수동 마이크로파 해빙 면적비 자료를 이용한 남극 장보고 과학기지로의 항해경로 분석

김연춘 ( Yeon Chun Kim ),지영훈 ( Yeong Hun Ji ),한향선 ( Hyang Sun Han ),이주한 ( Joo Han Lee ),이훈열 ( Hoon Yol Lee ) 대한원격탐사학회 2014 大韓遠隔探査學會誌 Vol.30 No.5

2014년에 완공된 남극 장보고 과학기지 주변 테라노바 만은 연중 해빙이 넓게 분포하고 있어 쇄빙선의 항해에 매우 큰 영향을 미치고 있다. 이 연구에서는 수동 마이크로파 센서인 Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) 및 Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS)의 최근 10년간 해빙 면적비 자료와 우리나라의 쇄빙 연구선인 아라온호의 2010-2012년 항해 경로를 이용하여 장보고 과학 기지 방문을 위한 쇄빙선의 최적 항로와 항해 가능 기간을 분석하였다. 아라온호는 최대 78%의 해빙 면적비를 보이는 지역까지 항해가 가능하였다. 아라온호의 항해속도는 해빙 면적비가 높을수록 감소하였으나, 70% 의 해빙 면적비까지는 전체 항로에 대한 평균속도(~11 kn)에 근접한 속도를 나타냈다. 이에 따라 아라온호는 70% 이하의 해빙 면적비까지 일반적 운항이 가능하다고 판단하였다. 2010-2012년에 아라온호가 항해한 경로에 대해, 최근 10년 동안의 해빙 면적비 자료로부터 70% 이하의 해빙 면적비를 나타내는 연중 항해가능 기간을 도출하였다. 2010년과 2011년의 항로에 대한 10년 동안의 연중 최대 항해 가능 기간은 각각 연 61일과 62일이었으나, 70% 이하의 해빙 면적비가 관찰되지 않아 일반적인 항해가 어려운 연도가 일부 관찰되었다. 반면 2012년의 아라온호 항해 경로는 매년 70% 이하의 해빙 면적비를 나타내는 항해 가능 기간이 존재하였으며, 이는 최소 연 15일에서 최대 연 89일로 분석되었다. 이를 통해 2012년에 운항한 아라온호의 항로가 장보고 과학기지 방문을 위한 쇄빙선의 최적 항로임을 제시할 수 있었다. 하지만 수 십 km의 해상도를 가지는 해빙 면적비 자료로는 장보고기지 연안에 근접한 해빙 상태를 알 수 없기 때문에, 고해상도의 광학 및 SAR 자료를 이용한 연구가 필요할 것으로 보인다. Sea ice covers wide area in Terra Nova Bay in East Antarctica where the Jangbogo Antarctic Research Station was built in 2014, which affects greatly on the sailing of an icebreaker research vessel. In this study, we analyzed the optimum sea route and sailable period of the icebreaker to visit the Jangbogo Antarctic Research Station by using sea ice concentration data observed by passive microwave sensors such as Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) and Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) for the last decade, and by using sea route of the Araon, an icebreaker of Republic of Korea, from 2010 to 2012. It is found that Araon sailed in the route of sea ice concentration up to 78%. Sailing speed of the Araon decreased due to increasing sea ice concentration. However, Araon maintained the speed close to the average speed for the entire sailing period (~11 kn) in the route of sea ice concentration up to 70%. Therefore, we confirm that the Araon can sail typically in the route which shows sea ice concentration below 70%. We derived annually available sailing period in recent 10 years for the sea route of the Araon in 2010, 2011 and 2012, which is defined as the period showing sea ice concentration below 70% through the route. Maximum sailable period was analyzed to be 61 and 62 days for the route of the Araon in 2010 and 2011, respectively. However, the typical sailing in the routes was unavailable in some years because sea ice concentration was higher than 70% through the routes. Meanwhile, the sailable period for the routes of the Araon in 2012 was observed in every year, which was a minimum of 15 days and is a maximum of 89 days. Therefore, we could suggest that optimum route of icebreaker to visit the Jangbogo Antarctic Research Station is the route of the Araon in 2012. High resolution images from SAR or optical sensors are necessary to investigate sea ice condition near shoreline of Jangbogo research station due to several kilometers of low resolution of sea ice concentration.

InSAR 긴밀도 영상을 이용한 남극 장보고기지 인근 정착해빙의 연간 변화 분석

한향선 ( Hyang Sun Han ),김연춘 ( Yeon Chun Kim ),진효림 ( Hyo Rim Jin ),이훈열 ( Hoon Yol Lee ) 대한원격탐사학회 2015 大韓遠隔探査學會誌 Vol.31 No.6

Landfast sea ice (LFI) in Terra Nova Bay, East Antarctica where the Jangbogo Antarctic Research Station is located, has significant influences on marine ecosystem and the sailing of an icebreaker. Therefore, it is essential to analyze the spatio-temporal variation of the LFI in Terra Nova Bay. In this study, we chose interferometric pairs with the temporal baseline from 1 to 9 days out of a total of 62 COSMO-SkyMed synthetic aperture radar (SAR) images over Terra Nova Bay obtained from December 2010 to January 2012, and then constructed the coherence image of each pair. The LFI showed coherence values higher than 0.3 even in the interferometric SAR (InSAR) pairs of up to 9-days of temporal baseline. This was because the LFI was fixed at coastline and thus showed low temporal phase decorrelation. Based on the characteristics of the coherence on LFI, We defined the areas of LFI that show spatially homogeneous coherence values higher than 0.5. Pack ice (PI) and open water showed low coherence values due to large temporal phase decorreation caused by current and wind. Distinguishing PI from open water in the coherence images was difficult due to their similarly low coherence values. PI was identified in SAR amplitude images by investigating cracks on the ice. The extents of the LFI and PI were estimated from the coherence and SAR amplitude images and their temporal variations were analyzed. The extent of the LFI increased from March to July (maximum extent of 170.7 km2) and decreased from October. The extent of the PI increased from February to May and decreased from May to July when the LFI increases dramatically. The extent of the LFI and air temperature showed an inverse correlation with a time lag of about 2 months, i.e., the extent of the LFI decreases after 2 months of the increase in the air temperature. Meanwhile the correlation between wind speed and the extent of the LFI was very low. This represents that the extent of LFI in Terra Nova Bay are influenced more by the air temperature than wind speed.

MODIS 영상을 이용한 빙하의 정규청빙지수(NDBI) 개발 및 변화요인 분석

한향선 ( Hyang Sun Han ),지영훈 ( Young Hun Ji ),김연춘 ( Yeon Chun Kim ),이훈열 ( Hoon Yol Lee ) 대한원격탐사학회 2014 大韓遠隔探査學會誌 Vol.30 No.4

빙상이나 빙하, 빙붕에서 푸른색의 얼음이 지표에 노출되어 있는 지역을 청빙지대라 한다. 이는 빙하 표면에 쌓인 눈이 바람에 의해 침식되거나 기온과 일사량에 따른 승화로 인해 대부분 제거되기 때문이다. 청빙지대는 운석이 농집되기 쉽고 빙체의 질량균형에 매우 큰 영향을 미치기 때문에, 청빙의 노출도 및 밀집도에 대한 정량적 지표의 개발이 요구되고 있다. 이 연구에서는 2007~2012년에 동남극 맥머도 드라이벨리를 촬영한 MODIS 영상을 이용하여 청빙과 눈, 구름의 분광반사특성을 분석하고, 청빙의 노출도 및 밀집도를 정량화 할 수 있는 정규청빙지수(Normalized Difference Blue-ice Index, NDBI) 알고리즘을 고안하였다. 눈과 구름은 가시광선과 근적외선 파장대역에서 매우 높은 반사율을 나타낸다. 청빙은 청색 파장대역에서 높은 반사율을 보이는 반면에, 근적외선 파장대역에서 낮은 반사율을 보인다. NDBI 알고리즘은 청색과 근적외선 파장대역에서의 반사율 차이를 두 반사율의 합으로 나누는 것으로 표현된다[NDBI = (Blue _ NIR)/(Blue + NIR)]. 청빙의 NDBI는 노출도와 밀집도에 따라 0.2~0.5의 값을 가지며, 0.2 이하의 값을 가지는 눈과 구름이나 음수의 값을 나타내는 암석으로부터 명확히 구분되었다. 청빙의 NDBI가 시간에 따라 변화하는 현상은 맥머도 드라이벨리의 기상관측소에서 측정된 풍속(R2 = 0.012)이나 기온(R2 = 0.278) 보다는 적설두께와 가장 높은 상관성(R2 = 0.699)을 나타냈다. 적설두께가 증가할수록 NDBI 값은 감소하였는데, 이는 청빙지대의 NDBI 값으로부터 적설량의 추정이 가능함을 의미한다. 이 연구에서 개발된 NDBI 알고리즘은 운석탐사, 빙체의 질량균형 분석, 적설량 추정 등 다양한 극지연구 분야에서 매우 유용하게 사용될 것으로 전망된다. Blue-ice area is a glacial ice field in ice sheet, ice shelf and glaciers where snow ablation and sublimation is larger than snowfall. As the blue-ice area has large influences on the meteorite concentration mechanism and ice mass balance, it is required to quantify the concentration of blue-ice. We analyzed spectral reflectance characteristics of blue-ice, snow and cloud by using MODIS images obtained over blue-ice areas in McMurdo Dry Valleys, East Antarctica, from 2007 to 2012. We then developed Normalized Difference Blue-ice Index (NDBI) algorithm which quantifies the concentration of blue-ice. Snow and cloud have a high reflectance in visible and near-infrared (NIR) bands. Reflectance of blue-ice is high in blue band, while that lowers in the NIR band. NDBI is calculated by dividing the difference of reflectance in the blue and NIR bands by the sum of reflectances in the two bands so that NDBI = (Blue _ NIR)/(Blue + NIR). NDBI calculated from the MODIS images showed that the blue-ice areas have values ranging from 0.2 to 0.5, depending on the exposure and concentration of blue-ice. It is obviously different from that of snow and cloud that has values less than 0.2 or rocks with negative values. The change of NDBI values in the blue-ice area has higher correlation with snow depth (R2 = 0.699) than wind speed (R2 = 0.012) or air temperature (R2 = 0.278), all measured at a meteorological station installed in McMurdo Dry Valleys. As the snow depth increased, the NDBI value decreased, which suggests that snow depth can be estimated from NDBI values over blue-ice areas. The NDBI algorithm developed in this study will be useful for various polar research fields such as meteorite exploration, analysis of ice mass balance as well as the snow depth estimation.