수증기영상 이론

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-수증기영상은 현재 천리안 정지궤도 위성에 탑재된 센서 채널 중 6.75μm 근처 파장대의 복사를 감지한다. 수평 분해능은 4km이다.

가시 채널과 적외선 채널에 비해 수증기 채널이 나타내는 영상에는 중요한 근본적인 차이점이 있으며, 영상의 심도 깊은 해석이 필요하다. 수증기 영 상은 대류권 상부의 흐름과 습도의 역학적인 이해를 보다 용이하게 할 수 있으며, 기상현상의 분석과 검증 작업에 매우 중요한 도구가 된다. 또한, 수 증기 영상은 가시 영상, 적외선 영상 및 기타 다른 도구와 더불어 대규모/

소규모 현상을 탐지·감시 및 예측하는데 효과적으로 사용될 수 있다.

수증기 영상을 매우 효과적으로 활용하기 위해서는 수증기 영상이 어떻게 얻어지는지에 대한 이해가 필요하다. 본 절의 주요 목적은 수증기 영상을 효과적으로 사용하기 위한 충분한 정보를 제공하는 것이다.

이 절에서는 수증기 채널에 대한 기본 물리를 다루고 수증기 영상을 설명 한다. 또한, 영상의 실제 적용 사례를 예제를 들어 설명할 것이다. 이 절은 예보에 수증기 영상을 활용하기 위한 기본적인 지식을 제공하며, 더 자세 한 사항은 참고문헌을 참고하기 바란다.

대기 중 가스, 액체, 얼음의 형태로 존재하는 물은 6.7μm 파장대에서 거의 흑체와 같은 성질을 보인다. 이는 위성이 탐지하는 복사의 강도가 ‘밝기 온 도’라 불리는 온도와 직접적으로 연관되어 있음을 의미한다. 그러므로, 낮 은 복사 강도는 대류권 상부의 차가운 수증기에서 기인하고 밝기 온도는 낮다. 반면, 대류권 하부의 따뜻한 수증기에서 탐지되는 높은 복사 강도는 밝기 온도가 더 높다. 이같은 원리는 적외선 채널에도 동일하게 적용된다.

성층권 하부 영역에서는 복사의 방출이나 흡수가 거의 일어나지 않는다.

이는 수증기가 거의 존재하지 않고, 다른 흡수기체의 밀도도 낮기 때문이 다. 이와는 반대로, 지표면 근처의 상대적으로 따뜻하고 습윤한 공기는 이 파장대에서 강한 복사를 방출한다. 하지만 이들 중 대다수는 수증기나 다 른 기체들에 의해 흡수되거나 재방출되므로, 대류권 최하층부의 직접적인 기여는 매우 낮다. 실제로, 예외적으로 아주 건조한 대류권 중·상층부라 하 더라도 700hPa 이하에서 탐지되는 복사는 거의 없다. 이와 같은 요인들로 인해 위성에 도달하는 복사는 600-200hPa 사이에서 방출되는 것이다. 픽 셀 영역 내 서로 다른 구름과 수증기 프로파일이 매우 다양한 상대적인 기 여를 할 것이다.

적외선 영상과는 달리, 복사의 총량과 밝기 온도는 두꺼운 대기층에서 나 오는 복사의 합성물이다. 하층부에서 방출된 후 재흡수되는 강한 복사와 흡수가 거의 일어나지 않는 상층부의 낮은 복사 강도는 분명히 균형을 이 룬다. 세 가지 구별되는 예제들이 그림 2.45에 있다.

[그림 2.44] 흡수 스펙트럼. 100% 흡수가 일어나는 영역 근처에 6.75μm 파장대 수증 기 채널이 위치함. 가시 채널과 적외선 채널은 각각 0.675μm와 10.8~12μm의 ‘흡수

창’에 나타남

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-일반적으로, 상층부가 건조할수록 따뜻한 하층 수증기에서 방출되는 더 많은 복사량이 위성에 도달하고, 밝기 온도도 더 높아진다. 우리가 보는 흑백 수증기 영상에는 차가운 수증기가 흰 부분, 따뜻한 수증기가 회색이 나 검은 부분으로 나타난다. 이것은 적외선 영상에서도 마찬가지이다. 이 들 두 영상을 비교한 것이 그림 2.46에 나타나 있다.

[그림 2.45] 대류권 습도와 밝기 온도와의 상관관계. 굵은 선은 위성이 감지할 수 있는 복사를 방출하는 범위이고, 전체 밝기 온도는 수평선으로 나타냄. (a) 건조한 중·상층에 의한 높은 밝기 온도 - 어두운 이미지 (b) 대류권 상부가 건조하여 중층의 수증기에 의한

복사가 관측되어 중간 범위 밝기 온도 - 회색 이미지 (c) 구름이 많은 양의 복사를 방출 함. 하층의 수증기 효과는 잘 나타나지 않아 매우 낮은 밝기 온도 - 흰색 이미지

[그림 2.46] 2011년 11월 07일 14:15UTC 천리안 (좌) 적외영상, (우) 수증기영상

구름이 존재하는 곳에서는, 수밀도가 높은 액체수가 매우 효과적으로 복사 를 방출하므로 총 복사량에 주로 기여하는 것은 구름이다. 그러나 중층운 과 하층운에서 방출되는 복사는 재흡수될 것이다. 상층운의 경우, 하층 수 증기로부터의 복사가 차가운 구름에 강하게 흡수 및 재방출되고 이는 영상 에 밝고 하얀 영역으로 표현된다. 따라서 상층운이 존재하면 수증기 및 적 외영상은 비슷하게 보인다. 적외선 영상은 구름이 없는 지역에서 지표면의 정보를 선명히 보여주지만, 이는 수증기 영상에서는 보이지 않는다.

회색 부분은 대류권의 여러층에 존재하는 수증기에 의해 감지되는 복사의 결과이며, 하층부의 정보는 거의 없다. 그러므로 수증기 영상은 구름이 없 는 영역일지라도 대류권 중·상층부의 수증기 구조에 대한 정보를 담고 있 다. 이 특성이 예보에 수증기 영상을 활용하는 근거이다.

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-2.3.3.1 위도 효과

적외선 영상 하나만으로 추론하는 것보다 수증기 영상을 이용하면 구름이 없는 영역에서 상층 공기의 패턴 구조를 더 잘 파악할 수 있다. 그러나 영 상에 나타나는 색이 대기의 특정층과 직접적으로 연관되는 것이 아니라 대기의 두께를 통한 ‘탐측’에서 형성되기 때문에 수증기 영상을 해석할 때 에는 고려해야 할 여러 가지 효과들이 있다.

현재 수증기 채널은 정지궤도 위성에만 탑재되어 극지방의 자료는 사각 효과로 인해 신뢰도가 떨어진다. 수증기 영상은 극지방에 가까울수록 더 하얗게 보이는 경향이 있다. 이 밝은 영역은 밝기 온도가 낮은 것과 차가 운 수증기를 의미한다. 복사를 방출하는 수증기가 대기의 중·하층부에 있 다 하더라도, 극지방은 지표면 근처도 매우 춥기 때문에 중위도와 열대지 방의 상층 수증기만큼이나 밝게 나타난다. 이로 인해, 정지궤도 위성이 보 여주는 영상에서 북극과 남극에 가까운 지역에서 수증기 공급원의 고도가 과대측정되는 경향이 있다. 또한, 영상에 나타난 모든 지역에 수증기가 보 이는 것처럼 나타나고 밝기온도의 범위는 저위도 지방에서 보다 작다.

열대 지방에서는 반대 현상이 일어난다. 대기의 어느 층에서나 많은 양의 수증기가 존재할 수 있고, 대류권계면의 고도가 높기 때문에 밝기 온도의 범위가 크다. 한 가지 전형적인 사항은 건조지역에 나타나는 매우 어두운 픽셀과 활발한 대류가 일어나는 밝은 픽셀 사이에 강하게 나타나는 대비 이다. 따뜻한 공기 기둥의 상부에 많은 양의 수증기가 존재하는 곳은 높은 밝기 온도 때문에 수증기 영상이 예상했던 것보다 더 어둡게 나타난다.