KR20180041509A - 연직강우 레이더의 검보정 장치 및 방법 - Google Patents

연직강우 레이더의 검보정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연직강우 레이더의 검보정 장치는 강우강도 값과 강우 측정값의 상관도를 결정하는 상관도 산출부; 상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출하고 상기 회귀식의 결과값을 계산하는 회귀식 산출부; 상기 상관도 및 상기 결과값으로 상기 최적의 누적시간을 결정하는 최적 누적시간 결정부; 상기 비구름 사례를 샘플링하는 비구름 연직 샘플링부; 상기 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교하는 연직 반사도 비교부; 및 상기 최적값 또는 상기 샘플링 및 비교 결과값에 기초하여 연직강우 레이더의 상수를 보정하는 레이더 상수 보정부를 포함한다.

Description

연직강우 레이더의 검보정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF CALIBRATION AND VALIDATION FOR THE VERTICAL MICRO RAIN RADAR}
본 발명은 비교 검증을 이용한 연직강우 레이더의 검보정 장치 및 방법에 관한 것이다.
기상조절과 개발에 있어서 구름과 강수의 물리적인 특성을 이해하는 것이 필요하다. 구름-강수과정에 대한 연구가 증대되는 가운데 미세물리학적인 특성을 파악하기 위해 국내 유일의 구름물리 관측시스템인 대관령 구름물리선도센터(CPOS; Cloud Physics Observation System)를 중심으로 다양한 관측 기기를 구축하여 상시운용하고 있다.
또한, 원격강우관측기기인 연직강우 레이더(MRR; Micro Rain Radar)를 이용한 입자크기분포 및 연직 강우강도의 변화는 인공증우/증설 실험 검증 및 대기 중하층을 분석하는데 이용되며 강우량 프로파일을 확인할 수 있다. 그리고 연직강우 레이더를 통한 대기 중하층의 강우정보는 누적 강수에 대해 강우량으로 산출할 수 있으며, 융해층을 파악하여 시딩고도를 판단하는 데 중요한 역할을 한다.
MRR은 대기 중에 전자기파 (24GHz)를 연직으로 방사하여 구름 내부에 있는 물 입자에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 측정하여 레이더 반사도와 입자의 낙하속도를 관측하는 장비이다. 이 2가지 정보를 이용하여 강우강도, 액체수함량 (Liquid Water Contents, 이하 LWC), 입자크기분포 (Drop Size Distribution, 이하 DSD)를 산출할 수 있다.
이러한 원격관측기기의 경우 다양한 기상요소와 자연환경에 따라 점차 장비 노후화가 진행되고 연직 전파의 감쇄 영향과 레이저 세기의 손실로 인해 오차가 발생될 수 있다. 따라서, 연직강우 레이더의 측정값을 보정할 필요성이 존재한다.
종래, 연직강우레이더의 측정값을 보정하기 위한 기술로서, "레이더 강우 조절 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치"이란 명칭의 등록 특허 공보 10-1571438 (2015년 11월 24일)가 있다. 이 특허에 개시된 레이더 강우 조절 방법은 지상 우량계 강우강도로부터 레이더 강우강도의 실제 오차를 산출하는 단계; 실제 오차에 대한 공간적인 상관성을 갖는 유효반경을 결정하는 단계; 실제 오차 및 유효반경을 국지우량계조정(Local Gauge Correction, LGC) 방법에 적용하여 레이더 강우강도의 조정오차를 산출하는 단계; 및 조정오차를 반영하여 레이더 강우강도를 조절하는 단계를 포함한다.
종래 기술에 따르면, 레이더 강우 관측값과 우량계 강우 강도 사이의 실제 오차를 산정하고 있기 때문에, 각 관측 지역의 연직강우 레이더를 검보정해야하는 번거로움이 있었다. 또한, 지상 우량계가 존재하지 않은 경우, 연직 강우 레이더를 검보정하는 것에 어려움이 있었다.
또한, 각 관측 지역마다 설치된 관측기기를 다시 한 곳으로 모아 검보정하는데 시공간적인 제약이 있고 관측하는 시스템에 대한 어려움이 존재한다.
또한, "로컬 게이지 보정을 이용한 강수량 산출 시스템 및 그 방법"이란 명칭의 등록 특허 공보 10-1423278 (2014년 7월 18일)에는 레이더에서 측정된 강우강도를 로컬 게이터 보정을 적용하여 강수 현상을 보정하지만, 각 관측 지점의 특성을 반영하지 못하는 문제점이 있었다.
KR 10-1571438 B (2015년 11월 24일) KR 10-1423278 B (2014년 7월 18일)
본 발명은 전술한 바와 같은 점에 착안하여 창출된 것으로서, 연직강우 레이더에 대한 검보정을 수행하여 연직강우 레이더의 신뢰도와 정확도를 확보하기 위한 연직강우 레이더의 검보정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따라, 연직 강우 레이더의 검보정 장치는 강우강도 값과 강우 측정값의 상관도를 결정하는 상관도 산출부; 상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출하고 상기 회귀식의 결과값을 계산하는 회귀식 산출부; 상기 상관도 및 상기 결과값으로 상기 최적의 누적시간을 결정하는 최적 누적시간 결정부; 상기 비구름 사례를 샘플링하는 비구름 연직 샘플링부; 상기 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교하는 연직 반사도 비교부; 및 상기 최적값 또는 상기 샘플링 및 비교 결과값에 기초하여 연직강우 레이더의 상수를 보정하는 레이더 상수 보정부를 포함한다.
상기 연직강우 레이더의 검보정 장치는 상기 강우강도 값을 출력하는 연직강우 레이더(MRR; Micro Rain Radar)를 더 포함할 수 있다.
상기 연직강우 레이더의 검보정 장치는 강우량을 측정하여 상기 강우 측정값을 출력하는 우량계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 연직강우 레이더의 검보정 방법은 상기 연직강우 레이더로부터의 강우강도 값과 우량계로부터의 강우 측정값의 상관도를 결정하는 단계; 상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출하고 상기 회귀식의 결과값을 계산하는 단계; 상기 상관도 및 상기 결과값을 상기 최적의 누적 시간을 결정하는 단계; 및 상기 최적값에 기초하여 연직강우 레이더의 상수를 보정하는 단계를 포함한다.
상기 연직강우 레이더의 검보정 방법은 상기 비구름 사례를 샘플링하는 단계; 상기 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교하는 단계; 및 상기 샘플링 및 비교 결과값에 기초하여 연직강우 레이더의 상수를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 실시예에 따르면, 각 관측지역의 강수운 사례에 대해 우량계 존재유무에 따른 강수량 자료와 보다 정밀한 연직강우 레이더(MRR)의 관측 자료를 활용하여 최적화된 관계식을 결정하여 검보정을 하고, 구름 미세물리 연구의 자료로 활용하는데 기여할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연직강우 레이더의 검보정 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연직강우 레이더의 검보정 방법의 흐름도이다.
도 3은 연직강우 레이더의 검보정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 강수사례를 선정하여 MRR 강우강도 자료를 이용하여 각 관측 지역에 설치된 지상 우량계와 누적시간에 대해 상관도를 구하여 회귀식을 통해 검보정을 하며 우량계가 없는 지역의 경우 풍계와 비구름사례를 적용하여 지근거리의 MRR을 이용해 검보정을 하기 위한 기술이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MRR 검보정 장치(100)의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연직강우 레이더(30), 우량계(20), 및 연직강우 레이더 검보정 장치(100)가 제공될 수 있다.
연직강우 레이더(30)는 대기 중에 전자기파 (24GHz)를 연직으로 방사하여 구름내부에 있는 물 입자에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 측정하여 레이더 반사도와 입자의 낙하속도를 관측하는 장비이다. 이 2가지 정보를 이용하여 강우강도, 액체수함량 (Liquid Water Contents, 이하 LWC), 입자크기분포 (Drop Size Distribution, 이하 DSD)를 산출할 수 있다.
우량계(20)는 각 관측 지역에 구축될 수 있다. 우량계는 우량관측용으로 사용되고 있는 강우량계는 전도형, 저수형, 로드셀형, 중량식 등이 있으며 이 중 측정과 신호의 처리가 간편한 전도형 우량계가 널리 사용되고 있다. 우량계(30)는 전도형 우량계(raingauge)인 것이 바람직하다. 전도형 우량계(30)는 빗물이 고여 전도버킷을 전도시키는 횟수를 전기신호로 바꾸어 강우량을 측정한다. 강우량은 0.1 mm 또는 0.5 mm 단위로 측정된다.
연직강우 레이더(30)와 우량계(20)는 네트워크를 통해 MRR 검보정 장치(100)에 연결될 수 있다. 또한, 네트워크의 예로서, 로컬 영역 네트워크("LAN") 및 광역 네트워크("WAN"), 예를 들어, 인터넷이 포함된다. 네트워크는 다양한 유선 또는 무선 프로토콜, 예컨대 이더넷(Ethernet), 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus, USB), 화이어와이어(FIREWIRE), GSM(Global 시스템 for Mobile Communications), EDGE(Enhanced Data GSM Environment), 코드 분할 다중 접속(code division multiple access, CDMA), 시간 분 할 다중 접속(time division multiple access, TDMA), 블루투스(Bluetooth), Wi-Fi, VoIP(voice over Internet Protocol), Wi-MAX, 또는 임의의 기타 적합한 통신 프로토콜을 포함하는 임의의 알려진 네트워크 프로토콜을 사용하여 구현될 수 있다.
연직강우 레이더(30)와 우량계(20)가 네트워크를 통해 MRR 검보정 장치(100)에 연결될 수도 있고, 직접 또는 다른 수단을 통해 MRR 검보정 장치(100)에 연결될 수도 있다.
MRR 검보정 장치(100)는 연직강우 레이더로부터 강우강도 값을 수신하고, 우량계로부터 강우 측정값을 수신한다. 상기 강우강도 값은 상기 연직강우 레이더에서 측정된 정보를 기초하여 획득할 수 있다. 상기 연직강우 레이더(20)는 바람직하게 최하층을 제외한 강우강도 값을 제공한다.
MRR 검보정 장치(100)는 상기 강우강도 값과 상기 강우 측정값 간의 상관도를 결정한다. MRR 검보정 장치(100)는 실제 측정된 누적 강우량 값으로 환산한 연직강우 레이더의 강우강도와 상관도를 표출할 수 있다.
MRR 검보정 장치(100)는 상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출한다. 상기 회귀식은 회귀 분석을 위한 것으로, 하나의 변수에서 다른 변수값을 예측하기 위한 방정식이다. MRR 검보정 장치(100)는 산출된 회귀식의 결과값을 계산한다.
이어서, MRR 검보정 장치(100)는 상기 결정된 상관도와 상기 회귀식의 결과값을 강우 누적 시간별로 분류한다. MRR 검보정 장치(100)는 예컨대, 강우 누적 시간을 10분, 20분, 30분 및 60분으로 하여 분류를 수행할 수 있다. MRR 검보정 장치(100)는 최적값(R2)를 결정한다.
MRR 검보정 장치(100)는 결정된 최적값을 이용하여 MRR의 레이더 상수를 보정한다.
한편, MRR 검보정 장치(100)는 상기 최적값을 결정하기 위하여 우량계(30)로부터 강우 측정값을 제공받는데, 상기 우량계(30)가 측정 지점에 설치되지 않은 경우도 있다.
즉, 우량계(30)로부터 강우 측정값이 제공되지 않으면, MRR 검보정 장치(100)는 비구름 사례를 샘플링하고 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교한다. MRR 검보정 장치(100)는 상기 추출한 사례와 조건을 적용하여 MRR의 레이더 상수를 보정한다.
전술한 본 발명의 동작을 수행하기 위해 MRR 검보정 장치(100)는 상관도 산출부(110), 회귀식 산출부(120), 최적 누적시간 결정부(130), 비구름 연직 샘플링부(140), 연직 반사도 비교부(150), 및 레이더 상수 보정부(160)을 포함한다.
상관도 산출부(110)는 연직강우 레이더(20)로부터 강우강도 값을 수신하고, 우량계(30)로부터 강우 측정값을 수신하고, 상기 강우강도 값과 상기 강우 측정값 간의 상관도를 결정한다. 상관도 산출부(110)는 결정된 상관도를 최적 누적시간 결정부(130)로 출력한다.
회귀식 산출부(120)는 상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출하고, 산출된 회귀식의 결과값을 계산한다. 회귀식 산출부(120)는 산출된 회귀식의 결과값을 계산하여 최적 누적시간 결정부(130)로 출력한다.
최적 누적시간 결정부(130)는 상기 결정된 상관도와 상기 회귀식의 결과값으로 분류한다. 최적 누적시간 결정부(130)는 예컨대, 강우 누적 시간을 10분, 20분, 30분 및 60분으로 하여 분류를 수행할 수 있다. 최적 누적시간 결정부(130)는 최적값(R2)를 결정하고 상기 결정된 최적값을 레이더 상수 보정부(160)로 출력한다.
레이더 상수 보정부(160)는 결정된 최적값을 이용하여 MRR의 레이더 상수를 보정한다.
한편, MRR 검보정 장치(100)는 상기 최적값을 결정하기 위하여 우량계(30)로부터 강우 측정값을 제공받는데, 상기 우량계(30)가 측정 지점에 설치되지 않은 경우도 있다.
이 경우, 비구름 연직 샘플링부(140)는 비구름 사례를 샘플링하고 연직 반사도 비교부(150)는 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교하고 그 결과값을 레이더 상수 보정부(160)으로 출력한다. 레이더 상수 보정부(160)는 상기 추출한 비구름 사례와 조건을 적용하여 MRR의 레이더 상수를 보정한다.
이어서, 도 2 및 도 3을 참조하여 연직강우 레이더의 검보정 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연직강우 레이더의 검보정 방법의 흐름도이고, 도 3은 연직강우 레이더의 검보정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, MRR 검보정 장치(100)는 단계 310에서 우량계(30)가 해당 관측 지점에 존재하는 지 판단한다. 우량계(30)가 해당 관측 지점에 존재하면, MRR 검보정 장치(100)는 단계 330에서 연직강우 레이더(20)로부터의 강우강도 값과, 상기 우량계(30)로부터의 상기 강우 측정값 간의 상관도를 결정한다.
이어서, MRR 검보정 장치(100)는 단계 340에서 상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출하고, 산출된 회귀식의 결과값을 계산한다.
MRR 검보정 장치(100)는 단계 350에서 상기 결정된 상관도와 상기 회귀식의 결과값을 강우 최적 누적시간을 결정한다. MRR 검보정 장치(100)는 단계 360에서 결정된 최적값을 이용하여 MRR의 레이더 상수를 보정한다.
한편, 측정 지점에 설치되어 있지 않으면, MRR 검보정 장치(100)는 우량계(30)가 단계 320에서 비구름 사례를 샘플링한다. 그리고, MRR 검보정 장치(100)는 단계 325에서 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교한 후 단계 360으로 진행한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비구름 사례와 풍향은 MRR의 성능을 좌우할 수 있다.
측정 지점에 설치되어 있지 않은 경우, MRR 검보정 장치(100)는 단계 360에서 상기 추출한 비구름 사례와 조건을 적용하여 MRR의 레이더 상수를 보정한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 연직 강우 레이더의 검보정 장치에 있어서,
    강우강도 값과 강우 측정값의 상관도를 결정하는 상관도 산출부;
    상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출하고 상기 회귀식의 결과값을 계산하는 회귀식 산출부;
    상기 상관도 및 상기 결과값으로 상기 최적의 누적시간을 결정하는 최적 누적시간 결정부;
    상기 비구름 사례를 샘플링하는 비구름 연직 샘플링부;
    상기 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교하는 연직 반사도 비교부; 및
    상기 최적값 또는 상기 샘플링 및 비교 결과값에 기초하여 연직강우 레이더의 상수를 보정하는 레이더 상수 보정부를 포함하는 연직강우 레이더의 검보정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강우강도 값을 출력하는 연직강우 레이더((MRR; Micro Rain Radar)를 더 포함하는 연직강우 레이더의 검보정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    강우량을 측정하여 상기 강우 측정값을 출력하는 우량계를 더 포함하는 연직강우 레이더의 검보정 장치.
  4. 연직강우 레이더의 검보정 방법에 있어서,
    상기 연직강우 레이더로부터의 강우강도 값과 우량계로부터의 강우 측정값의 상관도를 결정하는 단계;
    상기 강우강도 값에 대한 회귀식을 산출하고 상기 회귀식의 결과값을 계산하는 단계;
    상기 상관도 및 상기 결과값을 상기 최적의 누적 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 최적값에 기초하여 연직강우 레이더의 상수를 보정하는 단계를 포함하는 연직강우 레이더의 검보정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 비구름 사례를 샘플링하는 단계;
    상기 지근 거리의 보정된 MRR과 풍계에 따른 연직 반사도를 비교하는 단계; 및
    상기 샘플링 및 비교 결과값에 기초하여 연직강우 레이더의 상수를 보정하는 단계를 더 포함하는 연직강우 레이더의 검보정 방법.

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