KR20100097487A - 라이다를 이용한 황사 판독방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이다를 이용한 황사 판독방법에 관한 것으로서, 이는 스카이레디오미터나 선포토미터가 태양이 있어야만 관측가능하고 대기 연직 프로파일이 아닌 공기기둥 내 전체값만을 대변함에 따라 황사의 정밀한 연직분포 측정이 불가능한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 라이다(Light Detection and Ranging)를 통해 대기중에 레이저 광을 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계와; 상기 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 산출하는 산출단계와; 상기 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계;로 구성되는 것을 특징으로, 대기 중 연직으로 분포된 황사의 정밀 측정을 가능하게 한다.

라이다, 스카이레디오미터, 에어로솔, 소산계수, 편광소멸도

Description

라이다를 이용한 황사 판독방법{YELLOW SAND READING METHOD USING LIDAR}

본 발명은 라이다를 이용한 황사 판독방법에 관한 것으로서, 황사의 연직분포에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 낮에만 사용가능한 스카이레디오미터와는 달리 밤에도 측정가능할 뿐만 아니라 스카이레디오미터와 상보적으로 황사 발생여부를 판독가능하게 하는 라이다를 이용한 황사 판독방법에 관한 것이다.

황사는 바람에 의해 토양에서 대기 중으로 배출되는 대표적인 자연 발생적인 에어로솔로서 주로 중국의 사막지역 및 몽고 내륙지역 등에서 발생한다고 알려져 있다. 이러한 황사는 일반적으로 저기압의 후면에서 발생하여 이동하게 되는데, 중국 및 내몽고의 건조지역을 지나는 저기압 후명의 강한 상승기류에 의해서 황사 먼지들이 대기 중으로 비산되며, 대기 중으로 비산된 황사 먼지는40~50m/s의 제트기류를 타고 한반도, 일본, 알루샨 열도와 하와이까지 이동한다고 알려져 있다.

최근에는 중국 북동부 지역에서 사막화가 급속도로 진행되고 있어 황사 발원 지는 점점 넓어지고 있다. 이러한 사막화의 주된 원인은 가뭄과 같은 자연 현상과 무분별한 경작지 개간과 과도한 목축을 꼽을 수 있는데, 사막화 지역이 우리나라에 더욱 가까워지고 있을 뿐만 아니라, 급속히 넓어지고 있기 때문에 앞으로 황사는 더 많은 빈도로 더 강한 영향을 미칠 것으로 예상되고 있다.

지난 2002년도 3월 21일부터 23일에 걸쳐 유래 없이 심한 황사현상이 오랜 시간 지속됨에 따라 유치원과 초등학교가 휴교하는 등 사회·경제적 피해를 초래하였으며, 2007년 4월에도 강한 황사로 인해 휴교 사태가 발생하였다. 황사는 호흡기 질환과 같은 질병을 유발함은 물론 시정 악화의 원인이 될 수 있으며 반도체, 정밀기계 등의 정밀산업에도 악영향을 미치고 노출되어 있는 물체를 오염시켜 우리 산업에 미치는 영향이 큰 것으로 보고되고 있다. 또한 항공기 등 교통 산업에 황사가 미치는 영향도 매우 크다. 이처럼 여러 가지 피해를 유발하는 황사는 더 이상 단순한 자연현상이 아닌 기상재해로 인식하기에 이르렀다.

황사는 지상 및 위성, 항공기 관측 등을 통해 다양한 방법으로 관측되고 있다. 지상 관측은 다양한 관측 장비를 통하여 황사의 물리적·광학적 및 화학적인 다양한 측정을 비교적 정확하게 수행할 수 있는 장점이 있으나 황사의 공간적인 분포 파악에 어려움이 있다. 이와 같은 한계를 극복하고자 최근에는 여러 지역에 관측소를 설치, 관측망을 구성하여 황사의 공간 분포 파악을 위해 노력하고 있다. 반면에 위성관측을 통한 방법은 자외선, 가시광선, 적외선 등의 전자기파를 이용하여 간접적으로 황사의 특성을 파악하기 때문에 지상에서의 직접적인 관측에 비해 부정확할 수 있다. 그러나 위성을 이용한 원격탐사는 넓은 지역을 한꺼번에 관측할 수 있기 때문에 황사의 공간적인 분포와 이동경로 등의 연구에 유용하게 사용될 수 있다.

기상청에서는 황사특보를 신설하여 2002년 4월 10일부터 정량적인 황사 예보제를 실시하게 되었지만, 객관적인 기준이나 정보가 부족한 상황에서 신뢰할 만한 정량적인 예보를 생산하는 것은 어려운 현실이다.

현재, 기상청에서는 국내 23개 관측소에서 미세먼지농도(PM10)를 측정하고 있다. 참고로, PM10은 대기 중에 부유하고 있는 미세먼지의 단위 부피당 무게를 나타내는 값으로 1m³의 대기에 존재하는 공기역학적 직경이 10 μm 이하인 미세먼지의 양을 나타낸다. 이 관측값을 바탕으로 1시간 평균 PM10 농도가 400㎍/㎥이상으로 2시간 이상 지속될 것으로 예상될 때 황사 주의보를, PM10 농도 800㎍/㎥이상이 2시간 이상 지속될 것으로 예상될 때 황사 경보를 발표하는 것이다. 그러나 이러한 황사 판독은 지상에서 황사 입자를 직접 채취하여야만 가능하기 때문에 황사 입자가 지표면에 도달한 경우에만 관측이 가능하다. 따라서 황사가 어느 고도까지 얼마나 분포하는지 알 수 없으며 특히 황사가 지표면에 도달하지 않고 상공에 떠서 지나가는 경우는 탐지가 불가능하다는 단점이 있다. 지상에 도달하지 않아 인간 활동에 직접적인 영향을 주지 않더라도 황사는 태양 빛의 감쇄 및 시정 악화 등에 영향을 미칠 수 있기 때문에 황사의 연직 분포에 대한 정보는 중요하다 할 수 있다.

스카이레디오미터나 선포토미터는 태양의 일사량을 측정하는 방식으로 지상뿐만 아니라 대기 중 에어로솔의 총량을 추정할 수 있으나 연직 프로파일이 아닌 연직 기주(공기기둥) 내의 전체 값 만을 대변하기 때문에 한계가 있다. 또한, 스카이레디오미터나 선포토미터는 태양이 있어야만 관측이 가능하기 때문에 낮에만 작동을 한다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 대기 중 황사의 연직분포를 스카이레디오미터와 상보적으로 측정가능하도록 하는 라이다를 이용한 황사 판독방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 스카이레디오미터가 사용될 수 없는 시간대, 예로써 밤에도 황사의 연직분포를 측정할 수 있는 라이다를 이용한 황사 판독방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 라이다(Light Detection and Ranging)를 통해 대기중에 레이저 광을 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계와; 상기 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 산출하는 산출단계와; 상기 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 산출단계에서는 고도 6~10km 구간 중 라이다 신호가 최소인 구간을 특이고도(Z_m)로 결정한 다음으로, 동일한 시각에 스카이레디오미터로부터 관측된 광학두께(τ _sky )가 존재하지 않는 경우, 소산과 후방산란계수의 비(S)를 가장 최근의 S 값으로 설정하고 특이고도(Z_m)에서의 에어로솔 후방산란계수(β_p)를 0으로 설정하여 에어로솔 후방산란계수 및 소산계수의 연직분포를 측정하거나, 동일한 시각에 상기 스카이레디오미터로부터 관측된 광학두께(τ _sky )가 존재하는 경우, 소산과 후방산란계수의 비(S)를 최초 1로 가정하고 특이고도(Z_m)에서의 에어로솔 후방산란계수(β_p)를 0으로 설정하여 라이다를 통해 측정된 값으로 에어로솔 후방산란계수의 연직분포를 측정한 다음에 에어로솔 광학두께(τ _lidar )를 구하여 상기 스카이레디오미터의 관측 광학두께(τ _sky )와 비교함으로써 소산과 후방산란계수의 보정값(S=S/ε)을 통해 ε=(τ _lidar )/(τ _sky )인 ε가 0.995<ε<1.005 에 있을 때의 S로부터 에어로솔 후방산란계수 및 소산계수의 연직분포를 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 산출단계에서는 상기 라이다의 라만 채널과 탄성 채널을 동시에 이용하여 에어로솔 소산계수를 산출하고, 상기 판독단계에서는 에어로솔 소산계수가 0.2 내지 2km^-1 범위에 있고 편광소멸도가 0.15보다 크면 황사로 판단하는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 라이다를 이용한 황사 판독방법은 스카이레디오미터를 통해 측정된 광학두께와 라이다에 의해 측정된 값에 따라 얻어진 에어로솔 광학두께를 비교하여 소산과 후방산란계수의 비를 결정함으로써 정밀한 황사의 연직분포를 알 수 있도록 한다.

또한 라이다를 단독으로 사용하여 에어로솔 후방산란계수 및 소산계수의 연직분포를 측정할 수 있으므로, 일사량에 상관없이 항시 황사 발생여부를 판독가능하게 한다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 라이다를 이용한 황사 판독방법을 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 라이다의 관측원리를 개략적으로 도시한 도면으로, 라이다(Light Detection and Ranging)는 주로 가시광선 및 근적외선 영역의 레이저를 사용하여 대기의 연직 구조를 관측하는 관측기기이다. 먼저, 송신부(Transmitter)에서 레이저 광을 생성하고 대기 중으로 발사한다. 발사된 레이저 광은 대기 중의 황사와 같은 에어로솔이나 구름, 공기분자 등에 의해 산란이 일어나게 되며, 그 일부는 후방산란되어 라이다의 수신부(망원경)로 들어오게 된다. 망원경으로 모인 후방산란광은 감지부(Detector)에서 그 강도를 측정하게 되고, 레이저광이 발사된 후 되돌아오기까지의 시간을 측정하여 에어로솔이나 구름, 공기분자 등의 거리를 알 수 있게 되는 것이다. 이 때 편광판(Polarization Beam Splitter)을 사용하여 처음 발사된 레이저와 평행한 성분의 빛과 수직인 성분의 빛을 따로 측정할 수 있으며, 도 1에서는 1064nm와 532nm의 두 파장에서 관측을 수행하며 532nm 파장은 수평 및 수직성분으로 구분하여 관측하는 상태를 도시하고 있다.

라이다 관측으로부터 얻을 수 있는 값으로 황사의 판독에 사용될 수 있는 정보는 대표적으로 에어로솔 소산계수와 편광소멸도가 있는데, 하기에서는 이에 대한 관련 방정식에 대해 알아보기로 한다.

(1) 에어로솔 소산계수(Aerosol Extinction Coefficient)

라이다 관측을 통해 대기 중에 분포하는 황사의 광학적 특성을 알 수 있으며 이는 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도 등의 값을 이용하여 정량적으로 나타낼 수 있다.

일반적으로 매질을 통과하는 빛의 감쇄는 비어-램버트의 법칙(Beer-Lambert's law)을 이용하여 다음과 같은 간단한 식으로 나타낼 수 있다.

(1)

여기서 I 는 빛의 강도, σ는 에어로솔 소산계수, λ는 파장, z는 거리를 나타낸다. 식 (1)을 빛이 매질을 통과하기 전(z=0)에서 통과한 후(z=Z)까지 적분 하면 다음과 같이 빛이 매질을 통과한 후의 빛의 강도를 계산할 수 있다.

(2)

즉, 황사의 에어로솔 소산계수를 얻으면 식 (2)를 이용하여 태양 복사 에너지가 황사에 의해 감쇄되는 정도를 알 수 있고 이를 통해 황사의 강도를 정량적으로 나타낼 수 있다.

위의 식 (2)를 라이다에 적용하면 다음과 같은 라이다 방정식을 얻을 수 있다.

(3)

위의 식(3)에서 P는 라이다에서 관측한 값으로 발사된 레이저가 고도 z의 대기 중 입자에 후방산란 되어 되돌아온 값을 나타낸다. E는 발사된 레이저의 강도, C는 기기의 보정상수, β _m 과 β _p 는 각각 공기 분자와 에어로솔 입자에 입사된 빛 중 후방산란 되는 비율을 나타내는 후방산란계수이다. T _m 과 T _p 는 각각 공기 분자와 에어로솔에 의한 레이저 빛의 투과도로 다음과 같은 식(4) 및 (5)로 표현된다.

(4)

(5)

위의 식(3)은 주어진 식보다도 많은 변수가 존재하기 때문에 이를 수학적으로 풀기에는 어려움이 있다. 따라서 일반적으로 몇 가지 가정을 한 후에 분석을 하게 되고 이와 같은 라이다 방정식의 풀이에 가장 많이 사용되는 방법이 Fernald와 Klett의 방법이다.

먼저 Fernald의 방법을 살펴보기 위해 먼저 위의 라이다 방정식을 다음과 같이 정 리한다.

(6)

위의 식(6)에서 특정한 거리 Z _c 에 대한 에어로솔과 공기 분자의 산란계수 값을 정하는데 필요한 선험적 정보가 주어진다면 이 식(6)을 EC에 대해 풀 수 있으며 다음과 같이 정리할 수 있다.

(7)

여기서

으로 거리에 대해 정규화된 신호이다. 이처럼 거리 Z에서 전체 후방산란계수는 이제 거리 Z와 Z _c 사이의 대기의 산란 특성의 함수로 표현된다. 이 식은 다음과 같은 간단한 수치적인 적분 방법으로 풀 수 있다. 만약 식(8)과 같은 변수를 도입하여 이웃한 데이터 지점 거리 ΔZ 사이에서 에어러솔 소산의 효과를 통합하는 지수항을 치환한다면 거리 Z(I+1)에서 전체 후방산란계수는 식(9)가 된다.

(8)

(9)

비슷한 방법으로 거리 Z(I-1)에서의 전체 후방산란계수

(10)

과 같이 정리될 수 있다. 즉 식(9)는 특이 고도 Z _c 이상의 고도에서 되돌아오는 신호를 처리하는 방법이고, 식(10)은 그 이하의 고도에서 되돌아오는 신호를 처리하는 방법이다.

위의 식 (9)와 (10)은 소산과 후방산란계수의 비 S를 도입하여 다음과 같이 에어러솔에 의한 소산계수의 식으로 정리할 수 있다.

(11)

(12)

지금까지 언급한 방법이 Fernald의 라이다 분석방법으로, 이 방법의 특징은 주어진 특이고도로부터 상하로 연속적인 자료 분석을 수행한다는 것이다. 하지만 이 방법은 큰 background signal이나 짙은 농도의 에어로솔 층(안개나 구름)등으로 인하여 잡음(noise)이 증가하거나 레이저의 감쇄(attenuation)가 커질 경우에는 상대적으로 큰 오차를 유발하여 에어러솔 신호의 복원이 잘 안 되는 문제점을 갖고 있다. 이는 특이 고도를 중심으로 측정 간격에 따라 단계적으로 계산을 하기 때문에 임의의 고도에서 오차가 발생했을 경우, 그 오차가 계산과정상에서 사라지지 못하고 상층 혹은 하층으로 지속적으로 전파할 가능성이 있기 때문이다.

한편, Klett은 대기혼탁도가 높을 경우, 즉 에어러솔 농도가 매우 높을 경우에 안정적으로 라이다 방정식을 풀 수 있는 방법을 다음과 같이 제시하였다. 위의 식(3)에서 에어러솔과 공기분자의 영향을 편의상 한꺼번에 고려하면 다음의 식(13)과 같이 정리할 수 있다.

(13)

여기서, P(r)은 측정된 신호, P ₀ 는 출력, c는 광속, τ는 펄스 지속시간, A는 유효 시스템 리시버 면적, r

은 거리(식(3)에서의 고도와 같음)이고 β와 σ는 각각 공기와 에어러솔을 동시에 고려한 대기의 후방산란계수 및 소산계수이 다. 여기서 새로운 변수 S를 식(14)와 같이 정의하고 식(13)에 대입 후 정리하면 식(15)와 같은 미분 방정식을 얻을 수 있다.

(14)

(15)

식(15)는 소위 베르누이 방정식으로 그 해는 식(16)과 같다.

(16)

하지만 식(16)를 수치적으로 풀 때에는 기준점(특이고도)이 지상부근의 값이 되기 때문에 앞에서 Fernald 방법이 가지고 있는 문제점을 해결하지는 못한다. Klett은 이 문제를 해결하기 위해 다음과 같이 위의 식을 변형하였다.

(17)

이는 특이고도를 변화요소가 많은 지상부근에서 상층의 지점으로 설정하도록 변경한 것으로, 식(17)은 각 고도의 소산계수를 특이고도로부터의 적분 값으로 계산하기 때문에, 특정 고도에 오차가 있더라도 그것이 상하로 크게 전파되지 않는 장점이 있다. 하지만 고도별 에어러솔 분포의 변화를 다소 완만하게 분석하는 특성이 있다. 이와 같은 두 가지의 분석방법은 모두가 해석적인 해이지만, 그것을 수치적으로 적용할 경우에 약간의 차이가 발생한다.

(2) 편광소멸도(Depolarization ratio)

라이다 관측에 사용되는 레이저 광은 주로 가시광선 및 근적외선 영역으로 레이저의 특성상 편광(polarized light)이다. 편광은 진동 방향이 일정한 빛으로 레이저의 이러한 특성을 이용하여 에어로솔의 편광소멸도를 측정할 수 있으며 이 값을 통해서 에어로솔의 모양에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이론적으로 에어로솔이 완전한 구형일 경우, 에어로솔에 입사된 빛과 산란되어 방출되는 빛의 진동 방향은 동일하다. 그러나 에어로솔 입자의 모양이 불규칙하고 각이 졌을 경우에는 입사된 빛의 일부는 처음과 다른 방향으로 진동하는 빛으로 바뀌어 산란이 일어나게 된다. 이 때 에어로솔 입자의 모양이 구형에서 멀고 불규칙할수록 빛의 진동 방향이 더 많이 변하게 되기 때문에 이러한 특성을 이용하여 에어로솔이 얼마나 구형에 가까운지 알 수 있게 되는 것이다. 그러므로 에어로솔의 편광소멸도를 측정하기 위해서는 수신부에 편광판을 탑재하여 처음 발사한 레이저와 같은 방향으로 진동하는 빛과 수직으로 진동하는 빛을 따로 관측하여야 한다.

에어로솔의 편광소멸도(δ)는 다음 식 (18)과 같이 정의된다.

(18)

여기서 P _∥는 라이다에서 측정된 빛 중, 처음 발사된 레이저와 평행한 빛의 강도는 나타내고 P _⊥는 수직인 빛의 강도를 나타낸다. 위에서 설명한 바와 같이 편광소멸도의 값이 크면 에어로솔 입자의 모양은 비구형으로 불규칙하며 값이 작을수록 입자의 모양은 구형에 가깝다.

일반적으로 황사는 중국 북서부 및 내몽고의 건조지역의 토양에서 기원한 먼지 입자이기 때문에 그 모양이 매우 불규칙적이고 비구형이다. 반면, 중국 동부해안이나 우리나라의 공업지역 및 주거지역에서 발생한 오염물질은 황사 입자에 비해 그 크기가 작고 구형에 가깝다. 이와 같은 황사와 오염물질의 특성을 바탕으로 라이다의 편광소멸도를 이용하여 황사를 판독할 수 있다.

상기에 기술된 바와 같은 황사판독을 위한 에어로솔 소산계수와 편광소멸도의 특성을 활용하도록 본 발명에 따른 라이다를 이용한 황사 판독방법은 라이다를 통해 대기중에 레이저 광을 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계와, 상기 후방산 란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 산출하는 산출단계와, 상기 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계로 이루어진다.

라이다 관측 자료로부터 편광소멸도는 식(18)과 같이 비교적 간단한 계산과정을 거쳐 얻을 수 있으나 에어로솔 소산계수는 다소 복잡한 처리과정을 거쳐야 하므로, 하기에서는 라이다 관측 자료로부터 에어로솔 소산계수를 구하기 위한 알고리즘을 도 2를 참조로 하여 설명하기로 한다.

앞에서 설명한 바와 같이 라이다 관측 자료로부터 라이다 방정식을 이용하여 에어로솔 소산계수를 계산하기 위해서는 몇 가지의 가정이 필요하다. 본 발명에서는 이러한 가정에 의한 오차를 최대한 줄이기 위해서 스카이레디오미터(Sky Radiometer)로 동시 관측한 에어로솔 광학두께를 동시에 사용하였다. 에어로솔 광학두께는 에어로솔 소산계수의 적분 값으로 식(2)의 대괄호 안의 부분에 해당한다. 파장 λ에서의 에어로솔 광학두께(τ)를 식으로 나타내면 다음과 같다.

(19)

(3) 라만 채널을 이용한 에어로솔 소산계수 산출

일반적인 라이다는 미 산란(Mie scattering)을 이용하여 에어로솔을 관측하는 반면, 라만 라이다는 라만 산란(Raman scattering)을 이용한다. 레일레이 산란(Rayleigh scattering)이나 미 산란은 입사되는 빛과 산란되는 빛의 파장이 같은 탄성 산란(elastic scattering)인 반면, 라만 산란은 산란되는 빛의 파장이 입사되는 빛과 달라지는 비탄성 산란(inelastic scattering)이다. 이때, 산란이 일어나는 물질(분자나 원자)에 따라 라만 산란이 일어나는 파장이 달라지기 때문에 이를 측정하면 대기 중의 특정 물질에 대한 연직 분포를 알 수 있다.

일반적으로 라만 라이다를 이용하여 수증기나 질소 기체, 오존 등의 관측이 가능하다. 뿐만 아니라 일반적인 미 산란 라이다는 에어로솔 소산계수 산출에 매우 중요한 값인 소산과 후방산란계수의 비(S)를 자체적으로 얻을 수 없기 때문에 가정을 하거나 다른 장비와 동시 측정을 하여 얻게 되지만, 미 산란 라이다에 라만 채널을 추가하게 되면 소산과 후방산란계수의 비(S)를 직접 구할 수 있다. 특히 일반적인 경우에는 고도에 관계없이 일정한 S 값을 사용할 수밖에 없지만 라만 채널을 이용하는 경우, 고도에 따라 다른 S값을 구할 수 있기 때문에 고도에 따라 달라지는 에어로솔의 특성을 고려할 수 있다는 장점이 있다.

위에서 설명한 라이다 방정식 식(3)을 변형하여 탄성 산란과 비탄성 산란에 대해 적용하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

(20)

(21)

식 (20)은 탄성산란에 대한 라이다 방정식으로 에어로솔과 공기분자에 의한 기여를 한꺼번에 나타낸 것만 제외하면 식 (3)과 같은 식이고, 식 (21)은 비탄성(라만) 산란에 대한 라이다 방정식이다. 여기서 아래첨자 0과 R은 각각 처음 발사된 레이저의 파장과 라만 산란에 의해 변형된 파장을 나타낸다. 위 식을 동시에 고려하여 에어로솔 소산계수에 대해 풀게 되면 고도에 따른 소산과 후방산란계수의 비(S)를 구할 수 있게 되는 것이다. 그러나 에어로솔 입자에 입사된 빛 중, 라만 산란을 일으키는 빛의 양은 대략적으로 1천만 분의 1에 해당하는 매우 작은 양으로 관측이 매우 어렵다. 특히 한 낮에는 태양 빛에 의한 잡음(noise)가 매우 심하기 때문에 관측 자료를 사용하기 부적합하다. 따라서, 라만 채널의 관측 결과는 밤 동안의 것만을 사용하도록 한다. 즉, 스카이레디오미터의 관측이 가능한 낮에는 라이다와 스카이레디오미터 관측 결과를 동시에 이용하여 에어로솔 소산계수를 산출하고, 스카이레디오미터 관측은 불가능하지만 라만 채널의 관측 결과를 사용할 수 있는 밤에는 탄성 채널(일반적인 라이다 관측)과 라만 채널을 동시에 이용하여 에어로솔 소산계수를 산출할 수 있는 것이다.

상기된 바와 같이 라이다로부터 계산된 에어로솔 소산계수를 적분한 값과 스 카이레디오미터로 관측한 에어로솔 광학두께를 비교함으로써 보다 정확한 계산이 가능하므로, 이에 따라 상기 산출단계에서 특이고도(Critical Level, Z_m)를 우선적으로 결정해야 하는데, 특이고도(Z_m)는 계산을 처음 시작하는 고도로서 이 고도에서의 에어로솔 소산계수를 알아야 계산이 가능하다. 특이고도(Z_m)에서는 에어로솔이 없다고 가정을 해야 계산이 가능하기 때문에 구름이 없는 상태의 6~10km 구간 중 라이다 신호가 가장 작은 값을 가지는 고도를 선택하여 특이고도(Z_m)로 한다. 다음으로 라이다 관측자료와 같은 시각의 스카이레디오미터 관측자료가 있는지 살펴본다. 만약 스카이레디오미터의 관측자료, 정확하게는 광학두께(τ _sky )가 있으면 라이다 관측자료로부터 계산된 에어로솔 소산계수를 적분하여 얻은 에어로솔 광학두께(τ _lidar )와 스카이레디오미터로부터 얻은 에어로솔 광학두께(τ _sky )를 반복적으로 비교함으로써 최적화된 소산과 후방산란계수의 비(S)를 얻을 수 있다. 즉, S를 최초 1로 가정하고 특이고도(Z_m)에서의 에어로솔 후방산란계수(β_p)를 0으로 설정하여 라이다 관측자료로부터 에어로솔 후방산란계수의 연직분포를 측정한 다음으로 에어로솔 광학두께(τ _lidar )를 계산한 뒤, 스카이레이오미터의 결과(τ _sky )와 비교한다. 두 결과가 일치하지 않으면 그 차이를 고려하여 S를 수정하고 새로운 계산을 수행 및 비교하는 과정을 반복한다. 보다 구체적으로는, 소산과 후방산란계수의 보정값(S=S/ε)을 통해 ε=(τ _lidar )/(τ _sky )인 ε가 0.995<ε<1.005 에 있을 때의 S로부 터 최종적으로 에어로솔 후방산란계수 및 소산계수의 연직분포를 얻을 수 있다. 한편으로, 라이다와 동일한 시각의 스카이레디오미터 관측자료(τ _sky )가 없으면 소산과 후방산란계수의 비(S)를 가장 최근에 결정된 S 값으로 설정한 다음에(즉, 에어로솔 소산계수를 구할 때, 최초 계산시에 스카이레디오미터 자료가 없으면 최근의 이전 자료로부터 얻은 S 값을 사용함) 특이고도(Z_m)에서의 에어로솔 후방산란계수(β_p)를 0으로 설정하여 에어로솔 후방산란계수 및 소산계수의 연직분포 계산을 수행하게 된다. 라이다는 시간과 날씨에 상관없이 연속적인 관측이 가능하지만 스카이레디오미터는 낮에만 관측이 가능하며 구름이 있는 날이나 밤에는 관측이 불가능하므로, 기술된 바와 같이 스카이레디어미터가 사용될 수 없는 경우에 산출단계에서는 라이다의 라만 채널과 탄성 채널을 동시에 이용하여 에어로솔 소산계수를 계산할 수 있다.

상기와 같은 과정에 따라 라이다 관측 결과로부터 얻은 에어로솔 소산계수와 편광소멸도의 연직분포자료는 황사의 판독에 사용되는데, 도 3을 참조로 하면, 일반적으로 대부분의 황사는 지표로부터 약 6km 고도 이내에 존재하기 때문에 황사 판독에는 지표면에서부터 고도 6km 사이의 자료만을 사용한다. 또한, 관측 오차로 인해 에어로솔 소산계수와 편광소멸도가 갑자기 높아지거나 낮아지는 구간이 발생할 수 있으므로 이를 예방하기 위해 인접한 고도의 값을 평균하여 자료를 평활화(smoothing) 해 주어야 한다. 먼저, 에어로솔 소산계수가 0.2 km^-1보다 작은 구간 은 에어로솔이 거의 없는 맑은 구간으로 판단한다. 또한, 지상 3 km 이하의 고도에서는 에어로솔 소산계수가 2 km^-1보다 큰 경우 구름이나 강수에 의한 것으로 판단하고, 지상 3 km 이상의 고도에서는 에어로솔 소산계수가 1 km^-1보다 큰 경우 구름으로 판단하여 제외한다. 이와 같이 고도에 따라 다른 기준을 적용하는 이유는 일반적으로 지표면 가까이에 대부분의 에어로솔이 분포하기 때문이다. 특히, 크고 무거운 에어로솔은 높은 고도까지 올라가기 어렵기 때문에 상층의 에어로솔 층은 높은 에어로솔 소산계수 값을 가지기 어렵다. 에어로솔 소산계수를 통해 맑은 날과 구름을 제하고 남은 구간은 황사나 오염물질 등과 같은 에어로솔 층이라 판단할 수 있다. 이렇게 걸러진 결과 중에서 편광소멸도 값이 0.15보다 크면 황사로 판단한다. 따라서 상기 판독단계에서는 산출단계에서 얻어진 에어로솔 소산계수가 0.2 내지 2km^-1 범위에 있고 편광소멸도가 0.15보다 크면 황사로 판단하며, 이러한 과정을 통해 본 발명의 라이다를 이용한 황사 판독방법은 최종적으로 황사의 분포고도와 그 강도에 대한 정량적인 정보를 제공할 수 있다.

도 1은 라이다의 동작원리를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 라이다를 이용한 황사 판독방법 중 에어로솔 소산계수의 도출 알고리즘을 도시한 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 라이다를 이용한 황사 판독방법 중 황사 판독 기준을 도시한 그래프도.

Claims (5)

1. 라이다(Light Detection and Ranging)를 통해 대기중에 레이저 광을 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계와;

   상기 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 산출하는 산출단계와;

   상기 에어로솔 소산계수 및 편광소멸도를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 황사 판독방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 산출단계에서는 고도 6~10km 구간 중 라이다 신호가 최소인 구간을 특이고도(Z_m)로 결정한 다음으로, 동일한 시각에 스카이레디오미터로부터 관측된 광학두께(τ _sky )가 존재하지 않는 경우, 소산과 후방산란계수의 비(S)를 가장 최근의 S 값으로 설정하고 특이고도(Z_m)에서의 에어로솔 후방산란계수(β_p)를 0으로 설정하여 에어로솔 후방산란계수 및 소산계수의 연직분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 황사 판독방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   동일한 시각에 상기 스카이레디오미터로부터 관측된 광학두께(τ _sky )가 존재하는 경우, 소산과 후방산란계수의 비(S)를 최초 1로 가정하고 특이고도(Z_m)에서의 에어로솔 후방산란계수(β_p)를 0으로 설정하여 라이다를 통해 측정된 값으로 에어로솔 후방산란계수의 연직분포를 측정한 다음에 에어로솔 광학두께(τ _lidar )를 구하여 상기 스카이레디오미터의 관측 광학두께(τ _sky )와 비교함으로써 소산과 후방산란계수의 보정값(S=S/ε)을 통해 ε=(τ _lidar )/(τ _sky )인 ε가 0.995<ε<1.005 에 있을 때의 S로부터 에어로솔 후방산란계수 및 소산계수의 연직분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 황사 판독방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 산출단계에서는 상기 라이다의 라만 채널과 탄성 채널을 동시에 이용하여 에어로솔 소산계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 황사 판독방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 판독단계에서는 에어로솔 소산계수가 0.2 내지 2km^-1 범위에 있고 편광 소멸도가 0.15보다 크면 황사로 판단하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 황사 판독방법.

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