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SUMMARY

목차

1. 연구개발과제의 개요 50

1-1. 연구개발 목적 50

1-2. 연구개발의 필요성 50

1-3. 연구개발 범위 61

2. 국내외 기술개발 현황 63

2-1. 에어로솔 68

2-2. 오존(O₃) 70

2-3. 포름알데하이드(HCHO) 73

2-4. 복사전달모델 76

2-5. 환경탑재체 특성분석 및 검보정 알고리즘 77

3. 연구수행 내용 및 결과 78

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 78

가. 연구개발의 최종목표 78

나. 연구개발의 추진전략 80

다. 연구개발 추진체계 81

라. 연구개발 추진일정 87

마. 연차별 연구수행 방법 91

3-2. 연구개발 결과 및 토의 108

가. 에어로솔 108

나. 오존 146

다. 포름알데하이드 161

라. 환경탑재체 전용 복사전달모델 개발 180

마. 환경탑재체 특성분석 및 검보정 알고리즘 개발 218

3-3. 연구개발 결과 요약 282

가. 에어로솔 282

나. 오존 286

다. 포름알데하이드 295

라. 환경탑재체 전용 복사전달모델 개발 297

마. 환경탑재체 특성분석 및 검보정 알고리즘 개발 299

바. 산출물 별 검증 방식 및 검증 결과 요약 306

사. 연구개발 성과 요약(논문) 308

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 320

4-1. 목표달성도 320

4-2. 관련분야 기여도 331

5. 연구결과의 활용계획 334

가. 에어로솔 334

나. 오존 334

다. 포름알데하이드 335

라. 환경탑재체 전용 복사전달모델 개발 336

마. 환경탑재체 특성분석 및 검보정 알고리즘 개발 336

바. 연구결과가 향후 국가 차원에서 활용될 수 있을지에 대한 향후 방안 337

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 338

가. 에어로솔 338

나. 오존 338

다. 포름알데하이드 341

라. 환경탑재체 전용 복사전달모델 개발 341

마. 환경탑재체 특성분석 및 검보정 알고리즘 개발 342

7. 연구개발결과의 보안등급 344

8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 345

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 346

9-1. 연구실 안전 점검 체계 및 실시 346

9-2. 연구실 안전관리 규정 작성 및 준수 346

9-3. 안전교육 346

9-4. 그 외 안전조치 347

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 348

11. 기타사항 350

12. 참고문헌 351

부록 368

〈부록 1〉 통합알고리즘 개발 현황 369

〈부록 2〉 환경위성탑재체 통합 알고리즘개발 최종 보고서 370

〈부록 3〉 Aerosol ATBD 642

〈부록 4〉 Total Ozone ATBD 690

〈부록 5〉 Ozone Profile ATBD 722

〈부록 6〉 HCHO ATBD 759

〈부록 7〉 Radiative Transfer Model ATBD 778

〈부록 8〉 Spectral Calibration ATBD 822

〈부록 9〉 해외 장/단기 파견 요약문 849

〈부록 10〉 해외 장/단기 파견 요약문 850

〈부록 11〉 해외 장/단기 파견 요약문 851

〈부록 12〉 해외 장/단기 파견 요약문 852

〈부록 13〉 해외 장/단기 파견 요약문 853

〈부록 14〉 해외 장/단기 파견 요약문 854

〈부록 15〉 해외 장/단기 파견 요약문 855

〈부록 16〉 해외 장/단기 파견 요약문 856

〈부록 17〉 해외 장/단기 파견 요약문 857

〈부록 18〉 해외 장/단기 파견 요약문 858

〈부록 19〉 해외 장/단기 파견 요약문 859

〈부록 20〉 해외 장/단기 파견 요약문 860

〈부록 21〉 해외 장/단기 파견 요약문 861

〈부록 22〉 해외 장/단기 파견 요약문 862

〈부록 23〉 해외 장/단기 파견 요약문 863

〈부록 24〉 해외 장/단기 파견 요약문 864

〈부록 25〉 해외전문가 초청/활용 요약문 865

〈부록 26〉 해외전문가 초청/활용 요약문 866

〈부록 27〉 해외전문가 초청/활용 요약문 867

〈부록 28〉 해외전문가 초청/활용 요약문 868

〈표 2.1〉 환경위성 개발 및 산출 알고리즘 개발 연구 현황 67

〈표 2.2.1〉 저궤도 / 정지궤도 위성관측을 이용한 에어로솔 정보 산출 알고리즘 개발의 예 69

〈표 2.3.1〉 Information of previous instruments on-board sun-synchronous satellites to... 74

〈표 3.2.1.1〉 Relative accuracy of five different sensors 110

〈표 3.2.1.2〉 Summary of bi-modal volume size distribution, refractive index(RI), SSA and AAE... 116

〈표 3.2.1.3〉 Dimension of look-up table used for the aerosol retrieval 117

〈표 3.2.1.4〉 List of input variation and the definition 134

〈표 3.2.1.5〉 List of out variables and units. The standard unit refers the recommendation of... 135

〈표 3.2.1.6〉 Objective accuracy of the AOD retrieval in this year('16) 139

〈표 3.2.2.2.1〉 Input list of Satellite L1b data 148

〈표 3.2.2.2.2〉 Input list of Satellite L2 data 148

〈표 3.2.2.1.3〉 Input list of ancillary dynamic data 149

〈표 3.2.2.1.4〉 Input list of ancillary static data 149

〈표 3.2.2.1.5〉 Data Fields 150

〈표 3.2.2.1.6〉 Geolocation Fields 151

〈표 3.2.2.1.7〉 Definition of Processing Quality Flags 152

〈표 3.2.2.2.1〉 Input list of Satellite L1b data 157

〈표 3.2.2.2.2〉 Data Fields and Geolocation Fields 159

〈표 3.2.3.1〉 HCHO 알고리즘 산출에서 사용되는 입력자료 166

〈표 3.2.3.2〉 HCHO 알고리즘 산출에서 사용되는 출력자료 166

〈표 3.2.4.1〉 Summary of molecular absorbing gases, included in the GEMS-RTM. BDM, SF, and... 194

〈표 3.2.4.2〉 Summary of the type in the OPAC database. Abbreviation for each component... 196

〈표 3.2.4.3〉 Spectral characteristics of the solar irradiance spectrums reported by previous... 205

〈표 3.2.4.4〉 Detailed subroutine names composed of the each module 206

〈표 3.2.4.5〉 Summary of the simulation results for the absorbing gases. The residual means... 210

〈표 3.2.4.6〉 Summary of the simulation results for the aerosols. AOD and STD denote... 211

〈표 3.2.4.7〉 Summary of the simulation results for surface albedo. STD denotes standard... 212

〈표 3.2.4.8〉 Radiance differences between LIDORT and DISORT based prototype RTMs for each... 213

〈표 3.2.4.9〉 DISORT를 이용한 covergence test 결과. NS＝Number of Streams, NM＝Number of Moment ;... 214

〈표 3.2.4.10〉 VLIDORT의 스칼라 모드로 계산한 convergence test 결과. NGM＝Number of Ngreek... 215

〈표 3.2.4.11〉 VLIDORT의 벡터 모드로 계산한 convergence test 결과. NGM＝Number of Ngreek... 215

〈표 3.2.5.1〉 Input and Output Description of GEMS wavelength calibration algorithm 219

〈표 3.2.5.1〉 Algorithm output for OMI measurement of Solar irradiance. The Dobber et... 222

〈표 3.2.5.2〉 Algorithm output for OMI measurement of Solar irradiance. The Chance and... 223

〈표 3.2.5.3〉 Spectral calibration results due to uncertainty of reference solar spectrum used... 229

〈표 3.2.5.4〉 Comparison among reference low resolution spectra. They have similar... 241

〈표 3.2.5.5〉 Reference solar spectra and their spectral characteristics with accuracy 242

〈표 3.2.5.5〉 Summary of ATLAS spectrum. As it is composite spectrum, it is shown that... 259

〈표 3.2.5.6〉 미광보정 알고리즘의 Input 및 Output 268

〈표 3.3.6.1〉 산출물 별 검증 방식 및 검증 결과 307

〈그림 1.2.1.1〉 Spatial distribution of yearly linear trends of... 54

〈그림 1.2.1.2〉 (왼쪽) 파장별로 공기분자에 의한 레일리산란과 지표 유형별 지표면 반사도가 대기상한... 55

〈그림 2.1〉 지구환경감시를 위한 국제지구관측위원회(Committee on Earth Observing Satellite,... 63

〈그림 2.2〉 국가우주개발계획도 64

〈그림 2.3〉 (a) 유기탄소 총량(Total Organic Carbon, TOC)과 원소탄소(Electronic... 65

〈그림 3.2.1.1〉 Retrieved AOD at 0.500 ㎛ from the simulated radiance data for each spatial... 109

〈그림 3.2.1.2〉 Second Stokes parameter, Q, of clear sky with viewing elevation angle＝10°-90°,... 111

〈그림 3.2.1.3〉 Second Stokes parameter, Q, of partly cloudy sky with viewing elevation... 111

〈그림 3.2.1.4〉 Location of AERONET sites and the number of inversion data which... 112

〈그림 3.2.1.5〉 Diagram for aerosol type classification algorithm 113

〈그림 3.2.1.6〉 Dominant aerosol type over spatial coverage of GEMS for each season 114

〈그림 3.2.1.7〉 (left) Number distribution of FMF (550nm) and SSA (440 nm), archived from... 115

〈그림 3.2.1.8〉 Integrated (left) volume size distribution [㎛³/㎛²], (middle) spectral SSA, and... 116

〈그림 3.2.1.9〉 Examples of calculated look-up table for each aerosol type 118

〈그림 3.2.1.10〉 Input conditions for reference test 119

〈그림 3.2.1.11〉 Retrieved AOD (left) and SSA (right) from calculated normalized radiance with... 120

〈그림 3.2.1.12〉 Angular distribution of retrieved AOD and SSA. The angle increase from... 120

〈그림 3.2.1.13〉 Retrieval error in AOD (upper plots) and SSA (lower plots) caused by... 121

〈그림 3.2.1.14〉 Retrieval error in AOD and SSA caused by uncertainty in aerosol type... 122

〈그림 3.2.1.15〉 Spectral change of radiance difference between clean condition and polluted... 123

〈그림 3.2.1.16〉 Simple diagram to show aerosol type selection method 124

〈그림 3.2.1.17〉 MODIS RGB image (left) and an example of selected aerosol type (right) 125

〈그림 3.2.1.18〉 Sensitivity of measured radiance to AOD, SSA, and aerosol loading height,... 126

〈그림 3.2.1.19〉 Comparison between measured and simulated radiance spectrums.... 127

〈그림 3.2.1.20〉 Spectrums of normalized radiance. The colored lines show simulated... 129

〈그림 3.2.1.21〉 Flowchart of the aerosol retrieval algorithm 130

〈그림 3.2.1.22〉 Difference of spectral radiances between... 131

〈그림 3.2.1.23〉 An example of calculated UV- and visible-AI, and the RGB image optained... 132

〈그림 3.2.1.24〉 Diagram for aerosol algorithm structure 133

〈그림 3.2.1.25〉 Example of retrieved AOD, SSA, and aerosol loading height in the upper panel,... 135

〈그림 3.2.1.26〉 Map of AERONET sites used to validate the retrieved AOD and... 137

〈그림 3.2.1.27〉 Validation of the retrieved (top) AOD and (bottom) SSA with the... 139

〈그림 3.2.1.28〉 Time series of AOD and SSA in Beijing for 2005. (a) AERONET... 140

〈그림 3.2.1.29〉 Comparison betweem aerosol loading heights retrieved from the OMI... 141

〈그림 3.2.1.30〉 Retrieved aerosol loading height (red square) and vertical distribution of... 142

〈그림 3.2.1.31〉 Flowchart of the O₂-O₂ slant column density estimation from the... 143

〈그림 3.2.1.32〉 The O4 SCD at 477nm band for different type of aerosols (MITR : dust,... 144

〈그림 3.2.1.33〉 Flowchart of the retrieval algorithm for aerosol height from OMI observed... 144

〈그림 3.2.1.34〉 (a) MODIS RGB, (b) AOD, (c) FMF, (d) aerosol classification from 4CA,... 145

〈그림 3.2.2.1.1〉 Flow chart of Ozone Profile Algorithm 147

〈그림 3.2.2.1.2〉 Mean biases and 1 of relative differences between simulated GEMS... 154

〈그림 3.2.2.1.3〉 Scatter plots of OMI tropospheric ozone retrievals versus ozone sonde in... 155

〈그림 3.2.2.2.1〉 Flowchart for total ozone algorithm 156

〈그림 3.2.2.2.2〉 (left) Comparison between OMI Total Column Ozone and Brewer Total Column... 160

〈그림 3.2.3.1〉 Optical depths of trace gases in ultraviolet and visible channels (cited in... 161

〈그림 3.2.3.2〉 Schematic process of HCHO retrieval algorithm for GEMS 164

〈그림 3.2.3.3〉 Normalized spectra before (left) and after (right) wavelength and spectral... 165

〈그림 3.2.3.4〉 Schematic diagram of observation system simulation experiments... 168

〈그림 3.2.3.5〉 (a) HCHO VCDs simulated by GEOS-Chem at 9, 12, and 18 local standard time... 171

〈그림 3.2.3.6〉 Comparison of the retrieved versus simulated VCDs shown in Fig. 3.2.3.5 over... 173

〈그림 3.2.3.7〉 (a) Differences between AMFh and AMFm values and relative contributions to... 174

〈그림 3.2.3.8〉 (a) Mean profiles of AOD (black) and HCHO (blue) over a region with decreased... 175

〈그림 3.2.3.9〉 Differences at 12 LST on 21 June 2009 between hourly and monthly (a) AOD and... 176

〈그림 3.2.3.10〉 Left and right represent HCHO SCDs before and after de-striping on 3349... 177

〈그림 3.2.3.11〉 Comparison between OMI standard HCHO SCDs and HCHO SCDs from GEMS... 178

〈그림 3.2.3.12〉 Same as Fig. 3.2.3.11 but in September and December, 2005. 179

〈그림 3.2.4.1〉 Schematic illustration of a multi-layered optical medium by incident beam and... 182

〈그림 3.2.4.2〉 Comparison of normalized radiance spectrum with ILS convolution and those... 189

〈그림 3.2.4.3〉 Schematic diagram of the structure and the sequence flows of the radiative transfer... 192

〈그림 3.2.4.4〉 Absorption cross-sections of ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide,... 194

〈그림 3.2.4.5〉 Absorption cross-sections for oxygen dimer in HITRAN 2012 database (blue... 195

〈그림 3.2.4.6〉 Phase matrix elements for the INSO type... 198

〈그림 3.2.4.7〉 Same as in 그림 3.2.4.6, except for... 198

〈그림 3.2.4.8〉 Same as in 그림 3.2.4.7, except for 50%... 199

〈그림 3.2.4.9〉 Same as in 그림 3.2.4.6, excepts for... 199

〈그림 3.2.4.10〉 Complex refractive index for component minerals of Asian dust 201

〈그림 3.2.4.11〉 Refractive indices for Asian dust in Seoul and Beijing, compared with the... 202

〈그림 3.2.4.12〉 Temperature profiles, consisted of U.S. standard 1976 (solid), mid-latitude... 203

〈그림 3.2.4.13〉 The Kurucz's solar irradiance spectrum between the spectral range of 50 cm-1...(이미지참조) 204

〈그림 3.2.4.14〉 Simulation results of scalar (blue) and vector (red) mode for the Rayleigh... 207

〈그림 3.2.4.15〉 Contributions of each absorbing gases to the radiative transfer 208

〈그림 3.2.4.16〉 Mixing ratio profiles of O₃, SO₂, NO₂, and H₂CO, for the (a) Mid-latitude... 209

〈그림 3.2.4.17〉 Dependence of surface albedo on satellite zenith angle for ocean,... 211

〈그림 3.2.4.18〉 DISORT와 VLIDORT 스칼라 모드(LIDORT)로 계산한 결과의 비교 216

〈그림 3.2.4.19〉 VLIDORT 스칼라 모드와 벡터 모드로 계산 한 결과의 비교 216

〈그림 3.2.5.1〉 Flow chart of GEMS wavelength calibration 218

〈그림 3.2.5.2〉 OMI measured solar irradiance for 2004 to 2013. The measured... 220

〈그림 3.2.5.3〉 Comparison between actual OMI measured irradiance and fitted... 221

〈그림 3.2.5.4〉 Fitted FWHM, Shift, and Squeeze for OMI solar irradiance measurement... 221

〈그림 3.2.5.5〉 Fitted FWHM, shift and squeeze for OMI 2004.10.31. irradiance measurement 222

〈그림 3.2.5.6〉 Comparison between fitting results of OMI irradiance measurement. The... 223

〈그림 3.2.5.7〉 Comparison between fitting results (FWHM, Shift, Squeeze) of OMI solar... 224

〈그림 3.2.5.8〉 Wavelength variation of OMI 2005 measurements according to channel 225

〈그림 3.2.5.9〉 Wavelength differences for UV1 and UV2... 226

〈그림 3.2.5.10〉 Wavelength differences for Vis between... 226

〈그림 3.2.5.11〉 OMI irradiance time dependence for 2004 to 2016. The left figure is for the... 227

〈그림 3.2.5.12〉 Flowchart for the prototype algorithm for the GEMS spectral calibration 228

〈그림 3.2.5.13〉 Simulation data assumed measurement spectrum based on OMI (red) and... 230

〈그림 3.2.5.14〉 Difference between simulated measurement based on OMI and Reference... 231

〈그림 3.2.5.15〉 JPL Solar pseudo transmittance 232

〈그림 3.2.5.16〉 Flowchart of JPL update 233

〈그림 3.2.5.17〉 Comparison between convolved JPL which is has same... 234

〈그림 3.2.5.18〉 Comparison among reference solar spectra in their... 235

〈그림 3.2.5.19〉 Calculated ratio (top) between convolved JPL and original... 236

〈그림 3.2.5.20〉 Flowchart for updating JPL. Spectral fitting process is added to... 238

〈그림 3.2.5.21〉 Results of fitted FWHM and updated JPL after spectral fitting to match with... 239

〈그림 3.2.5.22〉 Comparison among reference solar spectra at WHI grid for GEMS range... 244

〈그림 3.2.5.23〉 Comparison among reference solar spectra after applied... 245

〈그림 3.2.5.24〉 Reference Solar Spectra considered in this study within 0.1-2400... 245

〈그림 3.2.5.25〉 Reference Solar Spectra which are measured from instrument of satellite... 246

〈그림 3.2.5.26〉 Flowchart for updating JPL. Spectral fitting process is... 247

〈그림 3.2.5.27〉 Comparison of convolved SAO with WHI, due to update processes... 248

〈그림 3.2.5.28〉 Comparison between original WHI and fitted SAO. They are very similar each... 249

〈그림 3.2.5.29〉 Comparison between original ATLAS and fitted SAO, The fitted SAO and ATLAS... 250

〈그림 3.2.5.30〉 Comparison between variation of FWHM for each reference solar spectra (Left :... 251

〈그림 3.2.5.31〉 Ratio between original WHI and fitted SAO. As the magnitude of original... 252

〈그림 3.2.5.32〉 Ratio between original WHI / ATLAS and fitted SAO for each iteration. For... 253

〈그림 3.2.5.33〉 Ratio between original ATLAS and Fitted SAO. As the magnitude of... 254

〈그림 3.2.5.34〉 Comparison among original ATLAS, fitted SAO based on ratio, and... 256

〈그림 3.2.5.35〉 Fitted w and k for spectral fitting of SAO2010 based on WHI applied... 259

〈그림 3.2.5.36〉 Fitted w and k for spectral fitting applied super-gaussian for ATLAS. The... 260

〈그림 3.2.5.37〉 Fitted w and k for spectral fitting applied super-gaussian for ATLAS. The... 260

〈그림 3.2.5.38〉 Fitted SRF of ATLAS based on super-gaussian.... 261

〈그림 3.2.5.39〉 Fitted FWHM of ATLAS reference solar spectrum according to... 263

〈그림 3.2.5.40〉 Example of Point Spread Function 265

〈그림 3.2.5.41〉 Flow chart of Straylight correction based on Richardson-Lucy deconvolution 267

〈그림 3.2.5.42〉 Flow chart of Straylight correction based on Matrix Multiplication 269

〈그림 3.2.5.43〉 Reference spectrum (Yib) based on SAO for GEMS... 270

〈그림 3.2.5.44〉 Added straylight (Ysl) from Reference spectrum (Yib)... 271

〈그림 3.2.5.45〉 Simulation data (black) and data after stray light... 272

〈그림 3.2.5.46〉 Removed stray light from stray light correction 272

〈그림 3.2.5.47〉 Residual stray light percent from Matrix multiplication ID stray light... 273

〈그림 3.2.5.48〉 Residual stray light percent with wide range PSF from Matrix... 274

〈그림 3.2.5.49〉 Albedo bias after stray light correction based on Richardson-Lucy... 275

〈그림 3.2.5.50〉 Albedo bias after stray light correction based on Matrix... 276

〈그림 3.2.5.51〉 2 full-frame transfer CCDs with 4 quadrants of TEMPO 277

〈그림 3.2.5.52〉 Computational time for stray light correction based on Richardson-Lucy... 278

〈그림 3.2.5.53〉 Computational time for stray light correction based on Matrix multiplication... 278

〈그림 3.2.5.54〉 Andor CCD image showing the four input channels to the spectrograph... 279

〈그림 3.2.5.55〉 Full SL distribution function matrix, the pixels along the diagonal... 280

〈그림 3.2.5.56〉 Simulated Point Spread Function (PSF) made from Gaussian function.... 281

〈그림 3.3.1.1〉 Flowchart for the UV-visible algorithm to retrieve AOD,... 284

〈그림 3.3.1.2〉 Example of retrieved AOD, SSA, and aerosol loading height in... 285

〈그림 3.3.2.1.1〉 OMI average fitting residuals in UV-2 channels on 1 July... 287

〈그림 3.3.2.1.2〉 OMI averaging kernel matrix 288

〈그림 3.3.2.1.3〉 Averaging kernels for GEMS radiances at 300-.340 nm and OMI radiances at... 288

〈그림 3.3.2.1.4〉 OMI soft calibration 데이터베이스 289

〈그림 3.3.2.1.5〉 (a) Map of OMI tropospheric ozone column and (b) ozone profile along the... 290

〈그림 3.3.2.2.1〉 R-λ correction 291

〈그림 3.3.2.2.2〉 slope of R- λ correction 292

〈그림 3.3.2.2.3〉 Diagram for total ozone retreival from Nvalue vs ozone 293

〈그림 3.3.2.2.4〉 Retrieved Total Column Ozone 295