COMS-based Outgoing Longwave Radiation Retrieval

Abstract

지구방출복사량(Outgoing Longwave Radiation, OLR)은 지구 대기상단에서 우주로 방출되는 단위당 장파복사량(W m-2)을 의미한다. OLR은 지구에 입사하는 태양 복사 에너지와 함께 에너지 수지(Energy Budget)을 결정하는 중요 요소 중 하나로써, OLR의 시•공간 변화는 기후변화와 기상현상의 변동 파악의 척도가 되고 있다. OLR을 직접 관측할 수 있는 방법은 위성이 유일하며, 정지궤도위성 OLR은 고정 지역에서 하루에 여러 번 관측 가능한 시간해상도가 높은 장점을 가지고 있다. 하지만, 정지궤도위성OLR은 모의식을 통한 전 방향 의 각도 적분(angular integration)과 스펙트럼의 적분 과정(spectral integration)이 요구되며, 이 과정들로 인하여 OLR의 정확도가 결정된다. 본 연구는 한국 최초 다목적 정지궤도위성인Communication, Ocean and Meteorological Satellite/Meteorological Imager (COMS/MI)의 적외 채널 6.7, 10.8, 12.0 µm를 이용하여 정확도가 개선된 OLR을 산출하였다. OLR을 산출 및 검증 하기 위하여Spatio-Temporally Equalized Match-up (STEM): 대기영향을 가장 적게 받는 10.8 µm 복사조도의 시간적 변화를 표준편차에 따라 조건을 주어 검증자료인 광대역 OLR과 COMS/MI의 협대역 자료의 시•공간 차이를 고려한 균질한 조건의 격자를 선택하는 방법을 개발하였다. STEM방법으로 선택된 자료를 이용하여 OLR식에 사용될 변수들을 물리적 이론을 기초로 하여 선정하고, 이 선택된 변수를 순차적 다중 회귀를 통해 새로운OLR을 산출 하였다. 기존의 OLR과 새로 산출한 OLR을 STEM방법으로 평가한 결과, RMSE는10.5432 W m-2에서 3.8091 W m-2로, bias는 -8.4947 W m-2에서 -0.0712 W m-2로 정확도가 향상되었으며, 산점도 분석에서는 250~300 W m-2사이의 OLR이 검증자료와 분포도가 개선되었다.

Outgoing Longwave Radiation (OLR) is thermal energy emitted from the top-of-atmosphere (TOA) of the earth into space measured in W m-2. The Energy Budget is governed by the incoming solar irradiation and outgoing terrestrial radiance. OLR has significant impacts on the climatic and meteorological changes due to its spatial and temporal variability. The only viable direct observation of TOA OLR is from satellites. Geostationary satellites advantageously obtain instantaneous and periodic observations from the same location; however, geostationary OLR retrieval requires angular and spectral integrations using an empirical equation of irradiance flux-to-OLR from a regression analysis which determines the accuracy of the narrowband satellite-based OLR. This thesis develops a new algorithm for OLR, using three infrared channels 6.7, 10.8, 12.0 µm of the first multipurpose geostationary satellite of Korea, Communication, Ocean and Meteorological Satellite/ Meteorological Imager (COMS/MI). In order to retrieve or validate OLR product considering the spatial and temporal variations of the COMS/MI and reference satellite data, the Spatio-Temporally Equalized Match-up (STEM) method is developed by selecting homogeneous pixels based on standard deviation of the primary flux (10.8 µm) temporal changes. A multi-regression analysis is set in order to retrieve OLR with improved accuracy with selected parameters based upon theoretical and physical significance. This algorithm improves the accuracy of OLR measurements: from 10.5432 to 3.8091 W m-2 RMSE and from -8.4947 to -0.0712 W m-2 bias, as well as the new OLR is enhanced distribution aligned with the fit-line in scatterplot analysis.