A possibility of improved detection of low stratus and fog at dusk using dual next-generation satellites (FY-4A and Himawari-8)

Abstract

Low stratus and fog (LSF) causes many negative problems (e.g., accidents and delay in the ground, sea, and air transportations) because of reduced visibility. The distinction between the two weather phenomena is difficult in remote sensing without additional ground information. The LSF detection from satellites over a wide area has developed mainly with three channels of the visible reflectance at ~0.67 μm (R0.67) and the brightness temperature difference between 3.7 μm and 11 μm (BTD3.7-11) for daytime and BTD3.7-11 only for nighttime. However, the accuracy of LSF detection remains limited in single satellite observations at dawn and dusk because of their optical features and weak solar radiation. For the detection, Yoo et al. (2018) suggested the dual-satellite method at dawn, which utilizes the observed stereo differences (ΔR0.67, ΔBTD3.7-11) between two satellites. In this study, the dual-satellite method is applied to the next-generation satellites (FY-4A and Himawari-8), and newly developed thresholds with additional channels are provided to improve LSF detection inland area in China at dusk. The optimal thresholds from the dual-satellite data were derived and verified based on the two co-located satellite observations with the LSF cases (152) and clear cases (119) from ground observations of METAR during May-August 2018. Also the optical characteristics of LSF are estimated by the Look-Up Table (LUT) from the RTM simulation under the various conditions, consistent with satellite-derived observations. Thresholds of BTD13.5-8.5 (BTD between 13.5 μm and 8.5 μm), R0.65 (reflectance at 0.65 μm), ΔNDSI (Normalized Difference Snow Index difference between two satellites), and ΔBTD3.7-11 showed high skill scores (HSS ≥ 0.7) especially in LSF without the higher clouds. In the future study, the combined thresholds are expected to better distinguish the LSF and clear-sky due to some contribution of their independent property. The next-generation satellites enable us to more accurately perform near real-time monitoring of LSF, based on dual-satellite observations. The dual-satellite method has implications for the remote sensing of other meteorological or environmental variables over the globe, if a pair of satellites is available. ;하층운 및 안개(Low Stratus and Fog; LSF)는 시정을 현저하게 감소시켜 육해공 운송 사고 및 지연에 영향을 주며, 자연재해를 통하여 인간 활동에 막대한 사회·경제적 피해를 줄 수 있다. 현재까지 위성관측 원격탐사에서 하층운과 안개의 구분은 추가적인 지상 자료 없이는 어렵다. 광범위한 지역을 관측할 수 있는 위성을 활용한 기존의 LSF 탐지는 주간에는 ∼0.67μm에서의 가시반사도(R0.67) 그리고 3.7μm와 11μm 밝기온도 간의 차이(BTD3.7-11)을 함께 경계값으로 사용한 반면에, 야간에는 BTD3.7-11 만을 사용되어왔다. 그러나 여명기 및 황혼기에는 위 채널들의 광학적인 특성 변화와 약한 태양복사로 인해 이들 채널을 통한 안개 탐지의 정확도가 낮아지는 경향이 있다. 유정문 등 (2018)에서는 이러한 문제를 개선하기 위하여 동시 관측된 두 개의 위성 간의 복사 차이값(ΔR0.67와 ΔBTD3.7-11)을 추가적 경계값으로 활용하는 다중위성방법을 제시하였다. 본 연구에서는 황혼기에 중국 지역에서 발생하는 LSF 탐지를 개선하기 위하여, 다중위성방법을 시공간 고해상도와 추가채널을 보유하고 있는 두 개의 차세대 정지궤도위성(FY-4A와 Himawari-8)에 적용하였다. 2018년 5월부터 8월 기간의 152개 LSF 사례와 119개 청천 사례에 대하여 시공간적 일치된 두 종류의 위성자료로부터 최적화된 경계값을 유도한 후에 통계적 검증을 수행하였다. 또한 복사전달모델로부터 유도된 조견표의 활용을 통하여 LSF의 광학적 특성도 분석하였다. 13.5μm와 8.5μm의 밝기온도 차이(BTD13.5-8.5)와 0.65μm에서의 가시반사도(R0.65), 두 위성간 차이에서 유도된 ΔNDSI 및 ΔBTD3.7-11 경계값들이 육지에서의 LSF 탐지에 상대적으로 우수하였고, 특히 상층운이 동반되지 않은 LSF 사례에서 더 정확하였다. 이들 네 개의 위성관측 요소에서 유도된 각 경계값은 독립적인 광학적 특성을 가지기 때문에 경계값의 결합은 LSF와 청천을 더 잘 구분할 것으로 기대된다. 다중위성방법은 두 개의 차세대 위성관측에서 LSF의 준 실시간 모니터링을 가능하게 할 것이다. 또한 다중위성방법은 적절한 VZA 차이(40°- 50°)가 있는 두 위성의 세트가 존재할 때, 다른 기상 변수 (구름, 에어로솔 등), 전구의 다른 지역 및 시간 (여명기 혹은 야간)에도 응용할 수 있다.