KR102326564B1 - 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연직바람 관측장비(windprofiler)를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 선정된 연직바람 관측장비 및 이중 도플러 레이더의 관측자료를 입력받는 선정 자료 입력부;연직바람 관측장비 설치 지점을 통과하는 변분법 레이더 이중바람장과의 상관성 분석을 수행하기 위하여 연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료를 필터링하여 분석에 사용될 관측 자료를 확정하는 데이터 전처리부;수평 바람성분 분포특성을 분석 및 비교하여 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출을 하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수를 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정을 하는 레이더 이중 바람장 UV 보정부;레이더 이중 바람장 UV 보정부의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 검증하는 바람장 보정결과 검증부;를 포함하는 것이다.

Description

연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법{System and Method for Correcting Wind Filed of Dual Doppler Radar using Wind Profiler}
본 발명은 이중 도플러 레이더 운용에 관한 것으로, 구체적으로 연직바람 관측장비(windprofiler)를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 도플러 레이더(Doppler Weather Radar)는 움직이는 목표물에 전파가 부딪히면 반사전파주파수가 목표물의 속도에 따라 변동하는 전파의 도플러 효과를 응용한 것으로, 이는 목표물로 송신되는 송신파와 목표물에 부딪히면서 반사되는 반사파 간의 주파수 편차를 통해 목표물의 이동속도를 측정하는 레이더이다.
레이더 안테나에 접근하는 목표물에 대한 반사파의 주파수는 커지고, 레이더 안테나에서 멀어지는 목표물에 대한 반사파의 주파수는 작아짐으로써, 이러한 반사파의 주파수 변화를 측정해서 목표물의 이동속도를 컴퓨터로 산출하고 풍속이나 연직 기류 속도를 나타내게 된다.
여기서 시선속도는 이동체가 관측자의 시선 방향에 가까워지거나 멀어지는 속도를 말한다.
즉, 시선속도 자료는 기상레이더의 빔을 따라 수상체가 도플러 레이더로부터 가까워지거나 멀어지는 속도를 나타내는 자료로서, 기상 시스템의 발달과 구조를 분석하는 대부분의 연구에서 이를 u, v, w의 3차원 바람장 자료로 구현하여 사용하고 있다.
이와 같은 기상레이더는 광범위한 영역에 존재하는 강수계의 실시간 강수량과 바람장을 관측할 수 있는 첨단 기상관측장비이다.
현업용 S-band 레이더의 경우, 약 240km의 관측반경으로부터 한반도 내륙과 연안지역에 대한 볼륨관측이 가능하다. 바람성분의 경우, 관측과 배경장, 연속방정식과 스무딩에 대한 비용함수(J)들의 합이 최솟값 가지는 변분법 이중 도플러 레이더 바람장을 구현한다.
본 기법은 동일한 관측영역에서의 2개 이상의 레이더로부터 관측된 각각의 시선속도(VR)로부터 3차원 바람성분(U, V, W)을 산출한다는 장점을 가지나, 이는 변분법으로부터 계산됨에 따라 추정 오차를 가질 수 있다.
태풍과 같은 위험기상은 폭우와 더불어 돌풍에 의한 상당한 피해를 유발시키므로 돌풍에 대한 신뢰할 수 있는 바람장 추정은 매우 중요하다.
따라서, 바람장 추정의 정확도를 높일 수 있는 새로운 추정 오차 보정 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1354522호 대한민국 등록특허 제10-1244544호 대한민국 등록특허 제10-1499642호
본 발명은 종래 기술의 이중 도플러 레이더 운용의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연직바람 관측장비(windprofiler)를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 사례별 수평 바람성분 분포특성 분석 및 비교 결과를 확인하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과 출력하는 것에 의해 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 사례별, 바람성분 크기별, 고도별 보정결과를 검증하고 검증 결과를 레이더 이중 바람장 UV 보정부로 전송하여 검증 결과를 반영하여 이중 바람장 UV 보정 알고리즘의 정확도를 개선할 수 있도록 한 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 극초단파(UHF)를 상층대기로 송신하여 난류신호를 수신하여 고정지점에 대한 고해상도의 청천대기 3차원 바람성분을 직접 관측하는 연직바람 관측장비를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장 보정기법을 개발을 통해 풍수해 대비를 비롯한 방재기상 분야에 기여를 할 수 있도록 한 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 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 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치는 선정된 연직바람 관측장비 및 이중 도플러 레이더의 관측자료를 입력받는 선정 자료 입력부;연직바람 관측장비 설치 지점을 통과하는 변분법 레이더 이중바람장과의 상관성 분석을 수행하기 위하여 연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료를 필터링하여 분석에 사용될 관측 자료를 확정하는 데이터 전처리부;수평 바람성분 분포특성을 분석 및 비교하여 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출을 하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수를 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정을 하는 레이더 이중 바람장 UV 보정부;레이더 이중 바람장 UV 보정부의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 검증하는 바람장 보정결과 검증부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법은 영향 및 상륙태풍 사례를 선정하여 연직바람 관측장비 및 변분법 이중 도플러 레이더 바람장 데이터 입력을 받는 단계;연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료의 전처리를 하는 단계;연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 사례별 수평 바람성분 분포특성 분석 및 비교 결과를 확인하는 단계;레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출을 하고, 레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 출력하는 단계;레이더 이중 바람장 UV 보정부의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연직바람 관측장비(windprofiler)를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한다.
둘째, 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 사례별 수평 바람성분 분포특성 분석 및 비교 결과를 확인하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한다.
셋째, 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과 출력하는 것에 의해 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한다.
넷째, 사례별, 바람성분 크기별, 고도별 보정결과를 검증하고 검증 결과를 레이더 이중 바람장 UV 보정부로 전송하여 검증 결과를 반영하여 이중 바람장 UV 보정 알고리즘의 정확도를 개선할 수 있도록 한다.
다섯째, 극초단파(UHF)를 상층대기로 송신하여 난류신호를 수신하여 고정지점에 대한 고해상도의 청천대기 3차원 바람성분을 직접 관측하는 연직바람 관측장비를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장 보정기법을 개발을 통해 풍수해 대비를 비롯한 방재기상 분야에 기여를 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법의 전체 개념을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치의 상세 구성도
도 3은 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4는 레이더 바람장 보정에 사용된 10개의 태풍 사례 진로를 나타낸 구성도
도 5는 보성 표준관측소 지점 포함하는 연직바람 관측장비 설치 지점을 나타낸 구성도
도 6은 연직바람 관측장비 관측 모식도
도 7은 진도, 성산, 그리고 고산 기상레이더에 대한 고도 3 km 레이더 변분법 이중바람장 표출영역을 나타낸 구성도
도 8은 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 덴무(Dianmu)와 곤파스(Konpasu)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도
도 9는 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 말로(Malou)와 메아리(Meari)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도
도 10은 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 무이파(Muipa)와 카눈(Khanun)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도
도 11은 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 담레이(Damrey)와 덴빈(Tembin)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도
도 12는 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 볼라벤(Bolaven)과 산바(Sanba)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도
도 13은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 뎬무(Dianmu)와 곤파스(Konpasu)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도
도 14는 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 말로(Malou)와 메아리(Meari)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도
도 15는 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 무이파(Muipa)와 카눈(Khanun)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도
도 16은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 담레이(Damrey)와 덴빈(Tembin)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도
도 17은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 볼라벤(Bolaven)과 산바(Sanba)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도
도 18은 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 평균 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분 분포도
도 19는 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 전 전체 평균 분포도
도 20은 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 후 전체 평균 분포도
도 21은 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 평균 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 전 1차 선형 회귀선 분포도
도 22는 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 평균 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 후 1차 선형 회귀선 분포도
도 23은 바람장 보정 전(위) 후(아래) 동서바람성분크기별 표준편차분포도
도 24는 바람장 보정 전(위) 후(아래) 남북바람성분크기별 표준편차분포도
도 25는 바람장 보정 전(위) 후(아래) 고도별 동서바람성분의 결정계수 분포도
도 26은 바람장 보정 전(위) 후(아래) 고도별 남북바람성분의 결정계수 분포도
이하, 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법의 전체 개념을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법은 연직바람 관측장비(windprofiler)를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 사례별 수평 바람성분 분포특성 분석 및 비교 결과를 확인하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과 출력하는 것에 의해 정확한 바람장 추정이 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 사례별, 바람성분 크기별, 고도별 보정결과를 검증하고 검증 결과를 레이더 이중 바람장 UV 보정부로 전송하여 검증 결과를 반영하여 이중 바람장 UV 보정 알고리즘의 정확도를 개선하는 구성을 포함할 수 있다.
태풍과 같은 위험기상은 폭우와 더불어 돌풍에 의한 상당한 피해를 유발시키므로 정확한 강수계의 바람장 관측은 매우 중요하다.
기상레이더는 광범위한 영역에 존재하는 강수계의 실시간 강수량과 바람장을 관측할 수 있는 첨단 기상관측장비이다.
현업용 S-band 레이더의 경우, 약 240km의 관측반경으로부터 한반도 내륙과 연안지역에 대한 3차원 공간 관측이 가능하다.
바람 성분의 경우, 각 변수에 대한 비용함수(J)들의 합이 최솟값 가지는 변분법 이중 도플러 레이더 바람장(레이더 이중 바람장)을 구현한다. 동일한 관측영역에서의 2개 이상의 레이더로부터 관측된 각각의 시선속도(VR in m s-1)로부터 3차원 바람성분(U, V, W)을 산출한다. 그러나 이는 변분법으로부터 계산된 추정값이며 대부분의 비용함수의 최소값이 0으로 수렴되지 않으므로 오차를 가지고 있다.
이러한 문제점은 극초단파(UHF)를 상층대기로 송신하여 난류신호를 수신하여 고정지점에 대한 고해상도의 청천대기 3차원 바람성분을 직접 관측하는 연직바람 관측장비(windprofiler)로 보정 가능하다.
본 발명은 연직바람관측장비를 이용한 변분법 이중 도플러 레이더 바람장 보정을 위하여 도 1에서와 같이, ① 관측자료 수집, ② 전처리 수행, ③ 바람장 보정 계수 산출 및 검증으로 진행된다.
도 2는 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치의 상세 구성도이다.
본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치는 도 2에서와 같이, 선정된 연직바람 관측장비 및 이중 도플러 레이더에의 관측자료를 입력받는 선정 자료 입력부(10)와, 연직바람 관측장비 설치 지점을 통과하는 변분법 레이더 이중바람장과의 상관성 분석을 수행하기 위하여 연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료를 필터링하여 분석에 사용될 관측 자료를 확정하는 데이터 전처리부(20)와, 수평 바람성분 분포특성을 분석 및 비교하여 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출을 하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수를 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정을 하는 레이더 이중 바람장 UV 보정부(30)와, 레이더 이중 바람장 UV 보정부(30)의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 검증하는 바람장 보정결과 검증부(40)를 포함한다.
여기서, 바람장 보정결과 검증부(40)에서 사례별, 바람성분 크기별, 고도별 보정결과를 검증한 검증 결과를 레이더 이중 바람장 UV 보정부(30)로 전송하여 검증 결과를 반영하여 이중 바람장 UV 보정 알고리즘의 정확도를 개선하는 검증 결과 반영부(50)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 데이터 전처리부(20)는 관측된 2차원 수평바람성분 분포와 태풍 진로와의 상관성을 확인하여 관측 자료가 집중된 영역을 허용 범위밖으로 벗어난 곳에서 에러값이 나타나는 자료를 필터링하고, 관측된 자료수가 설정된 개수보다 부족하여 2차원 수평바람성분을 이용한 태풍 진로의 특징을 제시하지 못하는 관측자료를 필터링한다.
데이터 전처리부(20)는 태풍으로부터 관측된 연직바람 관측장비 수평 바람성분 분포에 대해 매 5 m s-1별 관측된 바람성분 자료수가 5개 미만인 관측 자료는 에러값으로 판단하여 제거할 수 있다.
그리고 레이더 이중 바람장 UV 보정부(30)는 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 동서바람성분(U in m s-1)과 남북바람성분(V in m s-1) 평균값 산출을 하는 UV 평균값 산출부(31)와, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정을 하는 UV 보정계수 산출 및 적용부(32)를 포함한다.
그리고 레이더 이중 바람장 UV 보정부(30)는 바람성분 크기별 보정 계수 산출을 하여 변분법 레이더 이중 바람장을 보정하고, 연직바람 관측장비로부터 관측된 바람성분을 기준 값으로 하여 이를 기준으로 변분법 레이더 이중 바람장의 바람성분을 매 5m s-1 구간별로 보정하는 것이 바람직하다.
그리고 레이더 이중 바람장 UV 보정부(30)는 보정 전 동서 및 남북바람성분에 대한 전체 태풍 사례별 바람성분 선형 회귀식(y = ax + b)을 산출하고 보정계수를 통한 보정으로 계수 a와 상수 b를 다르게 하여 연직바람 관측장비와의 상관도를 개선하고, 동서 및 남북 바람 성분에 대한 보정 전후의 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Error, RMSE)가 개선되도록 한다.
그리고 바람장 보정결과 검증부(40)의 상세 구성은 각 사례별 보정 전후 연직바람 관측장비와의 상관성 분석을 수행하여 사례별 보정결과를 검증하는 사례별 보정결과 검증부(41)와, 바람성분크기별 보정 전후의 표준편차 분포를 비교 분석하여 바람성분 크기별 보정결과를 검증하는 바람성분 크기별 보정결과 검증부(42)와, 연직바람관측장비와의 상관도를 보여주는 결정계수(Coefficient of determination, R2)를 이용한 2 km 간격별 동서 및 남북 바람성분을 분석하여 고도별 보정결과를 검증하는 고도별 보정결과 검증부(43)를 포함한다.
여기서, 연직바람 관측장비를 이용하여 산출된 바람장 보정계수를 적용한 변분법 레이더이중 바람장은 보정 전 연직바람 관측장비와 음의 상관도를 갖거나, 높은 상관도를 갖는 경우를 제외하였을 때 모두 양의 개선 특성을 갖는다.
그리고 바람장 보정 전 고도별 동서바람성분은 고도가 증가함에 따라 연직바람관측장비와의 상관도가 감소하는 경향이 전체 태풍 사례에서 공통적으로 나타나고, 바람장 보정 전 고도별 남북바람성분은 고도가 증가함에 따라 연직바람관측장비와의 상관도가 유지되는 경향이 전체 태풍 사례에서 공통적으로 나타나는 특징이 있다.
그리고 바람장 보정 이후 전체 태풍 사례에서 R2 = 0.1부터 분포한 3 km 고도의 결정계수 분포가 0.25로 전체적으로 상승하였으며, 7 km 고도까지 연직바람 관측장비의 상관도가 증가 또는 유지하는 경향으로 개선되는 특징을 갖는다.
도 3은 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, 영향 및 상륙태풍 사례를 선정하여 연직바람 관측장비 및 변분법 이중 도플러 레이더 바람장 데이터 입력을 한다.(S301)
이어, 연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료의 전처리를 한다.(S302)
그리고 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 사례별 수평 바람성분 분포특성 분석 및 비교 결과를 확인한다.(S303)
이어, 레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출을 하고(S304), 레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 출력한다.(S305)
그리고 사례별, 바람성분 크기별, 고도별 보정결과를 검증하고 검증 결과를 레이더 이중 바람장 UV 보정부로 전송하여 검증 결과를 반영한다.(S306)
본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법에 적용하기 위한 [영향 및 상륙태풍 사례 선정]에 관하여 설명하면 다음과 같다.
한반도를 통과한 과거 태풍사례를 선정하기 위하여 최적화된 관측 조건을 만족하는 보성 표준기상 관측소에 설치된 연직바람관측장비(Windprofiler)로부터 관측된 영향태풍을 선정한다.
대표성을 가지는 변분법 레이더 바람장 보정 기법 개발을 위하여 i) 다수의 영향 태풍 사례 고려가 요구되며 ii)연직바람관측장비가 운영된 시기 내에 관측된 태풍 사례를 선정한다.
선정된 태풍은 연직바람관측장비의 내구연한으로 인한 품질저하가 발생된 2013년 이전 태풍 사례를 선정하였으며, 다양한 진로 및 규모로 상륙하는 다수의 태풍 사례를 고려하여 개발된 바람장 보정식의 객관성을 위하여 2010년부터 2012년까지 총 10개의 영향 및 상륙 태풍을 본 과제의 주요 분석사례로 선정하였다.
도 4는 레이더 바람장 보정에 사용된 10개의 태풍 사례 진로를 나타낸 구성도이다.
선정된 태풍 중 태풍 담레이(Damrey)는 유일하게 북서진하였으며, 태풍 무이파(Muipa), 메아리(Meari), 그리고 태풍 볼라벤(Bolaven)은 북진하였다.
태풍 카눈(Khanun)과 산바(Sanba)는 북북동진하였으며, 태풍 뎬무(Dianmu), 곤파스(Konpasu), 말로(Malou), 그리고 덴빈(Tembin)는 북동진하였다. 진로 기울기는 말로우(Malou), 뎬무(Dianmu), 덴빈(Tembin), 곤파스(Konpasu), 카눈(Khanun), 산바(Sanba), 무이파(Muipa), 메아리(Meari), 볼라벤(Bolaven) 그리고 담레이(Damrey) 순서로 나타났으며, 태풍 중심이 위도 33°N를 통과할 당시의 경도는 담레이(Damrey), 무이파(Muipa), 메아리(Meari), 볼라벤(Bolaven), 뎬무(Dianmu), 덴빈(Tembin), 카눈(Khanun), 말로(Malou), 그리고 산바(Sanba)의 순서로 보였다.
선정된 태풍의 자세한 상륙·소멸 시기는 표 1에서와 같다.
Figure 112020065771204-pat00001
본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법에 적용되는 [연직바람 관측장비]에 관하여 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
연직바람 관측장비(windprofiler)는 300∼3000 MHz의 파장을 갖는 극초단파(Ultra High Frequency, UHF)를 상층대기로 송신하여 바람과 함께 이동하는 난류에서 산란되어 오는 전파신호를 수신하여 고정지점에 대한 고해상도의 연직바람분포를 관측한다.
도 5는 보성 표준관측소 지점 포함하는 연직바람 관측장비 설치 지점을 나타낸 구성도이다.
내구연한 문제로 관측신뢰도가 저하되어 2014년 최종 운용 중지된 보성 표준기상 관측소(34.76 °N, 127.21 °E)내에 설치 운용된 기기를 제외하고 태풍과도 같은 특별 기상현상을 관측하기 위하여 설치된 국가태풍센터지점을 포함하여 총 10개 지점에서 현재 운용중이다.
도 6은 연직바람 관측장비 관측 모식도이다.
연직바람 관측장비는 1개의 중앙 패널과 4개의 측면 패널을 포함하여 총 5개의 안테나 패널을 구성하고 있으며, 각 패널은 8개의 dipole 안테나로 구성되어 있다.
동축 케이블을 통해 송수신부와 연결되며, 연직 빔은 중앙 패널에서 방사된다. 또한, 중앙 패널을 중심으로 4방위(동서남북)에 위치해 있는 4개의 측면 패널은 수평인 중앙 패널로부터 약 15° 편향된 빔이 방사된다.
연직바람 관측장비는 도플러 기술을 사용한 DBS(Doppler Beam Swinging) 방법을 이용하여 바람성분을 계산 및 표출한다.
Figure 112020065771204-pat00002
이 방법은 3개 이상의 방향으로 빔을 발사하여 대기 난류에 의한 도플러 편이로부터 시선속도를 측정한 후에, 측정된 시선속도의 벡터연산으로 수평바람을 추정한다.
즉, 각 빔의 일정고도에서 수평 바람장이 일정하다고 가정하면, 바람벡터는 각 빔의 시선속도를 합성하여 계산할 수 있다.
Cheong 등(2008)은 4개 이상의 시선속도 성분을 고려하였을 때 DBS의 RMSE가 상당히 감소하여 보다 신뢰할 수 있는 바람성분을 산출할 수 있음을 확인함에 따라 총 5개의 시선속도 성분으로부터 산출된 바람성분은 신뢰할 수 있다.
연직방향을 기준으로 약 15° 기울어진 4방위로 방사된 빔은 각 방향의 대기운동에 따라 도플러 편이가 된 후방산란 신호를 수신하여 산란체의 시선속도를 관측한다.
DBS 기법을 통해 일정한 방위각 간격으로 관측된 5개의 시선속도로 수평 풍향과 풍속을 산출할 수 있으며 연직빔에서 측정한 시선속도인 연직 성분을 추가하여 3차원 바람장을 얻을 수 있다.
여기서 u, v, w는 각각 바람의 동서성분, 남북성분, 연직성분을 뜻한다. 5개의 방정식을 풀면 수평바람성분인 u, v와 연직바람성분 w는 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112020065771204-pat00003
Figure 112020065771204-pat00004
Figure 112020065771204-pat00005
Figure 112020065771204-pat00006
Figure 112020065771204-pat00007
앞서 계산된 각 바람성분을 통해서 수평풍속(WS)과 풍향(WD)을 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112020065771204-pat00008
Figure 112020065771204-pat00009
관측 주기는 최대 빔 송신 거리 차에 따라 2가지 모드인 low mode(5 km)와 high mode(12 km)로 구성된 관측전략을 기본으로 수행하고 관측자료는 10분 간격으로 생성되며, 연직해상도는 100 m로서 기상레이더에서 갖는 CAPPI(Constant Altitude PPI) 연직해상도(250∼500 m)보다 고해상도 연직 바람분포 표출이 가능함에 따라 돌풍을 동반하는 집중호우 또는 태풍의 내부 바람구조를 분석함에 있어 유용하게 활용할 수 있는 여러 장점을 갖는 지상기반 기상관측기기이다.
그리고 변분법 이중 도플러 레이더 바람장에 관하여 설명하면 다음과 같다.
레이더 자료를 이용한 3차원 바람장 구현을 위해 변분법(variational method)을 이용한다.
변분법은 비용함수(J)를 정의하고 이를 최소화하는 과정을 말한다. 비용함수는 관측값과 질량보존에 대한 오차를 최소화하는 최적의 값을 구하는 과정을 말하며 본 발명에서 적용된 비용함수는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112020065771204-pat00010
Figure 112020065771204-pat00011
Figure 112020065771204-pat00012
Figure 112020065771204-pat00013
Figure 112020065771204-pat00014
Figure 112020065771204-pat00015
위의 비용함수 합을 u,v,w로 편미분하여
Figure 112020065771204-pat00016
값 모두가 0에 가깝다고 판단되거나 최소값이 될 때까지 반복하여 최적의 u,v,w을 도출하여 이를 바탕으로 3차원 바람장을 구현한다.
도 7은 진도, 성산, 그리고 고산 기상레이더에 대한 고도 3 km 레이더 변분법 이중바람장 표출영역을 나타낸 구성도이고, 계산된 바람장 영역은 점선으로 나타내었다.
바람장 산출시, 질량-연속방정식의 적분 과정에서 상,하층 경계조건의 설정, 레이더 자료의 불규칙적인 공간 분포와 지상에서 1 km 고도 사이의 레이더 자료 공백이 내삽 과정 중에서 발생한다. 이는 연직속도 산출을 위한 질량-연속방정식의 적분 오차를 증가시키는 주된 원인이며, 이러한 문제점은 변분법 활용을 통해 극복될 수 있다.
변분법을 이용한 바람장 산출기법은 수평 바람과 연직 바람을 하나의 비용함수에 포함시켜 최적의 3차원 바람성분을 산출하는 방법으로 연직 적분법에 비해 작은 오차로 연직속도를 계산할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서는 변분법을 이용한 이중 바람장 영역을 산출하기 위하여 진도(JNI), 고산(GSN) 그리고 성산(SSP) 기상레이더를 이용한다.
산출영역은 보성을 비롯한 전라도 남해안 부근과 국가태풍센터가 위치한 제주도 전역이 포함되며, 보성 표준기상관측소와 가장 인접한 관측지점인 창원기상대는 이중 바람장 표출영역에 포함되지 않아 분석기간에 대해 연직바람 관측장비가 설치된 보성 표준기상 관측소에서 운용 중인 지상관측기기만을 이용한 분석이 가능하다.
변분법 레이더 이중 바람장 표출영역에 포함되는 다른 관측지점에 연직바람 관측장비 또는 파시벨 우적계가 설치되어있는 경우에 대해서도 본 발명에 따른 분석방법이 동일하게 적용 가능하다.
그리고 자료 필터에 관하여 설명한다.
보성 표준기상 관측소에 설치된 연직바람 관측장비 설치 지점을 통과하는 변분법 레이더 이중바람장과의 상관성 분석을 수행하기에 앞서 연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료의 전처리가 요구된다.
Figure 112020065771204-pat00017
도 8은 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 덴무(Dianmu)와 곤파스(Konpasu)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도이고, 도 9는 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 말로(Malou)와 메아리(Meari)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도이다.
그리고 도 10은 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 무이파(Muipa)와 카눈(Khanun)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도이고, 도 11은 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 담레이(Damrey)와 덴빈(Tembin)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도이다.
그리고 도 12는 연직바람 관측장비로부터 관측한 태풍 볼라벤(Bolaven)과 산바(Sanba)의 동서 및 남북바람성분 필터 전(위) 후(아래) 산포도이다.
관측된 2차원 수평바람성분 분포와 태풍 진로와의 상관성을 확인한다.
먼저 태풍 중심이 한반도 남부 또는 연안선 이남으로 통과한 태풍 말로(Malou), 뎬무(Dianmu), 그리고 덴빈(Tembin)의 자료는 원형의 분포를 가졌다.
한반도 중부를 대각 방향으로 관통하는 태풍 카눈(Khanun)과 곤파스(Konpasu)는 아치형의 구조를 보였다.
또한 태풍 중심이 서해상을 통과하며 북진한 태풍 무이파(Muipa)와 메아리(Meari)는 선형의 자료 분포를 보였으며 자료가 집중된 영역을 상당히 벗어난 곳에서 일부 에러값이 나타난다는 것이 특징이다.
태풍 볼라벤(Bolaven)은 아치형의 분포를 갖는 태풍 카눈(Khanun)과 곤파스(Konpasu)의 진로와 선형의 자료 분포를 갖는 태풍 무이파(Muipa)와 메아리(Meari)의 진로의 경계를 통과하였으며, 역기역자(Γ)형태의 분포를 보였다.
태풍 산바(Sanba)의 경우, 원형의 자료 분포를 갖는 태풍 말로(Malou), 뎬무(Dianmu) 그리고 덴빈(Tembin)의 진로와 아치형의 자료 분포를 갖는 태풍 카눈(Khanun)과 곤파스(Konpasu)의 진로의 경계를 통과하였으며 이는 대각선형의 자료 분포를 보였다. 태풍 담레이(Damrey)는 관측된 자료수가 부족(20개)하여 2차원 수평바람성분을 이용한 태풍 진로의 특징을 제시하지 못하였다.
태풍은 기상현상 중 바람성분분포가 균일하며 연속적인 구조를 갖는 강수계로 고려된다. 따라서 태풍으로부터 관측된 연직바람 관측장비 수평 바람성분 분포에대해 매 5 m s-1별 관측된 바람성분 자료수가 설정 갯수 예를 들어, 5개 미만인 관측 자료는 에러값으로 판단하여 제거한다.
원형의 자료구조를 갖는 태풍 사례에서 가장 많은 관측자료가 에러로 고려되어 제거되었으며, 아치형태의 태풍 사례에서 가장 적은 에러가 제거되었다.
본 발명에서 제시한 자료 필터로부터 제거된 아웃라이어는 표 2에서와 같다.
사례별 수평 바람성분 분포특성 분석 및 비교에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 13은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 뎬무(Dianmu)와 곤파스(Konpasu)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도이고, 도 14는 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 말로(Malou)와 메아리(Meari)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도이다.
도 15는 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 무이파(Muipa)와 카눈(Khanun)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도이고, 도 16은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 담레이(Damrey)와 덴빈(Tembin)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도이다.
그리고 도 17은 연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 태풍 볼라벤(Bolaven)과 산바(Sanba)의 동서(위) 및 남북(아래)바람성분 고도별 분포도이다.
도 13 내지 도 17은 자료 필터 처리된 연직바람 관측장비와 해당 관측영역을 통과하는 변분법 레이더 이중 바람장의 고도별 분포이다.
10개의 사례에 대한 전체적인 분포를 보았을 때, 동서바람성분(U in m s-1)분포가 남북바람성분(V in m s-1)과 비교하였을 때 -42 m s-1부터 15 m s-1까지 더 넓은 분포 영역을 가졌다.
특히 태풍 볼라벤(Bolaven)과 산바(Sanba)를 제외하였을 때 8개의 태풍은 -25 m -1부터 15 m s-1내에 밀집하는 경향을 보였다. 반면, 남북바람성분 분포는 2.5 m s-1부터 42.5 m s-1까지 오직 남풍만 관측되었다.
태풍 뎬무(Dianmu)의 경우 고도가 증가함에 따라 연직바람 관측장비의 동서바람(UWPF)과 변분법 레이더 이중 바람장(UR)의 상관도가 점차 감소하는 경향이 나타났다.
태풍 곤파스(Konpasu), 무이파(Muipa), 메아리(Meari), 덴빈(Tembin), 그리고 태풍 볼라벤(Bolaven)에서도 유사한 경향이 나타났다. 특히 태풍 메아리(Meari)와 무이파(Muipa) 그리고 볼라벤(Bolaven)은 -20 m s-1을 중심으로 일대일 대응선을 벗어난 큰 바이어스가 나타났다.
바람성분크기와 관측고도의 상관성이 작은 태풍 곤파스(Konpasu), 카눈(Khanun)은 약한 바람성분을 갖는 영역 내에 분포함에도 불구하고 연직바람 관측장비와의 높은 상관성을 가졌다.
그러나 동서바람성분 크기와 관측고도와의 경향을 갖는 태풍 뎬무(Dianmu), 매아리, 무이파(Muipa)는 선정된 사례 중 가장 큰 바이어스를 보였다.
-45 m s-1의 15분 평균 수평바람성분을 관측한 태풍 볼라벤(Bolaven)의 경우, 최대 10 m s-1의 높은 바이어스가 나타나는 -20 m s-1 구간을 제외한 영역에서 연직바람 관측장비와 매우 높은 상관도를 보였다.
이와는 반대로 남북바람성분(VWPF, VR)의 상관도는 동서바람성분과 달리 관측고도가 감소함에 따라 바이어스가 증가하는 경향이 나타났다. 특히 태풍 덴빈(Tembin)은 4 km 고도 이하에서 다른 관측사례와 비교하였을 때 가장 큰 관측 바이어스를 나타내었다.
또한, 태풍 볼라벤(Bolaven)의 경우, 20 m s-1를 중심으로 20 m s-1에 해당하는 상당한 바이어스가 나타났다. 이러한 특징은 태풍 덴빈(Tembin)과 무이파(Muipa), 곤파스(Konpasu)에서도 유사하게 관측되었으며, 대부분의 남북바람성분이 20 m s-1를 중심으로 관측된 태풍 뎬무(Dianmu)의 경우, 대부분의 자료가 고도에 상관없이 큰 바이어스를 가졌다.
연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중바람장과의 동서바람성분 분포는 남북바람성분과 비교하였을 때 상대적으로 더 큰 바이어스를 보였으며, 태풍 사례에 따라 일대일 대응선을 벗어난 다양한 분포 경향을 나타냈다.
이와 달리 남북바람성분은 대체적으로 일대일 대응선을 중심으로 분포하였다.
공통적으로 관측 자료가 상대적으로 적은 태풍 담레이(Damrey)(12개)와 말로(Malou)(65개)는 5 km 고도 이상의 관측자료가 존재하지 않았으며, 모두 상대적으로 약한 바람성분을 관측하였다.
이러한 이유는 연직바람 관측장비가 태풍 최외곽지역만 관측함에 따라 상대적으로 낮은 관측고도와 약한 바람성분이 관측된 결과로 사료된다.
그리고 레이더 바람장 보정계수 산출 및 적용에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 18은 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 평균 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분 분포도이다.
먼저, 사례별 바람성분 선형 회귀식 산출에 관하여 설명한다.
선정된 10개 태풍의 전체 동서 및 남북바람성분의 평균분포로부터 개별 사례에서 나타나는 특징이 모든 태풍에서 공통적으로 나타나는 특징임을 파악할 수 있다
도 18에서와 같이, 양의 동서바람성분을 갖는 태풍 사례는 -30 m s-1부터 0 m s-1까지 가장 큰 바이어스가 나타나며, 이들 바이어스 크기가 모든 태풍 사례에 대해 유사하게 관측되었다. 그러나 오직 음의 동서바람성분을 갖는 태풍 사례인 태풍 볼라벤(Bolaven)과 산바(Sanba)는 8개의 태풍사례에서 관측된 큰 바이어스 구간에 관측자료가 존재함에도 불구하고 연직바람 관측장비와 높은 상관성을 보였다.
양의 동서바람에서는 크기에 상관없이 일정한 바이어스가 나타났으며, 모든 태풍 사례에 대해 가장 높은 상관성을 보였다.
남북바람성분의 경우, 동서바람성분과 비교하였을 때 전체 태풍 사례에서 바람성분 크기에 상관없이 연직바람 관측장비와의 높은 상관성을 보였으나, 모든 태풍 사례에 대해 공통적인 특징은 나타나지 않았다.
남북바람성분 크기 내에서 비교하였을 때, 20 m s-1를 중심으로 가장 큰 바이어스가 나타났으며, 이는 30 m s-1이상의 강한 남북바람성분을 가진 태풍 무이파(Muipa), 볼라벤(Bolaven)에서 가장 큰 바이어스를 보였다.
이와 달리, 가장 큰 바이어스를 가지는 20 m s-1 구간에 관측자료
가 존재함에도 불구하고 30 m s-1 이상의 남북바람성분 자료가 존재하지 않는 8개
의 태풍 사례에서는 해당 구간에 대한 유의미한 바이어스가 관측되지 않았다.
보정계수 산출에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 19는 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 전 전체 평균 분포도이고, 도 20은 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 후 전체 평균 분포도이다.
도 19에서와 같이, 바람성분 크기에 따라 바이어스가 다르며, 크기에 대한 바이어스가 다수의 태풍 사례에서 유사하게 나타나는 두 가지 조건을 고려하였을 때, 바람성분 크기별 보정계수 산출이 변분법 레이더 이중 바람장을 가장 효과적으로 보정할 수 있다.
이에 따라 연직바람 관측장비로부터 관측된 바람성분을 기준 값으로 고려하여 이를 기준으로 변분법 레이더 이중 바람장의 바람성분을 매 5m s-1 구간별로 보정하였으며 각 구간별 보정계수는 표 3에 정리하였다.
Figure 112020065771204-pat00018
도 20에서와 같이, 보정 전 동서 및 남북바람성분에 대한 전체 태풍 사례의 선형 회귀식(y = ax + b)의 계수 a와 상수 b는 각각 1.02와 5.58 그리고 0.85와 4.49였으나, 보정계수를 통한 보정 이후의 선형 회귀식의 계수와 상수는 각각 0.98과 0.24 그리고 0.93과 1.39로 연직바람 관측장비와의 상관도가 개선되었다.
또한 동서 및 남북 바람성분에 대한 보정 전후의 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Error, RMSE)는 2.69와 2.00에서 1.99와 1.92로 모두 개선됨을 확인할 수 있다.
바람장 보정 결과 검증에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 21은 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 평균 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 전 1차 선형 회귀선 분포도이다.
먼저, 개별 사례별 바람장 보정결과 검증에 관하여 설명하면 다음과 같다.
변분법 레이더 이중 바람장 보정을 위하여 고려된 10개의 한반도 영향 및 상륙 태풍을 이용하여 각 사례별 보정 전후 연직바람 관측장비와의 상관성 분석을 수행한다.
먼저 도 21에서와 같이, 보정 전 동서바람성분에 대한 각 태풍 사례의 선형 회귀식의 계수와 상수는 각각-0.15부터 1.02까지 그리고 -4.6부터 6.6까지 넓은 범위 내에 다양하게 분포하였으며, 1에 가장 가까운 계수를 갖는 태풍은 볼라벤(Bolaven)이었으며(a = 1.02), 0에 가장 가까운 상수를 갖는 태풍은 뎬무(Dianmu)(b = 0.7)였다.
태풍 말로(Malou)는 자료수의 부족과 더불어 좁은 자료 분포영역을 갖는 사례임에 따라 연직바람 관측장비와 무상관에 가까운 계수(-0.15)와 상수(-3.6)를 보였다.
남북바람성분의 경우, 선형 회귀식의 음의 계수가 관측되지 않았으며, 상수는 -15.6부터 21.0까지 매우 넓게 분포하였다. 이러한 큰 계수와 상수의 분포영역을 갖는 이유 중 하나는 10개의 태풍 사례로부터 관측된 남북바람성분크기가 양의 값에 국한되어있기 때문이다.
태풍 뎬무(Dianmu)가 계수와 상수 모두 연직바람 관측장비과 가장 높은 상관성을 갖는 값(a = 0.71, b = 6.4)을 보였으며, 그 다음은 태풍 카눈(Khanun)(a = 0.70, b = 9.6)이 기록되었다.
도 22는 연직바람관측장비-변분법 레이더 이중바람장으로부터 관측한 전체 태풍 사례에 대한 평균 동서(좌측) 및 남북(우측)바람성분의 바람장 보정 후 1차 선형 회귀선 분포도이다.
도 22에서와 같이, 본 발명에서 제안한 바람성분크기구간별 변분법 레이더 이중바람장 보정계수를 전체 태풍 사례에 각각 적용하였을 때, 대부분의 선형회귀식이 개선되었다.
그러나 보정 전 음의 계수(-0.15)를 나타낸 태풍 말로(Malou)는 바람장 보정을 통하여 오히려 연직바람 관측장비와의 상관도가 저하(a = -0.3, b = -3.1)되었으며, 보정 전 높은 상관도(a = 0.75, b = -1.1)를 보였던 태풍 볼라벤(Bolaven)의 경우, 바람장 보정을 통하여 선형회귀식의 계수(0.76)와 상수(-7.4) 및 RMSE(2.01)도 감소하였다.
이를 통해 보정 전 연직바람 관측장비와 높은 상관도를 가지는 사례의 경우, 바람장 보정을 통하여 오히려 품질저하가 발생하였다고 예상된다. 변분법 레이더 이중바람장 보정 전후 태풍 사례별 선형회귀식과 RMSE는 표 4에서와 같다.
Figure 112020065771204-pat00019
남북바람성분의 경우, 바람장 보정을 통해 전체 태풍 사례의 계수와 상수의분포 범위가 각각 0.13에서 0.84까지 그리고 -2.7에서 18.7까지 대폭 감소하였다.
동서바람성분과 마찬가지로 보정 전 연직바람 관측장비와의 상관도가 가장 높은 태풍 뎬무(Dianmu)(a= 0.83, b= 4.2)는 바람장 보정을 통하여 상관도가 저하(a = 0.66, b = 5.7)되었다. 또한, 가장 낮은 상관도를 보인 태풍 산바(Sanba)(a = 0.18, b = 13.1)와 덴빈(Tembin)(a = 0.39, b = 14.9)은 바람장 보정 후 연직바람 관측장비와의 상관도가 감소하였다. 이를 제외한 6개의 사례에서 양의 보정효과가 나타났으며, 태풍산바(Sanba)는 상관도의 변화가 나타나지 않았다.
바람성분 크기별 레이더 바람장 보정결과 검증에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 23은 바람장 보정 전(위) 후(아래) 동서바람성분크기별 표준편차분포도이고, 도 24는 바람장 보정 전(위) 후(아래) 남북바람성분크기별 표준편차분포도이다.
연직바람 관측장비를 이용하여 산출된 바람장 보정계수를 적용한 변분법 레이더 이중 바람장은 보정 전 연직바람 관측장비와 음의 상관도를 갖거나, 높은 상관도를 갖는 경우를 제외하였을 때 모두 양의 개선을 보였다.
바람장 보정계수를 이용한 보정 결과를 다각도로 검증하기 위하여, 바람성분크기별 보정 전후의 표준편차 분포를 비교 분석하였다.
바람장 보정 전 태풍 무이파(Muipa)와 볼라벤(Bolaven)에서 최대 14 m s-1까지 높은 표준편차를 보였으며, 이 두 태풍의 공통점은 -20 m s-1 보다 큰 동서바람성분을 갖는다는 것이다.
도 23에서와 같이, 바람장 보정 이후 두 태풍의 표준편차는 최소 7 m s-1 그리고 최대 1 m s-1까지 눈에 띄게 감소하였으며, 태풍 산바(Sanba) 에 대한 전체 동서바람성분에서 갖는 약 4 m s-1의 표준편차가 2 m s-1로 전체적으로 감소하였다.
남북 바람성분의 경우, 바람성분 크기가 작을수록 표준편차가 증가하는 경향이 전체 태풍 사례에서 동일하게 나타났다.
전체 남북바람성분 분포가 0에서 15 m s-1 내에 집중되어있는 태풍 말로(Malou)는 최대 약 18 m s-1의 표준편차를 보였으며, 태풍 볼라벤(Bolaven)과 메아리(Meari) 그 뒤(11 m s-1, 9.5 m s-1)에 위치하였다.
도 24에서와 같이, 바람장 보정 후 태풍 볼라벤(Bolaven)을 제외한 모든 태풍사례에서 양의 보정효과가 나타났다.
가장 큰 표준편차를 나타낸 태풍 말로(Malou), 볼라벤(Bolaven), 메아리(Meari) 중 태풍 볼라벤(Bolaven)을 제외한 두 사례의 표준편차가 최대 3 m s-1까지 감소하였다. 태풍 볼라벤(Bolaven)을 제외하였을 때, 전체 태풍 사례의 평균 표준편차는 약 3 m s-1로 감소하였다.
고도별 레이더 바람장 보정결과 검증에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 25는 바람장 보정 전(위) 후(아래) 고도별 동서바람성분의 결정계수 분포도이고, 도 26은 바람장 보정 전(위) 후(아래) 고도별 남북바람성분의 결정계수 분포도이다.
고도별 레이더 바람장 보정결과를 파악하기 위하여 연직바람관측장비와의 상관도를 보여주는 결정계수(Coefficient of determination, R2)를 이용한 2 km 간격별 동서 및 남북 바람성분을 분석하였다.
도 25에서와 같이, 바람장 보정 전 고도별 동서바람성분은 고도가 증가함에 따라 연직바람관측장비와의 상관도가 감소하는 경향이 전체 태풍 사례에서 공통적으로 나타났다.
이중 아치형의 자료 분포를 가지며, 필터된 자료수가 가장 적은 태풍 곤파스(Konpasu)와 카눈(Khanun)에서 약 R2= 0.7인 가장 큰 상관도를 보였다.
반대로 필터된 자료수가 가장 많은 태풍 말로(Malou), 덴빈(Tembin)에서 0.2에 가까운 매우 낮은 상관도를 보였다.
바람장 보정 이후 전체 태풍 사례에서 R2 = 0.1부터 분포한 3 km 고도의 결정계수 분포가 0.25로 전체적으로 상승하였으며, 7 km 고도까지 연직바람 관측장비의 상관도가 증가 또는 유지하는 경향으로 개선되었다.
그러나 태풍 뎬무(Dianmu)를 제외한 태풍 곤파스(Konpasu), 산바(Sanba)는 고도 9 km부터 연직바람 관측장비와의 상관도가 급격히 감소하였다.
바람장 보정 전 고도별 남북바람성분은 고도가 증가함에 따라 연직바람관측장비와의 상관도가 유지되는 경향이 전체 태풍 사례에서 공통적으로 나타났으나 태풍 말로(Malou), 볼라벤(Bolaven)은 7 km 고도부터 연직바람 관측장비와의 상관도가 감소하는 경향을 보였다.
도 26에서와 같이, 바람장 보정 전 저층 3 km 고도에서의 전체 태풍 사례의 결정계수 분포는 0.25부터 0.65 내에 집중되어있었으며, 태풍 볼라벤(Bolaven)에서 가장 높은 상관성을 보였다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치 및 방법은 연직바람 관측장비(windprofiler)를 이용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차를 보정하여 정확한 바람장 추정이 가능하도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과 출력하는 것에 의해 정확한 바람장 추정이 가능하도록 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. 선정 자료 입력부
20. 데이터 전처리부
30. 레이더 이중 바람장 UV 보정부
40. 바람장 보정결과 검증부
50. 검증 결과 반영부

Claims (21)

  1. 선정된 연직바람 관측장비 및 이중 도플러 레이더의 관측자료를 입력받는 선정 자료 입력부;
    연직바람 관측장비 설치 지점을 통과하는 변분법 레이더 이중바람장과의 상관성 분석을 수행하기 위하여 연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료를 필터링하여 분석에 사용될 관측 자료를 확정하는 데이터 전처리부;
    레이더 이중바람장으로부터 추정되는 UV 성분과 연직바람 관측장비로부터 관측되는 UV 성분의 차이인 추정 오차를 보정하기 위하여, 상기 데이터 전처리부에서 확정된 분석에 사용될 관측 자료의 수평 바람성분 분포특성을 분석 및 비교하여 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출을 하고, 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수를 산출하고, 산출된 UV 평균값 및 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수를 이중 도플러 레이더의 관측에 의한 수평 바람 추정 오차의 보정에 사용하여 레이더 이중 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정을 하는 레이더 이중 바람장 UV 보정부;
    사례별 보정결과 검증, 바람성분 크기별 보정결과 검증, 고도별 보정결과 검증으로 레이더 이중 바람장 UV 보정부의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 검증하는 바람장 보정결과 검증부;를 포함하고,
    UV는 각각 동서바람성분(U)과 남북바람성분(V)인 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 바람장 보정결과 검증부에서 사례별, 바람성분 크기별, 고도별 보정결과를 검증한 검증 결과를 레이더 이중 바람장 UV 보정부로 전송하여,
    레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 수행하는 이중 바람장 UV 보정에 검증 결과가 반영되도록 하는 검증 결과 반영부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 데이터 전처리부는,
    관측된 2차원 수평바람성분 분포와 태풍 진로와의 상관성을 확인하여 관측 자료가 집중된 영역을 허용 범위밖으로 벗어난 곳에서 에러값이 나타나는 자료를 필터링하고, 관측된 자료수가 설정된 개수보다 부족하여 2차원 수평바람성분을 이용한 태풍 진로의 특징을 제시하지 못하는 관측자료를 필터링하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 데이터 전처리부는,
    태풍으로부터 관측된 연직바람 관측장비 수평 바람성분 분포에 대해 매 5 m s-1별 관측된 바람성분 자료수가 5개 미만인 관측 자료는 에러값으로 판단하여 제거하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 레이더 이중 바람장 UV 보정부는,
    풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 동서바람성분(U in m s-1)과 남북바람성분(V in m s-1) 평균값 산출을 하는 UV 평균값 산출부와,
    풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출 및 적용하여 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정을 하는 UV 보정계수 산출 및 적용부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 레이더 이중 바람장 UV 보정부는,
    바람성분 크기별 보정 계수 산출을 하여 변분법 레이더 이중 바람장을 보정하고,
    연직바람 관측장비로부터 관측된 바람성분을 기준 값으로 하여 이를 기준으로 변분법 레이더 이중 바람장의 바람성분을 매 5m s-1 구간별로 보정하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 레이더 이중 바람장 UV 보정부는,
    보정 전 동서 및 남북바람성분에 대한 전체 태풍 사례별 바람성분 선형 회귀식(y = ax + b)을 산출하고,
    보정계수를 통한 보정으로 계수 a와 상수 b를 다르게 하여 연직바람 관측장비와의 상관도를 개선하고, 동서 및 남북 바람 성분에 대한 보정 전후의 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Error, RMSE)가 개선되도록 하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 바람장 보정결과 검증부는,
    각 사례별 보정 전후 연직바람 관측장비와의 상관성 분석을 수행하여 사례별 보정결과를 검증하는 사례별 보정결과 검증부와,
    바람성분크기별 보정 전후의 표준편차 분포를 비교 분석하여 바람성분 크기별 보정결과를 검증하는 바람성분 크기별 보정결과 검증부와,
    연직바람관측장비와의 상관도를 보여주는 결정계수(Coefficient of determination, R2)를 이용한 2 km 간격별 동서 및 남북 바람성분을 분석하여 고도별 보정결과를 검증하는 고도별 보정결과 검증부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 연직바람 관측장비를 이용하여 산출된 바람장 보정계수를 적용한 변분법 레이더이중 바람장은 보정 전 연직바람 관측장비와 음의 상관도를 갖거나, 높은 상관도를 갖는 경우를 제외하였을 때 모두 양의 개선 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 바람장 보정 전 고도별 동서바람성분은,
    고도가 증가함에 따라 연직바람관측장비와의 상관도가 감소하는 경향이 전체 태풍 사례에서 공통적으로 나타나고,
    바람장 보정 전 고도별 남북바람성분은 고도가 증가함에 따라 연직바람관측장비와의 상관도가 유지되는 경향이 전체 태풍 사례에서 공통적으로 나타나는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 바람장 보정 이후 전체 태풍 사례에서 R2 = 0.1부터 분포한 3 km 고도의 결정계수 분포가 0.25로 전체적으로 상승하고, 7 km 고도까지 연직바람 관측장비의 상관도가 증가 또는 유지하는 경향으로 개선되는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위하여 이용되는 연직바람 관측장비는 도플러 기술을 사용한 DBS(Doppler Beam Swinging) 방법을 이용하여 바람성분을,
    Figure 112021113426431-pat00020
    으로 계산 및 표출하고,
    3개 이상의 방향으로 빔을 발사하여 대기 난류에 의한 도플러 편이로부터 시선속도를 측정한 후에, 측정된 시선속도의 벡터연산으로 수평바람을 추정하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 연직방향을 기준으로 15° 기울어진 4방위로 방사된 빔은 각 방향의 대기운동에 따라 도플러 편이가 된 후방산란 신호를 수신하여 산란체의 시선속도를 관측하고,
    DBS 기법을 통해 일정한 방위각 간격으로 관측된 5개의 시선속도로 수평 풍향과 풍속을 산출하고, 연직빔에서 측정한 시선속도인 연직 성분을 추가하여 3차원 바람장을 얻는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, u, v, w가 각각 바람의 동서성분, 남북성분, 연직성분인 경우에 수평바람성분인 u, v와 연직바람성분 w를,
    Figure 112020065771204-pat00021
    ,
    Figure 112020065771204-pat00022
    ,
    Figure 112020065771204-pat00023
    ,
    Figure 112020065771204-pat00024
    ,
    Figure 112020065771204-pat00025
    으로 산출하고,
    각 바람성분을 통해서 수평풍속(WS)과 풍향(WD)을
    Figure 112020065771204-pat00026
    ,
    Figure 112020065771204-pat00027
    으로 산출하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 이중 도플러 레이더 관측 자료를 이용한 3차원 바람장 구현을 위해 변분법(variational method)을 이용하고,
    비용함수(J)를
    Figure 112020065771204-pat00028
    으로 정의하여,
    Figure 112020065771204-pat00029
    ,
    Figure 112020065771204-pat00030
    ,
    Figure 112020065771204-pat00031
    ,
    Figure 112020065771204-pat00032
    으로 하고,
    Figure 112020065771204-pat00033
    비용함수 합을 u,v,w로 편미분하여
    Figure 112020065771204-pat00034
    값 모두가 0에 가깝다고 판단되거나 최소값이 될 때까지 반복하여 최적의 u,v,w을 도출하여 이를 바탕으로 3차원 바람장을 구현하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 장치.
  16. 영향 및 상륙태풍 사례를 선정하여 연직바람 관측장비 및 변분법 이중 도플러 레이더 바람장 데이터 입력을 받는 단계;
    연직바람 관측장비로부터 수집된 관측 자료의 전처리를 하는 단계;
    연직바람 관측장비와 변분법 레이더 이중 바람장이 관측한 사례별 수평 바람성분 분포특성 분석 및 비교 결과를 확인하는 단계;
    레이더 이중바람장으로부터 추정되는 UV 성분과 연직바람 관측장비로부터 관측되는 UV 성분의 차이인 추정 오차를 보정하기 위하여, 레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 풍속 계급구간별 레이더 이중 바람장과 연직바람관측장비의 UV 평균값 산출을 하고, 레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수 산출하고, 산출된 UV 평균값 및 풍속 계급구간별 레이더 이중바람장 UV 보정계수를 이중 도플러 레이더의 관측에 의한 수평 바람 추정 오차의 보정에 사용하여 레이더 이중 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 출력하는 단계;
    사례별 보정결과 검증, 바람성분 크기별 보정결과 검증, 고도별 보정결과 검증으로 레이더 이중 바람장 UV 보정부의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 검증하는 단계;를 포함하고,
    UV는 각각 동서바람성분(U)과 남북바람성분(V)인 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 검증하는 단계에서 사례별, 바람성분 크기별, 고도별 보정결과를 검증한 검증 결과를 레이더 이중 바람장 UV 보정부로 전송하여,
    레이더 이중 바람장 UV 보정부에서 수행하는 이중 바람장 UV 보정에 검증 결과가 반영되도록 하는 검증 결과 반영 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 관측 자료의 전처리를 하는 단계에서,
    관측된 2차원 수평바람성분 분포와 태풍 진로와의 상관성을 확인하여 관측 자료가 집중된 영역을 허용 범위밖으로 벗어난 곳에서 에러값이 나타나는 자료를 필터링하고, 관측된 자료수가 설정된 개수보다 부족하여 2차원 수평바람성분을 이용한 태풍 진로의 특징을 제시하지 못하는 관측자료를 필터링하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 관측 자료의 전처리를 하는 단계에서,
    태풍으로부터 관측된 연직바람 관측장비 수평 바람성분 분포에 대해 매 5 m s-1별 관측된 바람성분 자료수가 5개 미만인 관측 자료는 에러값으로 판단하여 제거하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 출력하는 단계에서,
    바람성분 크기별 보정 계수 산출을 하여 변분법 레이더 이중 바람장을 보정하고,
    연직바람 관측장비로부터 관측된 바람성분을 기준 값으로 하여 이를 기준으로 변분법 레이더 이중 바람장의 바람성분을 매 5m s-1 구간별로 보정하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법.
  21. 제 16 항에 있어서, 이중 도플러 레이더 바람장의 수평 바람 추정 오차 보정 결과를 출력하는 단계에서,
    보정 전 동서 및 남북바람성분에 대한 전체 태풍 사례별 바람성분 선형 회귀식(y = ax + b)을 산출하고,
    보정계수를 통한 보정으로 계수 a와 상수 b를 다르게 하여 연직바람 관측장비와의 상관도를 개선하고, 동서 및 남북 바람 성분에 대한 보정 전후의 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Error, RMSE)가 개선되도록 하는 것을 특징으로 하는 연직바람 관측장비를 이용한 이중 도플러 레이더의 바람장 보정을 위한 방법.
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