Kompsat-1 EOC 영상을 이용한 남극의 SSM/I 와 AMSR-E 해빙 면적비 비교 분석

1. Kompsat-1 EOC 영상을 이용한 남극의 SSM/I와 AMSR-E 해빙 면적비 비교 분석 한향선, 이훈열 강원대학교 지구물리학과 imakdong@kangwon.ac.kr

2. 강원대학교 지구물리학과 주요 연구 내용 • 2005년 9-11월 남극 해빙의 Kompsat-1 EOC 영상 촬영 • 감독분류 방법을 이용한 EOC 해빙 면적비 (Sea Ice Concentration) 산출 • EOC와 SSM/I, AMSR-E 해빙 면적비의 비교 • SSM/I와 AMSR-E 해빙 면적비가 반영하는 해빙 유형 확인 • SSM/I와 AMSR-E 해빙 면적비 차이의 원인 분석

3. 강원대학교 지구물리학과 Introduction - 극지 연구의 중요성 • 극지 환경은 전지구적 환경변화에 민감 • 극빙의 증가 및 감소는 지구온난화 진행의 지표로 작용 • 현재 전세계적인 기상이변의 발생과 더불어 극지 환경에 대한 관심 증가WMO 2007년 TOPIC - “극지방 기상” • 지역적, 환경적 특성상 인공위성 원격탐사가 효과적 • 1970년대부터 수동 마이크로파 (Passive Microwave) 센서를 이용한 극빙 관찰 시작

4. 강원대학교 지구물리학과 Introduction - 극빙 원격탐사 • 수동 마이크로파 센서(SSM/I, AMSR-E) • 극지 표면의 전체적이고 연속적인 데이터 제공 • 취약한 공간 해상도 (수십 km) • 해빙 면적비의 검증 및 보정 필요 • SAR 영상 및 중저해상도 광학영상 • SAR: New ice와 Young ice의 구별 모호 • Landsat: 극지방 촬영계획 제한 • MODIS, AVHRR: 저해상도 • Kompsat-1 EOC • 6.6m 고해상도 • Panchromatic 영상 활용성 증대 • 특수한 촬영 목적에 따른 위성 운용 원활 • 우리나라 인공위성 • 2005년 SSM/I와 비교연구 수행 (2006년 춘계원격탐사학회 발표)

5. Sea Ice Ocean or Land 강원대학교 지구물리학과 해빙 면적비 (Sea Ice Concentration) • Sea Ice Concentration • 일정 면적 내에서 해빙이 분포하는 면적의 비율 • 두께 및 표면 성질 포함 전체 면적: 100km2 Sea Ice 면적: 30km2 Ocean 또는 Land 면적: 70km2 Sea Ice Concentration: 30% Threshold: 15%

6. 강원대학교 지구물리학과 Ice Types 연령, 형태, 두께에 따라 분류 (WMO, 1970) • Multi-year ice: 여름에 녹지 않은 해빙 (3m 이상) • First-year ice: 겨울에 얼었으나 여름에 녹는 해빙 (30cm-2m) • Young ice: White nilas, Grey-white ice 등 (10-30cm) • New ice: Nilas, Grease ice, Pancake ice 등 (10cm 이하) 남극의 경우 • Ice type A: Multi-year ice와 유사 • Ice type B: First-year ice와 유사

7. A B C 강원대학교 지구물리학과 Kompsat-1 EOC 영상 • 2005년 9-11월 남극대륙 가장자리 해빙 촬영 • 해빙이 절정을 이루었다가 서서히 감소하는 봄철에 해당 • 총 11개 궤도 676 영상 획득 • 4개 궤도 68개 영상 사용 • A: 9월 25일, 11월 4일 • B: 10월 5일, 10월 8일 • MODIS 영상을 이용하여 기하보정 남극 (2005. 10. 05) 7900kmⅹ8300km

8. 강원대학교 지구물리학과 Kompsat-1 EOC 영상 • 2005년 10월 5일 • EOC 해빙 면적비: 99% • SSM/I 해빙 면적비: 98% • AMSR-E 해빙 면적비: 100% • 대부분의 해빙 표면에 눈이 쌓인 것이 관찰 • 폭이 좁은 crack과 lead 관찰 • Crack과 lead 사이에 얇은 해빙 존재 17.4kmⅹ18.7km

9. W D G O 강원대학교 지구물리학과 EOC 해빙 면적비 산출 • 감독분류 방법을 이용한 해빙 유형 분류 • W: White ice • G: Grey ice • D: Dark-grey ice • O: Ocean (Open water) • W ≈ Ice Type A and B • G ≈ Young ice • D ≈ New ice 2.2 kmⅹ2.2 km

10. 강원대학교 지구물리학과 Passive Microwave Sensors • SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) • 1987 to present • 4개 주파수(19.35, 22.235, 37.0, 85.0GHz) • 7개 채널(19.35H/V, 22.235V, 37.0H/V, 85.0H/V) • AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System) • 2002 to present • 6개 주파수(6.9, 10.7, 18.7, 23.8, 36.5, 89.0GHz) • 12개 채널(6.9H/V, 10.7H/V, 18.7H/V, 23.8H/V, 36.5H/V, 89.0H/V) • 해빙의 복사세기를 측정하여 해빙 면적비 계산 • SSM/I: NASA Team Algorithm (NT) • AMSR-E: NASA Team2 Algorithm (NT2)

11. 강원대학교 지구물리학과 SSM/I NASA Team Algorithm (http://nsidc.org/data/docs/daac/nasateam/index.html) • 19.35H/V, 37.0V 채널 이용 • PR (Polarization Ratio)과 GR (Spectral Gradient Ratio) 계산을 통해 해빙 면적비 산출 • 표면 유형의 분류 • 북극: Multi-year ice, First-year ice, Open water • 남극: Ice type A, Ice type B, Open water • 장점 및 단점 • PR, GR을 사용하여 해빙 표면온도 변화에 따른 영향을 최소화 • Ice type A와 B (M과 F) 이외의 해빙 유형 구분 불가능 • 계절적이고 지역적인 해빙 방사율 변화에 따른 오차 • Ice edge에서의 오차 발생

12. 강원대학교 지구물리학과 AMSR-E NASA Team2 Algorithm (Markus and Cavalieri, 2000) • 18.7H/V, 36.5V, 89.0H/V 채널 사용 • PRR(Rotated PR), GR, △GR을 계산하여 해빙 면적비 산출 • 표면 유형의 분류 • 북극: Multi-year ice, First-year ice, Ice type C, Open water • 남극: Ice type A, Ice type B, Ice type C, Open water • 89.0H 채널을 통해 18.7H 채널의 민감도 문제 해결 • △GR을 통해 표면 영향이 심하여 (물이 고이거나 불균질한 상태) 면적비가 과소측정 되었던 해빙 유형 고려 → Ice type C

13. 공간 시간 강원대학교 지구물리학과 SSM/I와 AMSR-E 해빙 면적비 산출 • SSM/I NT 해빙 면적비 (25km)와 AMSR-E NT2 해빙 면적비 (12.5km) • EOC 영상의 촬영일자 및 위치에 해당하는 해빙 면적비 추출 • EOC 영상 촬영 날짜 및 전후 날짜의 cubic pixel에 대한 해빙 면적비 추출 및 표준편차 산출 • 해빙의 시공간적 불안정성의 지표 Passive Microwave cubic pixel

14. 강원대학교 지구물리학과 EOC와 SSM/I NT 해빙 면적비 비교 Black data points: 수동 마이크로파 cubic pixel의 표준편차≤2.5% White data points: 수동 마이크로파 cubic pixel의 표준편차≥2.5% NASA Team Algorithm으로 계산된 SSM/I 해빙 면적비는 White ice와 Grey ice를 반영하며, Dark-grey ice는 포함하지 않음

15. 강원대학교 지구물리학과 EOC와 AMSR-E NT2 해빙 면적비 비교 Black data points: 수동 마이크로파 cubic pixel의 표준편차≤2.5% White data points: 수동 마이크로파 cubic pixel의 표준편차≥2.5% NASA Team2 Algorithm으로 계산된 AMSR-E 해빙 면적비는 White ice와 Grey ice, Dark-grey ice를 모두 반영

16. 강원대학교 지구물리학과 AMSR-E와 SSM/I 해빙 면적비의 차이 • AMSR-E NT2 해빙 면적비가 SSM/I NT 해빙 면적비보다 대체로 높음 • 서로 다른 해빙 면적비 알고리즘 사용에 기인 • AMSR-E NT2는 Ice type C를 추가로 고려 • (AMSR-E – SSM/I) 해빙 면적비와 EOC G, G+D, D 면적비 비교

17. 강원대학교 지구물리학과 Dark-grey ice의 영향 • Dark-grey ice의 면적비가 증가할수록 AMSR-E와 SSM/I 해빙 면적비 차이가 증가 • 대부분의 EOC 영상에서 Dark-grey ice의 면적비가 클수록 AMSR-E와 SSM/I 해빙 면적비의 차이가 커짐을 확인

18. 강원대학교 지구물리학과 Dark-grey ice의 영향 W: 51.8%, G: 29.0%, D: 13.0% Total: 93.8% AMSR-E: 89%, SSM/I: 80% AMSR-E – SSM/I: 9% W: 97.4%, G: 1.0%, D: 0.5% Total: 98.9% AMSR-E: 98%, SSM/I: 96% AMSR-E – SSM/I: 2%

19. 강원대학교 지구물리학과 Dark-grey ice와 Ice type C • Ice type C • 균질하지 않고 복잡한 산란 특성을 가지는 표면 • 실제보다 면적비가 작게 계산 • 얇은 해빙과 유사한 특성 • Dark-grey ice • 얇은 두께를 가질 것으로 추정 • 수분과 얼음 결정이 혼합된 표면 • Dark-grey ice ≈ Ice type C

20. 강원대학교 지구물리학과 Conclusion • 남극의 봄철 EOC 해빙 면적비를 SSM/I NT, AMSR-E NT2 해빙 면적비와 각각 비교 • SSM/I NT 해빙 면적비는 White ice와 Grey ice만을 반영하며, AMSR-E NT2 해빙 면적비는 Dark-grey ice도 반영 • Dark-grey ice가 많이 존재할수록 AMSR-E와 SSM/I 해빙 면적비의 차이가 증가 • Dark-grey ice와 Ice type C가 서로 유사함을 추정 • 현장자료의 부재로 인해 정확한 해빙 유형의 분류가 어려웠으나 고해상도의 EOC 영상으로부터 SSM/I와 AMSR-E 해빙 면적비의 서로 다른 특성 평가 • 향후 보다 정밀한 수동 마이크로파 해빙 면적비의 분석 및 보정을 위해 다양한 계절 및 지역에 대한 현장관측과 고해상도 광학영상 및 SAR 영상의 촬영 요구

21. 감사합니다.