Dual satellite method for detection of the low stratus and fog phenomena at dawn and development of their probability index

Abstract

Dual satellite method (DSM) for the low stratus and fog (LSF) detection at dawn was developed in terms of its probability index (PI) using simultaneous stereo observations of two geostationary-orbit satellites (GEOs) of the Korean Communication, Ocean and Meteorological Satellite (COMS), and the Chinese FengYun (FY-2D) near the Korean Peninsula and Himawari-8 and Feng-Yun-4A (FY-4A) near Japan, respectively. Satellite-observed optimal thresholds for LSF detection have been derived in comparison with ground observations of fog and clear-sky phenomena during control period, and verified during experimental period. The traditional LSF detection from a single satellite has been attempted mainly with three channels of the visible reflectance at ~0.65㎛ (R0.65) and/or the brightness temperature difference between 3.7㎛ and 11㎛ (BTD3.7-11) for daytime. The detection accuracy at dawn still remains limited because of their optical features and weak solar radiation. For improvement, this study estimates new variables from the observed stereo differences between the two satellites (i.e., ΔR0.65, ΔBTD3.7-11) and utilizes four unique variables of the advanced satellites with additional channels as follows: R0.65, and the brightness temperature difference between 13.5㎛ and 8.5㎛ (BTD13.5-8.5) from Himawari-8, ΔBTD3.7-11 and the Normalized Difference Snow Index difference between them (ΔNDSI). The individual thresholds from the four variables have showed high skill scores (POD: 0.82±0.04; FAR, 0.10±0.04) in the verification. The PI in five classes of LSF (POD: 0.83, FAR: 0.10) has been constructed by statistically combining contributions of the variables to LSF detection, and provided more detail and useful results in its spatial distribution, compared to the single satellite observations (i.e., the R0.65 and/or BTD3.7-11 only). The optical characteristics of LSF have also been analyzed by the Look-Up Table (LUT) of the Radiative Transfer Model (RTM) simulation under various atmospheric conditions to support the observations. The dual-satellite method of this study can have a significant implication for the sensing improvement of other meteorological or environmental variables, if the proper difference in stereoscopic view angle between satellites is available. ;본 연구에서는 여명기에 발생하는 안개 원격탐지의 기존 방법을 개선하기 위하여 정지궤도위성들(한국; COMS, 일본; Himawari-8, 중국; FY-2D, FY-4A)의 동시관측을 이용한 다중위성방법을 한반도 및 일본 지역 부근에 각각 적용하였다. 기존 연구에서는 0.65 μm에서의 반사도(R0.65) 및 3.7 μm와 11 μm 차이값(BTD3.7-11)을 주로 사용 하였다. 이 논문의 다중 위성 방법에서는 두 위성 사이의 관측값 차이인 R0.65, BTD3.7-11, 차세대 정지궤도위성 채널에서 이용 가능한 Normalized Difference Snow Index (NDSI), 그리고 단일 위성(Himawari-8)의 13.5 μm와 8.5 μm 간의 밝기온도 차이값들에 대한 통계적인 분석을 실시한 후에 네 개의 주요 변수를 기초로 안개/하층운 탐지 확률지수 (Probability Index)를 개발하였다. 다중 위성방법은 우주공간에서 두 위성 간에 존재하는 위성관측각 차이가 있기에 가능하다. 이는 단일 위성 관측에 비하여 안개/하층운 현상에 대한 좀 더 입체적인 분석을 용이하게 한다. 그러나 이 방법에서는 두 위성 관측값 간에 유의적인 차이를 이용하기 때문에 그 차이값이 극대화될 수 있는 위성 직하점 부근 지역 (한반도 및 일본 부근)을 선택하였다. 안개/하층운 탐지 경계값을 유도하기 위하여 위성관측과 지상관측 자료를 시공간적으로 상호 일치시킨 후에 안개와 청천 화소를 분리하였으며, 이들 사전 통제 자료(control data)에 대한 경계값을 실험자료(experimental data)에 적용하여 검증하였다. 위성관측 결과에 타당성을 뒷받침하고 안개 및 하층운의 광학적 특성에 대하여 조사하기 위하여 복사전달모델을 이요한 시뮬레이션도 활용하였다. 본 연구는 2019년 기간에 대하여 안개/하층운 탐지의 정확도(POD: 0.82±0.04; FAR, 0.10±0.04) 및 다섯 단계의 세분화된 공간 분포를 보여, 기존 연구에 비하여 현저한 개선 가능성을 보였다. 다중위성방법에서의 확률지수는 안개/하층운 탐지에 기여가 큰 여러 위성관측 주성분을 결합하여 유도된다. 따라서 확률지수는 단일 위성관측 경계값(R0.65 또는 BTD3.7-11)에 비하여 추가적인 정보를 포함하므로 탐지 면에서 우수하며 안정적이다. 또한 안개/하층운 탐지의 공간분포를 기존 방법(2-3단계)에 비하여 여러 단계로 세분화하여 제공할 수 있어서 안개 정보 사용자에게 더욱 유용하다. 장차 천리안위성 2호의 장기간 관측자료가 이용가능하면, 다중위성 및 다채널을 기반으로 하는 본 연구방법을 한반도 부근의 안개/하층운 탐지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.