Simulation of Synthetic Cloud and Radiance Data at O₂-O₂ Absorption Band for Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer

Abstract

The first Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer (GEMS) is being developed by Korean government and scientists to be launched in 2018. All the baseline products of GEMS (ozone, SO2, NO2, HCHO, and aerosol) are affected by clouds, so the cloud retrieval for GEMS is of vital importance. Following the cloud retrieval algorithm for currently operating Ozone Monitoring Instrument (OMI), the cloud products of GEMS are expected to be the effective cloud fraction and cloud pressure. In order to validate the cloud retrieval algorithm, this study aims to produce the synthetic radiance data in virtual atmosphere. The atmospheric conditions with cloud layers are provided by WRF model output for GEMS field of view including Korean Peninsula. Given the atmospheric conditions, this study calculates radiances at O2－O2 absorption band by using the radiative transfer model, SCIATRAN. Conversion of WRF－simulated atmospheric conditions into SCIATRAN－employable atmospheric conditions is the main process. For radiative transfer simulation, cloud properties and angle geometry are additionally calculated, and atmospheric gas profiles and surface albedo are assumed. The simulation results generally well describe cloud－induced radiances. The distribution of effective cloud fraction defined as combination of cloud fraction and cloud optical thickness that is used for gas retrievals is found to be similar to that of cloud water path. The uncertainties of radiance simulation arisen from the assumptions are interpreted by radiative transfer equation and scattering phase function. Finally, the factors causing variability of effective cloud fraction for each product are discussed.;현재 대기질 감시를 목적으로 정지궤도환경위성(Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer, GEMS)의 개발이 진행중이다. GEMS는 오존, 이산화황, 이산화질소, 포름알데히드, 에어로솔과 같은 대기오염물질의 농도 산출을 목표로 하며, 세계 최초의 정지궤도환경위성으로 운영될 계획이다. 농도를 산출하는 과정은 대기 중의 구름의 영향을 받는데, 이를 보정하기 위한 구름의 반사도와 높이를 미리 산출하여 대기오염물질 산출과정에 제공할 필요가 있다. 본 연구에서는 구름을 유효운량과 구름높이로 정의하고, 가상의 대기상태를 활용해 정지궤도에서 관측할 수 있는 복사량 모의를 진행하고 유효운량을 계산해 보았다. 이를 통해 얻은 복사량 결과를 이후 작성될 알고리즘 평가에 활용할 수 있다. 또한, 유효운량은 구름의 복사적 역할을 정량적으로 표현해 대기오염물질 산출가능성을 평가하는 기준으로 활용할 수 있다. 복사전달모의를 위한 가상의 대기상태는 한반도를 포함한 지역(위도: 25－45°, 경도: 110－140°)에 대해 태풍 무이파 사례를 모의한 WRF 모델의 결과값을 활용하여 다양한 종류의 구름을 모의하였다. 복사전달모델로는 SCIATRAN을 사용하였다. 사용한 두 모델의 자료 형식이 서로 다르므로, 이를 훼손되는 정보 없이 활용하는 것이 이 연구에서 가장 중요한 과정이다. 이 밖에 WRF 모델에서 제공되지 않는 정보들은 가정을 통해 복사전달모의를 진행하고 이후에 불확실성 평가를 통해 가정의 영향을 평가하였다. 또한 유효운량 계산을 통해 구름의 양과 유효운량의 관계도 살펴볼 수 있었다.