1. Sea Ice Surface Temperature
Product From MODIS
Dorothy K. Hall …
2004. 05
이상호
2. 서론
• 해빙은 대기, 해양의 온도 순환에 영향을 미침.
• 해빙 지표온도는 해빙 성장, 대기-해양의 열 교환 등 영향을 미치고
정확한 관측은 기후 연구와 대규모 모델 개선에 중요한 역할을 함.
3. Θ : 센서 스캔각
a, b, c, d : 회귀 상수
Ts : 해빙 지표면 온도(IST)
T11 : 11 ㎛ (MODIS 밴드 31) 밝기온도 [K]
T12 : 12 ㎛ (MODIS 밴드 32) 밝기온도 [K]
해빙 지표온도 알고리즘
자료 및 방법
• 대기분리창 방법을 이용한 (T11 – 해빙 지표면 온도) 차이 는 수증기 양과 비례하고 센서 스캔각은 경로길이를 제공함.
대기 중의 수증기 흡수는 11 ㎛보다 12 ㎛ 에서
크므로 수증기 효과 고려
천정각의 변화에 따른 광학적 두께의 변화를 고려.
• 위성 천정각 감소 대기의 광학두께가 길어져서 대기의 영향을 많이 받아서 고려.
태양 빛이 해수면에 반사되어 위성센서로 들어오는 Sun glint를 고려.
4. • 구름 : 일반적으로 구름 온도는 해빙 지표 온도보다 낮음.
11 ㎛ 에서 적운형의 두꺼운 구름은 반사도가 매우 크므로 제거하기 쉬움.
12 ㎛ 에서 휘도온도의 자료를 이용하여 일정 온도 이하를 보이는 화소를 제거 (경계값 설정).
얇은 구름(권운), 안개는 구름 온도와 지표면 온도가 크지 않아서 판단하기 어려움.
화소 보다 작은 규모의 구름도 판단하기 어려움.
• Cloud mask : 얼음/눈 구별하는데 야간보다 주간에 정확도가 높음.
야간에 정확도가 낮은 이유 - 야간에 작은 빛(신호) 발견되고 가시파장에서 해빙와 구름의 반사율이 유사하고 또한,
역전층이 발생하여 지표면 온도가 구름 온도보다 낮아서 구별하기 어려움.
야간 구름 구별 : Ice-crystal precipitation (ICP)의 광학두께 > 0.3 에서 구름으로 구별 가능.
(단, 광학두께가 작으면 구별 못함)
경계값을 높게 설정한 경우, 구름 화소가 있는데도, 제거 되지 못하여 해빙 지표면 온도가 낮게 산출됨.
경계값을 낮게 설정한 경우, 구름 화소가 없는데도, 구름 화소로 제거될 가능성 있음.
경계값 작음 (100 k)
실제 구름 (200 K)
경계값 큼 (300 K)
5. • IST 추정값과 IST 관측값 통계적인 비교 (Bias, RMSE)
육지 (18개) + 해양 (16개) + 내륙 (2개) 관측소에서 Radiosonde data 이용 복사전달모델(LOWTRAN) 모의 실험
복사휘도값에서 휘도온도 변환 각 밴드별 강도가 다르므로 Response function 값을 적용
계산한 IST와 밝기온도와 비교하여 회귀분석 각 3개의 온도 범위에 따른 남극, 북극 회귀식
IST 추정값과 IST 관측값의 상관계수 : 0.97, RMSE : 0.1~0.3 K 이내
1000개 이상 데이터 DB 구축, 위성 천정각 65˚ 이내
> 260 K, 240 K < < 260 K, < 240 K
남극, 북극에 따라 a, b, c, d 값 정해짐
6. 그림 1. 남극 관측소에서 관측된 지표면 대기온도와 MODIS IST 비교.
• 남극 관측소에 Micropulse lidar를 통해 Clear 사례.
• Bias : -1.2 K, RMSE : 1.7 K 이고
각각의 값에 대한 Bias 제거한 후 RMSE : 1.2 K
• IST는 평균적으로 관측된 지표면 대기온도보다 낮았음.
(255 Sample 중에 야간이 많음 역전층이 발생).
해빙 지표면 알고리즘 검증
그림 1. 북대양에서 관측된 지표면 대기온도 또는 부이의 대기온도와
MODIS IST 비교.
• 25 Sample결과는 목측으로 인한 구름, 안개가 없는 사례
• Bias : -0.9 K, RMSE : 1.6 K 이고
각각의 값에 대한 Bias 제거한 후 RMSE : 1.3 K
: Clear Sky
7. 그림 1. 북극의 알래스카에서 Level 1B(L1B) [left], IST map [right] MODIS 자료
• Left : L1B 자료는 각 밴드별로 위,경도 자료를 이용
밴드 1, 3, 4을 합성한 자료(RGB)
• Right : 해빙은 가을, 겨울에서 형성하여 봄, 여름에 녹음.
해수는 염분을 포함했기 때문에 순수한 물의 어느점 보다 낮은 약 -1.7 ~ -2.0 ℃ 로서 결빙 (초년빙).
일년빙이 여름에도 녹지않으면 다년빙으로 성장 (염분의 함량이 매우 적고 내부의 강도가 강해지고 3m 이상의 두께를 가짐).
그림 2. 북극의 그린란드에서 IST map MODIS 자료
• 그림 1, 2의 빨강 영역은 10 K 이상 차이가 발생함.
• 그림 2은 그림 1보다 낮은 온도로서 최근에 만들어진 해빙
(초년빙)이고 두께가 얇고, 불안정함을 볼 수 있음.
[ 해빙 염분 감소 어느점 상승 물과 얼음의 경계온도 상승 ]
염분 증가 어느점 하강 물과 얼음의 경계온도 하강 ]
8. 그림 3. AMSR-E 89 GHz 편광한 자료
• AMSR-E는 수동 Microwave 센서로서 주파수와 편광을 이용하여 지표면을 매핑함.
지표면에 눈이 많이 덮힐수록 Microwave가 감쇠되어 위성에서 관측됨.
주파수가 높을수록 미세한 결과의 픽셀 해상도를 얻음.
• 그림 3 에서 검정영역을 확대하면 그림 2 가 됨.
• Tb 는 Microwave 밝기온도인데, 초년빙과 다년빙이 밝기온도가 다르다는 성질을 이용함
(초년빙은 밝게 나타나고 다년빙은 어둡게 나타남).
그림 2. 북극의 그린란드에서 IST map MODIS 자료
9. 결론
• MODIS 산출한 IST와 AMSR 밝기온도의 관계를 통하여 해빙 기록(초년빙, 다년빙,
두께, 강도)을 예측함.
• Clear Sky에서 남극과 북대양 차이에 대한 연구는 일치함.
Bias : -1.2 와 0.9 K, 불확실성 : 1.7 와 1.6K, RMSE : 1.2 와 1.3 K
