Home > Introduction > 위성기상학이란?
• 위성을 이용한 기상원격탐사
원격탐사란 대상과의 직접적인 접촉 없이 물체로부터 발생되는 신호로부터 대상의 특성을 산출하는 기술을 말한다. 기상학에서 원격탐사는 크게 지상 관측, 항공 관측, 위성 관측으로 나눌 수 있다. 지상 관측은 지표면에 설치한 관측 장비로부터 강수, 운량, 기온, 습도 등의 기상 변수를 얻는 방법이다. 이렇게 관측한 기상 변수는 비교적 정확하여 수치예보 및 기후모델의 입력자료 및 검증에 활용되고 있다. 반면, 항공 관측은 항공기에 센서를 탑재하고 항공 궤도를 따라서 관측을 수행하여 구름의 연직 분포, 기온과 습도의 연직 구조 등을 알아내는 방법이다. 지속적인 관측 보다는 특정 현상의 집중 관측에 이용되며, 비용 등의 문제로 현재까지 우리나라에서는 많이 이용되지 않는 방법이다. 위성을 이용한 원격탐사는 기상위성에 센서를 탑재하여 전지구 규모의 기상현상을 관측하는 방법이다. 시공간적으로 해상도가 좋고, 지속적인 관측이 가능하기 때문에 위성을 이용한 기상관측의 활용 및 개발에 대한 관심도는 점점 증가하고 있다.
• 기상 위성의 궤도: 정지궤도와 극궤도 위성
위성은 궤도의 특성에 따라 크게 정지궤도 위성과 극궤도 위성으로 나눌 수 있다. 정지궤도 위성은 약 36,000 km의 적도 상공에 위치하여 지구 자전과 동일한 속도로 공전하기 때문에, 지구표면에서는 마치 위성이 정지해 있는 것처럼 보인다. 미국 NASA에서 발사한 GOES, 유럽 EUMETSAT에서 발사한 METEOSAT, 일본의 MTSAT-1R, 그리고 2010년 초에 발사할 우리나라의 COMS가 대표적인 정지궤도 위성이다. 반면 극궤도 위성은 남극과 북극을 통과하는 위성으로서 공전주기와 기울기에 따라 궤도가 결정된다. NASA에서 발사한 NOAA, EUMETSAT의 GOME 등이 이에 해당된다.
극궤도 위성 궤도 계산
• 지구 관측 위성 미션: A-Train
기상위성에 탑재된 센서의 특성에 따라 관측할 수 있는 기상 변수가 각기 다르다. 초분광센서는 대기층의 연직 구조를 알아내는 데 용이하며, 자외선 파장을 가진 좁은 밴드 (narrow band) 센서는 오존량을 알아내는 데 사용된다. 넓은 밴드 (broad band) 센서는 지구방출 복사에너지 및 태양복사에너지를 관측하는 데 용이하다. 이렇게 여러 센서로부터 얻은 산출물을 결합하여 활용하게 되면, 보다 다양한 기상현상을 정확하고 총괄적으로 관측할 수 있게 된다. 대표적인 예로 NASA에서 마련한 A-Train 미션은 5개의 위성으로 구성된 그룹으로서 시간 차를 두고 같은 궤도를 따라 이동하여, 에어로솔과 구름, 온습도, radiative flux 등을 측정하여 각 위성 산출물들을 상호 보완할 수 있도록 구성하였다. (http://www-calipso.larc.nasa.gov/about/atrain.php 참조)
• 현재 많이 활용되고 있는 위성 및 센서
A-train에 속하는 CALIPSO/CloudSat과 초분광 센서인 IASI/AIRS, 그리고 다중채널인 Meteosat에 대한 간단한 소개와 참고 사이트는 아래와 같다.
1. CALIPSO
CALIPSO는 라이다를 탑재한 위성으로 가시광선(532 nm)과 근적외선(1064 nm)을 방출하여 돌아오는 신호를 탐지하고 이로부터 에어로솔과 구름의 특성을 산출한다. 연속적인 신호를 쏘아보내며, 각 시간에 따른 정보를 수집하여 에어로솔과 구름의 연직 구조를 관측한다. CALIPSO 산출물은 에어로솔의 영향을 분석하고 구름이 기후에 미치는 피드백 효과 등을 연구하는데 활용되고 있다. (http://www-calipso.larc.nasa.gov/ 참조)
2. CloudSat
CloudSat은 레이다를 탑재한 위성으로서 구름을 통과한 마이크로 파장의 신호를 통해 구름의 연직 구조를 관측한다. 라이다가 작은 크기의 얼음입자를 잘 탐지하는 것에 비하여, 레이다는 물입자로 이루어진 구름을 관측하는 데 활용된다. (http://cloudsat.atmos.colostate.edu/ 참조)
3. Meteosat
Meteosat은 유럽 연합의 EUMESAT에 소속된 위성으로서 가시영역과 수증기 채널, 근적외선 영역을 모두 포함하는 다중 채널을 통해 관측한다. 1977년 Meteosat의 First Generation이 발사된 이후 총 11개의 Meteosat series를 보유하고 있다. (http://www.eumetsat.int/Home/index.htm 참조)
4. IASI/AIRS
IASI와 AIRS는 적외 영역에서 각각 8461개와 2378개의 스펙트럼 채널을 가진 초분광 센서이다. 간섭계의 원리를 도입하여 스펙트럼을 관측하며 온습도 연직 구조, 황사 탐지, 미량 기체 관측에 많이 활용되고 있다.
(IASI: http://smsc.cnes.fr/IASI/, AIRS: http://airs.jpl.nasa.gov/ 참조)
• 위성 관측 활용 분야
1. 구름 분류
① 가시광선 채널: 가시영역에서 구름이 존재하는 지역은 지면에 비해 반사도가 크므로 밝은 영상으로 나타나고, 반사도가 낮은 육지, 해양은 어둡게 나타난다.
② 적외선 채널: 구름 꼭대기의 온도는 지면의 온도보다 낮고, 상층운은 하층운보다 온도가 낮다. 적외선 채널에서는 온도가 낮은 경우에 하얗게 나타난다.
2. 강수량 산출
① 적외선 방법: 높은 구름의 경우 상부온도가 낮고, 낮은 구름은 상부온도가 높으므로 대기 창 영역의 밝기온도를 통해 구름의 높이를 알 수 있다. 따라서 구름 상부 온도가 낮을수록 강수확률이 높으며, 강수량도 많을 것으로 전제하여 구름의 밝기 온도와 강수율 사이의 관계식을 구한다.
② 마이크로파 방법: 마이크로파가 강수층을 통과하면서 강수입자에 의해 산란 또는 방출을 일으키는 성질을 이용한다. 레이다를 이용한 강수 관측이 대표적인 예이다.
3. 태풍 감시
태풍은 자연재해로 인한 피해 중 60% 이상을 차지하는 위협적인 기상현상이기 때문에 레이다, 위성 등을 통해 태풍을 실시간으로 감시한다. 그리고 기압배치, 바람장 등을 분석하여 태풍의 진로와 이동속도, 강도를 예측한다.
4. 바람장 산출
직접 관측이 이루어지지 않는 지역의 바람장은 구름이동벡터나 해수면의 성질을 이용하여 산출한다. 구름이동벡터는 구름이동방향과 속도를 계산하여 향후 구름 이동을 예측하는 방법으로 성장 중인 구름이나 성숙한 대류운의 구름 구조 및 발달 상황 감시, 그리고 전선면에서 난류형태 파악 등에 이용된다.
5. 기후감시
위성관측은 기후 관측 시스템에 있어서 중요한 관측 중 하나이다. 지상관측의 한계를 극복하여 전지구에 걸쳐 자료를 제공하며, 특히 기후변화를 분석하는 중요한 해수면온도(SST) 등을 제공한다.
6. 미량 기체 관측
심각한 성층권 오존량 감소가 남극 뿐만 아니라 북반구 고위도지역에서도 관측되고 있으며, 따라서 생명체에게 치명적일 수 있는 자외선도 강해지고 있다. 오존 자료는 기후 연구와 수치 예보의 초기자료로서도 중요하며, 미량기체 측정은 오존층 프레온의 장기간 효과 감시 및 복사 평형 등에 중요한 정보를 제공한다.