KR102092391B1 - 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지구 바람의 관측자료로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환의 합성도를 작성하여 분석하는 것에 의해 분석 효율성 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 전구분석장에 디지털필터를 적용하여 베타자이어에 해당하는 공간규모의 바람장(바람벡터)을 선택적으로 추출하는 구성, 위도경도 좌표계를 임의의 새로운 한 점을 북극점으로 설정한 새로운 좌표계로 변환하는 구성, 추출된 바람장(바람벡터) 새로운 좌표계의 바람벡터로 변환하는 구성, 새로운 좌표계의 바람벡터를 북극을 중심으로 원하는 각도만큼 회전시키는 구성, 회전각을 태풍이 이동하는 방향을 고려하여 설정하는 구성, 태풍의 이동하는 방향이 새로운 좌표계의 경도가 0인 자오선 방향과 일치하도록 회전시키는 구성을 포함하고, 분석대상이 되는 모든 태풍에 대하여 위와 같은 회전방법을 적용시키고 그 들의 평균, 즉, 합성도를 구하는 것이다.

Description

태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법{System and Method for producing Composite Map of Tropical Cyclone Beta Gyre Circulation}
본 발명은 태풍의 베타자이어 분석에 관한 것으로, 구체적으로 전지구 바람의 관측자료로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환의 합성도를 작성하여 분석하는 것에 의해 분석 효율성 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
태풍은 지구의 기울어진 자전축과 자전, 태양을 중심으로 공전하면서 태양으로부터 받는 열적 불균형을 없애기 위해 발생하는 강한 바람과 많은 비를 동반하는 기상현상으로, 사회 및 경제적으로 막대한 손실을 야기하며 자연을 황폐화시키는 재해 중 하나이다.
우리나라에 영향을 주는 태풍은 북서태평양 지역에서 여름철에 주로 발생하며, 중심 최대 풍속이 17m/s 이상의 강한 바람과 많은 비를 동반하고, 중국, 일본 및 한국 등 동아시아를 포함한 북서태평양 연안 국가들에 강한 바람과 많은 비로 극심한 사회적, 경제적 손실을 끼친다.
따라서, 태풍의 진로, 강도, 발생 빈도 등을 정확하게 예측하기 위한 연구는 전세계적인 기상연구의 대표적 관심사이다.
태풍은 강한 소용돌이 현상으로서 공간적 규모가 큰 배경 바람에 실려 이동하지만, 배경 바람이 존재하지 않는 경우에도 스스로 이동하는 메커니즘을 가지고 있다.
이와 같은 태풍의 이동은 대규모의 바람장 및 베타자이어라 불리는 독특한 구조의 바람장과 관련이 있다.
이론적 연구에 의하면, 태풍의 이동방향에 대하여 좌우에 두 개의 순환세포(순환 바람장)를 가지고 있다. 순환세포의 중앙이 태풍의 중심에 해당되며, 이 위치에서는 태풍의 이동방향과 같은 방향이 바람이 존재하는데, 이 것이 태풍을 이동시키는 이류벡터(advection vector; drift vector)로 작용한다.
이러한 순환세포는 베타자이어로 불리는데, 과거 오랜 기간의 연구에도 불구하고 전지구 관측자료로부터 그 명확한 존재를 파악하지 못한 상태이다.
그 이유는 태풍주변에 태풍과 관련이 없는 다른 종류의 대기요란이 항상 존재하며, 이로 인하여 베타자이어의 형태가 잘 드러나지 않기 때문이다.
이러한 노이즈를 제거하기 위해서는 격자점자료의 디지털 필터링, 구면좌표계의 좌표변환, 바람벡터의 변환, 좌표이동 등의 정교한 분석과정이 필요하다.
현재까지는 격자점 자료의 좌표회전, 특히, 태풍의 이동방향으로 자료를 회전변환하는 등의 분석방법이 거의 적용되지 않고 있다.
특히, 비교적 간단한 방법만을 적용하였을 뿐만 아니라, 합성도를 통한 분석이라는 시도가 전혀 없었다.
따라서, 베타자이어 분석을 위한 정교한 분석 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0111825호 대한민국 등록특허 제10-1395652호 대한민국 공개특허 제10-2017-0134830호
본 발명은 종래 기술의 태풍의 진로 예측 및 분석 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지구 바람의 관측자료로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환의 합성도를 작성하여 분석하는 것에 의해 분석 효율성 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전지구 바람의 관측자료(격자점 자료)로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 밝히는데 사용할 수 있도록 한 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 분석하는 기술을 태풍의 중심위치와 이동방향에 관계없이 모든 태풍에게 적용할 수 있도록 하여 활용성을 높인 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 합성도의 위치를 임의의 위도경도에 위치시킬 수 있고, 바람벡터뿐만 아니라 모든 기상변수에 적용할 수 있도록 하여 사용의 편리성 및 활용 가능성을 높인 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치는 전지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링을 하는 디지털 필터링부;태풍을 포함하는 지역영역 설정 및 지역영역에 새로운 구면좌표계 설정을 하는 지역 설정 및 구면좌표계 설정부;바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하고, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(up,vp)로 변환하는 바람자료 내삽 및 변환부;새로운 좌표계의 동서방향으로 후리에 분석을 하는 좌표 분석부;후리에성분의 위상변환을 통하여 바람벡터(up,vp)를 회전시켜, 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 하는 바람벡터 회전부;회전된 바람벡터로부터 특정 동서파수 성분을 추출하는 동서파수 성분 추출부;새로운 지역영역의 설정을 하고, 구면좌표계의 격자점으로 내삽하는 공통 지역 영역 설정 및 내삽부; 및 바람벡터(up,vp)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 바람벡터 역변환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 방법은 전지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링을 하고 태풍을 포함하는 지역영역 설정 및 지역영역에 새로운 구면좌표계 설정을 하는 단계;바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하고, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(up,vp)로 변환하는 단계;새로운 좌표계의 동서방향으로 후리에 분석을 하는 단계;후리에성분의 위상변환을 통하여 바람벡터(up,vp)를 회전시켜, 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 하는 단계;회전된 바람벡터로부터 특정 동서파수 성분을 추출하는 동서파수 성분 추출을 하고, 새로운 지역영역의 설정 및 구면좌표계의 격자점으로 내삽하는 단계;바람벡터(up,vp)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 바람벡터 역변환 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전지구 바람의 관측자료로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환의 합성도를 작성하여 분석하는 것에 의해 분석 효율성 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한다.
둘째, 전지구 바람의 관측자료(격자점 자료)로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 효과적으로 분석할 수 있다.
셋째, 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 분석하는 기술을 태풍의 중심위치와 이동방향에 관계없이 모든 태풍에게 적용할 수 있도록 하여 활용성을 높인다.
넷째, 합성도의 위치를 임의의 위도경도에 위치시킬 수 있고, 바람벡터뿐만 아니라 모든 기상변수에 적용할 수 있도록 하여 사용의 편리성 및 활용 가능성을 높인다.
도 1은 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 방법을 나타낸 풀로우 차트
도 3a 내지 도 3d는 태풍 NEPARTAK가 발달한 시기의 동서풍(u)을 디지털필터로 분리한 3가지 공간규모의 바람장 구성도
도 4는 태풍 NEPARTAK의 중심(136.6E, 15.3N)을 기준으로 동서로 각 30도, 남북으로 각 22.5의 범위로 주어진 지역영역과 이 영역내의 바람벡터의 분포도
도 5a와 도 5b는 회전된 구면좌표계의 모식도
도 6은 내삽에 필요한 좌표계의 격자의 배치를 나타내는 모식도
도 7은 회전구면좌표계에서, 임의의 한 점에 대한 남북방향의 단위벡터를 구하기 위한 보조도
도 8a와 도 8b는 파수 선택 및 위상변환의 예를 나타낸 구성도
도 9a와 도 9b는 태풍 NEPARTAK의 변환된 격자자료
이하, 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법은 전지구 바람의 관측자료로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환의 합성도를 작성하여 분석하는 것에 의해 분석 효율성 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한 것이다.
이와 같은 본 발명은 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 분석하는 기술을 태풍의 중심위치와 이동방향에 관계없이 모든 태풍에게 적용할 수 있도록 하고, 합성도의 위치를 임의의 위도경도에 위치시킬 수 있고, 바람벡터뿐만 아니라 모든 기상변수에 적용할 수 있도록 하는 특징을 갖는다.
이를 위하여 본 발명은 전구분석장에 디지털필터를 적용하여 베타자이어에 해당하는 공간규모의 바람장(바람벡터)을 선택적으로 추출하는 구성, 위도경도 좌표계를 임의의 새로운 한 점을 북극점으로 설정한 새로운 좌표계로 변환하는 구성, 추출된 바람장(바람벡터) 새로운 좌표계의 바람벡터로 변환하는 구성, 새로운 좌표계의 바람벡터를 북극을 중심으로 원하는 각도만큼 회전시키는 구성, 회전각을 태풍이 이동하는 방향을 고려하여 설정하는 구성, 태풍의 이동하는 방향이 새로운 좌표계의 경도가 0인 자오선 방향과 일치하도록 회전시키는 구성을 포함하고, 분석대상이 되는 모든 태풍에 대하여 위와 같은 회전방법을 적용시키고 그 들의 평균, 즉, 합성도를 구하는 것이다.
본 발명에 따른 전지구 바람의 관측자료(격자점 자료)로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 분석하는 기술이 적용되는 자료는 디지털자료로서, 전지구 분석장(global reanalysis), 전지구 재분석장(global reanalysis), 전지구 수치모델의 예보자료(forecast field of global numerical weather prediction model)와 같은 격자자료(gridded data)로서, 고해상도나 저해상도의 모든 것을 포함한다.
격자점(즉, 기상자료가 주어지는 특정한 위도, 경도, 고도)의 배치는 일정한 간격의 위경도체계(lat-lon grid system)를 포함하여 어떠한 격자체계의 자료도 분석이 가능하다. 단, 격자점의 위치정보가 주어지는 것을 전제로 한다.
이하의 설명에서 본 발명은 기상기후 격자점 자료인 FNL격자자료를 사용하여 분석과정을 설명한다.
FNL자료는 위도 및 경도방향으로 0.25도 간격으로 주어지며, 연직방향으로는 1000hPa부터 50hPa기압면까지 제공된다. 여기서는 동서풍(u)과 남북풍(v)을 분석대상으로 한다.
본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치는 도 1에서와 같이, 전지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링을 하는 디지털 필터링부(10)와, 태풍을 포함하는 지역영역 설정 및 지역영역에 새로운 구면좌표계 설정을 하는 지역 설정 및 구면좌표계 설정부(20)와, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하고, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(up,vp)로 변환하는 바람자료 내삽 및 변환부(30)와, 새로운 좌표계의 동서방향으로 후리에 분석을 하는 좌표 분석부(40)와, 후리에성분의 위상변환을 통하여 바람벡터(up,vp)를 회전시켜, 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 하는 바람벡터 회전부(50)와, 회전된 바람벡터로부터 특정 동서파수 성분을 추출하는 동서파수 성분 추출부(60)와, 새로운 지역영역의 설정 및 구면좌표계의 격자점으로 내삽하는 공통 지역 영역 설정 및 내삽부(70)와, 바람벡터(up,vp)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 바람벡터 역변환부(80)를 포함한다.
본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 방법을 나타낸 풀로우 차트이다.
본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 방법은 도 2에서와 같이, 전지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링을 하는 디지털 필터링 단계(S201)와, 태풍을 포함하는 지역영역 설정 및 지역영역에 새로운 구면좌표계 설정을 하는 지역 설정(S202) 및 구면좌표계 설정 단계(S203)와, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하고, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(up,vp)로 변환하는 바람자료 내삽(S204) 및 변환 단계(S205)와, 새로운 좌표계의 동서방향으로 후리에 분석을 하는 좌표 분석 단계(S206)와, 후리에성분의 위상변환을 통하여 바람벡터(up,vp)를 회전시켜, 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 하는 바람벡터 회전 단계(S207)와, 회전된 바람벡터로부터 특정 동서파수 성분을 추출하는 동서파수 성분 추출 단계(S208)와, 새로운 지역영역의 설정 및 구면좌표계의 격자점으로 내삽하는 공통 지역 영역 설정 및 내삽 단계(S209)와, 바람벡터(up,vp)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 바람벡터 역변환 단계(S210)를 포함한다.
이하에서 각 동작 단계에 관하여 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링을 하는 디지털 필터링 단계(S201)를 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3d는 태풍 NEPARTAK가 발달한 시기의 동서풍(u)을 디지털필터로 분리한 3가지 공간규모의 바람장 구성도이다.
지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링 단계는 베타자이어의 분석의 첫 번째 단계로서, 격자점자료를 공간규모를 기준으로 행성규모, 베타규모, 태풍규모의 3가지의 성분으로 분리한다.
사용하는 디지털 필터는 FFEM 고차필터(Cheong and coauthors, 2015)이다.
이들이 포함하는 요란의 규모를 구면총파수(spherical total wavenumber; n)로 나타내면 다음과 같다.
행성규모:
Figure 112019116280776-pat00001
베타규모:
Figure 112019116280776-pat00002
태풍규모:
Figure 112019116280776-pat00003
.
여기서,
Figure 112019116280776-pat00004
와
Figure 112019116280776-pat00005
는 정수로서 임의로 정할 수 있으나, 태풍의 이동과 관련된 바람장의 분석이므로
Figure 112019116280776-pat00006
,
Figure 112019116280776-pat00007
와 같이 선택하였다.
세 가지 성분으로 분리하기 위해서는 두 번의 필터링을 적용해야 한다.
도 3a 내지 도 3d는 태풍 NEPARTAK의 동서풍(u)를 필터링하여 분리한 것을 예시한 것으로, 도 3a는 필터링하기 전의 바람장, 도 3b는 행성규모, 도 3c는 베타규모, 도 3d는 태풍규모를 나타낸 것이다.
그리고 지역 설정(S202) 및 구면좌표계 설정 단계(S203)를 설명하면 다음과같다.
도 4는 태풍 NEPARTAK의 중심(136.6E, 15.3N)을 기준으로 동서로 각 30도, 남북으로 각 22.5의 범위로 주어진 지역영역과 이 영역내의 바람벡터의 분포도이다.
분석에 필요한 좌표회전을 하기 위해서는 새로운 좌표계의 북극을 먼저 정하고, 이 점이 포함되는 영역을 설정한다.
베타자이어의 분석을 위해서는 새좌표계의 북극점은 태풍의 중심위치로 정해야 한다.
영역은 전지구영역도 가능하며, 일정한 위도 및 경도의 범위를 가지는 지역영역의 설정도 가능하다.
지역영역은 새로운 북극점을 기준으로 동서로 각각 30도, 남북으로 각각 22,5도로 정하여 가능한 좁게 하되 태풍에 관련된 바람장이 충분히 포함되도록 한다.
도 4는 태풍 NEPARTAK의 중심을 기준으로 경도 60도와 위도 45도의 범위의 지역영역에 표출한 바람벡터의 예를 나타낸 것이다.
이와 같이 설정된 지역영역에 새로운 구면좌표계 설정을 한다.
도 5a와 도 5b는 회전된 구면좌표계의 모식도이다.
도 5a와 도 5b는 태풍의 중심에 북극점이 오도록 변환한 새로운 구면좌표계의 모식도를 나타낸다.
도 5a는 회전하기 전, 도 5b는 회전을 한 후를 나타낸 것으로, 도 5b의 좌표계의 북극점은 태풍 NEPARTAK의 중심(136.6E, 15.3N)에 해당한다.
여기서는 전지구의 범위를 모두 나타냈으나, 북극점(태풍의 중심)을 기준으로 일정한 범위까지만 제한하면 지역영역이 설정된다.
그리고 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하고, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(up,vp)로 변환하는 바람자료 내삽(S204) 및 변환 단계(S205)를 설명하면 다음과 같다.
도 6은 내삽에 필요한 좌표계의 격자의 배치를 나타내는 모식도이다.
파란선은 본래의 구면좌표계의 위경도선 및 격자점을 나타내며, 붉은 선은 회전된 좌표계의 격자구조를 의미한다. 문자 기호는 격자점의 번호를 나타낸다.
바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하는 것으로, 이 단계에서는 회전된 좌표계의 격자점으로 바람자료(u,v)를 각각 내삽한다.
도 6에서, 파란색의 점에 해당하는 자료값을 파란색의 격자점(구면좌표계)의 자료를 이용하여 선형내삽법으로 계산한다. 내삽은 지역영역의 전체가 아닌, 중심점을 기준으로 일정한 반경내에서 이루어진다(내삽최대반경; Rm).
그리고 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(
Figure 112019116280776-pat00008
,
Figure 112019116280776-pat00009
)로 변환하는 단계를 설명하면 다음과 같다.
바람벡터(
Figure 112019116280776-pat00010
)로 변환하기 위해서는 회전된 구면좌표계의 임의의 한 점([(위도,경도)=
Figure 112019116280776-pat00011
]에 대한 남북방향(
Figure 112019116280776-pat00012
)과 동서방향(
Figure 112019116280776-pat00013
)의 단위벡터(x,y,z의 3차원벡터)를 구해야 한다.
이 과정에 필요한 구면좌표계의 남북방향(
Figure 112019116280776-pat00014
)과 동서방향(
Figure 112019116280776-pat00015
)의 단위벡터는 아래와 같이 주어진다.
Figure 112019116280776-pat00016
여기서,
Figure 112019116280776-pat00017
는 각각 x,y,z방향의 단위벡터를 의미한다.
도 7은 A를 기준점으로 하는 회전구면좌표계에서, 임의의 한 점[(위도,경도)=]에 대한 남북방향의 단위벡터를 구하기 위한 보조도이고, O는 지구의 중심이며 A점은 새로운 구면좌표계의 북극에 해당하는 것이다.
도 7에서 회전된 구면좌표계의 단위벡터는 각각
Figure 112019116280776-pat00018
와
Figure 112019116280776-pat00019
와 같이 정의할 수 있다. 이를 이용하면, 바람벡터(
Figure 112019116280776-pat00020
)는 다음의 벡터의 내적을 통하여 구할 수 있다.
Figure 112019116280776-pat00021
그리고 새로운 좌표계의 동서방향으로 후리에 분석을 하는 좌표 분석 단계(S206)를 설명하면 다음과 같다.
구면좌표계의 자료는 동서방향으로 주기성을 가지게 되므로 후리에급수로 나타낼 수 있다. 회전된 좌표계에서의 후리에 분석은 회전된 좌표계의 바람 성분(
Figure 112019116280776-pat00022
)에 한하여 적용할 수 있다.
예를 들면, 동서풍의 후리에급수는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019116280776-pat00023
여기서,
Figure 112019116280776-pat00024
은 동서방향의 격자점의 수를 의미하고, ak,bk는 각각 후리에코사인, 후리에사인의 계수를 나타낸다.
그리고 후리에성분의 위상변환을 통하여 바람벡터(up,vp)를 회전시켜, 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 하는 바람벡터 회전 단계(S207)를 설명하면 다음과 같다.
도 8a와 도 8b는 파수 선택 및 위상변환의 예를 나타낸 구성도이다.
바람장을 후리에급수로 전개하고, 후리에 계수를 구한 뒤 각각의 파수성분에 대하여 위상을 변환할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 위상변환을 해준다.
태풍의 이동방향을 (U,V)로 나타낸다면, 이동방향은
Figure 112019116280776-pat00025
으로 정의하는데,
Figure 112019116280776-pat00026
은 북쪽으로 진행하는 태풍의 경우에 해당한다.
위상변환된 바람장은 아래와 같이 정리할 수 있다.
Figure 112019116280776-pat00027
도 8b는 도 8a에서 원주방향의 파수 1의 성분을 취한 뒤 중심점의 바람방향이 북쪽을 향하도록 바람벡터를 위상변환한 결과를 나타낸 것이다.
그리고 회전된 바람벡터로부터 특정 동서파수 성분을 추출하는 동서파수 성분 추출 단계를 설명하면 다음과 같다.
수학식 4에서 특정 파수 k만을 남겨두고 모두 0으로 처리하여 역변환하면 특정파수 성분을 추출할 수 있다.
예를 들어, 파수 1만을 선택하려면 수학식 5에서와 같이 계산하면 된다.
Figure 112019116280776-pat00028
그리고 새로운 지역영역의 설정 및 구면좌표계의 격자점으로 내삽하는 공통 지역 영역 설정 및 내삽 단계(S209)를 설명하면 다음과 같다.
여러 개의 태풍사례에 이상에서와 같은 과정을 적용하고, 이들을 모두 합하여 합성도를 작성하기 위해서는 공통의 새로운 지역영역을 설정해야 한다.
단, 이 경우 새로운 지역영역은 먼저 설정한 지역영역의 범위를 초과해서는 안 된다. 즉, 기 설정된 지역영역에서 내삽이 내삽최대반경(Rm)내에서 이루어졌으므로, 새로운 지역영역의 중심부터 영역의 위도 및 경도방향의 경계까지의 거리는 Rm을 넘을 수 없다.
그리고 바람벡터(up,vp)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 바람벡터 역변환 단계(S210)를 설명하면 다음과 같다.
바람벡터(
Figure 112019116280776-pat00029
)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 것으로, 단위벡터의 내삽을 통하여 이루어진다.
Figure 112019116280776-pat00030
도 9a와 도 9b는 태풍 NEPARTAK의 변환된 격자자료로, 최종 단계를 거친 분석의 결과로서 새로운 지역영역에 나타낸 변환된 격자자료를 나타낸다.
특정 시간의 하나의 바람장과는 달리 여러 경우의 바람장을 평균한 합성도는 한 쌍의 베타자이어를 연상시키는 순환세포가 뚜렷하게 보인다.
이와 같은 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법에서의 최종산물은 합성도의 작성에 사용되는 하나의 멤버에 해당한다.
합성도는 이상에서와 같은 순서와 방법으로 작성된 격자자료를 단순평균하여 구할 수 있다.
Figure 112019116280776-pat00031
수학식 7에서와 같이, 모든 격자에 대하여 평균을 취한다. 여기서, K는 합성도에 입력되는 모든 격자점 자료의 수를 의미한다.
본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법에서의 분석 방법은 바람장 이외의 스칼라 변수의 자료에도 적용할 수 있다.
예를 들면, 기압, 기온, 상대습도 등이 이에 포함된다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치 및 방법은 전지구 바람의 관측자료(격자점 자료)로부터 태풍의 이동에 관련된 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 밝히는데 사용할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 베타자이어 순환(또는 베타자이어 바람장)의 합성도를 작성하여 태풍의 베타자이어의 관측적 구조를 분석하는 기술을 태풍의 중심위치와 이동방향에 관계없이 모든 태풍에게 적용할 수 있도록 하고, 합성도의 위치를 임의의 위도경도에 위치시킬 수 있고, 바람벡터뿐만 아니라 모든 기상변수에 적용할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 디지털 필터링부 20. 지역 설정 및 구면좌표계 설정부
30. 바람자료 내삽 및 변환부 40. 좌표 분석부
50. 바람벡터 회전부 60. 동서파수 성분 추출부
70. 공통 지역 영역 설정 및 내삽부 80. 바람벡터 역변환부

Claims (13)

  1. 전지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링을 하는 디지털 필터링부;
    태풍을 포함하는 지역영역 설정 및 지역영역에 새로운 구면좌표계 설정을 하는 지역 설정 및 구면좌표계 설정부;
    바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하고, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(up,vp)로 변환하는 바람자료 내삽 및 변환부;
    새로운 좌표계의 동서방향으로 후리에 분석을 하는 좌표 분석부;
    후리에성분의 위상변환을 통하여 바람벡터(up,vp)를 회전시켜, 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 하는 바람벡터 회전부;
    회전된 바람벡터로부터 특정 동서파수 성분을 추출하는 동서파수 성분 추출부;
    새로운 지역영역의 설정을 하고, 구면좌표계의 격자점으로 내삽하는 공통 지역 영역 설정 및 내삽부; 및 바람벡터(up,vp)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 바람벡터 역변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 회전각을 태풍이 이동하는 방향을 고려하여 설정하고, 태풍의 이동하는 방향이 새로운 좌표계의 경도가 0인 자오선 방향과 일치하도록 회전시키고,
    분석대상이 되는 모든 태풍에 대하여 위와 같은 회전방법을 적용시키고 그 들의 평균을 나타내는 합성도를 구하는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 디지털 필터링부는,
    격자점자료를 공간규모를 기준으로 행성규모, 베타규모, 태풍규모의 3가지의 성분으로 분리하고,
    FFEM 고차필터를 사용하고 이들이 포함하는 요란의 규모를 구면총파수(spherical total wavenumber; n)로 나타내면, 행성규모:
    Figure 112019116280776-pat00032
    , 베타규모:
    Figure 112019116280776-pat00033
    ,태풍규모:
    Figure 112019116280776-pat00034
    이고,
    여기서,
    Figure 112019116280776-pat00035
    와
    Figure 112019116280776-pat00036
    는 정수이고, 태풍의 이동과 관련된 바람장의 분석에서는
    Figure 112019116280776-pat00037
    ,
    Figure 112019116280776-pat00038
    으로 정하는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 지역 설정 및 구면좌표계 설정부는,
    좌표회전을 하기 위해서 새로운 좌표계의 북극을 먼저 정하고 이 점이 포함되는 영역을 설정하고,
    새좌표계의 북극점은 태풍의 중심위치로 정하고, 지역영역은 새로운 북극점을 기준으로 동서로 각각 30도, 남북으로 각각 22,5도로 정하는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 바람자료 내삽 및 변환부는,
    회전된 좌표계의 격자점으로 바람자료(u,v)를 각각 내삽하고, 내삽은 지역영역의 전체가 아닌, 중심점을 기준으로 일정한 반경내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 바람자료 내삽 및 변환부는,
    바람벡터(
    Figure 112019116280776-pat00039
    )로 변환하기 위해서 회전된 구면좌표계의 임의의 한 점([(위도,경도)=
    Figure 112019116280776-pat00040
    ]에 대한 남북방향(
    Figure 112019116280776-pat00041
    )과 동서방향(
    Figure 112019116280776-pat00042
    )의 단위벡터(x,y,z의 3차원벡터)를 구하고,
    이 과정에 필요한 구면좌표계의 남북방향(
    Figure 112019116280776-pat00043
    )과 동서방향(
    Figure 112019116280776-pat00044
    )의 단위벡터는,
    Figure 112019116280776-pat00045
    으로 주어지고,
    여기서,
    Figure 112019116280776-pat00046
    는 각각 x,y,z방향의 단위벡터인 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 회전된 구면좌표계의 단위벡터는 각각
    Figure 112019116280776-pat00047
    와
    Figure 112019116280776-pat00048
    와 같이 정의되고, 바람벡터(
    Figure 112019116280776-pat00049
    )는
    Figure 112019116280776-pat00050
    의 벡터의 내적을 통하여 구하는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 좌표 분석부에서의 회전된 좌표계에서의 후리에 분석은 회전된 좌표계의 바람 성분(
    Figure 112019116280776-pat00051
    )에 한하여 적용하고,
    동서풍의 후리에급수를
    Figure 112019116280776-pat00052
    으로 정의하고,
    여기서,
    Figure 112019116280776-pat00053
    은 동서방향의 격자점의 수를 의미하고, ak,bk는 각각 후리에코사인, 후리에사인의 계수인 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 바람벡터 회전부에서 태풍의 이동방향을 (U,V)로 나타낸다면, 이동방향은
    Figure 112019116280776-pat00054
    으로 정의하는데,
    Figure 112019116280776-pat00055
    은 북쪽으로 진행하는 태풍의 경우에 해당하고,
    위상변환된 바람장은
    Figure 112019116280776-pat00056
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 동서파수 성분 추출부는 특정 파수 k만을 남겨두고 모두 0으로 처리하여 역변환하여 특정파수 성분을 추출하고,
    파수 1만을 선택하는 경우에는
    Figure 112019116280776-pat00057
    으로 계산되는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 바람벡터 역변환부에서 바람벡터(
    Figure 112019116280776-pat00058
    )를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 것은
    Figure 112019116280776-pat00059
    으로 정의되고, 단위벡터의 내삽을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 새로운 지역영역에 나타낸 변환된 격자자료를 단순평균하여 합성도를,
    Figure 112019116280776-pat00060
    으로 구하여 모든 격자에 대하여 평균을 취하고,
    여기서, K는 합성도에 입력되는 모든 격자점 자료의 수인 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 장치.
  13. 전지구 바람벡터 격자자료의 디지털 필터링을 하고 태풍을 포함하는 지역영역 설정 및 지역영역에 새로운 구면좌표계 설정을 하는 단계;
    바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 격자점으로 내삽하고, 바람벡터(u,v)를 새로운 좌표계의 바람벡터(up,vp)로 변환하는 단계;
    새로운 좌표계의 동서방향으로 후리에 분석을 하는 단계;
    후리에성분의 위상변환을 통하여 바람벡터(up,vp)를 회전시켜, 태풍의 이동방향이 북쪽이 되도록 하는 단계;
    회전된 바람벡터로부터 특정 동서파수 성분을 추출하는 동서파수 성분 추출을 하고, 새로운 지역영역의 설정 및 구면좌표계의 격자점으로 내삽하는 단계;
    바람벡터(up,vp)를 구면좌표계의 바람벡터(u,v)로 역변환하는 바람벡터 역변환 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍의 베타자이어 순환의 합성도 작성을 위한 방법.
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