Accurate atmospheric correction is essential for the analysis of land surface and environmental monitoring. Aerosol optical depth (AOD) information is particularly important in atmospheric correction because the radiation attenuation by Mie scattering makes the differences between the radiation calculated at the satellite sensor and the radiation measured at the land surface. Thus, it is necessary to use high-quality AOD data for an appropriate atmospheric correction of high-resolution satellite images. In this study, we examined the Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum (6S)-based atmospheric correction results for the Sentinel-2 images in South Korea using raster AOD (MODIS) and single-point AOD (AERONET). The 6S result was overall agreed with the Sentinel-2 level 2 data. Moreover, using raster AOD showed better performance than using single-point AOD. The atmospheric correction using the single-point AOD yielded some inappropriate values for forest and water pixels, where as the atmospheric correction using raster AOD produced stable and natural patterns in accordance with the land cover map. Also, the Sentinel-2 normalized difference vegetation index (NDVI) after the 6S correction had similar patterns to the up scaled drone NDVI, although Sentinel-2 NDVI had relatively low values. Also, the spatial distribution of both images seemed very similar for growing and harvest seasons. Future work will be necessary to make efforts for the gap-filling of AOD data and an accurate bi-directional reflectance distribution function (BRDF) model for high-resolution atmospheric correction. These methods can help improve the land surface monitoring using the future Compact Advanced Satellite 500 in South Korea.
Compact Advanced Satellite 500-4 (CAS500-4) is scheduled to be launched to collect high spatial resolution data focusing on vegetation applications. To achieve this goal, accurate surface reflectance retrieval through atmospheric correction is crucial. Therefore, a machine learning-based atmospheric correction algorithm was developed to simulate atmospheric correction from a radiative transfer model using Sentinel-2 data that have similarspectral characteristics as CAS500-4. The algorithm was then evaluated mainly for forest areas. Utilizing the atmospheric correction parameters extracted from Sentinel-2 and GEOKOMPSAT-2A (GK-2A), the atmospheric correction algorithm was developed based on Random Forest and Light Gradient Boosting Machine (LGBM). Between the two machine learning techniques, LGBM performed better when considering both accuracy and efficiency. Except for one station, the results had a correlation coefficient of more than 0.91 and well-reflected temporal variations of the Normalized Difference Vegetation Index (i.e., vegetation phenology). GK-2A provides Aerosol Optical Depth (AOD) and water vapor, which are essential parameters for atmospheric correction, but additional processing should be required in the future to mitigate the problem caused by their many missing values. This study provided the basis for the atmospheric correction of CAS500-4 by developing a machine learning-based atmospheric correction simulation algorithm.
Aerosol concentrations at the CC-Lag site in the Teshio Experimental Forest increased from winter to spring and sometimes showed extremely high values associated with Kosa and/or forest-fire events. The range and mean of the mass concentrations of aerosol chemical species were as follows: total particulate mass, 1.2-29, 5.0; elemental carbon, 0.061-2.2, 0.43; organic carbon, 0.059-3.5, 0.79; and sulfate, 0.12-6.2, 1.8 ${\mu}g/m^3$. The total masses of the deposited particles on hybrid larch and on bamboo leaves were approximately 35 and 30 ${\mu}g/cm^2$, respectively. The amounts of soil particles on the leaves were 6 ${\mu}g/cm^2$ for the upper part of hybrid larch, 2 ${\mu}g/cm^2$ for the lower part of hybrid larch, and 1 ${\mu}g/cm^2$ for Sasa bamboo leaves. The amounts of deposited black carbon were 2.3 ${\mu}g/cm^2$ for the upper part of hybrid larch, 0.6 ${\mu}g/cm^2$ for the lower part of hybrid larch, and 0.2 ${\mu}g/cm^2$ for Sasa bamboo leaves. Half of the total deposited particular mass was attached on the hybrid larch; however, most of the total deposited mass was adhered on the Sasa bamboo leaves. Regardless of the species, there tend to be more deposited particles on the leaves in the upper part than in the lower part, with only a few meters height difference. Comparing the composition of the deposited particles to that of the atmospheric aerosols without any size cut, the fractions of water-soluble material sulfate and sea salt in the deposited aerosols were about one tenth and one hundredth lower than that in the aerosols, respectively. On the basis of the measured concentration and the deposited amount on leaves, the deposition velocity of black carbon was estimated to be approximately 0.5 cm/s.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.30
no.5
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pp.434-448
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2014
The aerosol characteristics between haze episode and Asian dust event were identified in January and March, 2013 in Gwang-ju of Korea to investigate the metal elements, ionic concentrations and carbonaceous particles of $PM_{2.5}$ and $PM_{10}$. In the haze episode, the concentrations were increased 1~3.2 times of ionic species and 1.6~2.7 of metal elements. Especially, the concentration of $NO{_3}{^-}$, $SO{_4}{^2-}$ and $NH{_4}{^+}$ consists of 50 percent in ionic species during haze episode that was higher than Asian dust event. This suggests that secondary aerosols from anthropogenic air pollution were mainly contributed by haze episode. During the Asian dust event, increase of metal concentrations was higher than haze episode because of remarkable increase of Ti, K and Fe originated from soil. The concentrations of carbonaceous particles were increased 2.5 times during haze episode, and 2.4 times of OC and 2.1 times of EC during Asian dust event in $PM_{2.5}$. However, these aerosol mass concentration does not affect the OC/EC ratio. The average equivalence ratios of cations/anions in $PM_{2.5}$ were 0.99 in haze episodes and 0.94 during non-event day. The neutralization factor of $NH_3$ was higher than that of $CaCO_3$. Futhermore, $NH{_4}{^+}$ aerosol was aged due to atmospheric stagnation that might be affected by the haze episode.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.21
no.1
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pp.119-129
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2005
The ambient TSP data measured at Seoul, Incheon. Taean, Daegu, Busan in Korea were used to explain the chemical composition and general features of Asian Dust (AD) observed in Korea. 9 episodes out of 19 were sampled from 2000 through May 2002, and measurements were conducted covering ionic and metal components with mass concentration. The results showed that daily averaged mass concentration (TSP) during the AD episodes was 458 $\mu\textrm{g}$/㎥, and ionic and metal concentrations were 27.93 $\mu\textrm{g}$/㎥ and 71.7 $\mu\textrm{g}$/㎥, respectively, accounting for 6.1 % and 15.5% of the total aerosol mass. TSP concentrations during episodes were varied from 120 to 1742 $\mu\textrm{g}$/㎥ according to the impact of Asian Dusts and had a tendency of showing higher values at sites in the west side of Korea, which can be explained by the effect of diffusion and deposition. In this study, ionic components like Ca (NO$_3$)$_2$, CaSO$_4$, NaNO$_3$, Na$_2$SO$_4$ were prominent types in secondary aerosol during AD periods and also indicated that V, Co as well as soil elements such as Ca, Fe, Mg, Mn, K correlated well with Al, while Cu, Cd, Pb, Zn didn't agree well with it. In addition, enrichment factors (EFs) for each metal component were obtained to provide simple information about source contribution of Asian Dust, and the results were compared with those from other AD studies. In this study, the results showed that aerosol properties in Korea during the Asian Dust were considerably different from those of general atmospheric condition and specially varied from case to case rather than site to site, which implies that there are certain variations in the soil of source region, pathways of air mass, and meteorological condition. For the enhanced study, those factors should be combined with the features of Asian Dust resolved from this study.
Optical characteristics of the yellow sand and their influences on the ocean color remote sensing has been studied using ocean color sensor SeaWiFS measurements. Two cases of April 18 and April 25, 1998, representing yellow sand and background aerosol, are selected for emphasizing the impact of high aerosol concentration on the ocean color remote sensing. It was shown that NASA's standard atmospheric correction algorithm treats yellow sand area as either too high radiance or cloud area, in which ocean color information is not generated. Optical thickness of yellow sand arrived over the East Asian sea waters in April 18 indicates that there are two groups loaded with relatively homogeneous yellow sand, i.e.: heavy yellow sand area with optical thickness peak around 0.8 and mild area with about 0.4, which are consistent with ground observations. The movement of the yellow sand area obtained from surface weather maps and backward trajectory analysis manifest the notion that the weak yellow sand area was originated from the outer region of the dust storm. It is also noted that high optical thickness associated with the yellow sand is significantly different from what we may observe from background aerosol, which is about 0.2. These characteristics allow us to determine the yellow sand area with an aid of atmospheric correction parameter. Results indicate that the yellow sand area can be determined by applying the features revealed in scattergrams of atmospheric correction parameter and optical thickness.
The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science
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v.19
no.6
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pp.698-705
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2008
When electromagnetic waves propagate through atmosphere, waves are affected by various factors. Atmosphere normally consists of different molecular species, water vapours, rain, fog, snow and small suspended particles called aerosols. The distributions of atmosphere molecules, water vapours, rain rate, snowfall and aerosol are dependent on geometrical regions or environment. In order to predict propagation characteristics in atmospheric environment, statistical analysis of the relevant parameters such as temperature, humidity, atmospheric pressure, wind speed, areosol and rainfall is crucial. In this paper, we performed a long-term statistical analysis for the atmospheric parameters in domestic environments and analyzed the propagation characteristics through atmosphere based on that.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.20
no.E1
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pp.1-14
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2004
Meteorological mechanisms in association with long-range transport of Asian dust in April 2001 have been investigated using weather maps, satellite images, TOMS and surface $PM_{10}$ data, backward trajectories, plus modeling output results (geopotential heights, horizontal wind vectors, potential temperatures, and streamlines). The results indicated that long -range transport of Asian dust to the west coast of North America was associated with strong westerlies between the Aleutian low and the Pacific high acting as a conveyor belt. Accelerating westerly flows due to cyclogenesis at the source regions over East Asia transported pollution from the continent to the central Pacific. When the system reached the Aleutian Islands, the intensity of troughs and the westerlies were amplified in the North Pacific. Thereafter the winds between the Aleutian Islands and the Pacific Ocean were more intensified from the air flow transport of the conveyor belt. Consequently, the strong wind in the conveyor belt enhanced the dust transport from the Pacific Ocean to the west coast of North America. This was evidenced by $PM_{10}$ concentration (maximum of about $100{\mu}g\;m^{-3}$) observed In California. Further evidence of the dust transport was found through the observation of satellite images, the distribution of TOMS aerosol index, and the analyses of streamlines and backward trajectories.
In order to investigate the effects of local and synoptic meteorological conditions on urban scale particulate air pollutants observed over the Busan coastal area, power spectrum analysis was applied to observed particulate matter with an aerodynamic diameter $\leq10\;{\mu}m$ ($PM_{10}$) for the period from 1 October, 1993 to 31 December, 2004. Fast Fourier Transform (FFT) analysis was used to obtain the hourly mean observed $PM_{10}$ concentrations to identify different periodicity scales of $PM_{10}$ concentrations. The results showed that, aside from the typical and well-known periodicities such as diurnal and annual variations caused by anthropogenic influences, three other significant power spectral density peaks were identified: 7-day, 21-day and 2.25-year periodicities. Cospectrum analysis indicated that the seven-day variations were closely related to the synoptic meteorological conditions such as weak wind speed, which are relevant to the stagnant high pressure system slowly passing through the Korean Peninsula. The intra-seasonal 21-day variation was negatively correlated with wind speed but was consistently positively correlated with relative humidity, which is related to aerosol formation that can be achieved as a result of the hygroscopic characteristics of aerosols. However, the quasibiennial 2.25-year variation was correlated with the frequency of Asian dust occurrence, the periodicities of which have been recorded inter-annually over the Korean Peninsula.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.27
no.3
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pp.326-336
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2011
The Light Detection and Ranging (Lidar) observation provides a specific knowledge of the temporal and vertical distribution and the optical properties of the aerosols. Unlike typical Mie scattering Lidars, which can measure backscattering and depolarization, the Raman Lidar can measure the quartz signal at the ultra violet (360 nm) and the visible (546 nm) wavelengths. In this work, we developed a method for estimating mineral quartz concentration immersed in Asian dust using Raman scattering of quartz (silicon dioxide, silica). During the Asian dust period of March 15, 16, and 21 in 2010, Raman lidar measurements detected the presence of quartz, and successfully showed the vertical profile of the dust concentrations. The satellite observations such as the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) confirmed spatial distribution of Asian dust. This approach will be useful for characterizing the quartz dominated in the atmospheric aerosols and the investigations of mineral dust. It will be especially applicable for distinguishing the dust and non-dust aerosols in studies on the mixing state of Asian aerosols. Additionally, the presented method combined with satellite observations is enable qualitative and quantitative monitoring for Asian dust.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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