[논문 리뷰] Toward Cloud Tomography from Space using MISR and MODIS: The Physics of Image Formation for Opaque Convective Clouds

Anthony B. Davis, Linda Forster외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Atmospheric aerosols and clouds참고 문헌 46인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 다중 각도(MISR) 및 다중 스펙트럼(MODIS) 위성 데이터를 활용하여 3D 구름 단층촬영을 위한 물리 기반 프레임워크를 제안한다. 구름 영상 형성은 두 가지 서로 얽힌 복사 확산 과정을 통해 모델링되며, 방향 공간 내의 각도 확산(외부 껍질)과 3차원 유클리드 공간 내의 공간 확산(숨겨진 핵심 영역)이다. 주요 기여는 숨겨진 핵심 영역의 광학적 두께가 구름 척도의 밝기 대비를 결정하며, 확산 근사가 핵심 영역에서 정확도 손실 없이 정방향 모델링을 단순화할 수 있음을 보여주는 것이다. 이는 더 빠르고 정확한 구름 단층촬영을 가능하게 한다.

ABSTRACT

3D convective cloud images form via two intertwined radiative diffusion processes. Sunlight starts in the anti-solar direction and ends in toward-sensor ones, but repeated forward-peaked scattering smears the well-collimated beams across_direction_ space. This loss of directional memory in the cloud's "outer shell" (OS) is modeled as a random walk (RW) on the sphere. We show that, for typical cloud phase functions, 5 or 6 scatterings suffice for severe degrading of directionality. Simultaneously, a RW unfolds in_standard_ 3D space where steps are angularly-correlated, hence a drift in the original direction and an associated lateral dispersion. Any distinctive cloud image "feature" originates in the OS, and the shallower the better. That is also why we previously found that the optical depth of the "veiled core" (VC) is ~5. Significant amounts of sunlight thus arrive at the VC as a diffuse irradiance, and leave it even more isotropic. The diffusion limit of 3D radiative transfer (RT) is therefore valid inside the VC. Consequently, the underlying RW in the VC unfolds in 3D space, now with isotropic steps since extinction is scaled back to account for forward scattering. We show that the VC optical thickness controls cloud-scale brightness contrast between the illuminated and self-shaded sides of the cloud. Full cloud image formation thus involves diffusions (i.e., RWs) in both Euclidian and spherical/direction spaces. 3D cloud tomography based on MISR and MODIS multi-angle/-spectral data is an emerging technique in passive VNIR-SWIR sensing that will make judicious use this spatial separation of RT regimes to accelerate forward modeling without significant loss in accuracy.

연구 동기 및 목표

• 3D로 투명도가 높은 대류성 구름이 우주에서 어떻게 시각적 영상을 형성하는지 이해하는 데 있어 1차원 복사 전달 가정의 한계로 인한 핵심적 격차를 해결하기 위해.
• 원격 감지된 복사 강도에 영향을 미치지 않는, 센서 노이즈 수준 이하에서 구름 내 구조적 세부 사항의 영향이 없어지는 '숨겨진 핵심 영역'(VC)을 식별하고 정의하기 위해.
• 확산 근사가 등방산 산산화에 의해 유도되는 영역 내에서 유효함을 입증하여, 구름 단층촬영에서 정방향 모델링을 단순화할 수 있음을 보여주기 위해.
• 외부 껍질과 숨겨진 핵심 영역 간의 공간적 분리 특성을 활용하여, 더 효율적이고 정확한 3D 구름 단층촬영을 가능하게 하기 위해.
• 미래의 MISR 및 MODIS 데이터 기반 구름 단층촬영 역전 문제 해결을 위한 물리적 기반을 마련하고, 향후 MODIS SWIR 채널 통합을 통해 미세입자 감도를 향상시키기 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 외부 껍질(outer shell, OS)을 구면 상에서의 랜덤 워크로 모델링하며, 반복적인 전방 피크 스캐터링으로 인해 태양 빛의 방향 기억이 빠르게 약화되며, 심한 각도 스메어링이 발생한다. 이 과정에서 5–6회의 산산화만으로도 방향 기억이 크게 손상된다.
• 숨겨진 핵심 영역(veiled core, VC)을 등방성 단계를 갖는 3차원 랜덤 워크로 모델링하며, 전방 산산화를 고려해 흡수계수를 조정함으로써 확산 근사가 타당해지도록 한다.
• 역성질을 활용하여 센서에서 구름으로의 역방향 빛 전파를 모델링하며, 정방향 및 역방향 빛 경로의 겹침으로 인해 일부 영역에서는 전체 3D RT 계산이 필요로 하지 않는다는 것을 보여준다.
• empirical하게 VC를 정의하며, 구름 내부의 구조 변화가 센서 노이즈 수준 이하에서만 복사 강도 변화를 유도하는 영역으로 정의한다. 이에 따라 VC 내에서는 CT 목표물이 평균 흡수계수로 제한된다.
• VC 내 정방향 모델링을 확산 근사를 통해 단순화함으로써 계산 비용을 크게 감소시키면서도 정확도를 유지할 수 있음을 제안한다. 이는 구름 단층촬영 역전에 유리하다.
• MISR의 다중 각도 VNIR 데이터(275 m 해상도)를 활용하며, 향후 MODIS SWIR 채널을 통합하여 구름 수분 및 미세입자 특성 감도를 향상시키고자 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방향 공간 내 복사 확산과 3차원 공간 내 복사 확산이 함께 작용하여 우주에서 3D 구름 영상이 어떻게 형성되는가?
• RQ2 투명도가 높은 대류성 구름에서 외부 껍질과 숨겨진 핵심 영역의 경계를 결정짓는 물리적 조건은 무엇인가?
• RQ3 숨겨진 핵심 영역 내에서 확산 근사를 적용할 수 있는 정도는 얼마나 되며, 이로 인해 구름 단층촬영 정확도에 영향을 주지 않는가?
• RQ4 숨겨진 핵심 영역의 광학적 두께는 어떻게 태양빛을 받는 측면과 자기 그림자 측면 간의 밝기 대비를 조절하는가?
• RQ5 MISR 및 MODIS의 다중 각도 및 다중 스펙트럼 데이터를 활용하여, 서로 다른 복사 전달 영역 특성을 이용해 정방향 모델링을 가속화할 수 있는가?

주요 결과

• 외부 껍질(outer shell, OS)은 반복적인 전방 피크 스캐터링으로 인해 방향 기억이 급격히 떨어지는 복사 경계층으로 작용하며, 단지 5–6회의 산산화만으로도 심한 각도 스메어링이 발생한다.
• 숨겨진 핵심 영역(veiled core, VC)은 구름 내부에서 구조적 변화가 원격 감지된 복사 강도에 영향을 미치지 않는 영역으로 정의되며, 기준은 센서 노이즈 수준이다.
• VC의 광학적 두께는 태양빛을 받는 측면과 자기 그림자 측면 간의 구름 척도 밝기 대비를 결정하며, 더 높은 광학적 두께일수록 더 큰 대비를 유도한다.
• 흡수계수 조정 후 등방산 산산화로 인해 확산 근사가 VC 내에서 유효함을 입증하였으며, 이는 정방향 모델링의 상당한 단순화를 가능하게 한다.
• 입사 태양광의 약 1/3이 VC를 완전히 피함으로써, 직접 또는 근접한 후방 산산화를 통해 태양빛 측면에 강한 영상 특징이 형성된다.
• MODIS SWIR 채널의 통합은 더 긴 파장에서 VC의 크기를 증가시킬 것으로 기대되며, 이는 구름의 미세입자 특성 감도를 향상시키고 향후 CT 역전에 기여할 것이다.