KR101255737B1 - 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법 - Google Patents

참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 시선속도 자료 중 최대관측속도의 범위를 벗어나는 영역에서 나타나는 속도 접힘(folding) 현상을 수정하여 기존의 속도로 복원시킬 수 있는 시선속도 접힘 풀기 방법에 관한 것이다.

Description

참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법 {Radial velocity dealiasing method using reference wind field}
본 발명은 시선속도 보정 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 참조 바람장을 이용해 레이더 시선속도 자료 중 최대관측속도의 범위를 벗어나는 영역에서 나타나는 시선속도 접힘(folding) 현상을 수정하여 기존의 시선속도로 복원시킬 수 있는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법에 관한 것이다.
시선속도 접힘 풀기 알고리즘은 1차원 연속성 체크 방법(Ray and Ziegler, 1977)과 이를 개선한 2차원 연속성 체크 방법(Merritt, 1984)이 초기적으로 개발되었고 이후 3차원 연속성 체크 방법(Bergen and Albers, 1988)과 변분법(Gao et al., 2004)을 이용한 방법, 레이더로부터 유도된 바람(VAD: Velocity Azimuthal Display)을 이용한 방법(Gong et al., 2003) 등이 개발되었다.
이러한 방법은 레이더 자료만을 이용하거나 레이더 자료로부터 유도된 변수들을 이용하여 주어진 지점과 그 주위 격자 지점과의 연속성을 체크하는 방법으로, 실제 노이즈가 포함된 자료를 이용하므로 품질 관리하는 데 한계가 있다는 단점이 있다.
이에 반해, 외부 바람장 자료를 이용한 시선속도 접힘풀기 방법(Lim et al., 2010)은 레이더 자료의 노이즈에 독립적이다는 장점이 있지만 외부 바람장 자료의 정확성이 요구되며, 초기에 미국 레이더 기준으로 개발되어 한반도 레이더의 관측자료와 관측내용에 맞지 않는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 레이더 자료와 함께 관측 자료를 이용하여 참조 바람장 자료를 생성하고, 또한, 도플러 특성상 나타나는 속도 접힘의 원상복원 알고리즘을 레이더의 원시 좌표계(극좌표계)상에서 수행함으로써 기상 레이더 시선속도의 품질관리를 향상시킬 수 있는 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 레이더 자료외에 관측 자료를 이용하여 참조 바람장 자료를 생성함으로써 한반도 레이더의 관측자료와 관측내용에 맞도록 하여 생성된 바람장 자료의 정확도를 높일 수 있는 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 관측 자료에 대한 내삽을 수행하여 참조 바람장 자료를 생성하는 단계; 생성된 참조 바람장 자료를 극좌표계 변환을 통해 레이더 시선속도 자료로 계산하는 단계; 계산된 레이더 시선속도 자료와 관측된 레이더 시선속도 자료를 비교하여 접힘 여부를 판단하고 시선속도 접힘으로 판단되면 관측된 레이더 시선속도 자료에 대한 오차 수정을 통해 실제 시선 속도로 복원하는 1차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계; 및 1차 시선속도 접힘 보정이 수행된 시선속도 자료 중 임의의 지점의 주변 일정 영역에 대한 평균 시선속도를 계산하고, 상기 평균 시선속도 자료와 상기 임의의 지점의 관측된 시선속도 자료를 비교하여 접힘 여부를 판단하고, 시선속도 접힘으로 판단되면 상기 임의의 지점의 관측된 시선속도 자료에 대한 오차 수정을 통해 실제 시선 속도로 복원하는 2차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계;를 포함하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법을 포함할 수 있다.
이때, 본 방법에 있어서, 상기 레이더 시선속도 자료를 계산하는 단계는, 상기 생성된 참조 바람장 자료의 x, y, z 각 축상의 자료와 가장 가까운 지점에 해당하는 (r, θ, φ) 값을 획득하는 단계; 및 상기 생성된 참조 바람장 자료를 아래 수학식 1을 이용하여 레이더 시선속도를 산출하는 단계;로 이루어질 수 있다.
Figure 112012077232053-pat00001
(수학식 1)
(여기서, u, v는 주어진 지점에서 각각 동서 및 남북 바람성분을, rx는 주어진 지점에서 레이더까지 x축상의 거리를, ry는 주어진 지점에서 레이더까지 y축상의 거리를 나타냄)
또한, 본 방법에 있어서, 상기 1차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계는, 상기 산출된 레이더 시선속도와 해당하는 (r, θ, φ) 지점의 관측된 레이더 시선속도를 아래 수학식 2에 적용하여 접힘 여부를 판단하는 단계; 및 접힘으로 판단되면, 아래 수학식 3을 이용하여 실제 레이더 시선속도로 접힘 풀기를 수행하는 단계;로 이루어질 수 있다.
Figure 112012077232053-pat00002
(수학식 2)
(여기서, Vref는 참조 바람장으로부터 계산된 시선속도를, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를, Cfactor는 보정상수를 각각 나타냄)
Figure 112012077232053-pat00003
(수학식 3)
(여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타냄)
또한, 본 방법에 있어서, 상기 2차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계는, 상기 임의의 지점 주변의 일정 영역에 대한 평균 시선속도를 계산하는 단계; 계산된 평균 시선속도와 임의의 지점의 관측된 시선속도를 아래 수학식 4에 적용하여 시선속도 접힘 여부를 판단하는 단계; 및 시선속도 접힘으로 판단되면 아래 수학식 5를 이용하여 시선속도 접힘 풀기를 수행하는 단계;로 이루어질 수 있다.
Figure 112012077232053-pat00004
(수학식 4)
(여기서, Vmean는 임의의 지점 주변의 평균 시선속도를, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n'은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를 각각 나타냄)
Figure 112012077232053-pat00005
(수학식 5)
(여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타냄)
또한, 본 방법에 있어서, 상기 2차 시선속도 접힘 보정이 수행된 후에, 상기 임의의 지점의 시선속도를 계산하는 단계; 상기 임의의 지점의 상위 고도각에 해당하는 지점의 시선속도를 계산하는 단계; 상기 임의의 지점의 시선속도와 상위 고도각에 해당하는 지점의 시선속도를 아래 수학식 6에 적용하여 접힘 여부를 판단하는 단계; 및 접힘으로 판단되면, 아래 수학식 7을 이용하여 실제 레이더 시선속도로 접힘 풀기를 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
Figure 112012077232053-pat00006
(수학식 6)
(여기서, Vlow는 임의의 지점의 시선속도를, Vhigh는 임의의 지점과 한 고도각 위의 시선속도를, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n''은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를 각각 나타냄)
Figure 112012077232053-pat00007
(수학식 7)
(여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타냄)
또한, 본 방법에 있어서, 상기 n, n' 및 n''가 1보다 크면 레이더 시선속도 접힘 현상이 발생한 것으로 판단하는 것일 수 있다.
또한, 본 방법에 있어서, 상기 관측 자료는, 레디오존데, 윈드 프로파일러, 자동기상관측장비(AWS), 지상관측 및 수치모델 결과자료를 포함하는 그룹 중 하나일 수 있으며, 상기 참조 바람장 자료를 생성하는 단계는, 레디오존데 및 윈드 프로파일러의 자료를 이용하여 주어진 지점에 대한 연직 격자상의 바람 정보를 생성하는 단계; 자동기상관측장비(AWS) 및 지상관측의 자료를 이용하여 지상에 대한 x, y축 상의 바람 정보를 생성하는 단계; 및 상기 지상에 대한 x, y축 상의 바람 정보와 상기 주어진 지점에 대한 연직 격자상의 바람 정보를 이용하여 지상에서부터 한 격자씩 올라가면서 수평내삽하여 x, y, z 각 축상의 모든 격자에 대한 바람 정보를 생성하는 단계;로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 레이더 자료외에 관측 자료를 이용하여 참조 바람장 자료를 생성함으로써 레이더를 이용한 바람장 자료 생성에 있어서 정확도를 높일 수 있으며, 또한, 시선속도 접힘의 복원을 레이더의 원시 좌표계(극좌표계)상에서 수행함으로써 시선속도 자료의 품질 향상이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 참조 바람장 자료를 이용한 시선속도 보정과 연속성 확인을 통한 시선속도 보정을 통해 시선속도 자료의 품질을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 한반도 레이더 관측자료 및 관측내용에 맞도록 레이더 자료외에 관측 자료로부터 생성된 참조 바람장 자료를 이용하여 시선속도를 보정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 참조 바람장을 이용한 시선속도 접힘 풀기 시스템의 전체 네트워크 구조를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 참조 바람장을 이용한 시선속도 접힘 풀기 시스템의 각 부의 동작을 설명하기 위한 참조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 참조 바람장 자료를 이용한 시선속도 접힘 풀기 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 3의 1차 시선속도 접힘 보정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 도 3의 2차 시선속도 접힘 보정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 도 3의 3차 시선속도 접힘 보정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 도 3의 시선속도 접힘 풀기 방법을 실제 적용한 제1 사례를 나타낸 예시도이다.
도 8은 도 3의 시선속도 접힘 풀기 방법을 실제 적용한 제2 사례를 나타낸 예시도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 그리고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙였다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 시스템의 전체 네트워크를 나타낸 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 시스템의 각 부의 동작을 설명하기 위한 참조도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 시스템은, 바람장 자료 생성 장치(100)와 시선속도 보정 장치(200)로 이루어지며, 시선속도 보정 장치(200)는 제1 보정부(210), 제2 보정부(220) 및 제3 보정부(230)로 이루어진다.
바람장 자료 생성 장치(100)는 레이더 자료외에 관측 및 수치모델 자료를 입력받아 참조 바람장 자료를 생성한다. 이때, 생성되는 참조 바람장 자료는 3차원 바람장 자료로 격자자료이며, 이후 시선속도 보정 장치(200)에서 레이더 시선속도 자료로 전환된다. 관측 자료로는 레디오존데, 윈드 프로파일러, AWS, 지상관측 각각의 자료일 수 있다. 본 발명에서는 참조 바람장 자료와 3차원 바람장 자료를 동일한 용어로 사용하며, 이하에서는 3차원 바람장 자료로 기재하여 설명하도록 한다.
바람장 자료 생성 장치(100)는 입력받은 관측 자료를 이용하여 3차원 내삽을 수행하는 방법과, 수치모델 자료를 이용하여 바람장 자료를 생성하는 방법을 이용할 수 있다. 즉, 바람장 자료 생성 장치(100)는 레디오 존데 자료에 대한 연직 내삽, 윈드 프로파일러 자료에 대한 연직 내삽, 지상 관측 자료에 대한 수평 내삽을 수행하여 각각 3차원 바람장을 생성할 수 있다.
먼저, 바람장 자료 생성 장치(100)는 관측 자료를 이용하여 한반도 주변 영역에 대한 직교좌표계 상의 바람장 자료를 생성한다. 이때 바람장 자료는 u, v 값을 의미하며, u는 바람의 동서성분을, v는 바람의 남북성분을 의미하며, 단위는 m/s이다.
이러한 바람장 자료 생성 장치(100)의 동작을 상세하게 설명하면, 먼저, 윈드 프로파일러 자료 및 레디오 존데 자료를 이용하여 주어진 지점에 대해서 연직격자상의 바람장 정보를 생성한다. 이때 바람장 자료 생성 장치(100)는 Barnes 내삽 방법을 이용하여 연직내삽을 수행할 수 있다.
그런 다음, 바람장 자료 생성 장치(100)는 AWS 및 지상관측 자료를 이용하여 지상에 대한 x, y축 격자상의 바람장 정보를 생성한다. 이때 바람장 자료 생성 장치(100)는 Barnes 내삽 방법을 이용하여 수평내삽을 수행할 수 있다.
이어서, 바람장 자료 생성 장치(100)는 앞 단계에서 얻어진 지상에 대한 x, y축 격자상의 바람장 정보와 연직격자상의 바람장 정보를 이용하여 지상에서부터 상층으로 한 격자씩 올라가면서 수평내삽을 수행하여 x, y, z 축상의 모든 격자에 대해 바람장 정보를 생성한다. 이때 바람장 자료 생성 장치(100)는 Barnes 내삽 방법을 이용하여 수평내삽을 수행할 수 있다.
그런 다음, 바람장 자료 생성 장치(100)는 지상자료와 상층 자료간의 불연속적인 자료를 부드럽게 만든다. 이러한 과정을 통해 바람장 자료 생성 장치(100)는 3차원 바람장 자료를 생성할 수 있다.
그리고, 제1 보정부(210)는 전반적인 시선속도 접힘 풀기(global unfolding)를 수행하는 기능부이며, 제2 보정부(220)는 국지적인 시선속도 접힘 풀기(local unfolding)를 수행하는 기능부이며, 제3 보정부(230)는 고도별 연속성 확인을 통한 시선속도 접힘 풀기를 수행하는 기능부이다.
구체적으로, 제1 보정부(210)는 바람장 자료 생성 장치(100)에서 생성된 3차원 바람장 자료를 입력받고, 입력받은 3차원 바람장 자료를 레이더 시선속도로 환산한다. 여기서, 3차원 바람장 자료는 바람의 u, v 성분으로 구성되어 있으므로 그 좌표체계가 직교좌표계(x, y, z)로 나타나며, 레이더 시선속도 자료는 바람의 도플러 속도이므로 좌표체계가 극좌표계(r, θ, φ)로 나타난다. 따라서 3차원 바람장 자료와 레이더 시선속도 자료를 직접적으로 비교할 수 없으므로, 제1 보정부(210)는 3차원 바람장 자료를 레이더 시선속도로 환산을 먼저 수행한 후 관측된 레이더 시선속도 자료와 비교를 수행하게 된다.
이러한 제1 보정부(210)가 3차원 바람장 자료를 레이더 시선속도 자료로 환산하는 과정을 자세하게 설명하면, 먼저 직교좌표계(x, y, z) 상의 3차원 바람장 자료와 가장 가까운 지점에 해당하는 극좌표계(r, θ, φ) 값을 얻는다. 그런 다음, 제1 보정부(210)는 직교좌표계(x, y, z) 상의 u, v 바람장을 아래의 수학식 1에 적용하여 레이더 시선속도(Vr)로 환산한다.
Figure 112012077232053-pat00008
여기서, u, v는 주어진 지점에서 각각 동서 및 남북 바람성분을, rx는 주어진 지점에서 레이더까지 x축상의 거리를, ry는 주어진 지점에서 레이더까지 y축상의 거리를 나타낸다.
그런 다음, 제1 보정부(210)는 환산된 레이더 시선속도와 주어진 지점의 관측된 시선속도를 비교하여 시선속도 접힘 여부를 판단한다.
즉, 제1 보정부(210)는 환산된 레이더 시선속도와 관측된 시선속도의 비교 결과, 시선속도 접힘으로 판단되면 오차를 수정하여 보정함으로써 시선속도 접힘 보정을 수행한다.
이러한 제1 보정부(210)가 시선속도 접힘 보정을 수행하는 과정을 자세하게 설명하면, 환산된 레이더 시선속도와 극좌표계(r, θ, φ) 상의 해당 지점의 관측된 시선속도를 아래의 수학식 2에 적용하여 접힘 여부를 판단한다.
Figure 112012077232053-pat00009
여기서, Vref는 3차원 바람장으로부터 계산된 시선속도를, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를, Cfactor는 상수항으로 Vref에 대한 오차를 감안하기 위한 보정상수를 각각 나타낸다.
따라서, 수학식 2에 따르면, n이 1보다 크면 레이더에서 관측된 바람(Va)은 접힘현상이 발생한 것으로 판단한다.
그런 다음, 제1 보정부(210)는 n이 1보다 크면 접힘이 발생한 것으로 판단하고, 아래의 수학식 3을 이용하여 오차를 수정하고 실제 바람 정보로 환산하여 복원을 수행한다.
Figure 112012077232053-pat00010
여기서, n은 레이더에서 바람이 몇 번 접혔는지를 나타내는 수이며, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타낸다.
그리고, 제2 보정부(220)는 제1 보정부(210)에서 1차 시선속도 접힘 보정이 수행된 결과에 대해 평균 바람장을 이용한 시선속도 접힘 풀기를 수행할 수 있다.
즉, 제2 보정부(220)는 주어진 임의의 지점으로부터 주변의 일정 영역을 결정하고, 결정된 일정 영역에 해당하는 평균 시선속도를 계산하고, 계산된 평균 시선속도와 주어진 임의의 지점의 관측된 시선속도를 비교하여 시선속도 접힘 여부를 판단한다.
예를 들어, 제2 보정부(220)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 임의의 지점(P)에 대해 주변의 1격자 영역(L1)만을 일정 영역으로 결정할 수 있다. 이 경우, 제2 보정부(220)는 임의의 지점(P)에 대해 전후좌우로 1격자씩을 포함하여 총 9개의 격자에 대한 바람장 자료를 이용하여 시선속도 평균값을 계산할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 제2 보정부(220)는 임의의 지점(P)에 대해 주변의 2격자 영역(L2)까지를 일정 영역으로 결정할 수 있다. 이 경우, 제2 보정부(220)는 먼저 전후좌우로 1격자씩을 포함하여 총 9개의 바람장 자료를 이용하여 L1 영역의 시선속도 평균값을 계산하고, 계산된 L1 영역의 시선속도 평균값에 대한 접힘 여부를 판단하여 접힘 풀기를 수행하게 되면 시선속도 접힘 풀기를 종료할 수 있다. 만일, L1 영역의 시선속도 평균값에 대한 접힘이 없을 경우는, L2 영역에 대한 접힘 풀기를 수행할 수 있다. 즉, 제2 보정부(220)는 임의의 지점(P)에 대해 전후좌우로 2격자씩 포함하여 총 25개의 바람장 자료를 이용하여 L2 영역의 시선속도 평균값을 계산하고, 계산된 L2 영역의 시선속도 평균값에 대한 접힘 여부를 판단하여 접힘 풀기를 수행할 수 있다. 여기서, L2 영역의 시선속도 평균값의 접힘이 없을 경우에는 3격자 영역(미도시)에 대한 시선속도 평균값을 계산하여 접힘 풀기를 수행할 수 있다. 이와 같이, 제2 보정부(220)는 임의의 지점에 대한 주변 일정 영역에 대한 시선속도 접힘 풀기를 1격자씩 확대해가면서 수행할 수 있다.
이러한 제2 보정부(220)는 아래 수학식 4를 이용하여 시선속도 접힘 여부를 판단할 수 있다.
Figure 112012077232053-pat00011
여기서, Vmean는 임의의 지점 주변의 평균 시선속도를, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n'은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를, Cfactor는 보정상수를 각각 나타낸다.
따라서, 수학식 4에 따르면, n'이 1보다 크면 레이더에서 관측된 바람(Va)은 접힘현상이 발생한 것으로 판단된다.
또한, 제2 보정부(220)는 주어진 임의의 지점에서 접힘 현상이 발생한 것으로 판단되면, 아래 수학식 5를 이용하여 오차를 수정하고 실제 바람 정보로 복원한다.
Figure 112012077232053-pat00012
여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타낸다.
그리고, 제3 보정부(230)는 제2 보정부(220)에서 수행된 2차 시선속도 접힘 보정 결과로부터 연속된 고도각의 시선속도를 비교하여 시선속도 접힘 풀기를 수행할 수 있다.
예를 들어, 제3 보정부(230)는 도 2의 (b)와 같이, 주어진 임의의 지점(P)에 대한 시선속도(Vlow)와 바로 한 고도각 위의 시선속도(Vhigh)를 비교하여 시선속도 접힘 여부를 판단한다.
이러한 제3 보정부(230)는 아래 수학식 6을 이용하여 시선속도 접힘 여부를 판단할 수 있다.
Figure 112012077232053-pat00013
여기서, Vlow는 임의의 지점의 시선속도를, Vhigh는 임의의 지점과 한 고도각 위의 시선속도를, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n''은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를, Cfactor는 보정상수를 각각 나타낸다.
따라서, 수학식 6에 따르면, n''이 1보다 크면 임의의 지점의 시선속도와 상위 고도각의 시선속도가 연속성이 없는 것으로 판단하여 시선속도의 접힘현상이 발생한 것으로 판단한다.
또한, 제3 보정부(230)는 주어진 임의의 지점에서 접힘 현상이 발생한 것으로 판단되면, 아래 수학식 7을 이용하여 오차를 수정하고 실제 바람 정보로 복원한다.
Figure 112012077232053-pat00014
여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타낸다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 시선속도 접힘 보정 시스템은, 레이더 자료 외에 관측 자료를 이용해 3차원 바람장 자료를 생성함으로써 생성된 3차원 바람장 자료의 정확성을 높일 수 있으며, 또한, 1차 시선속도 접힘 보정으로 전반적인 시선속도 접힘 풀기(Global unfolding)를 수행하는 동시에, 2차 시선속도 접힘 보정으로 국지적인 시선속도 접힘 풀기(Local unfolding)를 수행함으로써 시선속도 자료의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 시선속도 접힘 보정 시스템은, 고도각에 대한 시선속도의 연속성 확인을 통한 시선속도 접힘 보정을 수행함으로써 시선속도 자료의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 시선속도 접힘 풀기 시스템은, 먼저, 참조 바람장 자료, 즉 3차원 바람장 자료의 생성을 수행한다(S301). 이때, 본 시스템은, 레이더 자료 외에 관측 및 수치모델 자료를 입력받아 3차원 바람장 자료를 생성한다. 3차원 바람장 자료는 격자자료로 생성되고, 이후 1차 시선속도 접힘 보정을 수행할 때 레이더 시선속도로 전환된다.
그런 다음, 본 시선속도 접힘 풀기 시스템은, 생성된 3차원 바람장 자료와 레이더 원시자료를 입력받아 1차 시선속도 접힘 보정을 수행한다(S302).
이를 위해, 본 시스템은, 먼저 3차원 바람장 자료를 이용해 레이더 시선속도를 계산한다. 이후, 레이더 원시 자료를 입력받아 레이더에서 관측된 시선속도 자료를 수집하고, 3차원 바람장 자료에서 가장 가까운 지점의 계산된 레이더 시선속도와 해당 지점의 관측된 시선속도를 비교하여 접힘 여부를 판단한다. 비교 결과, 접힘으로 판단되면 오차를 수정하여 기존의 속도값으로 복원을 수행한다.
이어서, 본 시선속도 접힘 풀기 시스템은, 1차 시선속도 접힘 보정이 완료되면, 2차 시선속도 접힘 보정을 수행한다(S303).
이를 위해, 본 시스템은, 먼저, 1차 시선속도 접힘 보정이 수행된 자료에서 주어진 임의의 지점 주변의 일정 영역에 대한 평균 시선속도를 계산하고, 계산된 평균 시선속도와 주어진 임의의 지점의 시선속도를 비교하여 접힘 여부를 판단한다. 비교 결과, 접힘으로 판단되면 오차를 수정하여 기존의 속도값으로 복원을 수행한다.
그런 다음, 본 시선속도 접힘 풀기 시스템은, 2차 시선속도 접힘 보정이 완료되면, 3차 시선속도 접힘 보정을 수행한다(S304).
이를 위해, 본 시스템은, 먼저, 2차 시선속도 접힘 보정이 수행된 자료에서 주어진 임의의 지점의 시선속도 및 임의의 지점의 상위 고도각의 시선속도를 계산하고, 계산된 두 시선속도를 비교하여 접힘 여부를 판단한다. 비교 결과, 접힘으로 판단되면 오차를 수정하여 기존의 속도값으로 복원을 수행한다.
이로써 본 시선속도 접힘 풀기 방법은, 레이더 자료외에 관측 및 수치모델 자료를 입력받아 3차원 바람장 자료를 생성함으로써 생성된 3차원 바람장 자료의 정확성을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 보정되는 시선속도 자료의 품질 향상도 가능하게 한다.
또한, 본 시선속도 접힘 풀기 방법은, 전반적인 시선속도 접힘 풀기(Global unfolding)를 수행하는 동시에, 국지적인 시선속도 접힘 풀기(Local unfolding)를 수행하고, 고도각에 따른 시선속도의 연속성을 확인하여 시선속도 접힘 풀기를 수행함으로써 시선속도 자료의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4는 도 3의 1차 시선속도 접힘 보정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 본 시선속도 접힘 보정 시스템은, 생성된 3차원 바람장 자료를 이용해 시선속도를 계산한다(S401). 여기서, 3차원 바람장 자료는 바람의 u, v 성분으로 구성되어 있으며 직교좌표계(x, y, z)로 나타난다. 한편, 레이더 시선속도 자료는 바람의 도플러 속도로 극좌표계(r, θ, φ)로 나타난다. 따라서, 3차원 바람장 자료를 레이더 시선속도 자료와 비교하기 위해서 생성된 3차원 바람장 자료를 시선속도로 환산하는 과정이 필요하다.
즉, 본 시스템은 직교좌표계(x, y, z) 상의 3차원 바람장 자료와 가장 가까운 지점에 해당하는 r, θ, φ의 값을 얻고, 직교좌표계(x, y, z) 상의 u, v 바람장을 수학식 1에 적용하여 레이더 시선속도를 계산한다.
그런 다음, 계산된 레이더 시선속도와 얻어진 (r, θ, φ)의 지점에서 관측된 시선속도를 비교하여 시선속도 접힘 여부를 판단한다(S402). 여기서, 본 시스템은 레이더 원시 자료를 입력받아 레이더 시선속도를 획득한다.
이때, 본 시스템은 계산된 레이더 시선속도와 관측된 시선속도를 수학식 2에 적용하여 시선속도 접힙 여부를 판단한다. 그 결과, n이 1보다 크면 레이더에서 관측된 바람(Va)은 접힘 현상이 발생한 것으로 판단한다.
이어서, 접힘이 발생한 것으로 판단되면, 접힘이 발생된 지점에 대한 시선속도 접힘 보정을 수행한다(S403). 즉, 본 시스템은, 수학식 3을 이용하여 접힘이 발생된 시선속도의 오차를 수정하고 실제 시선속도로 복원을 수행한다.
도 5는 도 3의 2차 시선속도 접힘 보정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 본 시선속도 접힘 보정 시스템은, 1차 시선속도 접힘 보정된 자료에서 임의의 지점 주변의 일정 영역에 대한 평균 시선속도를 계산한다(S501).
예를 들어, 제2 보정부(220)는 임의의 지점에 대해 주변의 1격자 영역만을 일정 영역으로 결정할 수 있다. 이 경우, 제2 보정부(220)는 임의의 지점에 대해 전후좌우로 1격자씩을 포함하여 총 9개의 격자에 대한 바람장 자료를 이용하여 시선속도 평균값을 계산할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 제2 보정부(220)는 임의의 지점에 대해 주변의 2격자 영역(L2)까지를 일정 영역으로 결정할 수 있다. 이 경우, 제2 보정부(220)는 먼저 전후좌우로 1격자씩을 포함하여 총 9개의 바람장 자료를 이용하여 L1 영역의 시선속도 평균값을 계산하고, 계산된 L1 영역의 시선속도 평균값에 대한 접힘 여부를 판단하여 접힘 풀기를 수행하게 되면 시선속도 접힘 풀기를 종료할 수 있다. 만일, L1 영역의 시선속도 평균값에 대한 접힘이 없을 경우는, L2 영역에 대한 접힘 풀기를 수행할 수 있다. 즉, 제2 보정부(220)는 임의의 지점에 대해 전후좌우로 2격자씩 포함하여 총 25개의 바람장 자료를 이용하여 L2 영역의 시선속도 평균값을 계산하고, 계산된 L2 영역의 시선속도 평균값에 대한 접힘 여부를 판단하여 접힘 풀기를 수행할 수 있다. 여기서, L2 영역의 시선속도 평균값의 접힘이 없을 경우에는 3격자 영역(미도시)에 대한 시선속도 평균값을 계산하여 접힘 풀기를 수행할 수 있다. 이와 같이, 제2 보정부(220)는 임의의 지점에 대한 주변 일정 영역에 대한 시선속도 접힘 풀기를 1격자씩 확대해가면서 수행할 수 있다.
그런 다음, 계산된 평균 시선속도를 임의의 지점에서 관측된 시선속도와 비교하고(S502) 접힘 여부를 판단할 수 있다. 이때, 계산된 평균 시선속도와 관측된 시선속도를 수학식 4에 적용하여 접힘 여부를 판단한다.
이어서, 비교 결과에 따라 2차 시선속도 접힘 보정을 수행한다(S503). 예를 들어, 수학식 4에 의해 산출된 값인 n'가 1보다 크면, 접힘 현상이 발생한 것으로 판단하고, 수학식 5를 이용하여 오차를 수정하고 실제 바람 정보로 복원을 수행한다.
도 6은 도 3의 3차 시선속도 접힘 보정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 본 시선속도 접힘 보정 시스템은, 2차 시선속도 접힘 보정된 자료에서 임의의 지점의 시선속도(Vlow)를 계산한다(S601).
그런 다음, 임의의 지점의 상위 고도각의 시선속도(Vhigh)를 계산한 후 임의의 지점의 시선속도(Vlow)와 비교한다(S502). 이때, 두 시선속도(Vlow, Vhigh)의 비교는 수학식 6을 이용하여 이루어진다.
이어서, 비교 결과에 따라 3차 시선속도 접힘 보정을 수행한다(S503). 예를 들어, 수학식 6에 의해 산출된 값인 n''가 1보다 크면 접힘 현상이 발생한 것으로 판단하고, 수학식 7을 이용하여 오차를 수정하고 실제 바람 정보로 복원을 수행한다.
도 7은 도 3의 시선속도 접힘 풀기 방법을 실제 적용한 제1 사례를 나타낸 예시도로, 구덕산 레이더의 2010년 8월 11일 0600 LST 사례에 대한 시선속도 접힘보정 전(a)과 접힘 보정 후(b)의 레이더 시선속도 이미지를 나타낸 것이다.
도 7 (a) 및 (b)를 참조하면, (a)의 붉은색으로 표시된 부분(X)에 대한 시선속도 접힘 보정((b)의 X')이 수행되었음을 알 수 있다.
도 8은 도 3의 시선속도 접힘 풀기 방법을 실제 적용한 제2 사례를 나타낸 예시도로, 구덕산 레이더의 2010년 8월 11일 0600 LST 사례에 대한 시선속도 접힘보정 전(a)과 접힘보정 후(b)의 레이더 시선속도 이미지를 나타낸 것이다.
도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, (a)의 붉은색으로 표시된 부분(Y)에 대한 시선속도 접힘 보정((b)의 Y')이 수행되었음을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들을 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
100. 바람장 자료 생성 장치 200. 시선속도 접힘 풀기 장치

Claims (9)

  1. 관측 자료에 대한 내삽을 수행하여 참조 바람장 자료를 생성하는 단계;
    생성된 참조 바람장 자료를 극좌표계 변환을 통해 레이더 시선속도 자료로 계산하는 단계;
    계산된 레이더 시선속도 자료와 관측된 레이더 시선속도 자료를 비교하여 접힘 여부를 판단하고 시선속도 접힘으로 판단되면 관측된 레이더 시선속도 자료에 대한 오차 수정을 통해 실제 시선 속도로 복원하는 1차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계; 및
    1차 시선속도 접힘 보정이 수행된 시선속도 자료 중 임의의 지점의 주변 일정 영역에 대한 평균 시선속도를 계산하고, 상기 평균 시선속도 자료와 상기 임의의 지점의 관측된 시선속도 자료를 비교하여 접힘 여부를 판단하고, 시선속도 접힘으로 판단되면 상기 임의의 지점의 관측된 시선속도 자료에 대한 오차 수정을 통해 실제 시선 속도로 복원하는 2차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계;를 포함하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 시선속도 자료를 계산하는 단계는, 상기 생성된 참조 바람장 자료의 x, y, z 각 축상의 자료와 가장 가까운 지점에 해당하는 (r, θ, φ) 값을 획득하는 단계; 및
    상기 생성된 참조 바람장 자료를 아래 수학식 1을 이용하여 레이더 시선속도를 산출하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
    Figure 112012077232053-pat00015
    (수학식 1)
    (여기서, u, v는 주어진 지점에서 각각 동서 및 남북 바람성분을, rx는 주어진 지점에서 레이더까지 x축상의 거리를, ry는 주어진 지점에서 레이더까지 y축상의 거리를 나타냄)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 1차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계는,
    상기 산출된 레이더 시선속도와 해당하는 (r, θ, φ) 지점의 관측된 레이더 시선속도를 아래 수학식 2에 적용하여 접힘 여부를 판단하는 단계; 및
    접힘으로 판단되면, 아래 수학식 3을 이용하여 실제 레이더 시선속도로 접힘 풀기를 수행하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
    Figure 112012077232053-pat00016
    (수학식 2)
    (여기서, Vref는 참조 바람장으로부터 계산된 시선속도를, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를, Cfactor는 보정상수를 각각 나타냄)
    Figure 112012077232053-pat00017
    (수학식 3)
    (여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타냄)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 2차 시선속도 접힘 보정을 수행하는 단계는,
    상기 임의의 지점 주변의 일정 영역에 대한 평균 시선속도를 계산하는 단계;
    계산된 평균 시선속도와 임의의 지점의 관측된 시선속도를 아래 수학식 4에 적용하여 시선속도 접힘 여부를 판단하는 단계; 및
    시선속도 접힘으로 판단되면 아래 수학식 5를 이용하여 시선속도 접힘 풀기를 수행하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
    Figure 112012077232053-pat00018
    (수학식 4)
    (여기서, Vmean는 임의의 지점 주변의 평균 시선속도를, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n'은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를, Cfactor는 보정상수를 각각 나타냄)
    Figure 112012077232053-pat00019
    (수학식 5)
    (여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타냄)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2차 시선속도 접힘 보정이 수행된 후에, 상기 임의의 지점의 시선속도를 계산하는 단계;
    상기 임의의 지점의 상위 고도각에 해당하는 지점의 시선속도를 계산하는 단계;
    상기 임의의 지점의 시선속도와 상위 고도각에 해당하는 지점의 시선속도를 아래 수학식 6에 적용하여 접힘 여부를 판단하는 단계; 및
    접힘으로 판단되면, 아래 수학식 7을 이용하여 실제 레이더 시선속도로 접힘 풀기를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
    Figure 112013003205873-pat00020
    (수학식 6)
    (여기서, Vlow는 임의의 지점의 시선속도를, Vhigh는 임의의 지점과 한 고도각 위의 시선속도를, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, n''은 레이더에서 바람이 접힌 횟수를, Cfactor는 보정상수를 각각 나타냄)
    Figure 112013003205873-pat00021
    (수학식 7)
    (여기서, Vn은 레이더에서 관측할 수 있는 최대관측풍속을, Va는 레이더에서 관측된 풍속을, Vr은 접힘이 발생하지 않은 경우의 실제 시선속도를 각각 나타냄)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 n, n' 및 n''가 1보다 크면 레이더 시선속도 접힘 현상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 관측 자료는, 레디오존데, 윈드 프로파일러, 자동기상관측장비(AWS), 지상관측 및 수치모델 결과자료를 포함하는 그룹 중 하나인 것을 특징으로 하는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 참조 바람장 자료를 생성하는 단계는,
    레디오존데 및 윈드 프로파일러의 자료를 이용하여 주어진 지점에 대한 연직 격자상의 바람 정보를 생성하는 단계;
    자동기상관측장비(AWS) 및 지상관측의 자료를 이용하여 지상에 대한 x, y축 상의 바람 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 지상에 대한 x, y축 상의 바람 정보와 상기 주어진 지점에 대한 연직 격자상의 바람 정보를 이용하여 지상에서부터 한 격자씩 올라가면서 수평내삽하여 x, y, z 각 축상의 모든 격자에 대한 바람 정보를 생성하는 단계;로 이루어지는 참조 바람장을 이용한 레이더 시선속도 접힘 풀기 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램을 디지털 신호 처리 장치에 의해 판독되고 실행될 수 있도록 기록한 기록매체.

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