Uncertainties of SO2 Vertical Column Density Retrieval from Ground-based Hyper-spectral UV Sensor Based on Direct Sun Measurement Geometry

In this present study, the effects of Signal to Noise Ratio (SNR), Full Width Half Maximum (FWHM), Aerosol Optical Depth (AOD), $O_3$ Vertical Column Density ($O_3$ VCD), and Solar Zenith Angle (SZA) on the accuracy of sulfur dioxide Vertical Column Density ($SO_2$ VCD) retrieval have been quantified using the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) method with the ground-based direct-sun synthetic radiances. The synthetic radiances produced based on the Beer-Lambert-Bouguer law without consideration of the diffuse effect. In the SNR condition of 650 (1300) with FWHM = 0.6 nm, AOD = 0.2, $O_3$ VCD = 300 DU, and $SZA=30^{\circ}$, the Absolute Percentage Difference (APD) between the true $SO_2$ VCD values and those retrieved ranges from 80% (28%) to 16% (5%) for the $SO_2$ VCD of $8.1{\times}10^{15}$ and $2.7{\times}10^{16}molecules\;cm^{-2}$, respectively. For an FWHM of 0.2 nm (1.0 nm) with the $SO_2$ VCD values equal to or greater than $2.7{\times}10^{16}molecules\;cm^{-2}$, the APD ranges from 6.4% (29%) to 6.2% (10%). Additionally, when FWHM, SZA, AOD, and $O_3$ VCD values increase, APDs tend to be large. On the other hand, SNR values increase, APDs are found to decrease. Eventually, it is revealed that the effects of FWHM and SZA on $SO_2$ VCD retrieval accuracy are larger than those of $O_3$ VCD and AOD. The SZA effects on the reduction of $SO_2$ VCD retrieval accuracy is found to be dominant over the that of FWHM for the condition of $SO_2$ VCD larger than $2.7{\times}10^{16}molecules\;cm^{-2}$.

지상관측 기반 태양 직달광 관측장비의 초분광 자외센서로부터 이산화황 연직칼럼농도의 불확실성 분석 연구

본 연구에서는 처음으로 차등흡수분광기술(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS)를 이용하여 지상관측 기반 태양 직달광 모의복사휘도를 활용하여 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR), 분광분해능(Full Width Half Maximum, FWHM), 오존 연직칼럼농도($O_3$ Vertical Column Density, $O_3$ VCD), 에어로졸 광학두께(Aerosol Optical Depth, AOD), 태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA)에 대한 이산화황 연직칼럼농도($SO_2$ Vertical Column Density, $SO_2$ VCD) 산출 불확실성을 조사하였다. 본 연구에서는 산란광 효과를 제외한 Beer-Lambert-Bouguer 법칙에 기반하여 모의복사휘도를 계산하였다. SNR이 650(1300)이며, FWHM = 0.6 nm, AOD = 0.2, $O_3$ VCD = 300DU, $SZA=30^{\circ}$ 동일 조건일 때 산출된 이산화황의 연직칼럼농도와 모의복사휘도 계산 시 입력값으로 활용된 이산화황 연직칼럼농도의 참값을 비교하여 절대백분위오차(Absolute Percentage Difference, APD) 산출 결과 $8.1{\times}10^{15}molecules\;cm^{-2}$ 농도에서 최대 80%(28%), $2.7{\times}10^{16}molecules\;cm^{-2}$ 농도에서 최소 16%(5%)로 나타났다. FWHM이 0.2 nm(1.0 nm)일 때, 이산화황의 연직칼럼농도가 $2.7{\times}10^{16}molecules\;cm^{-2}$과 동일하거나 그 이상에서 APD는 6.4%(29%) 에서 6.2%(10%)로 나타났다. FWHM, SZA, AOD, 오존 연직칼럼농도의 값이 증가할수록 APD가 증가하였다. 그와 반대로 SNR은 값이 증가할수록 APD가 감소하였다. 결과적으로 FWHM과 SZA이 오존 연직칼럼농도와 AOD 보다 이산화황 연직칼럼농도 산출에 크게 영향을 주었다. 이산화황의 연직칼럼농도 산출 불확실성의 증가에 대한 SZA의 효과는 $2.7{\times}10^{16}molecules\;cm^{-2}$보다 높은 이산화황 연직칼럼농도 조건에서 FWHM보다 큰 영향을 주었다.