KR101571438B1 - 레이더 강우 조절 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 - Google Patents

레이더 강우 조절 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 Download PDF

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Abstract

레이더 강우 조절 방법은, 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 단계; 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정하는 단계; 실제 오차 및 유효반경을 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계; 및 조정오차를 반영하여 레이더 강우강도를 조절하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 지상 강우 분포의 정확도를 향상시킬 수 있다.

Description

레이더 강우 조절 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{METHOD OF ADJUSTING RADAR PRECIPITATION ESTIMATION, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 레이더 강우 조절 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법을 이용한 레이더 강우 조절 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것이다.
최근 우리나라는 집중호우로 인한 재해 유발 가능성이 높아짐에 따라, 이에 대한 방재 및 물 관리 대책이 필요한 실정이다. 집중호우에 대한 방재 및 물 관리를 위해서는 강우량의 정량적인 관측 및 예측이 이루어져야 한다. 현재 기상청에서는 전국 10 대의 단일편파기상레이더와 642 대의 우량계로 시간 및 공간 해상도의 지상 강우정보를 득하며, 이들 정보는 수자원 관리 및 방재, 수문, 생태학적 모델링 등에 이용된다.
지상에 설치된 우량계는 지상의 강우를 연속적, 직접적으로 측정할 수 있는 장점이 있는 반면, 우량계 미설치 영역에 대한 공간적인 강우 분포를 정확하게 제공할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 우량계 설치 지점에 바람이 강하게 부는 경우, 우량계가 과소 추정되는 경향이 있다.
이로부터 우량계보다 정확한 강우의 공간 분포 정보를 제공하지만, 우량계처럼 지상의 강우량을 직접 측정하지 않고, 대기 중 강수입자에 대한 레이더 반사도를 이용하여 추정한다. 기상레이더의 강우강도는 레이더 반사도(Z)와 강우강도(R)의 R-Z 관계식으로 강우를 추정하기 때문에, 강우 추정에 불확실성을 내포하고 있다.
우리나라의 여름철 국지성 집중호우는 층운형 강우와 함께 대류형 강우가 동반되는 혼합형 강우시스템에서 자주 발생하는데, 기상레이더의 강우강도는 일반적으로 단일 강우시스템에 대한 고정된 Z-R 관계식으로 추정되기 때문에, 이러한 집중호우 현상에 대해 과대 추정 혹은 과소 추정되는 문제가 있다. 이 뿐만 아니라 레이더 보정 오차(calibration error), 밝은띠(bright band)에 의한 오염, 거리에 따른 빔폭의 증가, 젖은 레이더돔 및 강우에 의한 감쇠(attenuation) 등에 의하여 강우 추정의 오차가 발생한다.
이러한 문제점들로 인하여 기존 연구자들은 기상레이더 강우강도 추정 정확도를 향상시키기 위한 방법으로, 지상 우량계 자료를 이용한 레이더 강우강도 조정(adjustment) 연구를 수행하였다. 지상 우량계와 기상레이더의 장점을 융합시킨 방법으로서, 그 중 가장 널리 사용되는 방법인 MFB(Mean Field Bias) 방법은 전체 관측영역에서 지상 우량계 강우강도와 레이더 강우강도의 보정계수를 계산하여 레이더 강우강도를 조정한다. 하지만, MFB 방법은 각각의 우량계 지점에서의 오차 특성을 반영하지 못하는 단점이 있다.
또한, Ware(2005)에 의해 제시된 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법은 각각의 우량계 지점에서의 오차 특성을 반영하여 레이더 강우강도를 조정한다. LGC 방법에서는 레이더와 우량계 강우강도의 실제오차를 역거리 가중(Inverse distance weighting, IDW)을 적용하여, 레이더 강우강도의 예측오차를 계산한다. 역거리가중치를 계산할 때 필요한 유효반경은 실제오차의 공간적인 상관성을 고려하지 않고 반복법을 통해서 결정된다. 이는 계산 시간이 많이 소요되는 단점 때문에 10분 간격으로 생성되는 레이더 자료의 실시간 조정에는 적합하지 않은 문제가 있다.
JP 2012-149920 A
Ware, E. C., 2005, Corrections to radar-estimated precipitation using observed rain gauge data. MSD. dissertation, Cornell University, Newyork, USA, 96 pp.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 지상 강수 분포의 정확도를 향상시키는 레이더 강우 조절 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 레이더 강우 조절 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 레이더 강우 조절 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레이더 강우 조절 방법은, 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 단계; 상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정하는 단계; 상기 실제 오차 및 상기 유효반경을 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계; 및 상기 조정오차를 반영하여 상기 레이더 강우강도를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 유효반경을 결정하는 단계는, 베리오그램을 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는, 상기 레이더 강우강도의 실제 오차를 레이더 도메인 내에서 내삽할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는, 상기 유효반경에 따른 가중치를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는, 상기 지상 우량계의 수가 적정한지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 지상 우량계의 수가 적정한지 판단하는 단계는, 아래의 식을 이용하여 상기 지상 우량계 밀도의 기준값을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Figure 112014042900318-pat00001
여기서,
Figure 112014042900318-pat00002
는 지상 우량계 밀도의 기준값이고,
Figure 112014042900318-pat00003
은 가중치 산출을 위한 유효반경(
Figure 112014042900318-pat00004
) 내의 레이더 픽셀과 대응되는 지상 우량계의 총 지점수이고,
Figure 112014042900318-pat00005
는 레이더 도메인 내의 레이더 픽셀과
Figure 112014042900318-pat00006
번째 우량계 지점 사이의 거리이고,
Figure 112014042900318-pat00007
는 레이더 강우강도 오차의 가중치 계산을 위한 유효반경이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 유효반경에 따른 가중치를 산출하는 단계는, 상기 지상 우량계 밀도의 기준값이 설정값 이상인 경우, 아래의 식을 이용하여 가중치를 계산할 수 있다.
Figure 112014042900318-pat00008
여기서,
Figure 112014042900318-pat00009
는
Figure 112014042900318-pat00010
번째 지상 우량계 지점에 대응되는 가중치이고,
Figure 112014042900318-pat00011
는 레이더 도메인 내의 레이더 픽셀과
Figure 112014042900318-pat00012
번째 지상 우량계 지점 사이의 거리이고,
Figure 112014042900318-pat00013
는 레이더 강우강도 오차의 가중치 계산을 위한 유효반경이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 유효반경에 따른 가중치를 산출하는 단계는, 상기 지상 우량계 밀도의 기준값이 설정값 미만인 경우, 아래의 식을 이용하여 가중치를 계산할 수 있다.
Figure 112014042900318-pat00014
여기서,
Figure 112014042900318-pat00015
는
Figure 112014042900318-pat00016
번째 지상 우량계 지점에 대응되는 가중치이고,
Figure 112014042900318-pat00017
는 상기 지상 우량계의 밀도이고,
Figure 112014042900318-pat00018
는 레이더 도메인 내의 레이더 픽셀과
Figure 112014042900318-pat00019
번째 지상 우량계 지점 사이의 거리이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 단계는, 아래의 식을 이용할 수 있다.
Figure 112014042900318-pat00020
여기서,
Figure 112014042900318-pat00021
는 강우가 기록된 지상 우량계 지점이고,
Figure 112014042900318-pat00022
는
Figure 112014042900318-pat00023
번째 지상 우량계 지점에 대응되는 조정 전 레이더 강우강도이며,
Figure 112014042900318-pat00024
는
Figure 112014042900318-pat00025
번째 지상 우량계의 강우강도이고,
Figure 112014042900318-pat00026
는
Figure 112014042900318-pat00027
번째 지상 우량계 지점에 대응되는 레이더 강우강도의 실제 오차이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는, 아래의 식을 이용할 수 있다.
Figure 112014042900318-pat00028
여기서,
Figure 112014042900318-pat00029
는 레이더 강우강도의 조정오차이고,
Figure 112014042900318-pat00030
는
Figure 112014042900318-pat00031
번째 지상 우량계 지점에 대응되는 레이더 강우강도의 실제 오차이고,
Figure 112014042900318-pat00032
는
Figure 112014042900318-pat00033
번째 지상 우량계 지점에 대응되는 가중치이고,
Figure 112014042900318-pat00034
은 가중치 산출을 위한 유효반경(
Figure 112014042900318-pat00035
) 내의 레이더 픽셀과 대응되는 지상 우량계의 총 지점수이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우강도를 조절하는 단계는, 아래의 식을 이용할 수 있다.
Figure 112014042900318-pat00036
여기서,
Figure 112014042900318-pat00037
는 조정된 레이더 강우강도이고,
Figure 112014042900318-pat00038
은 조정 전 레이더 강우강도이고,
Figure 112014042900318-pat00039
는 레이더 강우강도의 조정오차이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우 조절 방법은, 상기 레이더 강우강도의 조정오차의 분포를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우 조절 방법은, 상기 조정오차를 반영한 레이더 강우강도 분포를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 레이더 강우 조절 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레이더 강우 조절을 수행하기 위한 장치는, 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 실제 오차 산출부; 상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정하는 유효반경 결정부; 상기 실제 오차 및 상기 유효반경을 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 조정오차 산출부; 및 상기 조정오차를 반영하여 상기 레이더 강우강도를 조절하는 조절부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 유효반경 결정부는, 베리오그램을 이용하여 유효반경을 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 조정오차 산출부는, 상기 유효반경에 따른 가중치를 계산하는 가중치 계산부; 및 상기 가중치를 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 계산하는 조정오차 계산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 조정오차 산출부는, 상기 지상 우량계의 수가 적정한지 판단하는 밀도 판단부; 상기 밀도 판단부의 결과에 따라, 상기 유효반경에 따른 가중치를 계산하는 가중치 계산부; 및 상기 가중치를 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 계산하는 조정오차 계산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우 조절 장치는, 상기 레이더 강우강도의 조정오차의 분포를 생성하는 조정오차 분포부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이더 강우 조절 장치는, 상기 조정오차를 반영한 레이더 강우강도 분포를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 지구통계학적(geostatistical) 방법으로부터 실제오차의 공간적인 상관거리를 계산하여, 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법의 유효반경을 결정하고, 이를 이용한 LGC 방법으로 레이더 강우의 오차를 조정하므로, 지상 강우 분포의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 강우 조절 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 강우 조절 장치의 블록도이다.
도 3은 전국의 각 레이더로부터 측정된 CAPPI 반사도 자료이다.
도 4는 전국의 우량계 측정 자료이다.
도 5는 레이더 강우 조정을 위하여 선정한 우리나라의 여름철 집중호우 사례들이다.
도 6은 도 5에 제시된 사례의 전국 우량계에서 관측된 누적강우량이다.
도 7은 도 1 및 도 2의 조정오차 산출부의 상세 블록도이다.
도 8은 도 1 및 도 2의 조정오차 산출부의 또 다른 상세 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 강우 조절 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 10은 우량계 지점에 대응하는 레이더의 누적강우량 오차를 나타낸 것이다.
도 11은 사례 별로 시간에 따른 레이더 강우오차의 유효반경을 나타낸 것이다.
도 12는 평균유효반경과 유효반경의 표준편차를 나타낸 것이다.
도 13은 LGC 방법으로 계산된 각 사례별 레이더 누적강우량 오차이다.
도 14는 도 13과 같이 계산된 레이더 강우오차를 이용하여, 여름철 집중호우 사례에 대한 레이더 강우 오차를 조정한 결과이다.
도 15 및 도 16은 조정된 누적강우량분포의 정확도를 통계적으로 정량화하여 나타낸 것이다.
도 17은 조정 전과 후의 1시간 레이더 누적강우량과 우량계 누적강우량의 상관도를 나타낸 것이다.
도 18은 조정 전과 후의 레이더 일누적강우량과 우량계 일누적강우량의 산포도를 나타낸 것이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 강우 조절 장치의 블록도이다.
강우강도(rainfall intensity)란, 한 지점에서의 비의 세기를 말한다. 단위 시간당 강우량으로 나타내고, 일반적으로 [㎜/hr], [㎜/min]이 사용된다. 레이더 강우란, 기상 레이더에 의해 일정 지역의 강우 상태를 파악하는 것으로, 전파를 단속적으로 발사하여 반사파를 수신함으로써 대상 물체의 방위와 거리를 측정하는 레이더의 원리를 이용하여 비나 구름 등에서 발생하는 반사나 후방 산란으로 비나 구름의 위치를 인지할 수 있다. 또한, 사용 전파에 대한 대상 물체의 반사 계수, 전파 감쇠, 비나 눈 등의 상태(입자 크기, 분포, 온도 등)를 가정함으로써 강우의 강도 등을 산출하기도 한다.
본 발명은, 레이더 강우의 오차를 조정하여 지상 강우 분포의 정확도를 향상시키기 위하여, 지구통계학적(geostatistical) 방법을 이용하여 레이더 강우의 실제 오차에 대한 유효 반경을 결정하고, 이를 국지우량계조정(Local Gauge Correction, 이하 LGC) 시스템에 적용하여 레이더 강우 오차를 조정한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이더 강우 조절 장치(10, 이하, 장치)는 실제 오차 산출부(110), 유효반경 결정부(130), 조정오차 산출부(150) 및 조절부(170)를 포함한다. 또한, 도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 레이더 강우 조절 장치(30)는 조정오차 분포부(160) 또는 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 장치(10)는 레이더 강우 조절을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 실제 오차 산출부(110) 등의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 상기 레이더 강우 조절을 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
상기 장치(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 상기 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 장치(10)는, 컴퓨터(computer), 서버(server) 또는 엔진(engine) 형태일 수 있으며, 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), MT(mobile terminal), UT(user terminal), SS(subscriber station), 무선기기(wireless device), PDA(personal digital assistant), 무선 모뎀(wireless modem), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
상기 실제 오차 산출부(110)는 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출한다. 이를 위해, 레이더 강우강도 데이터 및 지상의 우량계의 강우강도 데이터를 수집하여, 레이더 강우강도와 지상 우량계 강우강도의 차이를 구한다.
도 3을 참조하면, 기상청은 전국 10개소의 레이더로부터 각각의 레이더 반경 내에서 강수입자에 대한 3차원 반사도를 측정한다. 본 실시예에서는, 1 km 고도 이하에서 관측되는 지형 및 해양 클러터와 여름철에 3.5 ~ 5.5 km 고도에 나타나는 융해층(melting layer)의 영향이 적은 1.5 km 고도의 레이더 CAPPI(Constant Altitude Plan Position Indicator) 반사도 자료를 각 레이더 별로 생산하였다.
전국 10개소의 레이더에서 측정된 1.5 km CAPPI 레이더 반사도에
Figure 112014042900318-pat00040
관계식을 적용하여 레이더 강우강도를 추정하였고, 10대 레이더로부터 추정된 강우강도를 합성하여 전국의 합성강우강도를 생성하였다. 생성된 합성강우강도 자료의 수평해상도는 1 km이고, 시간해상도는 10분 간격이다.
기상청 자동기상관측 시스템(Automatic Weather System, 이하, AWS)에 설치되어 있는 전도형 우량계로서, 예를 들어 0.5 mm 해상도로 1분 간격으로 관측 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 레이더의 강우강도를 지상 강우량으로 보정하기 위해서 0.5 mm 해상도의 누적 강우량을 TRMM-GSP(Tropical Rain Measuring Mission Gauge Software Packages) 알고리즘을 이용하여 시간당 강우강도로 변환할 수 있다. 도 4를 참조하면, 레이더 강우강도의 조정과 검증에 AWS 지점의 중복 이용을 피하기 위하여, 전국의 우량계 자료는 무작위로 두 군집으로 나누어 각각 조정 및 검증에 사용하였다.
우리나라는 하계 집중형 강수형태로 연강수량의 50% 이상이 여름철(6월~9월)에 집중되며, 국지적인 집중호우가 자주 발생한다. 우리나라의 여름철 집중호우는 강우량의 지역적인 편차가 크며, 복합적인 강우 시스템에서 발생되기 때문에 레이더 강우 추정 오차를 크게 일으킨다.
도 5를 참조하면, 본 발명에서는 레이더 강우 조정을 위하여 우리나라의 2013년 7월과 9월의 여름철 집중호우 사례를 선정하였다. 사례 1에서 4까지 최대 일누적강우량은 각각 171 mm, 180 mm, 71 mm, 158 mm이다.
도 6는 도 5에 제시된 사례의 전국 우량계에서 관측된 누적강우량이다. 사례 1은 우리나라 전역에 걸쳐서 강한 강우가 발생하여, 남부지방과 중부지방 전역에 걸쳐서 100 mm가 넘는 많은 강우량을 기록하였고, 수도권 주변도 10 ~ 50 mm의 강우량을 기록하였다.
사례 2는 중부지방의 서해안 일대에 10 ~ 50 mm의 강우량을 기록하였고, 수도권과 그 주변으로 100 mm가 넘는 강한 강우가 국지적으로 발생하였다. 사례 3은 중부지방 전역에 걸쳐서 1 ~ 30 mm의 강우량을 기록하였고, 강원 산간 지역에 약한 강수가 나타났다. 수도권과 그 주변으로 50 mm가 넘는 강한 강우가 국지적으로 발생하였다.
사례 4는 우리나라의 내륙지역 전체에 걸쳐서 40 ~ 100 mm의 많은 강우량을 기록하였다. 동해안 일대는 1 ~ 10 mm의 강우량을 기록하였고, 서울은 약 40 mm 정도의 강우량을 기록하였다. 수도권과 그 주변으로는 50 mm가 넘는 강한 강수가 나타났다.
사례 1부터 4는 여름철의 전형적인 집중호우 사례에 해당되며, 국지적으로 강한 강우가 뚜렷하게 나타났기 때문에 LGC 방법의 국지적 조정 효과를 파악하는데 적합하며, 레이더 강우 추정에 대한 개선 효과를 파악할 수 있다.
상기 유효반경 결정부(130)는, 상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정한다.
상기 유효반경 결정부(130)는 상기 실제 오차 산출부(110)에서 산출한 레이더 강우의 실제 오차 분포를 바탕으로, 레이더 각 픽셀이 갖는 강우 오차의 대표적인 유효범위를 결정할 수 있다. 레이더 강우 오차의 유효범위는 레이더 강우의 조정오차 분포를 생성할 때 이용된다.
우량계의 설치가 안된 지점에서는 레이더 강우의 실제오차를 알 수 없기 때문에 주변의 실제오차를 이용하여 조정오차가 부여될 수 있다. 이때, 내삽을 위한 주변 실제오차의 공간적인 유효범위를 결정한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 지구통계방법 중 하나인 베리오그램을 이용하여 유효반경을 결정할 수 있다. 베리오그램은 일정한 거리에 있는 자료들의 유사성을 나타내는 척도이며, 공간적 자기상관 함수의 결과에 따라 해당 영역의 특성을 보여주는 지구통계적 방법이다. LGC 방법에 이용되는 유효반경은 레이더 강우의 실제오차 분포에 대하여 공간적으로 유효한 상관성을 갖는 영역을 의미한다.
상기 조정오차 산출부(150)는 상기 실제 오차 산출부(110)에서 산출한 레이더 강우의 실제 오차 및 상기 유효반경 결정부(130)에서 결정한 유효반경을 LGC 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 추정한다.
LGC 방법은 레이더 측정반경 내에 존재하는 우량계 지점과 우량계 지점을 중심으로 주변 레이더 픽셀의 거리로부터 레이더 강우강도의 실제오차에 가중치를 부여하여, 레이더 강우강도의 조정오차를 계산한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 조정오차 산출부(150a)는 상기 유효반경에 따른 가중치를 계산하는 가중치 계산부(151) 및 상기 가중치를 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 계산하는 조정오차 계산부(153)를 포함할 수 있다(도 7 참조).
상기 가중치 계산부(151)는 LGC 방법에 따라 레이더와 우량계 강우강도의 실제오차를 역거리 가중(Inverse Distance Weighting, IDW)을 적용하여, 레이더 강우강도의 예측오차를 계산하기 위한 가중치를 계산할 수 있다. 상기 조정오차 계산부(153)는 레이더 강우의 실제 오차에 가중치를 부여하여, 레이더 강우강도의 조정오차를 계산할 수 있다.
또는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 조정오차 산출부(150b)는 상기 지상 우량계의 밀도가 기준값 이상인지 판단하는 밀도 판단부(155), 상기 밀도 판단부의 결과에 따라, 상기 유효반경에 따른 가중치를 계산하는 가중치 계산부(151), 상기 가중치를 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 계산하는 조정오차 계산부(153)를 포함할 수 있다(도 8 참조).
일반적으로, 가중치를 산출할 때 강우가 기록된 우량계가 조밀하게 설치되어 있는 경우는 우량계와 레이더 픽셀의 거리가 멀수록 작은 가중치가 적용되고, 레이더 강우강도 오차 추정에 적은 영향을 미친다. 이에 따라, 강우가 기록된 우량계 지점이 적은 경우는 유효반경 내의 추정 오차의 변화가 작게 나타날 수 있다.
따라서, 강우가 기록된 우량계가 조밀하지 않을 경우 나타나는 이러한 문제를 완화하기 위하여, 상기 밀도 판단부(155)의 판단에 따라 가중치 계산부(151)는 오차 추정에 정규분포를 적용하여 거리가 멀어질수록 우량계의 영향이 감소하도록 할 수 있다. 즉, 지상 우량계의 밀도에 따라 다른 방법으로 가중치를 계산할 수 있다.
이 경우, 지상 우량계의 밀도를 고려하여 유효반경에 따른 가중치를 계산하므로, 좀 더 정확한 레이더 강우강도의 조정오차를 산출할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 조정오차 분포부(160)는 레이더 강우오차 분포를 생성하여 상기 조절부(170)에 제공할 수 있다.
상기 조절부(170)는 상기 계산된 조정오차를 반영하여 상기 레이더 강우강도를 조절한다. 즉, 상기 계산된 조정오차를 조정 전의 레이더 강우강도에 병합하여 지상 우량계의 강우강도 영향이 고려된 조정된 레이더 강우강도를 제공할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 조정오차를 반영한 레이더 강우강도 분포를 출력하는 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 레이더 강우 조절 장치에 따르면, 레이더 강우강도의 실제오차의 공간적인 상관거리를 계산하여, LGC 방법의 유효반경을 결정하고, 이를 이용한 LGC 방법으로 레이더 강우의 오차를 조정하므로, 지상 강우 분포의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 강우 조절 방법을 보여주는 흐름도이다.
본 실시예에 따른 레이더 강우 조절 방법은, 도 1의 장치(10) 또는 도 3의 장치(30)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 장치(10) 또는 도 3의 장치(30)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 실시예에 따른 레이더 강우 조절 방법은 레이더 강우 조절을 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
이하, 본 발명에 따라 LGC 방법을 기반으로 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 과정을 수학식을 참조하여 자세히 설명한다. LGC 방법은 레이더 측정반경 내에 존재하는 우량계 지점과 우량계 지점을 중심으로 주변 레이더 픽셀의 거리로부터 레이더 강우강도의 실제오차에 가중치를 부여하여, 레이더 강우강도의 조정오차를 계산한다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 레이더 강우 조절 방법은, 먼저 가중치 산출을 위한 유효반경과 레이더 강우강도의 실제오차를 산출한다.
구체적으로, 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출한다(단계 S10).
이를 위한, 사전 단계로서 레이더 강우강도 데이터(단계 S01) 및 지상의 우량계의 강우강도 데이터(단계 S02)를 수집한다. 이어, 아래의 수학식 1과 같이 각각의 우량계 지점에 대응하는 레이더 강우강도 실제오차를 계산한다.
[수학식 1]
Figure 112014042900318-pat00041
여기서,
Figure 112014042900318-pat00042
는 강우가 기록된 우량계 지점을 의미한다.
Figure 112014042900318-pat00043
는
Figure 112014042900318-pat00044
번째 우량계 지점에 대응되는 조정 전 레이더 강우강도이며,
Figure 112014042900318-pat00045
는
Figure 112014042900318-pat00046
번째 우량계의 강우강도이다.
Figure 112014042900318-pat00047
는
Figure 112014042900318-pat00048
번째 우량계 지점에 대응되는 레이더 강우강도의 실제오차이다. 즉, 레이더 강우강도의 실제오차는 우량계 지점과 그 지점에 대응하는 레이더 픽셀의 강우강도 차이를 의미한다.
도 10은 우량계 지점에 대응하는 레이더의 누적강우량 오차를 나타낸 것이다. 양과 음의 값은 각각 레이더의 과소추정과 과대추정을 의미한다. 우리나라의 여름철 레이더 강우강도의 실제오차는 도 10과 같이 집중호우가 강하게 발생하는 영역에서 크게 발생하며, 오차의 지역적 편차가 크다.
도 10을 참조하면, 사례 1은 남부지방과 중부지방 전역에 걸쳐서 40 ~ 100 mm의 오차를 보였고, 특히 남부지방에서는 100 mm 이상의 오차가 발생하였다. 남해안 일대와 수도권 및 그 주변으로도 1 ~ 30 mm의 오차가 발생하였다. 레이더 강우는 우리나라 전역에 걸쳐서 과소추정되었고, 집중호우가 강하게 발생하였던 남부지방과 중부지방은 오차가 더욱 크게 나타났다.
사례 2는 서울을 중심으로 100 mm 이상의 오차가 발생하였고, 수도권과 그 주변은 40 ~ 100 mm의 오차를 보였다. 그 밖에 서해안과 중부지방 일대에는 1 ~ 30 mm의 오차가 발생하였다. 전체적으로 레이더 강우는 과소추정되었고, 서울과 수도권 일대는 집중호우가 강하게 발생한 지역으로 레이더 강우량 추정 오차가 더욱 크게 나타났다.
사례 3은 중부 내륙지역과 더불어 서해안과 동해안 일대에서 1 ~ 30 mm의 오차를 보였다. 서울을 포함한 수도권 지역은 20 ~ 30 mm의 오차를 보였으며, 수도권 일부지역에서는 30 ~ 50 mm의 오차가 발생하였다. 집중호우가 강하게 발생하였던 서울과 그 주변은 오차가 더욱 크게 발생하였고, 전체적으로 레이더 강우는 과소추정되었다.
사례 4는 남부와 중부 내륙지역에 걸쳐서 30 ~ 100 mm의 오차를 보였다. 수도권과 동해안 일대는 1 ~ 30 mm의 오차를 보였다. 종합해 보면, 우리나라 전역에 걸쳐서 레이더 강우는 과소추정되었다. 모든 사례에 걸쳐서 레이더 강우는 과소추정되었으며, 특히 집중호우가 강하게 발생한 지역에서 오차가 더욱 크게 발생하였다. 또한 레이더 강우 오차의 지역적인 편차가 크게 나타났다. 이러한 강우량의 전반적인 과소추정은 기상청 모든 레이더에 존재하는 음의 반사도 보정오차에 기인하는 것으로 추정할 수 있다.
상기 레이더 강우강도의 실제 오차가 산출되면, 상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정한다(단계 S30).
본 발명에서는 지구통계방법 중 하나인 베리오그램을 이용하여 유효반경을 결정하였다. 베리오그램은 일정한 거리에 있는 자료들의 유사성을 나타내는 척도이며, 공간적 자기상관 함수의 결과에 따라 해당 영역의 특성을 보여주는 지구통계적 방법이다. 베리오그램은 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014042900318-pat00049
여기서,
Figure 112014042900318-pat00050
는 두 자료 간에 떨어져 있는 분리거리이다.
Figure 112014042900318-pat00051
는 분리거리만큼 떨어진 자료의 수이고,
Figure 112014042900318-pat00052
는 지점
Figure 112014042900318-pat00053
에서 측정된 값이다.
지구통계적 기법은 불변성 가정을 전제로 하고 있다. 불변성을 고려하면, 평균과 분산(
Figure 112014042900318-pat00054
을 위치에 상관없이 일정한 값으로 고려할 수 있으며, 수학식 2의 베리오그램은 아래의 수학식 3에 의해 상관그램(
Figure 112014042900318-pat00055
)으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014042900318-pat00056
위의 수학식 3으로부터 분리거리에 따른 베리오그램을 통해서 일정한 분리거리를 갖는 오차값들의 상관성을 상관계수로 나타낼 수 있다. 이는 레이더 강우의 실제오차에 대한 공간적인 상관성을 나타내는 지표이다. 본 발명에서는 상관그램으로부터 산출한 상관계수가 0으로 수렴할 경우의 분리거리를 LGC 방법의 유효반경으로 선정하였다. 즉, LGC 방법에 이용되는 유효반경은 레이더 강우의 실제오차 분포에 대하여 공간적으로 유효한 상관성을 갖는 영역을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 베리오그램을 이용하여 분리거리에 따른 레이더 강우 오차의 상관성을 구하고, 이를 통해서 레이더 각 픽셀을 대표하는 강우오차의 유효반경을 결정할 수 있다. 도 11은 사례 별로 시간에 따른 레이더 강우오차의 유효반경을 나타내었고, 도 12는 평균유효반경과 유효반경의 표준편차를 제시하였다.
도 12를 참조하면, 사례 1의 기간 동안 평균유효반경은 70 km이며, 표준편차는 15 km이었다. 사례 2, 3, 4의 경우에도 사례 1과 유사한 범위 및 경향을 보였다. 사례 2, 3 4의 평균유효반경은 각각 60, 70, 60 km이며, 표준편차는 각각 22, 16, 30 km이었다.
레이더 강우오차의 유효반경이 작게 나타나는 것은 국지적으로 강한 강우가 좁은 범위 내에서 불균일하게 발생하는 대류형 강우 사례의 경우였고, 유효반경이 넓게 나타나는 것은 약한 강우에 의해서 강우 오차 분포가 전체적으로 작게 나타나는 층운형 강우 사례의 경우였다. 따라서, 이러한 특징을 대표하는 레이더 강우오차의 유효반경을 시간의 변화에 따라 산출 및 반영할 수 있다.
가중치 산출을 위한 유효반경과 레이더 강우강도의 실제오차가 산출되면, LGC 방법을 이용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 산출한다(단계 S50). 실시예에 따라, 레이더 강우오차 분포를 생성하여 출력할 수 있다.
레이더 강우강도의 예측오차를 산출하기 위해서는 먼저 레이더 강우강도 오차에 대한 가중치를 계산해야 한다. LGC 방법에서 가중치를 계산하기 위하여 IDW 방법을 수정하였다. 레이더 강우강도 오차의 가중치를 계산하는 방법은 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112014042900318-pat00057
여기서,
Figure 112014042900318-pat00058
는 레이더 도메인 내의 레이더 픽셀과
Figure 112014042900318-pat00059
번째 우량계 지점 사이의 거리이다. 가중치는 일반적으로 관측지점과 미관측지점 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.
Figure 112014042900318-pat00060
는 레이더 강우강도 오차의 가중치 계산을 위한 유효반경이다.
일반적으로, 가중치를 산출할 때 강우가 기록된 우량계가 조밀하게 설치되어 있는 경우는 우량계와 레이더 픽셀의 거리가 멀수록 작은 가중치가 적용되고, 레이더 강우강도 오차 추정에 적은 영향을 미친다. 강우가 기록된 우량계 지점이 적은 경우는 유효반경 내의 추정 오차의 변화가 작게 나타날 수 있는데, 강우가 기록된 우량계가 조밀하지 않을 경우 나타나는 이러한 문제를 완화하기 위하여, 아래의 수학식 5와 같이 오차 추정에 정규분포를 적용하여 거리가 멀어질수록 우량계의 영향이 감소하도록 할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014042900318-pat00061
여기서,
Figure 112014042900318-pat00062
는 내삽을 하기에 적합한 우량계의 수가 갖춰졌는지 판단하는 기준값이다.
Figure 112014042900318-pat00063
의 값이 1보다 큰 경우는 내삽을 하기에 적합한 우량계의 수가 갖춰졌다고 판단하여 수학식 4로부터 가중치를 계산한다.
Figure 112014042900318-pat00064
의 값이 1보다 작을 경우는 우량계의 밀도가 조밀하지 않다고 판단하여 다음의 수학식 6과 같이
Figure 112014042900318-pat00065
를 적용한 가중치를 계산한다.
[수학식 6]
Figure 112014042900318-pat00066
레이더 강우강도 오차에 대한 가중치가 계산되면, 레이더 강우강도의 조정오차는 아래의 수학식 7을 사용하여 레이더 도메인 내에서 내삽된다.
[수학식 7]
Figure 112014042900318-pat00067
여기서,
Figure 112014042900318-pat00068
는 레이더 강우강도의 조정오차이다.
Figure 112014042900318-pat00069
는
Figure 112014042900318-pat00070
번째 우량계 지점에 대응되는 가중치이다.
Figure 112014042900318-pat00071
은 가중치 산출을 위한 유효반경(
Figure 112014042900318-pat00072
) 내의 레이더 픽셀과 대응되는 우량계의 총 지점수를 의미한다.
수학식 7에 의해 계산된 레이더 강우강도의 조정오차는 아래의 수학식 8과 같이 조정 전의 레이더 강우강도에 적용하여, 최종적으로 조정된 레이더 강우강도(
Figure 112014042900318-pat00073
)를 산출한다(단계 S70).
[수학식 8]
Figure 112014042900318-pat00074
또한, 계산된 레이더 강우강도의 조정오차를 조정 전의 2D CAPPI 레이더 강우강도에 병합하여, 상기 조정오차를 반영한 레이더 강우강도(
Figure 112014042900318-pat00075
) 분포를 생성하여 출력할 수 있다. 또한, 조정 후의 2D CAPPI 레이더 강우강도 분포를 지상 우량계 강우강도 자료로 검증할 수도 있다(단계 S80).
이하에서는, 본 발명에 따라 레이더 강우강도의 실제오차분포와 유효반경을 LGC 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 추정한 실험을 통하여 본 발명의 효과를 검증한다. 도 13은 LGC 방법으로 계산된 각 사례별 레이더 누적강우량 오차이다. 양과 음의 값은 각각 레이더의 과소추정과 과대추정을 의미한다.
사례 1은 중부지방과 남부지방에 40 ~ 100 mm의 오차가 나타났으며, 남부지방에는 특히 100 mm가 넘는 오차가 나타났다. 그 밖에 남해안 일대와 수도권 주변은 1 ~ 30 mm의 오차가 나타났다. 사례 1은 LGC 방법에 의해 도 10의 실제오차와 유사한 오차분포를 보였으며, 특히 남부지방에 발생한 강한 레이더 강우오차를 잘 산출하였다. 사례 2는 수도권과 서해안 일대에 30 ~ 100 mm의 오차를 보였고, 서울과 그 주변 일대는 100 mm의 오차가 나타났다. 중부 내륙지역과 일부 동해안 지역은 1 ~ 30 mm의 오차를 보였다. 사례 2는 LGC 방법에 의해 도 10의 실제오차와 유사한 오차분포를 보였으며, 수도권 일대에 발생한 강한 레이더 강우오차를 잘 산출하였다.
사례 3은 우리나라 전역에 걸쳐서 1 ~ 10 mm의 오차를 보였으며, 수도권 일대와 중부지방은 20 ~ 40 mm의 오차가 나타났다. 사례 3은 LGC 방법에 의해 도 10의 실제오차와 유사한 오차분포를 보였다. 사례 4는 수도권 일대와 남부 및 중부 내륙 지역에 발생한 40 ~ 100 mm의 레이더 강우오차를 잘 산출하였다. 그 밖에 남해안과 동해안 일대의 1 ~ 30 mm에 대한 레이더 강우오차도 잘 산출하였다. 사례 4는 LGC 방법에 의해 우리나라 전역에 걸쳐서 도 10의 실제오차와 유사한 오차분포를 보였다.
각 사례별로 조정 전의 레이더 강우 자료에 수학식 8을 적용하여 조정된 강우량을 산출하였다. 도 14는 도 13과 같이 계산된 레이더 강우오차를 이용하여, 여름철 집중호우 사례에 대한 레이더 강우 오차를 조정한 결과이다. 우리나라의 여름철 복합적인 강수시스템에 대하여 단일 R-Z 관계식으로 정량적 강우 추정을 하는 것은 어렵다. 특히,
Figure 112014042900318-pat00076
관계식은 대류형 강우를 과소추정한다. 도 14의 모든 집중호우 사례에서도 조정 전의 레이더 누적강우량분포는 지상 우량계의 누적강우량분포에 비하여 과소추정되었다.
사례 1의 조정 전 레이더 누적강우량은 전라도를 중심으로 강하게 기록되었고, 전라북도에 강한 국지적 집중호우가 발생한 것으로 나타났다. 특히, 광주는 50 mm 이상의 많은 누적강우량을 기록하였다. 그 밖에 수도권과 중부지방은 1 ~ 30 mm의 누적강우량을 기록하였다. 조정 후에는 전라도를 중심으로 강하게 나타났던 누적강우분포가 남부지방 전체로 확대되었고, 남부지방 전체에 걸쳐서 100 mm 이상의 많은 누적강우량을 기록하였다. 또한 수도권과 중부지방 역시 1 ~ 30 mm로 적게 나타났던 누적강우량이 10 ~ 80 mm로 증가하였다. 사례 1의 조정 후 레이더 누적강우량분포는 도 6의 우량계로부터 관측된 지상의 누적강우량분포와 유사하게 조정되었으며, 특히 남부지방의 과소추정이 해소되었다.
사례 2의 조정 전 레이더 누적강우량은 수도권 일대와 서해안 일부 지역에 10 ~ 30 mm가 기록되었고, 중부 내륙지역은 1 ~ 10 mm의 누적강우량을 기록하였다. 조정 후에는 수도권 일대와 서해안 일부 지역으로 30 ~ 100 mm의 더 많은 누적강우량을 기록하였다. 특히, 서울에서는 조정 전에는 나타나지 않았던 100 mm 이상의 강한 집중호우가 나타났다. 사례 2의 조정 후 레이더 누적강우량분포는 도 6의 우량계의 지상 누적강우량분포와 유사하게 조정되었으며, 서울과 수도권 일대의 과소추정이 해소되었다.
사례 3의 조정 전 레이더 누적강우량은 남해안 일부를 제외하고 우리나라 전역에 걸쳐서 1 ~ 10 mm가 기록되었고, 서울과 그 주변 지역만이 10 ~ 15 mm의 누적강우량을 기록하였다. 전국적으로 매우 작은 누적강우량분포를 보였다. 조정 후에는 수도권과 중부지방에 10 ~ 40 mm의 누적강우량을 기록하였다. 특히 서울은 조정 전에는 나타나지 않았던 40 ~ 80 mm의 강한 집중호우가 나타났다. 사례 3의 조정 후 레이더 누적강우량분포는 도 6의 우량계의 지상 누적강우량분포와 유사하게 조정되었으며, 서울과 중부지방의 과소추정이 해소되었다.
사례 4의 조정 전 레이더 누적강우량은 우리나라 전역에 걸쳐서 10 ~ 30 mm를 기록하였고, 전라남도와 충천남도의 서해안 일부 지역에만 40 ~ 80 mm의 집중호우가 나타났다. 조정 후에는 조정 전과 다르게 우리나라 전역에 걸쳐서 40 mm 이상의 많은 누적강우량을 기록하였고, 조정 전에 전라남도와 충청남도의 일부 지역에 나타났던 집중호우는 전라남도와 충청남도 일대에 100 mm 이상의 집중호우로 확대되었다. 사례 4의 조정 후 레이더 누적강우량분포는 도 6의 우량계의 지상 누적강우량분포와 유사하게 조정되었으며, 전라남도와 충청남도 일대의 강한 집중호우를 유의하게 나타내었다.
LGC 방법으로 조정된 누적강우량분포는 지상 우량계의 누적강우량분포와 유사하게 나타났으며, 도 15 및 도 16은 이의 정확도를 통계적으로 정량화하여 나타내었다. 도 17은 조정 전과 후의 1시간 레이더 누적강우량과 우량계 누적강우량의 상관도를 나타낸 것이다. 4가지 집중호우 사례에서 조정 전의 레이더 1시간 누적강우량은 우량계 1시간 누적강우량에 비하여 과소추정되었지만, 조정 후의 레이더 1시간 누적강우량의 과소추정은 개선되었다.
도 15와 같이 사례 1은 조정 후에 남부지방의 과소추정이 잘 조정됨으로써, 상관관계가 0.68에서 0.81로 향상되었다. 제곱근평균제곱오차(Root Mean Square Error, RMSE)는 6.11 mm에서 3.28 mm으로, 약 46%의 오차가 개선되었다. 사례 2는 조정 후에 서울과 수도권 일대의 집중호우를 잘 조정함으로써, 상관관계가 0.67에서 0.84로 향상되었다. RMSE는 10.39 mm에서 5.03 mm으로, 약 52%의 오차가 개선되었다.
사례 3은 조정 후에 서울과 중부지방의 과소추정이 잘 조정됨으로써, 상관관계가 0.60에서 0.82로 향상되었다. RMSE는 4.57 mm에서 2.51 mm으로, 약 46%의 오차가 개선되었다. 사례 4는 조정 후에 전라남도와 충청남도 일대의 강한 집중호우와 전국적으로 과소추정된 강우를 잘 조정함으로써, 상관관계가 0.64에서 0.79으로 향상되었다. RMSE는 8.87 mm에서 5.37 mm으로, 약 40%의 오차가 개선되었다.
도 18은 조정 전과 후의 레이더 일누적강우량과 우량계 일누적강우량의 산포도를 나타낸 것이다. 1시간 누적강우량의 상관성과 마찬가지로 집중호우 4 사례에서 조정 전의 레이더 일누적강우량은 우량계 일누적강우량에 비하여 과소추정되었지만, 조정 후의 레이더 일누적강우량의 과소추정이 개선되었다. 도 16과 같이 4 사례 모두 일누적강우량의 특성에 의해 상관관계는 크게 변화가 없었지만, RMSE는 크게 개선되었다. 사례 1은 53.61 mm에서 14.52 mm으로 약 조정 전 오차의 73%가 개선되었고, 사례 2는 67.59 mm에서 18.30 mm으로 약 73%의 오차가 개선되었다. 사례 3은 20.16 mm에서 6.94 mm으로 약 65%의 오차가 개선되었고, 사례 4는 42.61 mm에서 17.07 mm으로 60%의 오차가 개선되었다.
레이더 강우 조정 전에 발생한 과소추정되는 오차는 음의 레이더 보정오차뿐만 아니라 사용된 R-Z 관계식이 여름철 집중호우 사례에 발생하는 복합형 강우시스템에서 적절하지 않음을 나타낸다. 즉, R-Z 관계식은 레이더에서 관측되는 빗방울의 직경분포의 변동에 의존하여 시공간적으로 고정된 값을 나타내지 않기 때문이다. 한반도에서 호우사상의 경우 미국과 같은 대륙에서 발달하는 강수계와는 달리 많은 수증기의 영향을 받기 때문에 상대적으로 많은 양의 작은 빗방울이 존재할 수 있으며 이는 레이더 강우의 과소 추정을 유발할 수 있다.
본 발명은 공간적으로 장점을 가진 레이더 추정강우를 우량계 자료와 비교하여 각 우량계 지점별 오차를 산정하고, LGC 방법을 이용하여 이 오차를 2차원으로 확장하여 레이더 추정강우를 조정한다. 또한, 지구통계적 방법을 이용하여 레이더 강우의 실제오차에 대한 유효반경을 결정하고, 이를 LGC 방법에 적용하여 여름철 집중호우 4 사례의 레이더 강우를 조정하였다.
여름철 집중호우 사례에 대한 우량계 지점에 대응하는 레이더 누적강우량의 실제오차는 집중호우가 강하게 발생한 영역에서 100 mm 이상을 기록하였다. 우리나라 전역에 걸쳐서 레이더 강우는 과소추정되었다. 이러한 과소추정은 부분적으로 기상청레이더의 음의 반사도 보정 오차, 사용된 R-Z 관계식, 그리고 다양한 레이더 강우 추정 오차요인에 의하여 유발되었다.
레이더 강우의 실제오차분포를 바탕으로, 레이더 각 픽셀이 갖는 강우 추정 오차의 대표적인 유효범위를 결정할 수 있다. 우량계의 설치가 안된 지점은 레이더 강우의 실제오차를 알 수 없기 때문에 주변의 실제오차를 이용하여 오차를 계산하고, 이때 주변 실제오차의 공간적인 유효범위를 결정한다. 베리오그램을 이용하여 분리거리에 따른 레이더 강우 오차의 상관성을 구하고, 이를 통해서 레이더 각 픽셀을 대표하는 강우오차의 유효반경을 결정한다. 여름철 집중호우 사례들에 대한 평균적인 유효반경은 60 ~ 70 km이며, 표준편차는 15 ~ 30 km이었다. 유효반경은 시간의 변화에 따라 평균 및 표준편차 범위 내에서 증감하는 경향을 보였다. 이는 레이더 강우 오차의 시공간적 불균일성을 잘 나타내는 결과였다.
레이더 강우강도의 실제오차분포와 유효반경은 LGC 방법으로 레이더 강우강도의 조정오차를 추정하는데 이용한다. 여름철 집중호우 사례에 대한 레이더의 누적강우량 조정오차는 집중호우 영역에서 발생한 100 mm 이상의 오차를 잘 나타내었고, 그 밖에 우리나라 전역에 걸쳐서 레이더 강우의 과소추정에 의해 발생한 오차를 공간적으로 잘 산출하였다. 여름철 집중호우 사례에서 계산된 레이더 강우오차는 조정 전의 레이더 강우 자료에 적용하였다. 조정 후 레이더의 1시간 누적강우량과 누적강우량분포는 지상 우량계 누적강우량분포와 비교하여서 국지적으로 발생한 집중호우 지역을 잘 나타내었다. 여름철 집중호우 사례의 레이더 1시간 누적강우량과 총누적강우량의 오차는 조정 후 각각 약 40%와 60% 이상 개선효과를 보였다.
이와 같은, 레이더 강우 조절 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서 제시한 방법은 레이더 강우의 실제오차분포에 대한 대표적인 유효반경을 LGC 방법에 적용하여, 레이더 픽셀 주변의 실제오차로부터 국지적으로 레이더 강우의 조정오차를 추정함으로써, 여름철 집중호우와 같은 국지적으로 강한 강우 현상에 대한 레이더 강우의 조정이 가능하다. 2013년에 발생한 여름철 집중호우 사례에 적용한 조정 알고리즘은 긍정적인 개선효과를 도출하였다. 따라서, 본 발명의 결과는 국지적인 강한 강우 현상에서 발생하는 레이더 강우 추정 오차에 대하여 유용한 개선 방법으로 활용될 것으로 판단되며, 정확도 높은 정량적 강우 자료를 제공함에 따라 방재 및 수자원관리 분야에도 발전적인 영향을 줄 것으로 판단된다.
본 발명에 따른 레이더 강우 조절 평가는 정확성이 높은 강우의 공간 분포 정보를 제공하므로, 기상청을 비롯한 수문관련 기관의 관심 및 시장성이 높으며, 수자원 관리, 수문/생태학적 모델링 등에 다양하게 이용될 수 있다.
10, 30: 장치 110: 실제 오차 산출부
130: 유효반경 결정부 150: 조정오차 산출부
151: 가중치 계산부 153: 조정오차 계산부
155: 밀도 판단부 160: 조정오차 분포부
170: 조절부 190: 출력부

Claims (20)

  1. 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 단계;
    상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정하는 단계;
    상기 실제 오차 및 상기 유효반경을 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계; 및
    상기 조정오차를 반영하여 상기 레이더 강우강도를 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 유효반경을 결정하는 단계는 베리오그램을 이용하여 분리거리에 따른 상기 레이더 강우강도의 실제 오차의 상관성을 구하고, 이를 통해서 레이더 각 픽셀을 대표하는 상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 시간의 변화에 따라 산출하는, 레이더 강우 조절 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는,
    상기 레이더 강우강도의 실제 오차를 레이더 도메인 내에서 내삽하는, 레이더 강우 조절 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는,
    상기 유효반경에 따른 가중치를 산출하는 단계를 포함하는, 레이더 강우 조절 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는,
    상기 지상 우량계의 수가 적정한지 판단하는 단계를 더 포함하는, 레이더 강우 조절 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지상 우량계의 수가 적정한지 판단하는 단계는,
    아래의 식을 이용하여 상기 지상 우량계 밀도의 기준값을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    Figure 112014042900318-pat00077

    여기서,
    Figure 112014042900318-pat00078
    는 지상 우량계 밀도의 기준값이고,
    Figure 112014042900318-pat00079
    은 가중치 산출을 위한 유효반경(
    Figure 112014042900318-pat00080
    ) 내의 레이더 픽셀과 대응되는 지상 우량계의 총 지점수이고,
    Figure 112014042900318-pat00081
    는 레이더 도메인 내의 레이더 픽셀과
    Figure 112014042900318-pat00082
    번째 우량계 지점 사이의 거리이고,
    Figure 112014042900318-pat00083
    는 레이더 강우강도 오차의 가중치 계산을 위한 유효반경인, 레이더 강우 조절 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유효반경에 따른 가중치를 산출하는 단계는,
    상기 지상 우량계 밀도의 기준값이 설정값 이상인 경우, 아래의 식을 이용하여 가중치를 계산하고,
    Figure 112014042900318-pat00084

    여기서,
    Figure 112014042900318-pat00085
    는
    Figure 112014042900318-pat00086
    번째 지상 우량계 지점에 대응되는 가중치이고,
    Figure 112014042900318-pat00087
    는 레이더 도메인 내의 레이더 픽셀과
    Figure 112014042900318-pat00088
    번째 지상 우량계 지점 사이의 거리이고,
    Figure 112014042900318-pat00089
    는 레이더 강우강도 오차의 가중치 계산을 위한 유효반경인, 레이더 강우 조절 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유효반경에 따른 가중치를 산출하는 단계는,
    상기 지상 우량계 밀도의 기준값이 설정값 미만인 경우, 아래의 식을 이용하여 가중치를 계산하고,
    Figure 112014042900318-pat00090

    여기서,
    Figure 112014042900318-pat00091
    는
    Figure 112014042900318-pat00092
    번째 지상 우량계 지점에 대응되는 가중치이고,
    Figure 112014042900318-pat00093
    는 상기 지상 우량계의 밀도이고,
    Figure 112014042900318-pat00094
    는 레이더 도메인 내의 레이더 픽셀과
    Figure 112014042900318-pat00095
    번째 지상 우량계 지점 사이의 거리인, 레이더 강우 조절 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 단계는,
    아래의 식을 이용하고,
    Figure 112014042900318-pat00096

    여기서,
    Figure 112014042900318-pat00097
    는 강우가 기록된 지상 우량계 지점이고,
    Figure 112014042900318-pat00098
    는
    Figure 112014042900318-pat00099
    번째 지상 우량계 지점에 대응되는 조정 전 레이더 강우강도이며,
    Figure 112014042900318-pat00100
    는
    Figure 112014042900318-pat00101
    번째 지상 우량계의 강우강도이고,
    Figure 112014042900318-pat00102
    는
    Figure 112014042900318-pat00103
    번째 지상 우량계 지점에 대응되는 레이더 강우강도의 실제 오차인, 레이더 강우 조절 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계는,
    아래의 식을 이용하고,
    Figure 112014042900318-pat00104

    여기서,
    Figure 112014042900318-pat00105
    는 레이더 강우강도의 조정오차이고,
    Figure 112014042900318-pat00106
    는
    Figure 112014042900318-pat00107
    번째 지상 우량계 지점에 대응되는 레이더 강우강도의 실제 오차이고,
    Figure 112014042900318-pat00108
    는
    Figure 112014042900318-pat00109
    번째 지상 우량계 지점에 대응되는 가중치이고,
    Figure 112014042900318-pat00110
    은 가중치 산출을 위한 유효반경(
    Figure 112014042900318-pat00111
    ) 내의 레이더 픽셀과 대응되는 지상 우량계의 총 지점수인, 레이더 강우 조절 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도를 조절하는 단계는,
    아래의 식을 이용하고,
    Figure 112014042900318-pat00112

    여기서,
    Figure 112014042900318-pat00113
    는 조정된 레이더 강우강도이고,
    Figure 112014042900318-pat00114
    은 조정 전 레이더 강우강도이고,
    Figure 112014042900318-pat00115
    는 레이더 강우강도의 조정오차인, 레이더 강우 조절 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도의 조정오차의 분포를 생성하는 단계를 더 포함하는, 레이더 강우 조절 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 조정오차를 반영한 레이더 강우강도 분포를 출력하는 단계를 더 포함하는, 레이더 강우 조절 방법.
  14. 제1항 및 제3항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 따른 레이더 강우 조절 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
  15. 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 실제 오차 산출부;
    상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정하는 유효반경 결정부;
    상기 실제 오차 및 상기 유효반경을 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 조정오차 산출부; 및
    상기 조정오차를 반영하여 상기 레이더 강우강도를 조절하는 조절부를 포함하고,
    상기 유효반경 결정부는 베리오그램을 이용하여 분리거리에 따른 상기 레이더 강우강도의 실제 오차의 상관성을 구하고, 이를 통해서 레이더 각 픽셀을 대표하는 상기 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 시간의 변화에 따라 산출하는, 레이더 강우 조절 장치.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서, 상기 조정오차 산출부는,
    상기 유효반경에 따른 가중치를 계산하는 가중치 계산부; 및
    상기 가중치를 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 계산하는 조정오차 계산부를 포함하는, 레이더 강우 조절 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 조정오차 산출부는,
    상기 지상 우량계의 수가 적정한지 판단하는 밀도 판단부;
    상기 밀도 판단부의 결과에 따라, 상기 유효반경에 따른 가중치를 계산하는 가중치 계산부; 및
    상기 가중치를 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 계산하는 조정오차 계산부를 포함하는, 레이더 강우 조절 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 레이더 강우강도의 조정오차의 분포를 생성하는 조정오차 분포부를 더 포함하는, 레이더 강우 조절 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 조정오차를 반영한 레이더 강우강도 분포를 출력하는 출력부를 더 포함하는, 레이더 강우 조절 장치.
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