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이중편파레이더 강수량 합성과 연직 증발량 보정 기술개발
오영아,손명재,김해림,석미경 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
기상레이더 기반의 격자 강수는 고해상도의 강수 정보로서 호우경보나 초단기 예측, 수문 모델 등 기상·수문학적 분야에 활용되고 있다. 기상레이더센터는 다년간 레이더 품질관리기술(CLEANER)과 한국형 강우추정기술을 개발하여 레이더 자료의 관측상 및 기상학적인 오차 요인들을 해소함으로써 지상 강우량계의 누적강수량에 매우 근사한 레이더 강수량 산출을 가능하게 했으나, 지상과의 관측고도 차이와 레이더망 합성기법에 기인하여 약한 강도의 강수 영역을 과대관측함으로써 레이더 기반 초단기 예측 시 강수 오보율이 높게 나타나는 경향이 있었다. 본 연구는 레이더 관측망 합성기법을 개선하고 Martinaitis et al.(2018)의 연직 증발량 보정기술을 적용하여 실제 지상 강수 영역에 더욱 유사한 레이더 강수 합성장을 산출하고자 했다. 지형 등의 비강수에코와 빔 차폐를 고려하기 위해 최적고도각면 구성기법을 이용하여 각 레이더에 대한 HSR(Hybrid Surface Rainfall)을 산출하고, 레이더 간 중첩영역에 대해 HSR 최저고도로 합성하여 상층의 레이더 에코가 반영되지 않도록 설계했다. 또, 산출한 합성장의 각 격자에 대해 강수 입자가 낙하하는 동안의 증발량을 3차원 온·습도, 기압 자료를 이용하여 산정하고 보정함으로써 실시간의 대기 상태를 고려하는 레이더 강수 증발 보정 기법을 구현했다. 개발한 기술에 대한 평가를 위해 기상청과 환경부의 현업 S-밴드 관측망 15개소에서 수집한 이중편파레이더 자료를 이용하여 산출한 강우 합성장을 지상의 현천계, AWS 강우량계 자료와 비교·분석했으며, 강수 실황 예측 모델(MAPLE)에 적용하여 강수영역에 대한 예측 성공률과 오보율을 개선하고자 했다. HSR 에코최저고도 합성기법을 사용하는 기존의 기상청 현업 레이더 강수 합성장과 비교하였을 때, 레이더 합성기법 개선을 통해 강수 영역 탐지 정확도와 오탐지율이 각각 18%, 22% 개선된 90%, 9%로 실제 지상 강수 영역과 일치성이 향상된 것으로 나타났으며. 강수 실황 예측에서도 향상된 예측 오보율을 보였다. 본 연구의 기술은 2021년 5월부터 현업에 적용되어 향상된 정확도의 레이더 강수 합성장을 예보 관계자 및 대국민에 제공하고 있다.
정우미,김해림,손명재,석미경 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
한반도에서 발생하는 우박은 대기의 상·하층의 기온 차가 크게 나타나는 봄과 가을에 주로 발생하나, 최근 들어 계절과 무관하게 우박이 관측되며 빈도도 증가해 관심이 많아지고 있다. 이중편파레이 더 변수를 활용하여 눈, 비, 우박 등으로 수상체를 구분할 수 있으나 레이더의 수상체가 우박으로 관측되기 시작하면 빠른 시간 안에 지상으로 낙하하기 때문에 대처가 어렵다. 본 연구에서는 고해상도 3차원 레이더 합성자료와 온도자료를 활용하여 상공에 우박이 존재하기 전 우박이 발달할 수 있는 강수 영역을 사전 탐지하는 우박 선행신호 탐지기술을 개발하였다(기상레이더센터, 2020). 우박 선행신호 영역은 4가지로 구분되는데, 모든 영역은 -10℃ 고도 위 고도구간에 대하여 산출한다. 분석 고도구간에 강수에코가 있는 경우 ‘강수’ 영역으로, 35 dBZ 이상 에코가 존재하면 ‘대류’ 영역으로, 55 dBZ 이상 에코가 존재하면 ‘우박포함’ 영역으로 구분되고, 강한 에코가 존재하지는 않지만 0℃ 고도부터의 에코 발달 고도가 2 km 이상이며 -10℃ 고도부터 연직적분액체수함량(VIL, Vertically Integrated Liquid)이 1 kg/㎡ 이상인 경우 우박이 발달할 수 있는 환경으로 판단하여 ‘우박가능’ 영역으로 구분하였다. 구분의 임계값은 과거 한반도에서 관측된 우박 사례들에 대한 레이더 변수들의 통계값을 활용하여 그 최저치로 선정하였다. 본 기술을 활용하여 2018 2021년 봄(3~6월), 가을(9~11월) 우박 지상관측 사례에 대한 신호탐지 선행시간을 확인한 결과 국지적으로 발달하는 단세포의 경우 약 5분에서 20분, 한반도로 유입되는 큰 규모 대류 시스템의 경우 30분에서 최대 2시간까지 선행하여 신호를 탐지하는 것을 확인하였다. 우박 선행신호 탐지 정확도를 검증하기 위하여 우박이 관측된 달의 강수일을 대상으로 우박 선행신호 탐지일, 오보일, 탐지 실패일을 구분하여 검증 지수를 산출하였다. 정확도(ACC)는 0.81, 탐지율(POD)은 0.9로 높은 반면, 오보일이 상대적으로 많아 오보율(FAR)이 0.55로 높게 산출되었다. 이는 우박 관측이 유인 관측만 가능하여 관측 지역과 시간이 제한적이므로 관측되지 못한 사례가 많을 것으로 예상되며, 실제 오보일 중 새벽 시간(0~7시) 우박 신호 탐지일이 41.3%, 산간지역 탐지일이 39.1%로 나타났다.
레이더 및 대기정보를 이용한 착빙 가능역 탐지 기술 개발
김유라,석미경,손명재 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
항공기 안전에 영향을 주는 기상요소로 뇌우, 강풍(혹은 급변풍), 저시정, 대설, 착빙 등이 있다. 이 중 착빙은 항공기에 만들어지는 얼음 피막으로 발생하면 누적되어 생성되기 때문에 항공기 운항에 있어 중요하게 고려해야 할 요인이다. 항공기 표면에 착빙이 생기면 양력과 추력이 감소하고 무게와 항력이 증가하여 항공기 사고로 이어질 수 있다. 현재 수치모델과 위성자료를 기반으로 착빙 발생 가능 영역에 대한 예측 정보를 제공하고 있으나 한반도 전 지역에 대한 실시간 착빙 관측이 부족한 실정이다. 기상레이더센터에서는 항공운항 시 발생 가능한 착빙 위험에 대한 선제적 대응력 확보를 위하여 3차원 레이더 자료와 대기 정보를 이용하여 실시간으로 착빙 가능역을 탐지하는 기술을 개발하였다. 활용된 레이더 변수는 반사도, 차등반사도, 액체수분함량이고 온도와 습도의 대기 정보를 이용하였다. Politovich (2003), Tafferner et al. (2002)에 따라 착빙이 발생할 수 있는 온도와 습도의 범위를 각각 -20℃~0℃, 80% 이상으로 정하고, 레이더 변수의 경우, 반사도 10~30 dBZ(Green and Clark, 1972), 차등반사도 0~3 dB(Vukits, 2002), 액체수분함량 0.1 2.9 g m<SUP>-3</SUP>(William et al., 2011)로 임계값을 설정한 후, 조건에 따라 5단계로 구분하여 착빙 가능역을 탐지하였다. 개발한 알고리즘 검증을 위하여 국립기상과학원에서 관측한 항공기 결빙 탐지 자료(AIMMS)를 이용하였으며, 2018년 총 5개 사례, 2019년 총 8개 사례에 대하여 검증하였다. 본 연구를 통하여 레이더가 관측할 수 있는 한반도 전 지역에 대하여 실시간 착빙 가능역을 제공함으로써 항공운항 시의 의사 결정에 도움이 되고자 하였다. 특히 착빙 제거 장치가 없는 경비행기, 의료/소방 헬기 등과 같은 저고도 항공기의 착빙 위험을 줄일 수 있도록 안전한 운항을 지원하는데 기여할 수 있을 것이다.