KR20160131718A - 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 분석방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강설특성의 분석을 위해 눈 결정을 관측하고 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성되어 낙하중에 눈 결정이 손상되거나 파괴되지 않고 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치가 제공되며, 또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 눈 결정이 손상되거나 파괴되지 않고 관측이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 강설시의 눈 결정을 있는 그대로 관측하는 것에 의해 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법 및 그러한 눈 결정 분석결과를 이용하여 보다 정확한 강설특성의 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법이 제공된다.

Description

대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 분석방법{Snow crystal observation apparatus for photographing snow crystals in the ambient air and method for analysing snow crystal habits using thereof}
본 발명은 강설특성의 분석을 위해 눈 결정(snow crystal)을 관측하고 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성됨으로써, 낙하중에 눈 결정이 손상되거나 파괴되지 않고 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 강설시의 눈 결정을 있는 그대로 관측하는 것에 의해 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 있는 그대로의 눈 결정을 관측하는 것에 의해 얻어지는 눈 결정 분석결과를 이용하여, 보다 정확한 강설특성의 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법에 관한 것이다.
일반적으로, 눈 결정(snow crystal)은 빛의 산란과 낙하속도에 영향을 주기 때문에 구름 물리 측면에서 중요한 역할을 하며, 기후와 복사수지, 나아가 위성을 활용한 원격관측에서도 필수적인 기본 요소이다.
또한, 눈 결정은 빙정핵이 존재하는 상황에서 다양한 비균질 핵화과정을 통해 생성된 이후 과냉각 수적이 기존재하는 빙정에 결착(Riming ; 한국기상학회, 대기과학용어집, 2013 참조) 되는 현상 혹은 빙정끼리의 부착 (Aggregate) 과정을 통해 성장하게 된다.
아울러, 이러한 다양한 눈 결정 변화에 따른 낙하속도는 중규모 기상예측 모델에서 강설의 정확한 위치나 정량적인 예측시에도 영향을 미치게 되며, 이와 같이, 눈 결정은 강설의 가장 기본적인 요소로써 눈의 무게(밀도), 스키장의 설질, 눈의 낙하속도 등 다양한 기상학적인 측면에서도 중요성을 가진다.
여기서, 국내에서는 이러한 눈 결정에 대한 체계적인 연구가 미흡하나, 반면, 미국에서는 Bentley(1902)가 과학적인 측면보다는 종교적인 신념에서 선구자적인 업적을 낸 이래(참고문헌 1 참조), 최근에는, Garrett et al.(2012)(참고문헌 2 참조)에 이르기까지 눈결정 촬영과 다양한 분석 연구가 수행되어 왔다(참고문헌 3 내지 참고문헌 7 참조).
상기한 바와 같은 기존의 연구결과들에서 제시된 바에 의하면, 눈 결정 생성에 가장 크게 영향을 주는 인자는 온도이지만 2차적인 특성은 과포화도에 의해 영향을 받으며, 즉, Magono and Lee(1966)(참고문헌 3 참조)는 실제 관측을 통해 온도에 따른 눈결정의 형태를 분류하였으며, Pruppacher and Klett(1977)(참고문헌 8 참조)는 추가적인 실험실 관측을 통해 선행연구(참고문헌 3 참조) 결과를 뒷받침한 바 있다.
더 상세하게는, 두 실험결과에 의하면, 0 ~ -18℃의 눈 결정의 형태는 유사한 결과를 보였지만, 0 ~ -18℃ 보다 낮은 온도에서는 눈 결정의 차이가 발생하였는데, 이는 임의로 일정한 기상조건을 유지하기 어려운 기상조건 때문이라고 언급한 바 있다.
Bailey and Hallett(2008)(참고문헌 6 참조)는 약 70여 년간의 실험실 연구결과와 실제 관측결과를 종합하여 과포화도와 온도에 따른 눈결정 형태를 정리(review)한 바 있으며, 최근, Takahashi(2014)(참고문헌 7 참조)는, -12 ~ -17℃ 온도조건에서 구름수함량(Liquid Water Content; LWC)에 따른 눈결정 성장 결과, 구름수함량이 클수록 -13 ~ -14℃ 사이는 별모양(Stellar)에서 나뭇가지(Dendrite)형태로 변하는 것을 제시하였고, 이는 구름수함량이 높을수록 작은 나뭇가지 형태의 눈결정 빈도가 증가하는 것을 의미한다.
상기한 바와 같이 국외의 활발한 눈 결정에 대한 체계적인 연구와는 달리, 국내에서의 연구는 아직 부족한 실정으로, 특히, 강원 영동지역은 동해안과 산악지역의 영향으로 겨울철 대설과 강풍 등의 재해기상이 빈번히 발생하며, 이에, 박지훈 등(2009)(참고문헌 9 참조)은 정적 안정도 변화에 따른 영동지역의 눈구름의 생성연구를, 이진화 등(2012)(참고문헌 10 참조)은 대설 전후와 대설 기간 동안의 열역학적인 연직구조분석을, Nam et al.(2014)(참고문헌 11 참조)은 대설과 유사한 종관 조건하에서 대설과 대비되는 중설 및 소설 사례를 포함한 대류불안정 및 에너지의 관점에서 대기 열역학적인 특성 분석 등의 강설현상에 대한 연구를 각각 제시하여, 거시적인 관점의 연구는 활발히 수행되었지만 강설의 가장 기본요소인 눈 결정에 대한 미시적인 분석은 전무한 실정이다.
또한, 상기한 바와 같은 강설 및 눈 결정에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1430932호에 따르면, 도로에 설치된 CCD 센서로부터 도로의 강설 상태를 정량화된 강도로 탐지할 수 있는 강설강도 탐지방법이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 강설 및 눈 결정에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1158003호에 따르면, 눈 및 공기의 유전율을 측정한 후 이러한 유전율과 전체 정전용량을 이용하여 싸리눈이나 함박눈과 같이 눈의 상태에 따라 적설량의 높이가 달라지는 경우라 할지라도 정확한 데이터를 얻을 수 있는 정전용량 및 유전율을 이용하여 적설량을 계측하는 방법 및 장치가 제시된 바 있으며, 한국 등록특허공보 제10-1117310호에 따르면, 상주인력을 배치하기 어려운 도서/산간지역이나 접근이 어려운 험한 지형의 지역에 설치되어 눈이 쌓인 높이를 측정하는 적설량 측정장치 및 방법이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 강설 및 눈 결정에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0963608호에 따르면, 적설상태를 판단하는 적설감지센서부로부터 적설여부신호를 전달받아 작동됨으로써, 소모전력을 줄일 수 있는 능동형 자동적설관측시스템이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 여러 가지 강설 및 눈 결정에 대한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 종래기술들은 대부분 강설 상태나 적설량을 측정하기 위한 기술내용이 대부분으로, 눈 결정에 대한 체계적인 연구를 위해 눈 결정을 직접 관측하고 분석하여 강설특성을 분석하기 위한 장치나 방법에 대하여는 제시된 바 없었다.
즉, 일반적으로, 눈의 무게는 눈 결정의 종류에 따라 결정되므로, 예를 들면, 비닐하우스나 가건물 등의 파손이나 붕괴 등으로 인한 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위해서는, 이러한 눈 결정에 대한 정확한 관측과 분석이 필수적이나, 종래에는 이와 같이 눈 결정에 대한 정확한 관측과 분석이 가능하도록 하는 장치나 방법은 제시된 바 없었다.
아울러, 눈 결정은 겨울철 강설관련 연구의 기본적인 요소이므로, 눈 결정에 대한 체계적인 분석이 이루어진다면 눈의 무게에 의한 사고예방 정보 제공, 동계스포츠 알파인 경기의 기록향상을 위한 설질정보 제공, 눈길 교통사고 예방, 눈 결정의 대기 복사효과 산정, 강설량의 정량적인 예측 등, 다양한 대기과학 분야의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대되나, 종래에는 이와 같이 눈 결정에 대한 체계적인 분석이 가능한 장치나 방법 또한 제시된 바 없었다.
따라서 상기한 바와 같이, 눈 결정에 대한 체계적인 연구를 위해 눈 결정을 직접 관측하고 분석하여 강설특성을 분석하기 위한 장치나 방법에 대하여는 제시된 바 없었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 눈 결정의 정확한 분석을 위해 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 관측을 행하여 손상되지 않은 원래 상태 그대로의 눈 결정을 관측할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 눈 결정 관측장치 및 그러한 관측장치를 이용한 눈 결정 분석방법 및 강설특성 분석방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[참고문헌]
1. Bentley, W. A., 1902, "Studies among the snow crystals during the winter of 1901-1902. with additional data collected during previous winters and twenty-two half-tone plates.", Reprinted from the Annual Summary of the Monthly Weather Review for 1902. Washington, D. C.
2. Garrett, T. J., Fallgatter, C., Shkurko, K., and Howlett, D., 2012, "Fall speed measurement and hight-resolution multi-angle photography of hyrometeors in free fall", Atmos. Meas. Tech., 5, 2625-2633, 2012.
3. Magono, C., and C. W. Lee, 1966, "Meteorological classification of natural snow crystals", J. Fac. Sci., Hokkaido Univ., Ser. 7, 2, 321-335.
4. Korolev, A., and Sussman, B., 1999, "A technique for habit classification of cloud particles", J. Atmos. Oceanic Technol., 17, 1048-1057.
5. Masataka, M., Yoshinori Y., Takayo M., Koyuru I., John, D., and Glenn, G., 2003, "The precipitation process in convective cells embedded in deep snow bands over the sea of japan", J. Meteor. Soc. Japan., 81(3), 515-531.
6. Bailey, P. M., and Hallett, J., 2008, "A Comprehensive habit diagram for atmospheric ice crystals: Confirmation from the laboratory", AIRS II, and other field studies, J. Atmos. Sci., 66, 2888-2899.
7. Takahashi, T, 2014, "Influence of liquid water content and temperature on the form and growth of branched planar snow crystals in a cloud", J. Atmos. Sci., 71, 4127-4142.
8. Pruppacher, H. R., and Klett, J. D., 1997, "Microphysics of Clouds and Precipitation", Kluwer Academic, 945 pp.
9. 박지훈, 김경익, 허복행, 2009, "영동과 영남 지역에서 발생한 두 대설의 발달 메커니즘 비교", 대기, 19(1), 9-36.
10. 이진화, 은승희, 김병곤, 한상옥, 2012, "영동지역 대설 사례의 대기 하층 안정도분석", 대기, 22(2), 209-219.
11. Nam, H.-G., B.-G. Kim, S.-O. Han, C.-K. Lee, S.-S. Lee, 2014, "Characteristics of easterly-induced snowfall in yeongdong and its relationship to air-sea temperature difference", Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 50(4), 541-552.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1430932호 (2014.08.11.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1158003호 (2012.06.13.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1117310호 (2012.02.09.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0963608호 (2010.06.07.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성됨으로써, 낙하중에 눈 결정이 손상되거나 파괴되지 않고 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 강설시의 눈 결정을 있는 그대로 관측하는 것에 의해 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법을 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 있는 그대로의 눈 결정을 관측 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 그러한 눈 결정 관측장치를 이용한 눈 결정 분석방법을 이용하여, 각각의 눈 결정 분석결과를 종합하여 분석하는 것에 의해 보다 정확한 강설특성의 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중의 상태 그대로 손상 없이 촬영 및 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치에 있어서, 눈 결정을 촬영하기 위한 카메라를 포함하여 이루어지는 촬영부; 상기 눈 결정을 더욱 선명하게 촬영하기 위해 상기 촬영부에 설치된 상기 카메라의 렌즈 부분에 장착되는 확대렌즈부; 상기 눈 결정이 낙하중에 파손되거나 관측자의 체온으로 인하여 용해되는 것을 방지하여 상기 눈 결정을 손상 없이 촬영할 수 있도록 형성되는 눈 결정 수집부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치가 제공된다.
여기서, 상기 눈 결정 관측장치는, 촬영시 밝기를 조절하기 위한 라이트를 포함하여 이루어지는 조명수단; 촬영된 상기 눈 결정의 영상을 저장하기 위한 메모리를 포함하여 이루어지는 저장수단; 상기 카메라에 의해 촬영되거나 또는 상기 저장수단에 저장된 상기 눈 결정의 영상을 표시하기 위한 디스플레이를 포함하여 이루어지는 표시수단; 촬영 또는 저장된 상기 눈 결정의 영상을 종류별로 분류하여 분석을 수행하기 위한 분석수단; 촬영 또는 저장된 상기 눈 결정의 영상이나 분석결과를 외부로 전송하기 위한 통신수단; 및 상기 눈 결정 관측장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어수단 중 적어도 하나 이상을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 눈 결정 관측장치는, 상기 촬영부에 상기 카메라, 상기 조명수단, 상기 저장수단, 상기 표시수단, 상기 분석수단, 상기 통신수단 및 상기 제어수단이 단일의 기기에 내장되어 일체로 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 눈 결정 관측장치는, 상기 촬영부가 관측자의 스마트폰을 이용하여 구성되고, 상기 확대렌즈부는, 상기 관측자의 스마트폰에 장착된 카메라의 렌즈 부분에 확대렌즈를 부착하는 것에 의해 구성됨으로써, 기존의 고가의 장비를 사용하지 않고도 저렴한 비용으로 용이하게 대기중의 눈 결정을 손상 없이 촬영 및 관측이 가능한 동시에, 촬영된 영상 및 분석 결과를 외부의 처리장치나 서버로 전송하여 대용량의 데이터나 복잡한 연산처리도 용이하게 처리할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 눈 결정 관측장치는, 상기 촬영부에 상기 확대렌즈부를 장착하여 상기 눈 결정 수집부를 별도의 프레임으로 연결하고, 상기 촬영부 또는 상기 눈 결정 수집부에 눈이 오는 것을 감지할 수 있도록 구성되는 강설센서를 더 포함하여 구성됨으로써, 눈이 내리는 것이 감지되면 자동적으로 눈 결정의 촬영이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확대렌즈부는, 서로 다른 배율을 가지는 복수의 확대렌즈를 구비하도록 구성되며, 각각의 상기 확대렌즈는, 상기 눈 결정의 크기를 측정할 수 있도록 하기 위해 미리 정해진 일정 간격으로 눈금이 표시되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 눈 결정 수집부는, 플라스틱을 포함하는 열 전도가 낮은 소재를 이용하여 미리 정해진 일정 크기 및 형태로 형성되는 케이스; 및 강설시 대기 중의 상기 눈 결정을 손상 없이 위치시켜 관측할 수 있도록 하기 위해, 표면이 거친 플리스(fleece) 소재의 검은 천을 상기 케이스 내부에 채워 넣는 것에 의해 이루어지는 충진재를 포함하여 구성되고, 강설시 대기 중의 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 상기 케이스 내부의 상기 충진재 위에 상기 눈 결정을 받은 다음 상기 촬영부에 의해 촬영을 수행함으로써, 상기 눈 결정이 지면에 접촉하여 손상되거나 관측자의 체온에 의해 파괴되는 일이 없이 강설시 대기중의 모습 그대로 상기 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 눈 결정 수집부는, 상기 눈 결정 수집부에 남아 있는 온기로 인해 상기 눈 결정이 용해되는 것을 방지하기 위해 미리 정해진 일정 시간 동안 실외에 보관한 후 촬영을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 강설시 대기중의 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 대기중의 모습 그대로 관측함으로써 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법에 있어서, 상기에 기재된 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정 관측을 위한 장비를 준비하는 단계; 강설시 상기 눈 결정 관측장치를 이용하여 눈 결정을 촬영하고 관측을 행하는 단계; 및 촬영된 상기 눈 결정의 이미지를 통하여 상기 눈 결정을 종류별로 분류하고 분석하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 눈 결정 분석방법이 제공된다.
여기서, 상기 눈 결정 분석방법은, 상기 특정 지역 및 기간에 대하여 라디오존데 관측을 수행하여, 상기 라디오존데 관측으로부터 온위(potential temperature ; θ), 상당온위(equivalent potential temperature ; θe), 혼합비(mixing ratio ; q), 포화혼합비(saturation mixing ratio ; qs)를 포함하는 열역학적 특성과 운정고도(Cloud top)를 산출하고, 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저고도(Cloud base)를 추정하는 단계; 및 상기 라디오존데 관측에 의해 얻어진 정보들을 상기 눈 결정의 이미지들과 함께 종합하여 분석하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 강설시 대기중의 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 대기중의 모습 그대로 관측하고 분석한 결과에 근거하여 강설특성을 분석함으로써 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법에 있어서, 상기에 기재된 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정 관측을 위한 장비를 준비하는 단계; 강설시 상기 눈 결정 관측장치를 이용하여 눈 결정을 촬영하고 관측을 행하는 단계; 촬영된 상기 눈 결정의 이미지를 통하여 상기 눈 결정을 종류별로 분류하고 분석하는 단계; 및 미리 정해진 특정 지역 및 기간 동안의 상기 눈 결정의 분석결과들을 종합하여 해당 지역 및 기간 동안의 강설특성을 분석하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강설특성 분석방법이 제공된다.
여기서, 상기 강설특성 분석방법은, 상기 특정 지역 및 기간에 대하여 라디오존데 관측을 수행하여, 상기 라디오존데 관측으로부터 온위(potential temperature ; θ), 상당온위(equivalent potential temperature ; θe), 혼합비(mixing ratio ; q), 포화혼합비(saturation mixing ratio ; qs)를 포함하는 열역학적 특성과 운정고도(Cloud top)를 산출하고, 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저고도(Cloud base)를 추정하는 단계; 및 상기 라디오존데 관측에 의해 얻어진 정보들을 상기 눈 결정의 분석결과들과 함께 종합하여 분석하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성됨으로써, 낙하중에 눈 결정이 손상되거나 파괴되지 않고 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 강설시의 눈 결정을 있는 그대로 관측함으로써, 보다 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 있는 그대로의 눈 결정을 관측 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 그러한 눈 결정 관측장치를 이용한 눈 결정 분석방법을 이용하여, 각각의 눈 결정 분석결과를 종합하여 분석하는 것에 의해 보다 정확한 강설특성의 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 발명자들에 의해 수행된 대설관측 캠페인 기간 동안에 활용된 주요관측기기에 대한 개요 및 사양을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치의 눈 결정 수집부의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치의 실제 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명자들에 의해 수행된 ESSAY 캠페인에서 적용된 눈 결정의 분류를 나타낸 도면이다.
도 6은 전체 분석기간 동안 촬영된 눈 결정 중에서 도 5에 나타낸 6가지 종류의 눈 결정의 관측빈도를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 7은 눈 결정 촬영기간의 전반적인 기상조건을 나타내는 지상 일기도이다.
도 8은 GNSS로 추정한 가강수량과 강수량의 시간변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명자들에 의해 수행된 총 35회의 상층 기상 연직구조 관측사례 중에서 2월 7일의 대기의 열역학적 특성과 눈 결정을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명자들에 의해 수행된 총 35회의 상층 기상 연직구조 관측사례 중에서 2월 8일의 대기의 열역학적 특성과 눈 결정을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명자들에 의해 수행된 총 35회의 상층 기상 연직구조 관측사례 중에서 2월 10일의 대기의 열역학적 특성과 눈 결정을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명자들에 의해 수행된 총 35회의 상층 기상 연직구조 관측사례 중에서 2월 11일의 대기의 열역학적 특성과 눈 결정을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 분석방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성됨으로써, 낙하중에 눈 결정이 손상되거나 파괴되지 않고 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 강설시의 눈 결정을 있는 그대로 관측하는 것에 의해 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 있는 그대로의 눈 결정을 관측 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 그러한 눈 결정 관측장치를 이용한 눈 결정 분석방법을 이용하여, 각각의 눈 결정 분석결과를 종합하여 분석하는 것에 의해 보다 정확한 강설특성의 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 분석방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 발명자들에 의해 수행된 대설관측 캠페인 기간 동안에 활용된 주요관측기기에 대한 개요 및 사양을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 및 강설특성 분석방법을 구현하기 위해, 2013년 12월 ~ 2014년 3월까지 강원 영동지역의 강설기간을 중심으로 강릉과 대관령에 설치된 각종 구름원격장비 및 라디오존데 관측을 통한 대설관측 캠페인(Experiment on Snow Storms At Yeongdong: ESSAY)을 수행하였으며, 이와 더불어, 카메라에 각각 5배, 20배 확대경을 부착하여 눈 결정 사진을 촬영하였고, 이러한 연구는 연직기상관측과 원격관측이 동시에 수행된 국내 최초의 눈 결정 연구이다.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 2013년 12월 ~ 2014년 3월까지 실시한 강설집중관측 캠페인(ESSAY)기간 중에 강설 시작 전에는 6시간 간격, 강설기간 동안에는 3시간 간격으로 라디오존데 관측을 수행하였으며, 라디오존데 관측으로부터 온위(potential temperature ; θ), 상당온위(equivalent potential temperature ; θe), 혼합비(mixing ratio ; q), 포화혼합비(saturation mixing ratio ; qs) 등의 열역학적인 특성과 운정고도(Cloud top)를 산출하였고(상대습도, 온위구조 활용), 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저고도(Cloud base)를 추정하였다.
여기서, 주요 분석기간인 2014년 2월 6일 ~ 14일의 9일간의 라디오존데 관측은 GRAW사와 (주)진양공업에서 제작된 서로 다른 센서를 이용하여 비교 관측을 실시하였으며(GRAW 35회, 진양공업 20회), 이를 통해 관측 신뢰도 향상뿐만 아니라 자료의 손실을 감소할 수 있다.
또한, 본 발명자들은, 위성항법 시스템(Global Navigation Satellite system ; GNSS)을 활용하여 가강수량(Precipitatable Water Vapor; PWV)을 추정하였으며, 아울러, 이진화 등(2012)(참고문헌 10 참조)과 Nam et al.(2014)(참고문헌 11 참조)의 대설연구에서는 주로 대기하층의 상세한 열역학적인 분석이 이루어졌던 반면, 상기한 바와 같은 ESSAY 캠페인 기간 중에는 강설기간에 눈 결정 촬영(2014년 2월 7일 ~ 18일, 총 1,974장)이 추가되었다.
더욱이, 최근 Garrett et al.(2012)(참고문헌 2 참조)의 연구는 MASC(Multi-Angle Snowflake Camera)를 이용하여 3차원으로 눈결정 촬영이 가능한 기술내용이 제시된 바 있으나, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 기존의 고가의 장비를 사용하지 않고 저렴한 비용으로 용이하게 구현 가능한 방식으로 눈 결정을 촬영하였다.
여기서, 촬영 시간은 라디오존데 관측 10분 전부터 관측 30분 후까지이고, 즉시 촬영을 통해 변형되지 않은 상태의 눈 결정 사진 확보에 주력하였으며, 눈 결정 촬영상의 기술적인 문제로서 주간에 찍는 사진과 야간에 찍는 사진의 조명 차이로 인한 초점문제가 발생하는데, 주간에는 햇빛에 의해 눈 결정 촬영에 전혀 문제가 없지만, 야간 촬영시에는 빛이 부족하므로 초점을 정확히 맞추기 어려운 문제가 있고, 이를 위해 직접조명 방식으로 빛을 공급하면 눈 결정에 의한 빛의 다중 산란 때문에 과도한 양의 빛이 반사되어 촬영에 문제가 발생하므로, 랜턴을 이용한 간접조명 방식으로 빛을 공급하여 촬영을 수행하였다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)는, 크게 나누어, 눈 결정을 촬영하기 위한 카메라를 포함하여 이루어지는 촬영부(21)와, 눈 결정을 보다 선명하게 촬영하기 위해 상기한 촬영부(21)에 설치된 카메라의 렌즈 부분에 장착되는 확대렌즈부(22)와, 눈 결정을 손상 없이 촬영할 수 있도록 하기 위해 대기 중의 눈 결정을 위치시킬 수 있도록 이루어지는 눈 결정 수집부(23)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 관측장치(20)는, 도시되지는 않았으나, 촬영시 밝기를 조절하기 위한 라이트와 같은 조명수단과, 촬영된 눈 결정의 영상을 저장하기 위한 메모리와 같은 저장수단과, 촬영 또는 저장수단에 저장된 눈 결정의 영상을 표시하기 위한 디스플레이를 포함하는 표시수단과, 촬영된 눈 결정의 영상을 종류별로 분류하여 분석을 수행하기 위한 분석수단과, 촬영된 영상이나 분석결과를 외부로 전송하기 위한 통신수단 및 상기한 각각의 부분들을 제어하여 관측장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 확대렌즈부(22)는, 서로 다른 배율을 가지는 복수의 확대렌즈를 구비하여 구성될 수있으며, 이때, 각각의 확대렌즈에는, 눈 결정의 크기를 측정할 수 있도록, 예를 들면, 1 mm나 5 mm 단위와 같이 일정 간격으로 눈금을 표시하여 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 눈 결정 수집부(23)는, 눈 결정이 낙하하면서 파손되거나 관측자의 체온으로 인하여 눈 결정이 용해되는 것을 방지하기 위해, 플라스틱 등의 재질을 이용하여 일정 크기 및 형태로 형성되는 케이스 내에, 예를 들면, 표면이 거친 플리스(fleece) 소재의 검은 천을 채워 넣을 형태로 구성될 수 있으며, 이때, 천에 남아 있는 온기에 의해 눈 결정이 용해되는 것을 방지하기 위하여, 바람직하게는, 일정 시간 실외에 보관한 후 촬영을 실시하도록 구성될 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)의 눈 결정 수집부(23)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 눈 결정 수집부(23)는, 예를 들면, 플라스틱 등과 같이, 비교적 저렴하고 구하기 쉬우면서도 가볍고 열 전도가 낮은 소재를 이용하여 일정 크기 및 형태로 형성되는 케이스(31)와, 강설시 대기 중의 눈 결정을 손상 없이 위치시켜 관측할 수 있도록, 예를 들면, 표면이 거친 플리스(fleece) 소재의 검은 천을 케이스(31) 내부에 채워 넣는 것에 의해 이루어지는 충진재(32)를 포함하여 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 구성되는 눈 결정 수집부(23)를 이용하면, 강설시 대기 중의 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 케이스(31) 내부의 충진재(32) 위에 눈 결정을 받은 다음, 촬영부(21)에 의해 눈 결정을 촬영함으로써, 눈 결정이 지면에 접촉하여 손상되거나 관측자의 체온에 의해 파괴되는 일이 없이 강설시의 원래 모습 그대로 촬영하는 것이 가능해진다.
여기서, 상기한 확대렌즈부(22)와 눈 결정 수집부(23) 이외의 나머지 구성은 일체로 형성되어 단일의 장치로서 구성될 수 있으며, 즉, 상기한 촬영부(21)는, 카메라와 함께, 조명수단, 저장수단, 표시수단, 분석수단, 통신수단 및 제어수단이 단일의 기기에 내장되어 일체로 형성될 수 있다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)는, 예를 들면, 스마트폰의 카메라 기능을 이용하여 상기한 촬영부(21)를 구성하고, 이러한 스마트폰에 장착된 카메라의 렌즈 부분에 상기한 확대렌즈부(22)가 부착되도록 구성함으로써, 저렴한 비용으로 용이하게 눈 결정의 촬영장치를 구현할 수 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)의 실제 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
따라서 도 4에 나타낸 바와 같이, 스마트폰을 이용하여 촬영부(21)를 구성하고 스마트폰에 장착된 카메라의 렌즈 부분에 확대렌즈부(22)를 부착한 다음, 상기한 바와 같이 대기 중의 눈 결정이 파손되는 것을 방지하도록 구성되는 눈 결정 수집부(23)에 눈 결정을 수집하여 촬영을 행함으로써, 기존의 방법들과 같이 고가의 장비를 사용하지 않고도 눈 결정의 손상 없이 눈 결정의 촬영 및 관측이 가능한 동시에, 매우 저렴한 비용으로 용이하게 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)를 구현 가능하게 된다.
또한, 상기한 바와 같이 스마트폰을 이용하여 촬영부(21)를 구성함으로써, 스마트폰의 기본 기능을 통하여 상기한 카메라, 조명수단, 저장수단, 표시수단, 분석수단, 통신수단 및 제어수단을 용이하게 구현 가능하고, 그것에 의해, 촬영된 영상 및 분석 결과 등을 외부의 처리장치나 서버 등으로 전송하여 대용량의 데이터나 복잡한 연산처리도 용이하게 처리할 수 있도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 구성되는 눈 결정 관측장치(20)를 이용하여 눈 결정을 관측하고 분석을 수행함으로써, 기존의 방법들과 같이 고가의 장비를 사용하지 않고도 정확한 눈 결정의 관측 및 분석이 가능한 눈 결정의 분석방법을 제공할 수 있으며, 그것에 의해, 눈 결정의 관측 및 분석결과를 종합하여 분석을 행함으로써, 저렴한 비용으로 용이하게 강설특성의 분석이 가능한 강설특성 분석방법을 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)를 이용한 눈 결정의 분석방법은, 먼저, 상기한 바와 같이 하여 눈 결정 관측장치(20)를 준비하는 단계와, 강설시 상기한 눈 결정 관측장치(20)를 이용하여 눈 결정을 촬영하는 단계와, 촬영된 눈 결정의 이미지를 통하여 눈 결정을 종류별로 분류하고 분석하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)를 이용한 강설특성 분석방법은, 상기한 바와 같은 눈 결정 분석방법의 일련의 단계들에 더하여, 특정 지역 및 기간 동안의 눈 결정의 분석결과들을 종합하여 해당 지역 및 기간 동안의 강설특성을 분석하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 눈 결정의 분석방법 및 강설특성의 분석방법은, 각각 상기한 특정 지역 및 기간에 대하여 라디오존데 관측을 수행하여, 라디오존데 관측으로부터 온위(potential temperature ; θ), 상당온위(equivalent potential temperature ; θe), 혼합비(mixing ratio ; q), 포화혼합비(saturation mixing ratio ; qs) 등의 열역학적인 특성과 운정고도(Cloud top)를 산출하고(상대습도, 온위구조 활용), 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저고도(Cloud base)를 추정하고, 이와 같이 하여 얻어진 정보들을 촬영된 눈 결정의 이미지들과 함께 종합적으로 분석하는 단계를 더 포함함으로써, 보다 구체적이고 정확한 분석이 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)를 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 고가의 장비를 사용하지 않고도 저렴한 비용으로 정확하고 또한 용이하게 눈 결정 및 강설특성의 분석을 수행할 수 있다.
여기서, 상기한 본 발명의 실시예에서는, 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)가 스마트폰의 카메라에 확대렌즈를 부착하여 이루어지는 구성을 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상기한 스마트폰 이외에, 예를 들면, 일반적인 디지털 카메라에 확대렌즈를 부착하여 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
또한, 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)는, 예를 들면, 확대렌즈부(22)가 장착된 촬영부(21)에 눈 결정 수집부(23)를 별도의 프레임 등으로 연결하고, 눈이 오는 것을 감지할 수 있도록 구성되는 강설 센서를 이용하여, 눈이 내리는 것이 감지되면 자동적으로 눈 결정의 촬영이 이루어지도록 구성될 수도 있다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치(20)를 이용하여, 실제 눈 결정에 대한 촬영을 행하고 눈 결정 및 강설특성에 대한 분석을 수행한 결과에 대하여 설명한다.
먼저, 눈 결정에 대한 자세한 분석에 앞서, 기존 실험실 연구를 통해 개략적으로 정리된 온도와 과포화도에 따른 눈결정 분포가 제시된바 있으나(참고문헌 3 및 참고문헌 8 참조), 본 실시예에서는 관측자의 주관적인 판단을 최소화하기 위하여 상기한 ESSAY 캠페인에서 관측빈도가 높게 나타난 총 6가지 눈 결정으로 단순화하여 분류하고, 대기과학 용어집의 명명법에 의거하여 각각 나뭇가지 (Dendrite) 결정, 나뭇가지 부착(Aggregates of Dendrite) 결정, 나뭇가지 결착(Rimed Dendrite) 결정, 판(Plate) 결정, 결착판(Rimed Plate) 결정, 싸락눈(Graupel) 결정으로 표기하였다.
즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명자들에 의해 수행된 ESSAY 캠페인에서 적용된 눈 결정의 분류를 나타낸 도면이다.
도 5에 있어서, 왼쪽부터 시계방향으로 각각 나뭇가지 부착(Aggregates of Dendrite) 결정, 나뭇가지 (Dendrite) 결정, 나뭇가지 결착(Rimed Dendrite) 결정, 결착판(Rimed Plate) 결정, 판(Plate) 결정, 싸락눈(Graupel) 결정을 각각 나타내고 있다.
더 상세하게는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 나뭇가지(Dendrite) 결정은 핵을 중심으로 작은 가지들이 성장한 모양을 나타낸 것이며, 나뭇가지 부착(Aggregates of Dendrite) 결정은 나뭇가지 결정끼리 서로 엉겨붙은 형태를 나타내고, 나뭇가지 결착(Rimed Dendrite) 결정은 나뭇가지 결정이 하강할 때 주위의 과냉각수적이 눈 결정에 충돌하여 빙결된 것이며, 판(Plate) 결정은 얇은 판모양이고, 결착판(Rimed Plate) 결정은 판 결정에 과냉각수적이 결착된(Rimed) 형태이며, 마지막으로, 싸락눈(Graupel) 결정은 다량의 과냉각수적이 빙정에 엉겨붙은 얼음덩어리를 의미한다.
또한, 도 6을 참조하면, 도 6은 전체 분석기간 동안 촬영된 눈 결정 중에서 상기한 6가지 종류의 눈 결정의 관측빈도를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 눈 결정의 대부분은 나뭇가지 형태이거나 나뭇가지의 변형된 형태(나뭇가지형, 나뭇가지 부착형, 나뭇가지 결착형)이었으며, 즉, Nam et al.(2014)(참고문헌 11 참조)에 의하면 영동지역 강설구름의 운정고도는 대부분 약 2 ~ 3km, 운정온도는 -12 ~ -20℃이었는데, 이를 ESSAY 관측을 통해서도 전반적으로 재확인할 수 있었다.
아울러, 선행연구(참고문헌 4, 참고문헌 5, 참고문헌 6 및 참고문헌 7 참조)에서 -12 ~ -18℃ 사이에서는 나뭇가지 형태의 발생빈도가 높게 나타나고, 다음으로 판모양의 결정이 주로 생성된다고 보고된 바 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 도 7은 눈 결정 촬영기간의 전반적인 기상조건을 나타내는 지상 일기도이다.
즉, 본 발명자들은, 상기한 ESSAY 기간 중의 전반적인 종관특성을 살펴보기 위하여 캠페인 기간 동안의 지상 일기도를 제시하였으며, 도 7에 나타낸 바와 같이, ESSAY 기간 중에 한반도 남쪽으로 지속적으로 이동성 저기압이 통과하는 패턴이 반복적으로 나타나고 있는데, 이는 선행연구들에서 제시하는 영동지역 대설을 유발하는 대표적인 종관패턴이다.
더 상세하게는, 한반도 남쪽에 이동성 저기압이 위치하면서 영동지역에 북동풍 또는 북풍 계열의 바람으로 인해 한기가 따뜻한 동해상을 통과하게 되며, 해수 온도와 상층 공기온도 (850hPa)의 차이(해기차)가 증가하면서(약 15℃ 이상) 동해 해수면으로부터 대기중으로 수증기가 공급되는데, 이는 상층에서 냉각되면서 포화에 도달하여 눈구름이 발달하게 된다(참고문헌 10 및 참고문헌 11 참조).
이렇게 생성된 눈구름은 동풍과 함께 영동지역으로 유입되면서 강설을 유발하는데, 태백산맥에 의한 수렴효과에 의해 강설메커니즘이 강화되게 되며(참고문헌 11 참조), ESSAY 캠페인 기간 중후반으로 갈수록 일본 동쪽에 저기압이 정체되면서 동풍을 유지하는 종관장이 지속되었음을 확인할 수 있다.
아울러, 도 8을 참조하면, 도 8은 GNSS로 추정한 가강수량(Precipitable Water Vapor ; PWV)과 강수량(Precipitable Water ; PA)의 시간변화를 나타낸 도면이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은 종관적인 상태에 따라 캠페인 기간(9일)을 3일씩 3가지 페이즈(Phase)로 나누어 분석하였으며, 즉, 전체 기간중 Phase 1 기간(2월 6 ~ 8일)에는 가강수량이 증가하면서 강수가 시작되었고, 다음 Phase 2 기간(9 ~ 11일)에는 가강수량은 줄어들지만 시간당 최고강설량이 기록되었으며, 마지막 Phase 3 기간(12 ~ 14일)에는 가강수량이 증가하면서 강설이 다시 관측되었다.
더 상세하게는, Phase 1의 가강수량은 신적설량이 최대치를 나타낸 시점을 기준으로 6시간 전에 10mm 이상 증가하였으며, 도 7에 나타낸 지상일기도에서 제시된 바와 같이 한반도 남쪽에 이동성 저기압의 통과로 인하여 영동지역에 동풍이 유발되면서 강설이 시작되었다.
또한, Phase 2에는 가강수량이 Phase 1에 비해 감소하는 경향을 보였으며, 한반도 남쪽에서 또 다른 이동성 저기압이 북동진함으로써 영동지역에 지속적인 북동풍의 유입으로 인하여 ESSAY 기간 중의 최대 강설량을 기록하였다.
마지막 Phase 3은 Phase 1처럼 가강수량이 10mm 이상으로 증가하면서 강설이 시작되었으며, 단기간 동안 강설강도가 강하게 관측되었다.
계속해서, 상기한 ESSAY 캠페인 기간 동안 관측된 눈 결정 특성에 대하여 설명한다.
먼저, 도 9 내지 도 12를 참조하면, 도 9 내지 도 12는 본 발명자들에 의해 수행된 총 35회의 상층 기상 연직구조 관측사례 중에서 4가지 사례(2월 7일, 8일, 10일, 11일)를 선정하여 대기의 열역학적 특성과 눈 결정을 각각 나타낸 도면이다.
여기서, 도 9 내지 도 12에 있어서, θ는 온위(potential temperature), θe는 상당온위(equivalent potential temperature), q는 혼합비(mixing ratio), qs는 포화혼합비(saturation mixing ratio)를 각각 의미하며, 눈 결정 사진의 붉은 선은 1mm를 나타낸다.
첫째로, 도 9에 나타낸 2월 7일 0900 LST 사례의 경우, 운고계로 관측한 운저고도는 250m 이고, 라디오존데 관측으로 추정한 운정고도는 약 2500m이며, 구름 내에서는 온위의 경우 잠열의 방출로 인하여 약하게 온위가 증가하는 경향이 있는 반면, 상당온위는 상대적으로 일정한 경향이 있고, 약 2500m 이내의 구름층에서는 혼합비와 포화혼합비의 경우 거의 일치하는 것을 잘 나타내고 있으며(약 90% 이상의 상대습도), 이 기간은 강설이 시작되는 시점이었는데 구름층 이하 고도에서는 약한 동풍이 관측되었고, 3000m 이상 고도에서는 강한 북서풍 (약 7ms-1)이 관측되었다.
또한, 눈 결정은, 도 9의 하단부에 나타낸 바와 같이, 주로 약 3 ~ 4mm 크기의 싸락눈(graupel) 형태로서 전체 관측기간 중에서 유일하게 관측되었다.
둘째로, 도 10에 나타낸 2월 8일의 사례에서는 두 층의 구름이 관측되었는데, 두 층 사이 2400 ~ 2500m 부근에 강한 역전층이 존재하는 것을 알 수 있고, 전체 기층이 상당히 습윤한 것을 확인할 수 있다.
이 기간은 도 8에서도 제시된 바와 같이 Phase 1에 해당하여 ESSAY 기간 중에 기층 내의 수증기량이 상대적으로 가장 큰 시기였는데, 라디오존데 연직 수증기량 분포에서도 이를 잘 뒷받침하였으며, 도 9와 유사하게 하층 구름층에서는 약한 동풍계열이, 상층 구름층에서는 서풍계열의 바람이 관측되었다.
이 사례의 경우는 서쪽에서 생성된 눈구름이 영동지역 상층으로 이류되었고, 하층에서는 동풍에 의한 동해상의 눈구름이 이류된 것으로 생각되며, 상하층 두 층 눈구름의 상호작용이 강설메커니즘에 영향을 주었을 것으로 생각된다.
이 기간 동안의 대표적인 눈 결정은 약 4 ~ 6mm 크기의 나뭇가지 결착(Rimed Dendrite) 형태로서, 전날에 비해 약간 컸는데, 상층에서 생성된 나뭇가지 결정이 낙하하는 과정에서 습윤한 대기층을 통과하면서 과냉각수적과의 충돌 또는 빙결을 통해 성장하였을 것으로 생각된다.
셋째로, 도 11에 나타낸 2월 10일 2100 LST 사례의 대기 연직구조와 눈 결정을 참조하면, 운고계에서 운저고도는 480m이었고, 운정고도로 추정되는 2000m 고도까지 혼합비와 포화혼합비가 거의 일치하는 두꺼운 습윤한 기층이 잘 나타나고 있었다(구름 두께는 1520m).
이는 도 10과 달리 구름층 바로 위에는 혼합비가 0.1 ~ 0.2g kg-1 가량의 건조한 층이 존재하였고, 한편, 운정온도는 -19℃이었는데, 주요 눈 결정은 도 6의 표에서 제시된 6가지 눈 결정 중 5가지 형태(나뭇가지 부착형 19%, 나뭇가지형 60%, 나뭇가지 결착형 3%, 판형 16%, 결착판형 2%)가 다양하게 분포하는 것이 확인되었다.
마지막으로, 도 12에 나타낸 2월 11일의 사례에서는 도 11에 비해 상대적으로 얇은 단일 구름층이 관측되었으며, 운고계에서 관측된 운저고도는 1360m이었고, 운정고도로 추정되는 약 1900m 고도에 역전층이 나타났는데, 결국 구름두께가 도 10에 나타낸 2월 10일의 LST 사례에 비해 약 1/3 수준으로 얇은 것을 알 수 있으며, 구름층 바로 위는 전날과 유사하게 매우 건조한 층이 유지되었다.
도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 2km 이하 고도에서는 북동풍에서 동풍계열의 바람이, 2km 이상 고도에서는 북풍에서 북서풍 계열로 전환되는 것을 확인할 수 있으며, 이 당시의 운정온도는 약 -16℃이었고, 눈 결정은 나뭇가지 부착형(Aggregates of Dendrite) 16%, 나뭇가지형(Dendrite) 84%의 2가지 종류만 분포하여 앞선 두꺼운 구름층 사례와는 달리 눈 결정 빈도가 대체로 균질한 경향이 나타났다.
즉, 눈 결정은 온도와 과포화도에 따라 다양한 형태가 생성되는데, 두꺼운 구름일수록 얇은 구름에 비해 구름 내의 온도 및 상대습도의 변화가 크며, 생성된 눈 결정이 구름 내부에서 낙하하면서 주위의 수증기에 의한 성장이 활발하기 때문에 얇은 구름에 비해 다양한 눈 결정이 생성되는 것으로 추정된다.
따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터, 눈 결정과 구름 내의 온도 및 과포화도와의 정량적인 연관성 분석을 통하여 눈 결정 생성에 대한 체계적인 해석이 가능할 것으로 기대된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는, 강원 영동지역의 2014년 2월 대설기간 중에 집중관측(ESSAY) 캠페인의 일환으로 라디오존데 관측, 가강수량 관측 및 카메라를 이용한 눈 결정 촬영을 수행하였으며, 그 분석기간은 최장기간 동안 누적적설량(192.8 cm)이 기록된 2014년 2월 6일 ~ 14일의 9일간으로, 이동성 저기압 시스템이 한반도 남쪽을 순차적으로 통과하면서 영동지역에 장기간 지속적으로 동풍이 유도되어 대설이 발생하였다.
분석결과, 영동지역의 강설구름은 기존 연구결과와 유사하게 일반적으로 2 ~ 3km 이내의 낮은 층운형 구름임을 라디오존데 및 원격 관측을 통해 확인하였으며, 2 ~ 3km 이내의 하층에서는 북동풍에서 동풍 계열의 바람이 관측되었고, 상층으로 갈수록 북풍에서 북서풍으로 전환되는 것을 나타내었다.
또한, 본 발명자들에 의해 국내에서 최초로 수행된 눈 결정 분석에서, 강릉지역은 나뭇가지 형태(Dendrite)의 눈 결정이 약 70% 정도로 대부분을 차지하였으며, 두 층 구름이 존재하는 경우 과냉각수적의 빙결에 의해 나뭇가지 결착형(Riming) 눈 결정의 빈도가 증가하였다.
아울러, 두꺼운 구름층과 얇은 구름층을 상호 비교한 결과, 두꺼운 구름층에서는 여러 형태의 눈 결정(나뭇가지 부착형, 나뭇가지형, 나뭇가지 결착형, 판형, 결착판형)이 다양하게 관측된 반면, 얇은 구름층(500m 이내)에서는 상대적으로 균질한 결정(나뭇가지형)이 주로 관측되으며, 특히, 구름층이 얇고 운정온도가 약 -12 ~ -16℃ 정도인 조건에서는 나뭇가지 또는 나뭇가지 부착형의 눈 결정이 주로 관측되었다.
여기서, 눈 결정 형성에 영향을 미치는 온도, 과포화도, 리차든수(안정도) 등에 대한 추가적인 분석을 통하여 온도와 상대습도 등의 기상조건과 눈 결정 빈도 사이의 보다 뚜렷한 연관성을 확인할 수 있을 것으로 기대된다.
더욱이, 일반적으로, 눈의 무게는 눈 결정의 종류에 따라 결정되므로, 예를 들면, 비닐하우스나 가건물 등의 파손이나 붕괴 등으로 인한 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위해서는, 이러한 눈 결정에 대한 정확한 관측과 분석이 필수적이며, 이를 위해, 본 발명에서는, 실제 대기조건에서 다양한 눈 결정을 촬영하여 분석을 수행하여 영동지역에서 다양한 눈 결정을 관측하였으며, 그 결과, 나뭇가지형 또는 나뭇가지 결착형 결정이 빈도가 높게 나타남을 확인하였다.
즉, 눈 결정은 겨울철 강설관련 연구의 기본적인 요소이므로, 눈 결정에 대한 체계적인 분석이 이루어진다면 눈의 무게에 의한 사고예방 정보 제공, 동계스포츠 알파인 경기의 기록향상을 위한 설질정보 제공, 눈길 교통사고 예방, 눈 결정의 대기 복사효과 산정, 강설량의 정량적인 예측 등, 다양한 대기과학 분야의 발전에 기여할 수 있으므로, 본 발명에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 및 강설특성 분석방법은 상기한 바와 같이 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 분석방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 분석방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성됨으로써, 낙하중에 눈 결정이 손상되거나 파괴되지 않고 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중에서 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 강설시의 눈 결정을 있는 그대로 관측함으로써, 보다 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법을 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 있는 그대로의 눈 결정을 관측 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 그러한 눈 결정 관측장치를 이용한 눈 결정 분석방법을 이용하여, 각각의 눈 결정 분석결과를 종합하여 분석하는 것에 의해 보다 정확한 강설특성의 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법을 제공할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치 및 이를 이용한 눈 결정 분석방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
20. 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치
21. 촬영부
22. 확대렌즈부
23. 눈 결정 수집부
31. 케이스
32. 충진재

Claims (12)

  1. 강설시 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 대기 중의 상태 그대로 손상 없이 촬영 및 관측이 가능하도록 구성되는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치에 있어서,
    눈 결정을 촬영하기 위한 카메라를 포함하여 이루어지는 촬영부;
    상기 눈 결정을 더욱 선명하게 촬영하기 위해 상기 촬영부에 설치된 상기 카메라의 렌즈 부분에 장착되는 확대렌즈부;
    상기 눈 결정이 낙하중에 파손되거나 관측자의 체온으로 인하여 용해되는 것을 방지하여 상기 눈 결정을 손상 없이 촬영할 수 있도록 형성되는 눈 결정 수집부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 눈 결정 관측장치는,
    촬영시 밝기를 조절하기 위한 라이트를 포함하여 이루어지는 조명수단;
    촬영된 상기 눈 결정의 영상을 저장하기 위한 메모리를 포함하여 이루어지는 저장수단;
    상기 카메라에 의해 촬영되거나 또는 상기 저장수단에 저장된 상기 눈 결정의 영상을 표시하기 위한 디스플레이를 포함하여 이루어지는 표시수단;
    촬영 또는 저장된 상기 눈 결정의 영상을 종류별로 분류하여 분석을 수행하기 위한 분석수단;
    촬영 또는 저장된 상기 눈 결정의 영상이나 분석결과를 외부로 전송하기 위한 통신수단; 및
    상기 눈 결정 관측장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어수단 중 적어도 하나 이상을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 눈 결정 관측장치는,
    상기 촬영부에 상기 카메라, 상기 조명수단, 상기 저장수단, 상기 표시수단, 상기 분석수단, 상기 통신수단 및 상기 제어수단이 단일의 기기에 내장되어 일체로 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 눈 결정 관측장치는,
    상기 촬영부가 관측자의 스마트폰을 이용하여 구성되고,
    상기 확대렌즈부는, 상기 관측자의 스마트폰에 장착된 카메라의 렌즈 부분에 확대렌즈를 부착하는 것에 의해 구성됨으로써,
    기존의 고가의 장비를 사용하지 않고도 저렴한 비용으로 용이하게 대기중의 눈 결정을 손상 없이 촬영 및 관측이 가능한 동시에,
    촬영된 영상 및 분석 결과를 외부의 처리장치나 서버로 전송하여 대용량의 데이터나 복잡한 연산처리도 용이하게 처리할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 눈 결정 관측장치는,
    상기 촬영부에 상기 확대렌즈부를 장착하여 상기 눈 결정 수집부를 별도의 프레임으로 연결하고,
    상기 촬영부 또는 상기 눈 결정 수집부에 눈이 오는 것을 감지할 수 있도록 구성되는 강설센서를 더 포함하여 구성됨으로써,
    눈이 내리는 것이 감지되면 자동적으로 눈 결정의 촬영이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 확대렌즈부는,
    서로 다른 배율을 가지는 복수의 확대렌즈를 구비하도록 구성되며,
    각각의 상기 확대렌즈는, 상기 눈 결정의 크기를 측정할 수 있도록 하기 위해 미리 정해진 일정 간격으로 눈금이 표시되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 눈 결정 수집부는,
    플라스틱을 포함하는 열 전도가 낮은 소재를 이용하여 미리 정해진 일정 크기 및 형태로 형성되는 케이스; 및
    강설시 대기 중의 상기 눈 결정을 손상 없이 위치시켜 관측할 수 있도록 하기 위해, 표면이 거친 플리스(fleece) 소재의 검은 천을 상기 케이스 내부에 채워 넣는 것에 의해 이루어지는 충진재를 포함하여 구성되고,
    강설시 대기 중의 눈 결정이 지면에 접촉하기 전에 상기 케이스 내부의 상기 충진재 위에 상기 눈 결정을 받은 다음 상기 촬영부에 의해 촬영을 수행함으로써, 상기 눈 결정이 지면에 접촉하여 손상되거나 관측자의 체온에 의해 파괴되는 일이 없이 강설시 대기중의 모습 그대로 상기 눈 결정의 촬영이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 눈 결정 수집부는,
    상기 눈 결정 수집부에 남아 있는 온기로 인해 상기 눈 결정이 용해되는 것을 방지하기 위해 미리 정해진 일정 시간 동안 실외에 보관한 후 촬영을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치.
  9. 강설시 대기중의 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 대기중의 모습 그대로 관측함으로써 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 눈 결정 분석방법에 있어서,
    청구항 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 기재된 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정 관측을 위한 장비를 준비하는 단계;
    강설시 상기 눈 결정 관측장치를 이용하여 눈 결정을 촬영하고 관측을 행하는 단계; 및
    촬영된 상기 눈 결정의 이미지를 통하여 상기 눈 결정을 종류별로 분류하고 분석하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 눈 결정 분석방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 눈 결정 분석방법은,
    상기 특정 지역 및 기간에 대하여 라디오존데 관측을 수행하여, 상기 라디오존데 관측으로부터 온위(potential temperature ; θ), 상당온위(equivalent potential temperature ; θe), 혼합비(mixing ratio ; q), 포화혼합비(saturation mixing ratio ; qs)를 포함하는 열역학적 특성과 운정고도(Cloud top)를 산출하고, 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저고도(Cloud base)를 추정하는 단계; 및
    상기 라디오존데 관측에 의해 얻어진 정보들을 상기 눈 결정의 이미지들과 함께 종합하여 분석하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 눈 결정 분석방법.
  11. 강설시 대기중의 눈 결정에 손상이나 파괴됨이 없이 대기중의 모습 그대로 관측하고 분석한 결과에 근거하여 강설특성을 분석함으로써 정확한 관측 및 분석이 가능하도록 구성되는 강설특성 분석방법에 있어서,
    청구항 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 기재된 대기중의 눈 결정 촬영이 가능한 눈 결정 관측장치를 이용하여, 눈 결정 관측을 위한 장비를 준비하는 단계;
    강설시 상기 눈 결정 관측장치를 이용하여 눈 결정을 촬영하고 관측을 행하는 단계;
    촬영된 상기 눈 결정의 이미지를 통하여 상기 눈 결정을 종류별로 분류하고 분석하는 단계; 및
    미리 정해진 특정 지역 및 기간 동안의 상기 눈 결정의 분석결과들을 종합하여 해당 지역 및 기간 동안의 강설특성을 분석하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강설특성 분석방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 강설특성 분석방법은,
    상기 특정 지역 및 기간에 대하여 라디오존데 관측을 수행하여, 상기 라디오존데 관측으로부터 온위(potential temperature ; θ), 상당온위(equivalent potential temperature ; θe), 혼합비(mixing ratio ; q), 포화혼합비(saturation mixing ratio ; qs)를 포함하는 열역학적 특성과 운정고도(Cloud top)를 산출하고, 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저고도(Cloud base)를 추정하는 단계; 및
    상기 라디오존데 관측에 의해 얻어진 정보들을 상기 눈 결정의 분석결과들과 함께 종합하여 분석하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강설특성 분석방법.
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