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        남한에서 낙뢰발생시 근접 고층기상관측 자료를 이용한 안정도 지수 분석

        엄효식(Hyo-Sik Eom),서명석(Myoung-Seok Suh) 한국기상학회 2010 大氣 Vol.20 No.4

        수치모델 및 자료동화 기법이 급격히 발달하고 여러 가지 물리·역학적 과정이 개선되며, 이를 운영하는 컴퓨팅 시스템이 발달함에 따라 수치예보 기술 및 성능이 개선되었지만, 낙뢰와 같이 주로 중규모 시스템에 동반되어 발생하거나, 수십 ㎞ 이내의 국지적인 악기상에 동반된 경우 아직까지는 수치모델의 예측성은 매우 낮다고 할 수 있다. 이렇게 낮은 낙뢰 탐지 및 예측성을 개선하기 위하여 지상 및 고층, 원격 탐사된 자료를 종합적으로 활용하여 낙뢰 탐지 및 예보에 접근할 필요성이 있다. 또한 한반도의 대기상태가 점차 하층에서의 온난화와 습윤화로 인하여 불안정화 되고 있는 상태에서 최근 데이터를 이용하여 새로운 지침을 모색할 필요가 있다. 본 연구에서는 남한 지역에서 발생하는 낙뢰현상의 탐지 가능성 및 예측성을 높이기 위하여 기상청 신낙뢰관측 시스템에서 관측된 낙뢰 자료와 우리나라 5개 고층 관측소 (오산, 광주, 포항, 제주, 백령도)에서 관측된 고층기상관측자료를 분석하여 낙뢰 발생시 안정도 지수와 환경변수의 객관적인 특성을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 분석한 안정도 지수 및 대기환경변수는 CAPE, SSI, LI, KI, LCLT, MLMR, TPW 그리고 바람시어 등이다. 낙뢰와 고층기상관측 자료 사이의 대응(match-up) 자료 선정기준으로는 레윈존데의 실제적인 비양 및 관측시간을 기준으로 ?2hr~+1 hr 사이 그리고 고층기상관측소를 기준으로 100 ㎞ 이내에 낙뢰가 발생한 경우로 하였다. 장소 및 시간에 따라 정도의 차이는 있으나 낙뢰가 발생했을 때의 대류권 하층의 기온과 혼합비는 평시에 비해 약 1 K, 1~2 g kg-1 높게 나타나고 있다. 또한 각 안정도 지수와 환경변수를 낙뢰 발생시와 비발생시로 구분하여 지수들의 분포를 분석한 결과 변수에 따라 분리수준이 높은 경우도 있지만 대부분 많은 중첩이 나타나고 있어 특정 안정도 지수만을 이용하여 낙뢰탐지가 쉽지 않음을 확인하였다. 낙뢰 발생시와 비발생시에 값들의 분리가 상대적으로 높은 지수들를 이용하여 낙뢰탐지에 최적인 임계값을 산출하였다. 낙뢰와 같이 현상의 유무로 구분되는 이진변수의 탐지수준 분석에는 주로 분할표가 이용된다. 여기서 안정도 지수별 낙뢰탐지 최적의 임계값은 분할표로부터 도출되는 POD, FAR, ACC, CSI, HSS 등 다양한 평가측도 중에서 낙뢰와 같이 발생빈도가 적은 현상의 분석에 적합한 HSS를 최대로 하는 값으로 도출하였다. Table 6에서 보는 바와 같이 전지역에서 HSS의 값이 크지 않을 뿐만 아니라 각 안정도 지수 및 환경변수의 개수 및 임계값이 지역에 따라 상이하게 나타나고 있다. 따라서 이들 자료를 현업에서 이용하기 위해서는 보다 많은 사례와 낙뢰-고층기상관측자료 대응(match-up) 자료 선정기준의 정교화 등이 필요하다. 또한 낙뢰, 집중호우와 같은 악기상의 현황과 발달과정에 대해 많은 정보를 제공해주는 위성, 레이더 등 원격탐사자료와의 종합적인 활용이 필요하다. In this study, characteristics of various stability indexes (SI) and environmental parameters (EP) for the lightning are analysed by using 5 upper air observatories (Osan, Gwangju, Jeju, Pohang, and Baengnyeongdo) for the years 2002-2006 over South Korea. The analysed SI and EP are the lifted index, K-index, Showalter stability index, total precipitable water, mixing ratio, wind shear and temperature of lifting condensation level. The lightning data occurred on the range of ?2 hr~+1 hr and within 100 ㎞ based on the launch time of rawinsonde and observing location are selected. In general, summer averaged temperature and mixing ratio of lower troposphere for the lightning cases are higher about 1 K and 1~2 g ㎏?¹ than no lightning cases, respectively. The Box-Whisker plot shows that the range of various SI and EP values for lightning and no lightning cases are well separated but overlapping of SI and EP values between lightning and no lightning are not a little. The optimized threshold values for the detection of lightning are determined objectively based on the highest Heidke skill socre (HSS), which is the most favorable validation parameter for the rare event, such as lightning, by using the simulation of SI and EP threshold values. Although the HSS is not high (0.15~0.30) and the number and values of selected SI and EP are dependent on geographic location, the new threshold values can be used as a supplementary tool for the detection or forecast of lightning over South Korea.

      • KCI등재
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        여름철 낙뢰 발생 시 정지궤도 위성의 휘도온도 특성

        서은경 ( Eun Kyoung Seo ),이윤정 ( Yun Jeong Lee ),서명석 ( Myoung Seok Suh ),엄효식 ( Hyo Sik Eom ) 한국지구과학회 2009 韓國地球科學會誌 Vol.30 No.6

        본 연구에서는 2006-2008년 여름(6-8월)에 발생한 12개 낙뢰 사례에 대하여 기상청의 낙뢰관측 자료와 MTSAT-1R 위성의 적외(IR1) 및 수증기(WV) 채널 휘도온도를 이용하여 낙뢰 발생 시 위성영상 특성을 분석하였다. 낙뢰가 발생하지 않은 경우 IR1 채널의 휘도온도는 290-295K, WV 채널의 휘도온도는 245K 부근에서 최대 분포를 보인다. 그러나 낙뢰가 발생하는 경우, 강한 대류의 영향으로 두 채널 모두에서 휘도온도가 215K 이하로 낮아졌으며, 두 채널의 휘도온도차는 약 -50K에서 0K로 급격히 증가하였다. 뇌우 시스템의 발달 단계에 따라 차이는 있지만 원형 또는 타원형의 중규모 대류복합체에서는 그 대류 중심에서 많은 낙뢰가 발생하고, 스콜선 형 뇌우에서는 낙뢰가 선상으로 발생하는 특징을 보이고 있다. 낙뢰 발생빈도와 휘도온도는 중규모 대류계에서는 휘도온도에 관계없이 비교적 높은 상관성을 보이나 스콜선 형에서는 휘도온도가 낮을 때만 높은 상관성을 보인다. 또한 낙뢰는 두 채널의 휘도온도가 215K이하, 휘도온도 차가 -3-1K 이고, IR1 채널의 국지표준편차가 급격히 증가하다가 감소하는 지역에서 많이 발생하는 특징을 보였다. 그러나 위 조건은 선상으로 발생하는 낙뢰의 경우 탐지 정확도가 비교적 높지만, 중규모 대류복합체가 소멸단계에 이르러 모루운이 광범위하게 확장된 경우에는 탐지 정확도가 낮다. 따라서 휘도온도의 특성을 이용하여 낙뢰를 탐지하기 위해서는 보다 많은 사례와 다른 채널의 자료를 이용하여 낙뢰 발생시의 위성영상 특성을 정교화하여야할 것이다. Abstract: The characteristics of brightness temperature (BT) of infrared and water vapor channels from MTSAT-1R have been investigated using 12 persistent and frequent lightning cases selected from the summer lightnings of 2006-2008. The infrared (IR1, 10.3-11.3 ?m) and water vapor (WV, 6.5-7.0 ?m) channels from the MTSAT-1R and the lightning observation data from Korea Meteorological Administration are used. When there is no lightning, the BTs of the IR1 and WV channels show the largest frequency at around 290-295K and 245K, respectively. On the other hand, the BTs of two channels show the largest frequency at 215K caused by strong convection when there is lightning. As a result, the WVIR1 difference (BTDWI) sharply increases from -50K to 0K. Although it depends on the evolution stage of thunderstorms, the lightning mainly occurs at the core of circular convection in the mesoscale convective complex (MCC), whereas the lightning occurs by concentrated line-shape in the squall line. A strong positive correlation exists between the lightning frequency and the BT in the MCC regardless of the BT, but only at the very cold BT in the squall line. In general, the characteristics of BT are well defined for the lightning occurring in the concentrated line, but they are not well defined in the MCC, especially during the decaying stage of MCC. When they are defined well, the lightning occurs when the BTs of IR1 and WV are lower than 215K, BTDWI is near -3 to 1K, and local standard deviation of IR1 decreases to around 1K.

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