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Investigation of O4 Air Mass Factor Sensitivity to Aerosol Peak Height Using UV-VIS Hyperspectral Synthetic Radiance in Various Measurement Conditions

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

  • Choi, Wonei (PhD Candidate, Division of Earth Environmental System Science, Major of Spatial Information Engineering, Pukyong National University) ;
  • Lee, Hanlim (Associate Professor, Division of Earth Environmental System Science, Major of Spatial Information Engineering, Pukyong National University) ;
  • Choi, Chuluong (Professor, Division of Earth Environmental System Science, Major of Spatial Information Engineering, Pukyong National University) ;
  • Lee, Yangwon (Professor, Division of Earth Environmental System Science, Major of Spatial Information Engineering, Pukyong National University) ;
  • Noh, Youngmin (Assistant Professor, Department of Environmental Engineering, Pukyong National University)
  • 최원이 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공 박사수료생) ;
  • 이한림 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공 부교수) ;
  • 최철웅 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공 정교수) ;
  • 이양원 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공 정교수) ;
  • 노영민 (부경대학교 환경공학과 조교수)
  • Received : 2020.03.05
  • Accepted : 2020.03.25
  • Published : 2020.04.30
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Abstract

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 isthought 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.

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.

Keywords

1. 서론

대기 중 에어로솔은 지구복사수지에 영향을 미치는 요소 중 하나로 직·간접적으로 복사강제효과를 일으켜 기후변화인자 중 하나로서 간주된다. 이러한 에어로솔의 일종인 황사 에어로솔은 사막지역 흙먼지가 바람에 의한 부식으로 인하여 생성되며 발생원으로부터 먼 거리에 위치한 풍하지역까지 장거리 수송되어 영향을 미칠 수 있다(Smirnov et al., 2000). 미세먼지 또한 장거리 이동을 하며 국지적 혹은 지역적 규모에서 복사강제력에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다(IPCC, 2001). 이러한 에어로솔이 이동을 할 때, 에어로솔이 위치한 고도에 따라 이동방향이 달라지기 때문에, 에어로솔 수송 모델을 이용한 에어로솔 이동경로의 정확한 예측을 위해서는 에어로솔이 위치한 고도정보를 정확하게 알 필요가 있다(Kishcha et al., 2007).

에어로솔의 연직분포 정보는 능동형 원격측정 방법의 하나인 라이다(LIDAR; LIght Detection and Ranging) 를 이용하여 측정이 가능하기 때문에, 국지적 규모로서는 지상기반 라이다 측정을 통한 에어로솔의 연직분포 정보의 제공이 가능하다. 지상기반 라이다 네트워크로는 전지구적 규모의 MPLNET (Micro-Pulse Lidar Network), 유럽의 EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network), 아시아에서는 AD-NET (Asian Dust and Aerosol Lidar Observation Network) 등이 있다. 이러한 라이다 측정기술은 레이저를 활용하여 높은 연직 해상도를 가지며, 신뢰도 높은 산출된 에어로솔 연직분포정보의 제공이 가능하다. 하지만 지상용 라이다의 경우 시스템을 제작하는데 수동형 시스템과 비교하여 비용이 많이 든다는 단점이 있으며, 이러한 이유로 많이 광범위한 영역에서 운용하기에는 어려움이 있다. 전지구적 규모에 서는 위성기반 라이다인 CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)이 에어로솔의 연직분포를 제공하고 있으나, 레이저로 관측을 하기 때문에 좁은 수평 해상도(333 m)를 가짐에 따라 전 지구를 관측하는데 16일이 소요되어 에어로솔의 연직분포를 1일 이하의 시간해상도로 광범위한 영역에서 모니터링 하기에는 어려움이 있다.

한편, Wagner et al. (2004)는 O4의 흡수특성 기반으로 수동형 초분광 장비를 활용한 지상기반 MAX-DOAS (Multi AXis Differential Optical Absorption Spectrograph)를 이용하여 대류권 에어로솔의 연직분포를 측정하는 기술을 제시하였다. 이후, 위성기반의 초분광 센서로부터 획득된 복사휘도로부터의 Ring 스펙트럼과 O4 경사 층적분 농도(slant column density; SCD)가 에어로솔이 위치한 고도에 대한 민감도가 있음이 보고되었다(Wagner et al., 2010). Park et al. (2016)은 복사전달모델을 이용하여 생산한 모의복사휘도로부터 여러 파장에서의 O4 SCD 를 산출하고 에어로솔 유효고도(aerosol peak height;APH)를 포함한 다양한 변수들에 대한 민감도를 조사하였다. 여기서 APH는 에어로솔 소산계수의 연직분포를 가우시안 함수로 피팅했을 때 산출되는 꼭지점이 위치한 고도를 의미한다. 또한 복사전달모델로 계산한 조견 표를 이용하여 OMI (Ozone Monitoring Instrument)센서 로부터 에어로솔의 유효고도를 처음으로 산출하고 이를 CALIOP에서 측정된 값들과 비교하였다. 산출된 APH 중에서 80%는 CALIOP 측정값들과의 비교에서 1 km 이하의 차이를 보이며 초분광 O4 기반의 에어로솔 고도정보 산출의 가능성을 보여주었다. 이후, Choi et al.(2019)에서는 지표 온도와 압력변화에 따라 달라지는 O4의 연직층적분농도(vertical column density; VCD)를 계산하고 동아시아지역에서의 O4 VCD 분포 및 계절적 변화가 있음을 확인하였다. 이에 따라, 기존의 O4 SCD 기반의 에어로솔 유효 고도 산출방식에서, 온도 및 압력 변화에 대한 O4 VCD의 변화 특성을 반영하기 위하여 O4 SCD에서 O4 VCD를 나눔으로써 계산되는 O4의대기질량인자(air mass factor; AMF)를 에어로졸 유효고도 산출 시 활용하였다(Choi et al., 2019). Choi et al. (2019) 에서는 OMI로부터 O4 AMF를 산출하고, 복사전달모델을 사용하여 구성한 조견표에서 O4 VCD의 다섯 가지 값을 반영하여 APH 산출 시 성능이 개선됨을 지상 라이다 측정값들과의 비교를 통해 보여주었다. Choi et al.(2019) 을 통하여, 위성기반 에어로솔 고도 산출 시 O4AMF의 활용성을 확인하였으나, 해당 선행연구 및 타선행연구에서는 여러 관측조건에서 에어로솔 고도에 대한 O4 AMF에 대한 민감도 조사가 충분히 이루어지지 않았다. 이에 따라, O4 AMF에 대한 에어로솔 유효 고도를 포함한 여러 관측조건에서의 민감도 조사가 필수적이다.

본 연구에서는 자외선부터 가시광선 영역을 측정하는 초분광센서가 탑재된 위성으로부터 O4 흡수 특성을 이용하여 에어로솔 연직분포정보를 산출할 때 많이 사용되는 가시광선 영역의 477 nm 흡수밴드와, 추가적으로, 자외선영역에 위치한 340 nm의 O4 흡수밴드를 이용하여 O4AMF의 APH에 대한 민감도를 조사하였다. 또한 두 파장에서 산출된 O4 AMF정보가 제한된 에어로솔 종류가 아닌 다양한 에어로솔 종류, 관측기하, 지표면 반사도, APH, 에어로솔 광학두께 등에 대한 민감도를 조사하였다. 마지막으로, 모의자료 기반에서 O4 AMF를 활용한 APH 산출 성능을 파악하기 위해 암맹평가를 수행하여 산출된 APH와 모의복사휘도 생산 시 입력한 APH의 참값과의 차이를 조사하였다.

2. 연구방법

본 연구에서는 복사전달모델로부터 생성된 초분광 모의복사휘도를 사용하여 다양한 관측환경에 대한 O4 AMF의 민감도 조사를 수행하였다. 모의자료 기반의 APH 산출 성능 확인을 위한 암맹평가를 수행하였다. 이를 위하여 무작위로 선정된 관측조건을 복사전달모 델에 입력하여 모의복사휘도를 생성하고, APH를 산출하였다. 복사전달모델을 이용한 O4 AMF 산출방법 및민감도 테스트에 대한 내용은 Section 2.1)에, APH 산출및 암맹평가에 대한 방법은 Section 2.2)에서 서술되어 있다.

1) 모의복사휘도를 이용한 O4 AMF 산출 및 민감도 조사

O4 AMF의 민감도 조사를 위하여, 첫 번째로, 복사전 달모델인 VLIDORT (Linearized pseudo-spherical scalar and vector discrete ordinate radiative transfer) version 2.7을사용하여 다양한 관측환경에 대한 모의복사휘도를 생산하였다. VLIDORT에 대한 자세한 설명은 Spurr and Christi (2014)에 자세히 서술되어 있다. 압력, 온도, 미량 기체 및 에어로솔의 연직분포와 에어로솔 특성(입자크기, 흡수특성), 관측기하(solar zenith angle; SZA, viewing zenith angle; VZA, relative azimuth angle; RAA), 지표면 반사도와 같은 정보를 VLIDORT에 입력하여 다양한 대기 및 관측조건을 가정하였다. 압력, 온도, 미량기체(이산화질소, 오존)의 연직분포는 DISCOVER AQ (Surface Conditions from COlumn and VERtically Resolved Observations Relevant to Air Quality) 캠페인의 관측자 료로부터 취득하였으며(https://www-air.larc.nasa.gov/ missions/discover-aq/discover-aq.html), 지표부터 63 km 고도까지 총 75개 층의 정보가 복사전달모델에 입력되었다. 에어로솔의 연직분포는 APH, 반폭너비(half width), 에어로솔 층의 상·하한 고도(top height, bottom height)를 통하여 정의될 수 있는 가우시안 분포의 일종인 GDF (quasi-Gaussian generalized distribution function) 로 가정하였다. GDF는 식 (1)과 식 (2)로 정의된다(Yang et al., 2010; Spurr and Christi, 2014).

\(\text {GDF} = \int ^{Z_{n2}}_{Z_{n1}} W \frac {e^{-h(z-z_p)}} {[1+e^{(-h(z-z_p)}]^2} dz\)       (1)

\(h\eta = ln(3+\sqrt8)\)       (2)

식 (1)의 W는 전체 층에 대한 에어로솔의 양과 관련되는 정규화 상수이고, zn1와 zn2는 에어로솔 층의 하한 고도와 상한고도를 나타낸다. zp는 APH를 의미한다. h 는 식 (2)에서 반폭너비 η 변화에 따라 계산 가능한 상수이다. VLIDORT에 입력되는 에어로솔의 특성정보로는 입자의 직경, 미세입자 비율, 굴절률(refractive index) 의 실수부와 허수부 등이 있다. 본 연구에서는 스모크, 황사, 황산염 에어로솔에 대한 에어로솔 특성정보를 Torres et al. (2007)에서 제시한 에어로넷의 climatology 정보를 사용하였다. APH, 관측기하, 지표면 반사도는 Choi et al. (2019)의 연구에서 제시한 O4 AMF 기반 에어로솔 고도산출시 이용된 조견표에 고려된 인자로서, O4 AMF에 영향을 줄 것으로 생각되어, 민감도 조사를 위하여 다양한 값들을 입력을 복사전달모델에 입력하여 초분광 모의복사휘도를 생산하였다. 모의복사휘도는 340 nm와 477 nm의 O4 흡수밴드를 포함하기 위하여 파장범위는 300 nm부터 500 nm로, 파장 간격은 0.2 nm로생성되었다. 현재까지도 운용중인 초분광 환경위성센서이며, O4 기반의 에어로솔 고도산출에 다수 활용된 OMI 위성센서의 기기함수를 고려하여, FWHM (Full width half maximum)은 0.6 nm으로 컨볼루션 하였다. 이와 함께, OMI 위성센서의 신호 대 잡음비를 고려하여, 1400의 신호 대 잡음비에 대한 랜덤 잡음신호를 반영하였다.

위와 같은 과정을 통하여 생성한 모의복사휘도를 이용하여 DOAS 스펙트럼 피팅 방식을 통하여 O4 SCD를산출하였다(Platt and Stutz, 2008). 340 nm와 477 nm의 중심파장을 가지는 O4 흡수밴드에서 O4 SCD를 산출하기 위한 피팅윈도우와 미량기체의 흡수단면적은 Table 1 에 명시되어 있다.

Table 1. Fitting window and cross sections for the DOAS analysis

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서론에 명시되어 있는 대로, O4 SCD 기반 고도산출 기술은 온도 및 압력 변화에 대한 O4 VCD 변화에 대한 오차가 발생할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 O4 AMF에 대한 민감도를 확인하기 위하여 DISCOVER AQ자료에 제시된 온도와 압력의 연직분포를 이용하여, O4의 연직 분포농도를 계산하였다. O4농도의 연직분포는 대기 온도와 압력의 연직 분포를 알고 있다면, 산소(O2)의 대기 구성비 (20.9%)를 이용하여 계산 가능하다. Greenblatt et al. (1990)에 따르면, O4와 O2 사이의 평형 상수(equilibrium constant)는 알려져 있지 않지만, O4의 VCD는 O2 농도를 연직으로 적분한 값의 제곱으로 계산할 수 있다(식 (3)).

\(\int ^{TOA} _{Surface} [O_2 \text {concentration]}^2 = O_4 VCD\)       (3)

식 (3)에 따라, DISCOVER AQ에서 제공하는 온도와 압력 연직분포 자료 기반으로 계산한 O4 VCD는 1.26× 1043 molecules2 cm-5 이다. DOAS 스펙트럼 피팅으로 산출한 O4 SCD와 식 (3)을 통하여 계산한 O4 VCD를 나누어 줌으로써, O4 AMF 계산이 가능하다(식 (4)).

\(O_4 AMF =\frac {O_4 SCD} {O_4 VCD}\)       (4)

2) 모의복사휘도를 이용한 APH 산출

본 연구에서는 O4 AMF 민감도 조사 후, AOD, APH를 변화시키며 APH 산출을 위한 암맹평가(blind test)를수행하였다(Fig. 1). AOD와 APH 변화에 대한 APH 산출오차를 간단하게 확인하기 위하여, 관측기하에 해당되는 태양천정각, 위성관측각, 상대방위각은 각각 30°, 30°, 100°로, 지표면 반사도는 0.1로 고정하여 APH 산출을 수행하였다. 온도, 압력, 미량기체의 프로파일과 에어로솔 입자의 특성은 Section 2.1)에 제시된 자료를 사용하였다. 각 에어로솔 타입에 대한 APH 산출오차를 조사하기 위하여, 스모크, 황사, 황산염 세가지 타입을 모두 고려하였다. 한편, 암맹평가를 위한 모의복사휘도의 데이터셋 생성을 위하여 Table 2에 제시된 AOD와 APH 값들을 무작위로 선택하여 복사전달모델에 입력하였다. 모의복사휘도를 생산 후 Section 2.1)에 제시된 방법을 통하여 초분광 위성자료의 기기함수 및 노이즈를 고려하고, DOAS 피팅을 통하여 O4 SCD를 산출하고, 최종적으로 O4 AMF를 산출하였다. 한편, APH와 AOD에 대한 함수로 구성된 O4 AMF 조견표를 생성하였는데, 조견표의 AOD와 APH의 노드 값들은 Table 2에 제시된 값들을 조견표 생성 시 복사전달모델에 입력하였다. 암맹평가에 사용되는 모의복사휘도 생성 시 입력된 AOD 정보를 사용하여 O4 AMF 조견표의 필터링을 수행하고, 최종적으로 특정 AOD 조건에서의 O4 AMF와 APH 사이의 관계를 토대로 암맹평가 모의복사휘도 로부터 산출한 O4 AMF를 비교하여 일치하는 경우의 APH 값을 최종적으로 채택한다. 모의자료 기반의 경우, 노이즈와 고도를 제외한 값들은 참값으로 고려되기 때문에, 위성 센서의 노이즈만을 포함할 때의 APH 산출오차를 확인할 수 있다. 추가적으로, 입력자료 중 큰 오차를 가지는 AOD가 불확실성을 가지는 경우에 대하여 APH 산출 결과를 모의자료 기반으로 계산하였다.

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Fig. 1. Flow chart of APH retrieval procedure based on radiative transfer simulation.

Table 2. Values of AOD and APH inputted to VLIDORT

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3. 결과

본 연구에서는 340 nm와 477 nm에서의 O4 AMF와 APH와의 상관관계 조사를 통해 각 파장의 O4 AMF가 APH산출에 사용될 때 고려해야 할 다양한 변수들의 중요성을 정량적으로 분석하였다. 또한 O4 AMF와 APH 사이의 관계를 설명하는 조견표를 구축하여 모의 복사 휘도 자료로부터 APH를 산출하고, 조견표 비교에 사용 되는AOD값에 오차를 주어 APH 산출 시 AOD오차가 미치는 영향을 분석하였다.

에어로솔 유효 고도에 대하여 O4 AMF가 가지는 민 감도를 세가지 에어로솔 종류(스모크, 황사, 황산염)에대하여 조사하였다(Fig. 2). 또한, AOD가 1.0인 경우와 2.5인 경우에 대하여 O4 AMF와 APH 사이의 관계를 조사하였다. 에어로솔 종류와 O4 AMF의 파장에 관계없이 AOD가 1.0일 때에 비하여 AOD가 2.5인 경우에 APH에대한 O4 AMF의 민감도가 더 높게 나타나는 것으로 나타났다(Fig. 2). 예를 들어, AOD가 2.5일 때 스모크의 경우 340 nm 파장에서 APH와 O4 AMF의 1차 선형 관계식은 Y=-0.19X+2.12이며 이때 경사도는 -0.19으로, AOD가 1.0일 경우의 경사도는 -0.11으로 나타난다. 이를 통해, AOD가 높은 경우의 O4 AMF가 AOD의 낮은 경우의 O4 AMF보다 APH 변화에 대하여 높은 민감도를 가지는 것을 보여준다. 477 nm의 황사 에어로솔의 경우에 서도 AOD가 2.5일 때 APH와 AMF의 선형 관계식은 Y=-0.20X+2.22이며 이때 경사도는 -0.20으로 AOD가 1.0일 경우의 경사도인 -0.12와 비교해 AOD가 높은 경우 O4 AMF가 AOD의 낮은 경우의 AMF와 비교에 APH 에 대해 높은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 2. Sensitivity of O4 AMF to APH and AOD at 340 nm and 477 nm (SZA = 30°, VZA = 30°, RAA = 100°, and surface reflectance = 0.1). The vertical error bar indicates O4 AMF retrieval error caused by DOAS fitting procedure.

Fig. 2에서 340 nm와 477 nm에서 AMF의 APH에 대한 민감도를 비교하여 보았다. 스모크 에어로솔일 때 AOD 가 2.5일 경우 340 nm와 477 nm에서 각각의 O4 AMF와 APH사이의 기울기는 각각 -0.19와 -0.22로, 477nm에서의 O4 AMF가 APH에 대해 340 nm일 때 보다 더나은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. AOD가 1.0인 경우에도 340 nm와 477 nm에서 각각의 O4 AMF 와 APH사이의 기울기는 각각 -0.11과 -0.13으로 477 nm 에서 O4 AMF가 APH에 대해 340 nm 일 때 보다 더 높은 민감도를 보여준다. 황사 에어로솔의 경우에도 AOD가 2.5일때 340 nm와 477 nm에서 각각의 AMF와 APH사이의 1차 선형 관계식에서 기울기가 각각 -0.15와 -0.20로, 477 nm에서의 O4 AMF가 340 nm 경우 보다 APH에 대해 더 높은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 황산 염의 경우에서도 AOD가 2.5일 때 O4 AMF와 APH사이의 기울기가 340 nm에서 -0.17, 477 nm에서 -0.21으로 477 nm 에서의 O4 AMF가 APH 변화에 대해서 더 높은 민감도를 보여준다. Fig. 2를 통해서 340 nm의 O4 AMF 보다 477 nm의 O4 AMF가 APH 변화에 더 높은 민감도를 가지며, 더 낮은 O4 AMF 산출오차를 가지기 때문에, APH 산출 시 477 nm에서의 O4 AMF가 340 nm에 비하여 더 높은 민감도로 안정적으로 활용 될 수 있다는 것을 확인하였다. Fig. 3에서는 위성관측기하와 지표면 반사도를 고정하여 O4 AMF 산출 파장과 AOD가 미치는 영향을 분석하였으므로 다음 그림들을 통해 다양한 위성 관측환경에서 O4 AMF가 APH에 대한 민감도를 조사하였다.

Fig. 3에서는 O4 AMF와 APH 관계에 대한 지표면 반사도의 영향을 조사하였다. 파장에 따른 지표면 반사도의 차이를 보였으며 에어로솔 종류가 다름에 따라 지표면 반사도가 O4 AMF와 APH 관계에 미치는 영향은 작을 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3에서 APH가 1 km일 때 340 nm의 O4 AMF와 지표면 반사도와의 상관관계는 스모크, 황사, 황산염일 때 각각 Y=0.45X 2 +1.44X+1.65, Y=0.08X 2 +1.50X+1.47, Y=0.21X 2 +1.81X+1.47으로 계산된 반면, APH가 3 km일 때 같은 조건에서 각각의 에어로솔 종류에 따라 O4 AMF와 지표면 반사도와의 상관관계는 Y=0.61X 2 +1.66X+1.42, Y=0.18X 2 +1.70X+1.26, Y=0.37X2+1.99X+1.27으로 계산되었다. APH가 1 km와 3 km로 차이가 크지만 O4 AMF가 지표면 반사도사이의 관계에서 작은 차이를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 340 nm에서는 O4 AMF와 APH와의 관계에 지표면 반사도가 미미한 영향을 미친다는 것을 의미한다. 하지만 477 nm에서는 지표면반사도가 340 nm일때와 다른 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3에서 477 nm일 때 APH가 1 km와 3 km일 때 O4 AMF와 지표면 반사도와의 상관관계에 340 nm보다 더 큰 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 스모크의 경우 477 nm의 AMF와지표면 반사도와의 상관관계는 APH가 1 km일 때 Y= -0.68X 2 +1.93X+2.08이고 APH가 3 km일 때 Y=-0.94X 2 + 2.74X+1.79로 계산되었다. 특히 지표면 반사도가 0.7에서 1.0사이로 매우 클 경우와 0.1이하로 매우 작은 구간에서 AMF와 지표면 반사도와의 관계가 APH에 따라 큰 것을 보여준다. AMF와 APH의 관계에서 지표면반 사도 크기에 따라 영향이 다른 것을 확인하였으며 특히 477 nm에서는 지표면 반사도의 영향이 340 nm에 비해 크기 때문에 O4 AMF를 이용하여 APH를 산출할 때 정확한 지표면 반사도 값이 필요하다는 것을 의미한다. 황사와 황산염에서도 스모크의 경우와 마찬가지로 지표면반사도가 매우 큰 구간과 작은 구간에서 AMF와 지표면 반사도 사이의 관계가 APH가 1 km와 3 km일 경우에 따라 차이가 큰 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 3. Sensitivity of O4 AMF to APH and surface reflectance at 340 nm and 477 nm (SZA = 30°, VZA = 30°, RAA = 100°, and AOD = 1.0). The vertical error bar indicates O4 AMF retrieval error caused by DOAS fitting procedure.

O4 AMF는 광경로에 따라 변하기 때문에 관측기하에 영향을 받는다. Fig. 4에서는 SZA, VZA, APH에 대한 O4AMF의 변화를 보여준다. Fig. 4에서 보여주듯이 에어로솔 종류가 바뀜에 따라 O4 AMF변화의 차이는 크게 나타나지 않았다. 하지만 APH가 변함에 따라O4AMF가크게 바뀌는 것을 볼 수 있다. Fig. 4에서 477 nm의 O4AMF와 APH, 및 관측기하에 대한 상관관계는 340 nm 와 차이가 남을 보여준다. 340 nm O4AMF의 경우 SZA 증가에 따라 감소하는 추세를 보여주지만 477 nm에서는 증가하는 추세를 보여준다. 짧은 자외선 파장인 340nm에서는 SZA가 40° 이상에서 증가함에 따라 높은 Rayleigh 및 Mie 산란에 의한 장벽 효과 (Shielding effect)로 인해 O4 흡수가 발생하는 광경로 길이가 감소하는 경향을 보였다. 가시영역의 477 nm에서는 SZA가 증가 함에 따라 O4 AMF가 비선형함수 형태로 증가하였는데, 이는 SZA가 증가함에 따라 대기 광경로가 길어지게 되면서, Rayleigh 및 Mie 산란에 의해 다중산란이 일부 발생한 것으로 생각된다. 477 nm에서도 340 nm와 마찬가지로 APH에 따라 O4 AMF가 크게 차이 나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 APH가 1 km이며 VZA가 60°일 때와 APH가 3 km VZA가 30°일 때 477 nm에서도 O4 AMF가유사한 것을 보여준다. 이러한 현상은 477 nm에서도 스모크 뿐만 아니라 황사와 황산염에서도 비슷한 경향을 확인할 수 있다.

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Fig. 4. Sensitivity of O4 AMF to SZA, VZA, and APH at 340 nm and 477 nm (RAA = 100°, AOD = 1.0, and surface reflectance = 0.1). The vertical error bar indicates O4 AMF retrieval error caused by DOAS fitting procedure.

본 연구에서는 O4 AMF가 APH에 대한 민감도를 가질 때 관측기하, AOD, 및 지표 반사도 변수들의 영향을 조사하였다. 전반적으로, 360 nm의 O4 AMF산출오차가가 477 nm에서의 O4 AMF의 산출오차보다 더 높게 나타나기 때문에 477 nm의 O4 AMF를 이용하여 APH를산출하는 것이 안정적일 것으로 판단되어, Fig. 1에 제시된 APH 산출 흐름도를 기반으로 477 nm에서의 O4 AMF를 사용하여 APH를 산출하였다. 추가적으로,

APH와 함께 O4 AMF에 큰 민감도를 가지는 AOD의일반적인 산출오차를 고려하여 AOD가 오차를 가지는 경우 APH 산출오차를 조사하였다. AOD 산출오차는 OMI 위성센서 기준 0.1로 보고된 바 있다(Torres et al., 2002). Fig. 5는 스모크, 황사, 황산염 에어로솔 종류에 대하여 AOD가 참값일 때, AOD의 산출오차가 0.1 만큼 과대추정 또는 과소추정 되는 경우에 APH 산출 값의 검증결과를 보여준다. Fig. 5의 true APH는 VLIDORT 에 랜덤하게 입력된 APH의 참값을 의미한다. Fig. 5에서AOD에 불확실성을 주지 않았을 때 세 종류의 에어 로솔 모두 산출된 값이 1:1 라인에 가깝게 위치하는 것 을 확인할 수 있다. 황산염의 경우 AOD에 +0.1의 불확실성을 주었을 때 산출된 APH가 참값과 비교하여 과대 산출 되는 경향을 보였으며 APH가 낮은 구간 (APH < 3 km)에서 이러한 경향을 보인다. 스모크의 경우도 황산염과 유사하게 APH가 낮은 구간에서 AOD에 +0.1의불확실성을 주었을 때 산출된 APH가 참값과 비교하여 상대적으로 과대 산출되는 경향을 볼 수 있다. 황사의 경우 AOD에 +0.1의 불확실성을 주었을 때 APH가높은 구간 (APH > 3.5 km)에서 산출된 APH가 참값과 비교하여 상대적으로 과소 산출 되는 경향을 보인다. AOD에 -0.1의 불확실성을 주었을 때 황산염의 경우 산출된 APH가 참값과 비교하여 낮은 APH구간에서 크게 과소 산출 되는 경향을 볼 수 있다. 스모크의 경우도 AOD에 -0.1의 불확실성을 주었을 때 산출된 APH가 참값과 비교하여 상대적으로 과소 산출 되는 경향을 볼 수 있다. 황사의 경우 AOD에 -0.1의 불확실성을 주었을 때 산출된 APH의 오차가 작았으며 높은 APH구간에서 산출된 APH가 참값과 비교하여 상대적으로 과대 산출되는 경우를 확인할 수 있었다. 세가지 에어로솔 종류 중황산염이 AOD의 불확실성으로 인해 APH 산출오차가 가장 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며 황사의 경우 AOD 불확실성의 영향이 작은 것을 볼 수 있었다. 에어로솔 종류가 다름으로 인해 흡수 산란 특성이 상이 하며 이러한 영향은 관측기하 및 다양한 관측환경에서 AOD불확실성이 APH 산출에 미치는 영향이 다를 수 있다.

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Fig. 5. Validation results of APH retrieval when AOD is true, overestimated, and underestimated (SZA = 30°, VZA = 30°, RAA = 100°, and surface reflectance = 0.1).

4. 결론

본 연구에서는 복사전달모델을 이용하여 APH에 대한 O4 AMF(340 nm, 477 nm)의 민감도를 다양한 변수 (에어로솔 종류, AOD, 지표면 반사도, 관측기하)에 대하여 조사하였다. 전반적으로, O4 AMF의 민감도를 확인해 보았을 때, 340 nm의 O4 AMF보다 477 nm의 O4 AMF가 APH에 대한 민감도가 더 크게 나타나는 것을 확인하였다. AOD에 대한 영향의 경우, AOD가 높을 때 O4 AMF가 APH에 대해 높은 민감도를 가지는 것을 확인하였다. 이는 AOD가 낮은 경우, APH에 대한 O4 AMF의 민감도가 감소하여 O4 AMF를 이용한 APH 산출 시 오차가 커질 수 있다는 것을 의미한다. 지표면 반사도의 영향을 보았을 때 또한, 340 nm에 비해 477 nm 에서 지표면 반사도의 영향이 큰 것을 확인하였다. 스모크, 황사, 황산염 모두 지표면 반사도가 매우 큰 구간과 작은 구간에서 APH가 1 km일 때와 3 km일 경우 O4 AMF와 지표면 반사도 사이의 관계가 차이가 큰 것을 확인할 수 있었다. 관측기하에 따른 APH에 대한 민감 도를 보았을 때 340 nm O4 AMF의 경우 태양천정각 증가에 따라 O4 AMF가 감소하는 추세를 보이며 이러한 경향은 태양천정각이 40° 이상에서 높은 Rayleigh 및 Mie 산란에 의한 장벽 효과 (Shielding effect)로 인해 O4 흡수가 발생하는 광경로 길이가 감소하기 때문인 것으로 사료된다. 가시영역의477 nm에서는 태양천정각이 증가함에 따라 Rayleigh 및 Mie 산란에 의해 다중산란이 일부 발생하여 태양천정각이 증가함에 따라 O4 AMF가 비선형함수 형태로 증가하는 것을 볼 수 있었다. 마지막으로, 477 nm 에서의 O4 AMF를 이용하여 APH 산출 시 AOD 불확실성이 APH 산출오차에 미치는 영향을 조사하였다. 세가지 에어로솔 종류 중 황산염이 AOD의불확실성으로 인해 APH 산출오차가 가장 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 황사의 경우 스모크나 황산 염과 비교해 AOD 불확실성의 영향이 작은 것을 확인하였다. 본 연구에서 제시된 다양한 변수들의 영향은 APH산출시 이용하는 O4 AMF 조견표에 고려되어야 할인자들의 선정 및 조견표에서의 각 인자들의 간격을 결정할 때 유용한 자료로 활용될 수 있다.

사사

이 논문은 2019학년도 부경대학교 국립대학육성사업 지원비에 의하여 연구되었음.

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