due to the presence of cloud from a single satellite.

주성분분석방법을 이용한 복사휘도 시뮬레이션 기반 산출 파장구간 변화에 따른 화산지역 고농도 이산화황 원격측정 정확도 조사 연구

양지원(Jiwon Yang),최원이(Wonei Choi),박준성(Junsung Park),김대원(Daewon Kim),강형우(Hyeongwoo Kang),이한림(Hanlim Lee) 한국대기환경학회 2018 한국대기환경학회지 Vol.34 No.6

지상관측 기반 UV-Vis 초분광 모의복사휘도를 이용한 산업단지 굴뚝 배출 이산화질소와 이산화황 경사층적분농도 산출 민감도 조사 연구

박경(Gyeong Park),김대원(Daewon Kim),최원이(Wonei Choi),이한림(Hanlim Lee) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

OMI 위성자료를 활용한 서울 지표 이산화질소 혼합비 추정 연구

김대원 ( Daewon Kim ),홍현기 ( Hyunkee Hong ),최원이 ( Wonei Choi ),박준성 ( Junsung Park ),양지원 ( Jiwon Yang ),류재용 ( Jaeyong Ryu ),이한림 ( Hanlim Lee ) 대한원격탐사학회 2017 大韓遠隔探査學會誌 Vol.33 No.2

본 연구에서는 처음으로 한반도 서울지역에서 OMI (Ozone Monitoring Instrument) 센서로 관측된 대류권 이산화질소 칼럼농도를 이용하여 OMI 센서의 관측시간인 13:45에서의 월 평균 및 일별 위성 지표 이산화질소 혼합비를 추정하였다. 본 연구에서는 세 가지 회귀모델들이 이용되었다. 첫 번째 회귀모델(M1)은 OMI 대류권 이산화질소 칼럼농도와 지점 측정값과의 선형회귀를 통한 회귀계수로 구성되어있다. 두번째 회귀모델(M2)은 OMI 대류권 이산화질소 칼럼농도와 AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) 센서로 관측한 행성경계층 높이, 온도, 압력 자료 모두가 반영된 회귀모델이다. 세 번째 회귀모델(M3M, M3D)은 다중회귀모델로서 앞서 고려된 이산화질소 칼럼농도와 행성경계층 높이와 다양한 기상변수를 추가적으로 반영하는 회귀모델이다. 본 연구에서는 2009년에서 2011년까지를 회귀모델의 훈련기간으로 하여서 각 회귀식의 회귀계수를 도출하였으며 2012년도는 검증기간으로서 훈련기간에 도출된 회귀모델들의 성능을 평가하였다. 회귀모델들로 추정된 월 평균 지표 이산화질소 혼합비와 지점 관측소에서 지점 측정장비로 측정된 월평균 지표 이산화질소 혼합비와 가장 높은 상관성(avg. R = 0.77)을 보이는 회귀분석방법은 다중회귀분석 방법(M3M)이다. 또한, 회귀모델들로 추정된 13:45에서의 일 지표 이산화질소 혼합비와 지점 관측소에서 지점장비로 측정된 지표 이산화질소 혼합비와 가장 좋은 상관성(avg. R = 0.55)을 보인 것도 다중회귀분석방법(M3D)이다. 회귀모델들로 추정된 지표 이산화질소 혼합비는 지점 측정값에 비해 과소추정 되는 경향이 나타났다. 회귀모델들로 추정된 지표 이산화질소 혼합비를 평가하기 위해 지점 측정값과의 RMSE (Root Mean Square Error), mean bias, MAE (Mean Absolute Error), percent difference와 같은 통계분석을 실시하였다. 본 연구는 위성을 통한 지표 이산화질소 혼합비 산출 가능성을 보여준다. We, for the first time, estimated daily and monthly surface nitrogen dioxide (NO₂) volume mixing ratio (VMR) using three regression models with NO₂) tropospheric vertical column density (OMITrop NO₂) VCD) data obtained from Ozone Monitoring Instrument (OMI) in Seoul in South Korea at OMI overpass time (13:45 local time). First linear regression model (M1) is a linear regression equation between OMI-Trop NO₂) VCD and in situ NO₂) VMR, whereas second linear regression model (M2) incorporates boundary layer height (BLH), temperature, and pressure obtained from Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) and OMI-Trop NO₂) VCD. Last models (M3M & M3D) are a multiple linear regression equations which include OMI-Trop NO₂) VCD, BLH and various meteorological data. In this study, we determined three types of regression models for the training period between 2009 and 2011, and the performance of those regression models was evaluated via comparison with the surface NO₂) VMR data obtained from in situ measurements (in situ NO₂) VMR) in 2012. The monthly mean surface NO₂) VMRs estimated by M3M showed good agreements with those of in situ measurements (avg. R = 0.77). In terms of the daily (13:45LT) NO₂) estimation, the highest correlations were found between the daily surface NO₂) VMRs estimated by M3D and in-situ NO₂) VMRs (avg. R = 0.55). The estimated surface NO₂) VMRs by three models tend to be underestimated. We also discussed the performance of these empirical models for surface NO₂) VMR estimation with respect to other statistical data such as root mean square error (RMSE), mean bias, mean absolute error (MAE), and percent difference. This present study shows a possibility of estimating surface NO₂) VMR using the satellite measurement.

GEMS 이산화황 산출 현업 알고리즘에서 오프셋 보정 계수 산정 방법에 대한 영향 조사

박정현 ( Jeonghyeon Park ),양지원 ( Jiwon Yang ),최원이 ( Wonei Choi ),김세린 ( Serin Kim ),이한림 ( Hanlim Lee ) 대한원격탐사학회 2022 大韓遠隔探査學會誌 Vol.38 No.2

본 연구에서는 지난 2020년 2월에 발사된 정지궤도환경위성탑재체(Geostationary Environment Monitoring Spectrometer; GEMS)의 이산화황 산출 현업 알고리즘에서 오프셋 보정 계수 산정 방법이 이산화황 칼럼 농도 산출 결과에 미치는 영향을 확인하였다. GEMS의 현업 이산화황 산출 알고리즘은 차등흡수분광법(Differential Optical Absorption Spectroscopy; DOAS)과 주성분분석방법(Principal component analysis; PCA)이 융합된 하이브리드 알고리즘이다. 하이브리드 알고리즘에서는 차등흡수분광법을 이용하여 스펙트럴 피팅 후 나오는 이산화황 경사층적분농도 값에 나타나는 오존에 의한 흡수 영향을 보정하기 위하여 편차 보정 과정을 필수적으로 거치게 되며, 오프셋 보정 계수를 산정하는 조건에 따라 이산화황 칼럼농도 산출결과가 달라질 수 있기 때문에 적절한 오프셋 보정 계수 값의 적용이 필요하다. 본 연구에서는 구름 화소가 많이 존재하는 날짜와 적게 존재하는 날짜에 대해 오존 보정 계수를 각각 계산하고, 각각의 오존 보정 계수를 GEMS 현업 이산화황 산출 알고리즘에 적용하여 산출한 이산화황 칼럼농도의 비교를 수행하였다. 구름 화소가 많이 존재하는 날의 GEMS 복사휘도 자료를 이용하여 계산된 오존 보정 계수를 사용한 경우, GEMS 관측 영역의 가장자리에 해당하는 인도 부근에서의 이산화황 칼럼농도의 표준편차가 1.27 DU, 한반도 부근에서 0.58 DU, 주변에 구름 화소가 많았던 홍콩 부근에서 0.77 DU로 나타났다. 한편, 구름 화소가 적은 날의 GEMS 자료를 이용하여 계산된 오존 보정 계수를 사용하였을 경우의 이산화황 칼럼농도의 표준편차는 인도주변에서 0.72 DU, 한반도 주변에서 0.38 DU, 홍콩 부근에서 0.44 DU로 다소 감소하였음을 확인하였으며, 구름 화소가 많은 날의 오존 보정 계수를 사용하여 이산화황을 산출한 경우 대비 비교적 안정적인 산출이 이루어졌음을 확인하였다. 이에 따라, GEMS 이산화황 산출 알고리즘의 불확실성 최소화 및 안정적인 산출을 위해서 적절한 조건에서의 오존 보정 계수 산정이 이루어져야 할 필요가 있다. In this present study, we investigated the effect of the offset correction factor calculation method on the sulfur dioxide (SO₂) column density in the SO₂ retrieval algorithm of the Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS) launched in February 2020. The GEMS operational SO₂ retrieval algorithm is the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) - Principal Component Analysis (PCA) Hybrid algorithm. In the GEMS Hybrid algorithm, the offset correction process is essential to correct the absorption effect of ozone appearing in the SO₂ slant column density (SCD) obtained after spectral fitting using DOAS. Since the SO₂ column density may depend on the conditions for calculating the offset correction factor, it is necessary to apply an appropriate offset correction value. In this present study, the offset correction values were calculated for days with many cloud pixels and few cloud pixels, respectively. And a comparison of the SO₂ column density retrieved by applying each offset correction factor to the GEMS operational SO₂ retrieval algorithm was performed. When the offset correction value was calculated using radiance data of GEMS on a day with many cloud pixels was used, the standard deviation of the SO₂ column density around India and the Korean Peninsula, which are the edges of the GEMS observation area, was 1.27 DU, and 0.58 DU, respectively. And around Hong Kong, where there were many cloud pixels, the SO₂ standard deviation was 0.77 DU. On the other hand, when the offset correction value calculated using the GEMS data on the day with few cloud pixels was used, the standard deviation of the SO₂ column density slightly decreased around India (0.72 DU), Korean Peninsula (0.38 DU), and Hong Kong (0.44 DU). We found that the SO₂ retrieval was relatively stable compared to the SO₂ retrieval case using the offset correction value on the day with many cloud pixels. Accordingly, to minimize the uncertainty of the GEMS SO₂ retrieval algorithm and to obtain a stable retrieval, it is necessary to calculate the offset correction factor under appropriate conditions.