국가위성센터

정지궤도 기상위성의 특징

현재 지구상의 정지궤도 기상위성 관측망은 그림 4와 같이 운영되고 있다. 기상청에서 일기예보, 수치자료/기후변화 감시에 활용하고 있는 천리안위성 2A호는 동경 128.2도 적도 상공에 위치하여 우주에서 동아시아, 동남아시아, 호주, 서태평양 영역의 구름 분포와 대기 흐름 등의 기상현상을 관측하고 있다.

전지구 위성관측망은 기본적으로 정지궤도 기상위성인 GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites, 미국), Meteosat(유럽), Himawari(일본), FY(Feng-Yun, 중국), INSAT(인도) 등과 NOAA(미국), FY-3D(중국) 등의 극궤도 기상위성으로 구성되어 있으며, 보다 정밀한 지구환경감시를 위해 Terra·Aqua(미국)의 지구관측위성으로 구성되어 있다.

GOES-17 위성 ※그림 4에는 GOES-W로 표기되어 있음

GOES-17은 미국 해양대기청이 운영하는 GOES 시리즈 두 번째 위성이다. GOES-17은 GOES-16과 동일한 기상센서 ABI를 탑재하고 있으며, 서경 137.2도로 이동하여 미국, 알래스카, 하와이 및 태평양 서해안을 관측한다. 위성의 총 중량은 5,192kg이고 운용수명은 12년으로, 2018년 3월 1일에 발사되었고, 2019년 2월 12일에 정식 서비스가 시작되었다.

HIMAWARI-8 위성

HIMAWARI-8은 일본 기상청이 운영하는 정지궤도 기상위성으로, 2014년 10월 7일 발사되었다. 동경 140.7도에 위치하고 있으며, 예상 수명은 8년이고 발사 시 총 중량은 약 3,500kg이었다.기상센서 AHI(Advanced Himawari Imager)가 탑재되었는데 이 AHI는 미국 GOES-R에 탑재된 ABI와 유사한 성능을 가지고 있어, 16개 채널에 최대 공간해상도 500m로 전지구 영상은 10분마다, 일본 영상은 2.5분마다 제공한다.

METEOSAT-11 위성

METEOSAT-11은 유럽기상위성기구(EUMETSAT)에서 운영하는 정지궤도 기상위성으로 METEOSAT 시리즈 중 네 번째 위성이다. 2015년 7월 15일에 발사하였고 2015년 12월 16일 궤도상 시험을 완료하여 정상 운영되었다. 궤도보관 기간을 거쳐 2018년 2월 20일에 경도 0도로 이동하여 METEOSAT-10을 대체하였다. 발사 시 총 중량은 2,040kg이고 수명은 2024년까지 예상한다. 전구는 15분마다, 유럽, 아프리카 및 인접한 바다 지역은 5분마다 자료를 제공한다.

FY-2H 위성

FY-2H는 중국기상청이 운영하는 정지궤도 기상위성으로 FY-2시리즈의 8번째 위성이다. 2017년 6월 5일에 발사하였고 발사 시 총 중량은 1,380kg이며 운용수명은 5년으로 동경 79도에 위치하고 있다. 기상센서는 S-VISSR(Stretched-Visible and Infrared Spin-Scan Radiometer)를 탑재하였고 5개 채널로 전구는 30분마다 관측하며 적외채널 해상도는 5km, 가시채널은 1.25km의 영상을 제공한다.

INSAT-3DR 인도 위성

INSAT-3DR은 인도국가위성시스템이 운영하는 정지궤도 기상위성으로 INSAT-3 시리즈의 6번째 위성이다.
2016년 9월 8일 발사하였고 발사 시 총 중량은 2,060kg이며 운용수명은 10년으로 동경 74도에 위치하고 있다. 기상관측기는 INSAT관측기를 탑재하였고 관측기는 6개 채널로 가시채널은 1km, 적외채널은 4km 해상도의 영상을 제공한다.

정지궤도 기상위성의 관측방법

정지궤도 기상위성의 관측센서는 전지구 면적의 대략 절반에 해당하는 반구를 관측하고, 위성의 동경상 위치에 따라 항상 일정한 지역을 관측한다. 관측센서의 스캔방식은 한 번에 반구 전체를 관측하는 것이 아니라, 반사거울을 회전하여 동서방향이나 대각선 방향으로 연속적으로 관측한다. 따라서 센서의 종류에 따라서 반구전체를 관측하는 시간은 5분에서 30분가량 소요된다. 그리고 센서의 감지기의 화소 밀집도에 따라서 지상의 거리분해능이 정해진다.

관측센서의 특징

정지궤도 기상위성의 대표적인 센서의 채널은 가시광선 1채널, 단파적외선 1채널, 수증기 1채널, 적외영상 2채널 등 모두 5채널로 구성된다.

각 채널별 특성은 다음과 같다.
가시채널(Visible channel: VIS)은 구름과 지표면에서 반사된 태양광의 강약을 나타낸다. 반사되는 빛이 강할수록 영상에서 밝게 보이기 때문에, 알베도가 높을수록 밝게 보인다. 반사량이 높은 눈 또는 구름의 경우 매우 밝게 보이고, 사막은 그보다 어둡게, 다른 육지는 더 어둡고, 바다는 가장 어둡게 나온다. 그러나 같은 구름이라도 얼음의 유무와 물의 포함 정도, 측정 높이에 따라 반사되는 정도가 다르고 같은 물체라도 측정 시간에 따라 반사광의 정도가 다르기 때문에 주의해야 한다. 가시영상을 이용하여 구름, 설빙면, 지표면을 관측할 수 있으나 야간에는 반사광이 없거나 약하기 때문에 가시채널을 이용할 수 없다.

단파적외채널(Shortwave infrared channel: SWIR)은 태양복사와 지구복사를 동시에 관측할 수 있다. 그러나 주간에는 근적외파장대에서 태양복사 반사광이 지구복사 반사광보다 세기 때문에 단파적외채널을 통한 영상 해석은 어렵다. 따라서 태양복사 반사광이 적은 야간에 야간안개 및 하층운, 산불감지, 지면온도 등을 추출한다.

수증기채널(Water Vapor channel: WV)은 적외채널의 일종으로 구름이 없는 대기에서도 수증기에 민감하게 반응한다. 증상층 대기, 최대 반응고도 약 400hPa에 이르는 대기의 수증기량과 상층의 고기압과 저기압의 위치, 제트기류, 바람분포 등 중상층 대기의 특성과 종관규모 대기의 특성을 수증기채널을 통해 관측 가능하다.

적외1채널(Infrared channel: IR)은 지구 표면과 물체가 방출하는 에너지의 세기, 즉 적외선 에너지량의 세기를 관측한다. 지구 표면과 물체가 방출하는 적외선 에너지량의 세기는 그 물체의 온도가 높으며 더욱 놓게 나타난다. 이때 적외채널로부터 추정된 물체의 온도를 휘도온도라고 한다. 구름의 휘도온도가 낮으면 적외1채널에서 밝게 나타나는데 고도가 높은 구름을 의미하고, 휘도온도가 높으면 어둡게 나타나고, 이때 낮은 구름을 의미한다. 적외2채널도 적외1채널의 특성과 비슷하다. 다만 대기에 포함된 수증기량과 황사 등을 포함하는 에어로졸의 양에 따라 적외 복사량의 차이를 보인다. 이런 복사량의 차이는 황사탐지와 해수면 온도 분석 시 수증기 흡수효과 보정, 구름정보 등에 이용된다.

각 GK2A 센서 채널의 파장과 특성을 표 1에, 위성의 종류와 채널은 표 2에 제시하였다. 각 채널별 특성은 다음과 같다.

가시채널 4개 중 1~3번 채널을 이용하여 RGB 합성영상을 생성하여 사실과 가까운 색을 확인할 수 있다. 4번 가시채널은 지표와 해면의 차이를 구분이 명확하며 식생에 의한 반사도가 높아 지표/해면 선별이나 식생지수, 해양 연구에 사용된다.

근적외채널(Near infrared channel: NIR)은 2개 채널이 있다. 그 중 5번 근적외채널은 강한 수증기 흡수가 나타나는 파장이기 때문에 수증기가 많이 포함되어 있는 청천이나 하층 구름에서는 낮은 신호가 나타나지만, 고층 구름에서는 강한 신호가 나타나기 때문에 고층 구름, 특히 권운 탐지에 용이하다. 6번 근적외채널은 물방울이 있는 구름은 밝게 나타나고 얼음 알갱이가 포함된 구름이나 적설 영역은 어둡게 나타나서 적설탐지에 활용된다.

수증기채널은 3개 채널이 있어 각각 상층, 중층, 하층 수증기 분포를 알 수 있다. 따라서 입체적으로 수증기 분포를 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 상층 고/저기압의 위치, 제트기류, 상층 침강역 및 건조역에서의 바람 분포나 종관규모 대기특성을 분석할 수 있다.

적외채널은 총 7개의 채널로 구성되어 있다. 적외채널은 가시광채널과 다르게 야간 관측이 가능하고 채널별로 민감한 영역들을 각기 존재한다. 이 특징을 활용하여 다양한 산출물을 생산한다. 7번 적외채널은 구름 선별이나 야간 구름/안개 탐지, 고온에 민감하여 화재 탐지에 활용되는 채널이다. 11번 적외채널은 유효 구름 반경에 민감하여 운상을 선별할 때 쓰인다. 12번 적외채널은 오존을 탐지한다. 13번 적외 채널은 대기의 창 영역으로 수증기에 의한 감쇠가 적게 나타나는 채널이다. 14번과 15번 적외채널은 두 채널의 차이로 가강수량과 지표면 온도 및 화산재 탐지를 한다. 16번 적외채널은 CO₂ 흡수 채널로 CO₂는 대기와 잘 혼합되어 있는 특성과 대기창 채널과 차이를 통해 구름 꼭대기 온도와 기압을 결정한다.