An Enhanced Overshooting Top Detection Algorithm Using High Temporal Resolution GK2A/AMI Data and Real-Time Retrievals

Abstract

Overshooting Top （OT） is a key indicator of severe weather events associated with deep convection, and geostationary satellites, capable of providing high spatiotemporal resolution data, play a critical role in monitoring and analyzing OT because of its small scale （horizontal diameter of approximately 15 km and lifetime of 5-15 minutes）. However, previous OT detection algorithms have limitations. They rely on fixed thresholds and do not leverage OT temporal continuity, limiting their applicability to real-time forecasting over broad convective environments. This study proposes an Enhanced OT detection algorithm using high-temporal-resolution GK2A/AMI data, through three key modifications: （1） Fixed thresholds and NWP-based tropopause data is replaced with zonal mean threshold derived from satellite retrievals, （2） the anvil masking method is refined into five subprocesses, reflecting the physical properties of anvil clouds, and （3） a temporal consistency test is introduced to filter transient noise signals, leveraging the 2-minute temporal resolution of GK2A/AMI data. The algorithm is validated against EarthCARE-based OT detections over the full-disk domain for the 2025 summer season. A case study using three OT cases over the Korea domain demonstrates that the most significant improvement stems from the updated anvil masking, which produces anvil temperature estimates 2K warmer than the previous algorithm. Extended evaluation over the full-disk domain using 48 EarthCARE Cloud Profiling Radar （CPR） based OT cases shows that the Enhanced algorithm detects 21 cases （44%）, outperforming the B10 algorithm, which detected 14 cases （29%）. Of the 25 cases in which both algorithms fail （52%）, 10 failed at the cold pixel test, 12 failed at thermal contrast test, and 3 failed at the anvil masking step. Most of these correspond to the early developing or dissipating stage of OT, suggesting that the coarse 10-minute temporal resolution substantially limits the algorithm performance. Furthermore, the temporal consistency test with 2-minute resolution data effectively filtered transient noise signals while preserving physically valid OT detections – a capability unavailable at the 10-minute sampling interval. These results demonstrate that the proposed OT detection algorithm provides more physically consistent and stable OT detection outputs, with the potential to improve real-time severe weather nowcasting.;성층권침투대류운 （Overshooting Top, OT）은 강한 대류와 관련된 위험 기상 현상의 전조 지표로 여겨지며, 수평 직경 약 15 km, 수명 5~15분의 작은 규모로 인해 주로 높은 시공간 해상도를 가진 정지궤도 위성 자료를 이용하여 탐지된다. 그러나 기존 OT 탐지 알고리즘은 다음과 같은 한계를 가진다. 첫째, 수치예보 기반의 대류권계면 정보를 이용하고, 둘째, 모루운 및 OT 탐지 과정에서 고정 임계값을 이용하며, 셋째, OT를 단일 시점 영상으로만 탐지하므로 광범위한 영역에서 실시간 예보 적용에 제약이 있다. 본 연구는 시공간 고해상도의 GK2A/AMI 자료를 이용하여 OT와 모루운의 시공간 특성을 반영한, 개선된 OT 탐지 알고리즘을 제안한다. 주요 개선 사항은 다음과 같다: （1） 실시간 위성 산출물로 고정 임계값과 수치예보 기반의 대류권계면 자료를 대체하고, （2） 모루운의 물리적 특성을 기반으로 정교화된 5단계의 모루운 마스킹 방법을 도입하며, （3） 2분 간격의 GK2A/AMI 자료를 통해 OT를 연속적으로 추적하여 일시적인 노이즈 신호를 제거하는 단계를 추가하였다. 알고리즘 검증은 2025년 여름철（6~8월） GK2A/AMI 전구 도메인에 걸쳐 EarthCARE 구름 레이더 기반 OT 탐지 결과와의 비교를 통해 수행되었다. 2분 간격으로 제공되는 GK2A/AMI 한반도 도메인의 3개 OT 사례를 분석한 결과, 가장 큰 탐지 변화는 개선된 모루운 마스킹 방법에서 기인하였으며, 이는 기존 알고리즘에 비하여 약 2 K 높은 모루운 온도를 산출하였다. 전구 도메인에서 산출된 48개의 EarthCARE OT 사례를 분석한 결과, 개선된 알고리즘이 21개 사례를 정탐지하며 14개만을 탐지한 기존 알고리즘 대비 높은 성능을 보였다. 탐지에 실패한 25개 사례 중 10개는 알고리즘의 첫 단계인 cold pixel test에서, 12개는 thermal contrast test에서, 그리고 3개는 anvil masking step에서 기인하였으며, 대부분 OT의 발달 초기 또는 소멸 단계로 확인되었다. 이는 10분의 낮은 시간 해상도가 OT 탐지 성능에 상당한 영향을 준다는 것을 시사한다. 또한, 2분 간격 자료를 이용한 시간적 연속성 검사는 일시적인 잡음 신호를 효과적으로 제거하였고, 10분 간격 자료와 비교하여 더 정교한 OT 탐지 성능을 보였다. 이러한 결과는 제안된 OT 탐지 알고리즘이 보다 물리적으로 일관되고 안정적인 OT 탐지 결과를 제공하며, 이후 위험기상 지표로서 실시간 예보에 기여할 가능성이 있음을 보여준다.