Retrieval of Sea Surface Wind from Sentinel-1A/B SAR Data in the Seas around Korea

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 사범대학 과학교육과, 2018. 2. 박경애.해상풍은 파도, 해류, 해양 순환 및 대기-해양 상호작용 연구에 중요한 요소 중 하나로, 우리에게 복합적인 해양 현상에 대한 전체적인 이해를 제공한다. 기후변화에 대한 관심이 증대되면서 전 세계 바람장 관측의 중요성이 강조되어 왔고, 그에 따라 European Space Agency (ESA)와 National Aeronautics and Space Administration (NASA)에서는 산란계를 이용하여 전 세계 바람장 자료를 산출해왔다. 이러한 산란계 자료는 ±2 m/s의 정확도를 보여주지만, 낮은 공간 해상도로 인해 연안 바람장 자료의 결핍과 작은 규모의 해양 현상 분석이 불가능하다는 단점을 보인다. Synthetic Aperture Radar (SAR)는 능동 마이크로파를 사용하여 대기 및 기상 상태에 의한 영향이 적고, 수십 m의 공간해상도를 가지고 있어 1 km 이하의 고해상도 바람장 자료 산출이 가능하다. 그로 인해 SAR 자료는 연안 바람장 자료 산출 및 작은 규모의 해양 현상 분석이 가능하다는 장점이 있지만 기존의 SAR 자료에 대한 접근성은 낮았다. Sentinel-1A/B 위성은 C-Band(5.405 GHz) SAR를 탑재한 위성으로, 기존의 SAR 탑재 위성과는 다르게 SAR 자료 수집이 용이하며, Terrain Observation with Progressive Scans SAR (TOPSAR) 기술을 사용하여 관측 범위가 넓기 때문에 다양한 분야 연구에 활발히 사용되고 있다. 본 연구에서는 2015년 5월 1일부터 2017년 9월 30일까지 총 395장의 Sentinel-1A/B Interferometric Wide swath 모드 수직 이중 편파 자료(vertical dual polarization)를 수집하여 처리하였다. Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Digital Elevation Model (DEM) 자료를 이용하여 육지 차폐(Land masking) 과정을 거친 후, 적응 임계치 방법(adaptive threshold method)을 적용하여 선박을 탐지하여 제거하고, 스페클 잡음(speckle noise)을 제거하기 위해 배경장을 설정하여 앙상블 평균(ensemble average)을 취하는 전처리 과정을 거쳤다. 전처리 과정을 거친 Sentinel-1A/B 자료를 C-Band VV 편파 산란계 자료를 기반으로 개발된 CMOD4, CMOD_IFR2, CMOD5, CMOD5.N, CMOD5.Na 알고리즘에 적용하여 한반도 주변 해역에서의 고해상도 해상풍을 산출하고, 산출한 결과를 기상청 해양 기상 부이의 실측 자료와 비교하였다. 산출한 결과 Root Mean Square Error (RMSE)가 CMOD4는 1.83 m/s, CMOD_IFR2는 1.82 m/s, CMOD5는 1.69 m/s, CMOD5.N은 1.68 m/s, CMOD5.Na는 1.65 m/s로 나타나 CMOD5.Na 알고리즘이 우리나라 연안 해상풍을 가장 잘 모의하는 것으로 나타났다. 해역별로는 황해 해역이 다른 해역에 비해 편향(bias)이 큰 것으로 나타났는데, 이는 낮은 수심 해역에서의 해저 지형이 해수면 거칠기에 영향을 줘 해상풍의 오차 요인으로 작용한 것으로 해석된다. 본 연구를 통해서 Sentinel-1A/B 자료를 이용하여 산출한 우리나라 주변 연안 고해상도 해상풍 자료는 복잡한 연안 해양 현상 기작에 대한 연구에 활발히 사용될 것으로 기대된다.1. 서론 1 2. 연구 자료 5 2.1. SAR 자료 5 2.2. 대기 모델 자료와 육지 고도 자료 7 2.3. 실측 자료 8 3. 연구 방법 11 3.1. 육지 영역 차폐 및 선박 탐지 방법 11 3.2. 해상풍 산출 방법 15 3.3. 10 m 해상풍 환산 21 3.4. 이중 편파 SAR 자료의 Pol-SAR 분해 24 4. 연구 결과 27 4.1. 일치점 데이터베이스 27 4.2. 해상풍 산출 정확도 29 4.3. 해상풍 산출 오차 분석 34 4.3.1. 수심의 영향 34 4.3.2. 선박의 영향 39 4.3.3. 기름의 영향 41 4.3.4. 기타 영향 44 5. 요약 및 결론 47 참고문헌 48 Abstract 56Maste