The effect of solar zenith angle on satellite cloud retrievals using O2-O2 absorption band

Abstract

Recently, remote sensing by satellites attempts to monitor global air quality. Cloud information is crucial at this time because cloud parameters lead to an impact on the trace gas concentration calculation. Cloud properties in UV/Visible wavelength are derived through the differential optical absorption spectroscopy (DOAS) using the O2-O2 absorption band centered at 477 nm. However, as remote sensing adopts the geostationary satellites, uncertainty about the change in solar zenith angle (SZA) is concerned. Although the accuracy of satellite retrievals decreases with increasing SZA, causes or quantitative deviation results for inaccuracies in cloud retrievals are insufficient. Thus, this study quantified the inaccuracy of cloud retrievals for SZA and analyzed the reason. We performed the radiative transfer model simulation by changing the SZA. As a result, the cloud retrievals exponentially decrease with SZA increase. The deviation of effective cloud fraction (ECF) and cloud centroid pressure (CCP) show the maximized value as 0.06 (28%) and –90 hPa (–13%) at SZA = 80˚, respectively. Also, the deviation in DOAS retrievals shows a notable error for the higher ECF or the larger CCP. The reason why the DOAS outputs show the deviation for SZA is that the reflectance for observed radiation required for DOAS calculation decreases as SZA increases. Therefore, we divided the factor for reducing the reflectance into out-of-cloud O2-O2 absorption and in-cloud absorption. Consequently, the in-cloud absorption effect at 477 nm is considerable for higher ECF and larger CCP at high SZA. Also, O2-O2 absorption reduces the reflectance. We expected to significantly improve the environmental satellite cloud retrievals and overall reliability of air quality monitoring in the day-to-night transition area when minimizing these absorption effects. ;최근 정지궤도 위성을 통해 대기질을 감시하려는 시도가 이루어지고 있다. 정지궤도위성은 시간별, 위도별로 다양한 태양 천정각을 가지고 있는데 태양천정각이 큰 지역에서 산출물의 정확도가 낮아진다는 한계를 가진다. 하지만 이에 대한 정량적인 값이나 원인 분석이 부족하다. 본 연구는 태양천정각이 큰 지역에서 구름산출물의 정확도 감소를 정량화하고 이에 대한 원인을 파악하였다. 자외/가시광영역에서 구름을 산출하기 위해 O2-O2 흡수량을 측정하는 차등흡수분광법(DOAS)을 활용한다. 태양천정각이 증가할 때, DOAS에 필요한 단위 화소의 반사도가 감소한다는 점에 초점을 맞추어 원인 분석을 위해 대기 중 O2-O2 흡수와 in-cloud 흡수를 나누었다. 연구결과, 태양천정각이 클 때 유효운량이 적고 하층구름일수록 구름산출물의 정확도가 지수함수적으로 감소하였다. 이는 DOAS 산출물에서도 확인할 수 있는데, 일정한 조건에서 태양천정각에 따른 연속반사도의 증가는 유효운량의 과대모의를 가져오고, 경사컬럼농도의 양의 편차 증가는 구름중심기압을 상층으로 모의하였다. 반사도가 태양천정각에 따라 감소하는 원인은 주로 in-cloud 흡수에서 나타나지만 O2-O2 의 흡수도 증가하는 추세를 보였다. 따라서 태양천정각이 큰 지역에서 구름산출물의 부정확함은 광경로 상에서 두 흡수효과가 결합되어 나타나는 현상임을 확인하였다. 본 연구를 통해 제시한 두 흡수효과를 DOAS 방법에서 최소화한다면 전반적인 대기질 감시의 신뢰성을 높이는데 기여할 것으로 기대된다.