Potential of deep convective clouds for calibration of geostationary UV/VIS hyperspectral spectrometer

Abstract

As one of well-known vicarious calibration targets, deep convective clouds (DCCs) have been generally used as a stable and easily detected target on the Earth for the maintenance of the data quality in the previous meteorological satellite programs. As the first ultraviolet (UV) and visible (VIS) hyperspectral sensor onboard geostationary satellite, Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS) may also need an independent means for the continuous monitoring and calibration of the sensor performance after launch of the satellite, GEO-KOMPSAT-2B, in next March. Considering that GEMS is the first UV/VIS spectrometer onboard geostationary satellite, GEMS will always take the first step to deal with the issues regarding to the maintenance of the sensor performance, data quality and other unexpected factors affecting to the operation of the sensor with which has not been dealt before. As one of ways to closely monitor and calibrate the senor performance during the operation, in this respect, I suggest deep convective cloud for the further development of the calibration method in the UV-VIS spectral region for GEMS, which has not been thoroughly researched so far. Ozone Monitoring Instrument (OMI) onboard EOS-Aura and Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) onboard Sentinel-5 Precursor are used as a proxy of GEMS in this study and for the DCC detection, the conventional DCC detection approach is used with the collocated data between each hyperspectral sensor and Advanced Himawari Imager (AHI) onboard Himawari-8. Results show that DCCs occur over the GEMS observation area on average over 200 pixels in a single observation scene which also might be further enhanced by using the Advanced Meteorological Imager (AMI) channels in the future. DCC reflectivity spectra of OMI and TROPOMI also show promising results with the homogeneous spectral features and especially TROPOMI shows relatively smaller spectral noise as well as the abundant number of samples. Systematic difference among DCC measurements of around 10% can be reduced by 6% by applying combined visible and infrared thresholds for the DCC detection determined by analyzing statistical indicator of the frequency distribution of DCC reflectivity. ;2020년 3월에 발사 예정된 한국의 정지궤도 환경위성 GEO-KOMPSAT-2B의 환경위성 센서 Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS)는 한반도 및 그 주변 지역을 높은 공간 및 시간 해상도로 관측함으로써 대기화학물질의 지역적 수송을 모니터링하는 주요 수단 중 하나가 될 것으로 기대된다. 이러한 환경위성 센서의 효율적인 활용을 위해서는 관측 자료의 품질 관리가 필수적이며 이를 위해 위성 센서의 발사 전후 단계에서 다양한 접근을 통한 위성 센서 자료의 검보정이 수행된다. 이와 같은 위성 검보정 기법 중 하나인 vicarious calibration은 특정 타겟을 반복 관측함으로써 관측 신호의 변화를 추적하는 검보정 기법이다. 이러한 검보정이 효과적으로 수행되기 위해서는 관측 타겟은 균일한 신호를 반사 또는 방출할 수 있어야 한다는 필요 조건을 갖는다. 추가적인 궤도 상 검보정 수단이 따로 존재하지 않는 GEMS 또한 추후 vicarious calibration의 적용이 요구될 것으로 보이며 이를 위해 GEMS의 관측 영역 내 관측이 가능한 심층 대류운의 검보정 적용 가능성을 평가할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 GEMS의 관측 조건 하에 심층대류운을 활용한 위성 센서의 검보정 기법 가능성을 모색하고자 하였다. 현재 이용 가능한 가시 및 자외 영역의 고분광 센서로는 Ozone Monitoring Instrument (OMI)와 Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI)가 있으며 적외 채널을 활용한 기존 심층대류운 탐지 조건을 적용하기 위해 Advanced Himawari Imager (AHI)와의 일치 자료 수집 후 DCC를 탐지, 분석에 이용하였다. 분석 결과, GEMS의 관측 영역 내에서 심층대류운의 발생 빈도는 1회 관측 시 평균 200 화소 정도의 관측 자료가 존재함을 확인하였다. OMI와 TROPOMI의 반사도 고분광 해상도 스펙트럼을 비교한 결과, 센서 특성에 따른 차이가 어느 정도 존재하지만 대체로 0.9 부근의 높은 반사도를 가지며 유사한 분광 특성 보였다. 단, 심층대류운 반사도에 존재하는 계절성 및 각 의존도를 최소화하기 위해서는 구름의 반사 특성을 정확하게 이해하고 이를 보정할 필요가 있으며 이를 위해 본 연구에서는 정확한 심층대류운 탐지를 위해 추가적인 심층대류운 탐지 조건을 제시하였다. 이를 위한 반사도 임계 조건은 심층 대류운 탐지 시 함께 적용되는 공간 균질도 조건에 따라 그 최적 조건이 변화하게 된다. 두 조건을 동시에 고려하였을 때 반사도 0.70, 균질도 조건 0.018 상에서 심층대류운의 반사도 분포가 가장 정규 분포에 가까워지며 관측 자료의 반사도 분산 정도가 10%에서 6%로 감소함을 확인할 수 있다. 해당 임계값을 적용하여 추후 가시 및 자외 영역에서의 심층대류운 반사도의 특성 분석에 활용할 예정이다.