정지궤도 환경위성의 개발 및 활용 현황

1차 사전 조사는 2020년 10월 26일부터 12월 18일까지 화력발전소 및 대규모 배출원이 밀집한 충남 지역을 대상으로 판도라²⁾ 5기 (과학원, 연세대, 부산대, 서울대, 미국 NASA), 운고계 1기 (연세대), mini MPL Lidar (UNIST), Max-DOAS (벨기에 왕립우주항공연구소)의 지상 관측장비와 항공관측을 통해 수행하였다. 그림 2에 1차 사전 캠페인 수행을 위한 충남지역 지상관측 및 항공관측 이동경로를 나타내었다 (Zhai et al., 2021).

Fig. 2.

Arrangement of ground observation equipment and aerial observation route.3)

2차 사전 조사는 2021년 10월부터 11월까지 수도권 지역을 대상으로 수행하였으며, 환경위성 산출 알고리즘의 검증과 수도권 대기오염 지도 작성을 목적으로 하였다. 국내 연구진 (과학원, 서울대, 연세대, 공주대, 부경대)과 독일 막스프랑크 화학연구소, 벨기에 왕립우주항공연구소, 독일 브레멘대학, 일본 해양지구기술연구소, 네덜란드 왕립기상연구소 등이 참여하였으며, 사용된 관측장비는 그림 3에 나타낸 바와 같이 판도라 5대, Max-DOAS 5대, Car-DOAS 3대, NO₂ 및 O₃ 존데, 환경위성 (NO₂, SO₂, O₃, HCHO, Aerosol 관측영상) 등이다. 그림 4에 2차 사전 캠페인 수행을 위한 Car-DOAS 이동경로를 나타내었다.

Fig. 3.

Photographs of each observation device.

Fig. 4.

Result of Car-DOAS observation in 2021.

한편, 지상 in-situ 및 항공관측을 수행하였는데, 지상관측은 서울시 보건환경연구원, 목포대, 고려대, 세종대 연구진의 참여로, 서울 방이동 올림픽 공원에서 고농도 미세먼지 주요 생성기작 및 2차 미세먼지 생성과정을 조사하였다. 항공관측은 그림 5에 나타낸 바 와 같이 국립환경과학원, 미국 NASA, 울산과학기술원, 한서대, 한국외대, UC Irvine 등의 연구진이 Beechcraft B1900D와 KingAir E80을 이용하여 서해상과 중부내륙을 연직 및 수평 비행하였다. 이를 통해 고농도 미세먼지의 주요 생성기작 조사, 항공기 탑재 환경위성 센서를 통한 환경위성 알고리즘 검증, 수도권 지역 대기오염 지도 작성 등을 수행하였다 (Choi et al., 2019a).

Fig. 5.

Photographs of In-situ aircraft and GCAS aircraft.5)

제1차 본 캠페인은 2022년 5월부터 8월까지 미국 ACCLIP⁴⁾ 팀 (고고도 비행 항공기 관측) 및 벨기에 왕립항공우주연구원 등 국내외 23개 연구팀이 참여하여 원격 관측자료와 환경위성 검증 연구를 수행하였다.

본 캠페인은 수도권·충청도·대구·울산·부산·여수·제주도를 대상으로 환경위성 산출물 검증 및 개선 방향 도출, 대기오염물질의 오염지도 작성을 목적으로 하였으며, 이를 위해 Car-DOAS를 포함한 지상 원격관측, 지상 in-situ 화학관측, 항공 원격 및 화학 관측 등을 수행하였다. 그림 6은 ACCLIP 팀에 제공된 정지궤도 환경위성 자료의 예시와 O₃ 존데의 모습을 나타낸 것이다.

Fig. 6.

Examples of GEMS data and O3 Sonde.

2차 캠페인은 2023년 10월부터 2024년 초까지 수행될 예정이며 국제 캠페인의 종합분석 결과는 2025년 이후에 제공 가능할 것으로 판단된다.

환경위성센터에서는 국제 캠페인 등을 통한 자료 검증 후 관측영상을 순차적으로 공개하였으며, 2022년 11월부터는 표 1에 제시된 바와 같이 모든 정규 산출물의 영상 및 파일을 환경위성센터 홈페이지 등을 통해 공개하고 있다.

Table 1.

Release status of the observation images of GEMS.

환경위성 활용 산출물은 환경위성 자료 이외에 다른 자료를 추가하여 생산된 자료로서, 에어로졸 및 이산화황 이동량, 지상 미세먼지 및 초미세먼지 추정 농도, 지상 이산화질소 추정 농도 산출기술을 개발하여 공개하고 있고, 향후 활용산출물 자료는 순차적으로 추가될 예정이다. 표 2에는 환경위성 활용산출물의 목록을 나타내었다.

Table 2.

Release status of the value-added products of GEMS.

환경위성 관측자료 파일은 2022년 6월 (1차)과 11월 (2차)부터 netCDF 파일 형태로 환경위성센터 홈페이지 등을 통해 공개되고 있으며, 현재 공개된 자료는 대용량 파일로서 2023년도에는 저용량 파일로 제공될 예정이다.

환경위성센터에서는 2020년 말부터 국립환경과학원 기후대기연구부 대기질 통합예보센터에 환경위성 관측자료를 제공하고 있으며, 대기질 통합예보센터에서는 대기질 예측 모델의 입력자료로 활용할 예정이다. 또한, 대기질 예보관은 대기질 예측 모델의 결과를 환경위성의 기본관측 영상 및 활용산출물과 비교하여 예보에 활용하고 있다. 아울러, 환경위성센터에서는 고농도 미세먼지 대응 등 다양한 위성자료를 분석하여 제공함으로써 대기환경 현안 및 정책효과 분석 등을 지원하고 있다.

환경위성 활용기술을 개발하여 국내 유입 에어로졸 및 이산화황의 유입량을 위성센터 홈페이지를 통해 공개하고 있다. 한편, 환경위성 관측자료는 지표면으로부터 대기오염물질이 존재하는 대기 전체층 농도로 산출되나, 정책 및 국민 실생활에 활용하기 위해서는 대기오염물질의 지상 추정농도 자료가 필요하므로, 대기오염 측정망 실시간 자료와 환경위성 관측 에어로졸 광학두께 (AOD) 자료를 기계학습을 통해 변환하여 산출된 미세먼지·초미세먼지·이산화질소의 지상 추정 농도 자료를 제공하고 있다 (그림 7). 따라서, 지상 대기오염 측정망이 부재한 해상 및 산간 지역의 지상 농도를 참고하여 대기질 예보 등에 활용할 수 있다 (Kim et al., 2021).

Fig. 7.

Estimation and verification ground-level PM2.5 conc. from GEMS AOD.

또한, 환경위성센터에서는 환경위성으로 관측된 대기오염물질의 농도를 배출량으로 변환하는 연구를 수행하고 있다. 대기질 모델의 입력자료로는 기상장, 대기오염물질 배출량, 초기·경계장이 있으며 최종 결과로서 대기오염물질 농도의 예측 결과가 산출된다 (Lee et al., 2021). 이는 대기오염물질 농도 대신 환경위성에서 관측된 농도를 y 값으로 하고 배출량 자료를 역산하는 방식이다. 따라서, 지역별 대기오염물질별 배출량을 산정하므로 기존 대기오염물질 배출량과 상호 보완될 수 있을 것으로 기대되며, 환경위성센터의 대용량 전산 자원을 활용하므로 기존 국가 대기오염물질 배출량보다 배출량 산정 기간을 단축할 수 있을 것으로 예상된다 (Kim et al., 2020).

환경위성은 태양광이 지표면에서 반사되어 우주로 되돌아가는 빛의 파장대별 대기오염물질 특성 (복사량)을 이용하여 관측하므로 야간 관측은 불가능하다. 이를 보완하기 위해 환경위성센터에서는 정지궤도 기상위성을 이용한 기계학습 등을 통해 야간 관측 영상 생산 등을 준비 중이다.

아울러, 환경위성에서 관측되는 SO₂, O₃, 에어로졸 광학두께 (AOD)를 이용하여 산불·화산 분화에 의해 발생하는 대기오염물질의 자동탐지 및 추적 기법을 개발 중에 있다. 그림 8은 2022년 3월 강원도 및 경북 산불에 의한 대기오염물질의 이동경로를 UV aerosol index로 관측한 영상이고, 그림 9는 2022년 2월 칠레 에트나 화산 분화에 의해 발생된 SO₂의 이동경로를 SO₂ total column density로 관측한 영상을 나타낸 것이다.

Fig. 8.

Observation images of UV aerosol index from wildfire in east coast of ROK (2022.3.4~13).

Fig. 9.

Observation images of SO2 total column density from volcanic eruption in etna volcano of Chile (2022.2.25).

환경위성은 300~500 nm의 파장대를 0.2 nm 단위로 분광하는 초분광 센서를 이용하므로 기존 산출물 외에 신규 산출물의 개발이 가능하다. 이에 따라 BrO, H₂O, HONO, IO의 관측이 가능함을 확인하였으나 정확도가 낮은 IO를 제외한 3가지 물질에 대한 자료처리 알고리즘을 개발하고 있으며, 향후 이러한 신규 산출물에 대한 관측 영상을 제공할 예정이다.

또한, 환경위성 관측영상의 기간별 평균장에 대한 처리 기술을 연구하고 있으며, 2023년에는 NO₂ 평균장을 공개할 예정으로 월별, 계절별, 주중과 주말의 차이를 분석할 예정이다.

이와 더불어 대기질 문제를 해결하기 위해 환경위성 자료, 대기환경 자료, 지표면 자료, 교통정보, 기상 정보, 보건 정보 등의 빅데이터를 활용한 연구도 수행 중에 있다.

환경위성은 기후변화 대응 및 미세먼지 등 대기오염물질에 대응하고자 추진된 위성으로서 단기체류 기후변화 유발물질을 관측하고 있으며, 환경위성의 국가별, 지역별 장기간 관측자료를 이용하여 기후변화 유발물질 농도 추세 분석을 수행할 예정이다.

기후변화에 따라 고위도 지역에서는 기온 상승으로 온도차 감소가 발생하는데, 이는 대기 안정도 증가 및 대기 정체를 유발하며 대기질 악화를 초래하고 다시 기후변화에 영향을 미치게 된다. 대기질과 기후변화 상호작용 메커니즘을 분석하기 위해 국내 기상위성, 국외 온실가스 관측위성 자료를 이용한 연구를 수행할 예정이다.

또한, 오존 생성 민감도에 따라 실시간으로 특정 지역을 VOCs-limited, Transition, NOx-limited 지역으로 구분하여 오존 저감 정책을 지원하고자 한다. 과거 특정 지역에 대한 오존 생성 원인 분석 연구는 있었으나 시간에 따라 변화하는 일사량 등 기상 조건과 전구체 물질의 농도에 따른 오존 생성 원인 분석에는 한계가 있으므로 환경위성 자료를 이용한 빠른 정보제공으로 오존 저감의 실마리를 모색할 계획이다.

우리나라는 정지궤도 환경위성 이외에 정지궤도 해양위성과 기상위성을 보유하고 있으며, 각 위성센터에서는 상호간 위성자료 공유를 통해 위성자료 융·복합기술 개발⁶⁾을 추진하여 시너지 효과를 창출할 예정이다. 정지궤도 환경위성으로는 온실가스인 이산화탄소나 메탄의 관측은 불가능하므로 환경위성센터에서는 환경위성 관측항목인 이산화질소 농도를 이산화탄소 등의 농도로 변환하는 연구를 수행 중에 있다.

환경위성센터에서는 20개소의 아시아 지역 판도라 네트워크 구축 추진과 함께 국내 9개소의 국내 네트워크 구축도 추진 중이다. 이를 위해 2023년 4월 부경대, 수원대, 한국외국어대, 공주대와 업무협약을 체결하여 국내 네트워크 4개소를 구축하였으며, 나머지 5개소도 연내에 구축 완료할 예정이다.

환경위성센터에서는 환경위성 자료의 정확도 검증을 위해 2020년부터 북미, 유럽, 아시아의 20개 연구기관⁷⁾과 협력하고 있으며, 이를 위해 유럽 우주기상위성센터와 업무협약을 체결한 바 있다.

아울러, 국내외 위성 및 대기질 분야 전문가들과의 정보공유와 협력 사업 추진을 위해 환경위성 국제 학술회의를 2010년부터 매년 개최하고 있다.

미국 NASA 및 유럽 EUMETSAT과의 업무협약을 2019년과 2020년에 각각 체결하였으며, 국제 우주공간 연구위원회, UN 우주공간평화이용위원회, UN 재난관리 및 비상 대응을 위한 우주 기반 정보 플랫폼, IGAC의 오존 평가를 위한 TOAR II, 국제 오존 심포지움 등과도 협력하고 있다.

또한, 아시아 각국과 환경위성 및 판도라 자료를 공유하고 이를 기반으로 한 아시아 대기질 개선을 위해 UN ESCAP과 KOICA와 공동으로 국제협력 사업을 수행하고 있다. 환경위성 관측 영역 내 아시아 8개국 20개소에 대기질 지상원격 관측장비인 미국산 판도라 장비를 이용한 네트워크를 구축하고 있으며 판도라 아시아 네트워크 구축 대상국가의 목록은 표 3에 나타낸 바와 같다. 2023년 4월 현재까지 9개소에 판도라 설치를 완료하였으며, 나머지 11개소에 대해서는 2024년 상반기까지 설치 완료를 목표로 하고 있다.

Table 3.

Target countries for Pandora Asia Network establishment.