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정지궤도 기상위성의 특징

정지궤도 기상위성은 적도 상공 36,000km에 쏘아 올려 지구의 자전 속도와 같은 속도로 지구 주위로 공전하며 다양한 기상현상을 관측한다. 지구에서 정지궤도 기상위성을 볼 때 위성이 항상 정지된 상태로 보인다.

그림 1은 정지궤도 기상위성의 궤도 특성을 보여준다.

위성의 공전 주기가 지구의 자전 주기와 같기 때문에 위성이 항상 지구상의 같은 장소를 관측할 수 있고 정지궤도 위성 수신 안테나도 항상 같은 방향으로 고정되어 있다. 정지궤도 기상위성은 극지방을 제외한 지구 지표면의 약 1/4 범위를 관측할 수 있다. 이러한 장점을 이용하여 시시각각 변화하는 구름의 이동, 기상 상태 등을 연속적으로 관측하여 기상현상의 변화를 감시하고 예측하는데 이용한다.

그림 2는 정지궤도 기상위성인 천리안위성 2A호의 적외채널을 이용하여 관측한 지구의 모습이다.

정지궤도 기상위성은 지구의 그림자에 들어가거나, 위성과 태양이 거의 같은 방향에 위치하는 경우에 관측할 수 없는 경우가 발생한다. 이와 같이 특별한 위성의 운용상태를 전자는 위성식, 후자는 태양 간섭이라고 하며, 이러한 현상은 춘분과 추분을 전후로 자주 나타난다.

그림 3은 정지궤도 기상위성의 관측 특성을 보여준다.

각각의 운용 기간과 관측할 수 없는 시각은 위성식이 55일 정도로 세계표준시(UTC)로 매일 13:33~15:33에 나타나고, 태양간섭 기간은 10일 정도이며 03:00UTC(한국시간 12:00시)에 나타난다.

그림 3 정지궤도 위성의 관측에서 위성식(좌측)과 태양간섭(우측)
그림 1 정지궤도 위성의 시간에 따른 위치
그림 2 천리안 2A호 적외영상 2019년 5월 29일 오후 2시 50분

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.

그림 4 전 세계의 정지궤도 기상위성

GOES-16 위성 ※그림 4에는 GOES-E로 표기되어 있음

GOES-16은 미국항공우주국과 미국 해양대기청이 운영하는 차세대 기상영상기(Advanced Baseline Imager, ABI)를 탑재한 GOES 시리즈(Geostationary Operational Environmental Satellite) 중 첫 번째 위성이다. 2016년 11월 19일 케이프 커내버럴(Cape Canaveral)에서 ULA(United Launch Alliance) Atlas V 로켓을 이용하여 발사되었고, 2017년 12월 19일부터 정상서비스가 시작되었다. 위성체는 연료를 포함한 총 중량은 5,500kg이며 운용수명은 12년으로 예상된다. GOES 위성은 기존의 기상센서에 비해 우수한 성능을 가진 ABI가 탑재되어 관측 채널수가 기존의 5채널에서 16채널로 확장되었으며 공간해상도가 4배, 전지구 관측 시간은 5배나 빠르게 향상되었다. 또한 낙뢰탐지기(Geostationary Lightning Mapper)를 탑재하였고 이 위성에는 우주기상과 태양을 관측하기 위한 4개의 다른 탑재체도 포함되어 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.

센서에 따른 파장, 관측대상
센서명 파장대(㎛) 관측대상
1(VIS) 0.470 지표 및 해안 에어로솔
 2(VIS) 0.511 안개, 연무 탐지 및 트루컬러 합성
3(VIS) 0.640 구름, 안개, 일사량
4(VIS) 0.856 식생, 해양 연구, 지표/해면 선별
5(NIR) 1.374 권운 탐지
6(NIR) 1.610 구름 물방울/얼음, 적설 탐지
7(IR) 3.830 구름 선별, 야간 구름/안개, 화재 탐지
 8(WV) 6.241 상층 수증기
9(WV) 6.952 중층 수증기
10(WV) 7.344 하층 수증기, SO₂
11(IR) 8.592 운상, 황사, SO₂ 에어로솔
12(IR) 9.625 오존
13(IR) 10.403 구름 입자 크기, 표면특성
14(IR) 11.212 해수면 온도, 구름, 강수
15(IR) 12.364 하층 수증기, 화산재
16(IR) 13.310 운고, 운량
표 1 GK2A 관측 센서
위성
위성 국가 경도상 위치 보유채널(파장대:㎛)
HIMAWARI-8 일본 140.7°E 가시1채널(0.47), 가시2채널(0.51), 가시3채널(0.64),
단파적외4채널(0.86), 단파적외5채널(1.6),
단파적외6채널(2.3), 단파적외7채널(3.9), 수증기8채널(6.2),
수증기9채널(6.9), 수증기10채널(7.3), 적외11채널(8.6),
적외12채널(9.6), 적외13채널(10.4), 적외14채널(11.2),
적외15채널(12.4), 적외16채널(13.3)
GOES-17(GOES-West) 미국 137.2°W ABI(16bands), GLM, SEISS, EXIS, SUVI, MAG
GOES-16(GOES-East) 미국 75.2°W
METEOSAT-8 (IODC) 유럽 41.5°E 가시(0.5-0.9), 적외(10.5-12.5), 수증기(5.7-7.1)
METEOSAT-11 유럽
INSAT-3DR 인도 74°E 가시(0.65), 적외(1.625, 3.82, 10.8, 12.0), 수증기(6.8)
FY-2H 중국 79°E 가시(0.5-0.99), 단파적외(3.5-4.0),
적외(10.3-11.3, 11.5-12.5), 수증기(6.3-7.6)
표 2 정지궤도 관측위성