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문제 정의
- 이에 비하여 GPS를 이용한 가강수량 정보 획득은 이미 구축되어 있는 GPS 상시관측소 시스템을 이용하여 획득한 데이터를 처리하여 매우 저렴한 비용으로 이루어질 수 있다(송동섭, 2009a; Bevis 등, 1992; Rocken 등, 1993; Solbrig, 2000). 본 연구에서는 2011년 2월에 발생한 강원도 영동 지방의 폭설 기간 동안 GPS를 이용한 가강수량의 추정을 수행하고, 기상인자와의 시간적 변화에 따른 가강수량의 변화를 검토하고자 하였다. 또한 폭설은 대기 중에 포함된 대량의 수증기 성분이 응결되어 지상으로 하강하면서 발생되므로, 가강수량과 폭설에 따른 신적설량 발생과의 상관관계에 대한 분석을 실시하였다.
- 따라서 한 지역에서 발생되는 폭설에 대한 정량적 크기를 과거 기록과 비교하는 경우에는 신적설량을 사용한다. 본 연구에서는 GPS의 신호 지연을 이용한 대류권 가강수량의 변화 추이를 분석하기 위하여 시간별 신적설 정규관측 결과와 비교를 수행하였다.
- 또한 폭설은 대기 중에 포함된 대량의 수증기 성분이 응결되어 지상으로 하강하면서 발생되므로, 가강수량과 폭설에 따른 신적설량 발생과의 상관관계에 대한 분석을 실시하였다. 이를 통하여 폭설과 같은 악기상 속에서 GPS 기상 기술의 적용 가능성을 검토하고자 하였다.
제안 방법
- GPS 가강수량과 적설량 및 포화수증기압에 대하여 웨이블릿(wavelet)을 이용한 주기성 분석을 수행하였다. 웨이블릿 분석은 기상 자료와 같은 비정규적인 시계열의 주변화성분을 탐색하는데 유용한 방법이다(이재준 등, 2010).
- 본 연구에서는 2011년 2월에 발생한 강원도 영동 지방의 폭설 기간 동안 GPS를 이용한 가강수량 의 추정을 수행하고, 기상인자와의 시간적 변화에 따른 가강수량의 변화의 분석을 실시하였다. GPS 가강수량은 GPS 관측데이터의 정밀 해석을 통한 대류권에서의 위성 신호 총 지연량을 산출하고, 실제 천정 습윤 지연량을 추출하여 한국의 가중 평균 기온 모델을 이용하여 복원하였다. 또한 폭설이 발생하는 중점 기간 동안에 GPS 가강수량과 신적설 발생량과의 상관관계에 대한 분석을 추가로 실시하였다.
- 본 연구에서는 2011년 2월에 발생한 강원도 영동 지방의 폭설 기간 동안 GPS를 이용한 가강수량의 추정을 수행하고, 기상인자와의 시간적 변화에 따른 가강수량의 변화를 검토하고자 하였다. 또한 폭설은 대기 중에 포함된 대량의 수증기 성분이 응결되어 지상으로 하강하면서 발생되므로, 가강수량과 폭설에 따른 신적설량 발생과의 상관관계에 대한 분석을 실시하였다. 이를 통하여 폭설과 같은 악기상 속에서 GPS 기상 기술의 적용 가능성을 검토하고자 하였다.
- GPS 가강수량은 GPS 관측데이터의 정밀 해석을 통한 대류권에서의 위성 신호 총 지연량을 산출하고, 실제 천정 습윤 지연량을 추출하여 한국의 가중 평균 기온 모델을 이용하여 복원하였다. 또한 폭설이 발생하는 중점 기간 동안에 GPS 가강수량과 신적설 발생량과의 상관관계에 대한 분석을 추가로 실시하였다.
- 본 연구에서는 2011년 2월에 발생한 강원도 영동 지방의 폭설 기간 동안 GPS를 이용한 가강수량 의 추정을 수행하고, 기상인자와의 시간적 변화에 따른 가강수량의 변화의 분석을 실시하였다. GPS 가강수량은 GPS 관측데이터의 정밀 해석을 통한 대류권에서의 위성 신호 총 지연량을 산출하고, 실제 천정 습윤 지연량을 추출하여 한국의 가중 평균 기온 모델을 이용하여 복원하였다.
- 기상청 지역별 상세 관측자료 제공 시스템을 검색한 결과, 강릉과 울진 지역의 지상 기상 관측은 매분 이루어지고 있으며, 10분, 30분, 60분 간격으로 선택하여 획득할 수 있다. 본 연구에서는 고려할 기상 인자들에 대하여 10분 간격의 데이터를 이용하였으며, 적설량의 경우에는 매시간 마다 제공하고 있는 관계로 60분 간격의 정규 관측 자료를 활용하였다. GPS 가강수량 추정을 위한 관측 데이터는 2011년 2월 9일부터 2월 12일(UTC 기준)의 4일간 자료를 이용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 고려할 기상 인자들에 대하여 10분 간격의 데이터를 이용하였으며, 적설량의 경우에는 매시간 마다 제공하고 있는 관계로 60분 간격의 정규 관측 자료를 활용하였다. GPS 가강수량 추정을 위한 관측 데이터는 2011년 2월 9일부터 2월 12일(UTC 기준)의 4일간 자료를 이용하였다. 추가적으로 자동 기상 관측소에서 제공하고 있는 해면기압을 GPS 관측소 위치에서의 기압으로 환산하기 위한 역해면 경정 과정 방법은 송동섭(2009a)이 제시한 방법을 적용하였다.
- 국토지리정보원의 GPS 상시관측소는 좌표 성과가 고시되어 경험적 건조 지연량 계산에 필요한 위치 정보를 이용할 수 있다. 또한 GPS 가강수량의 추정과 적설량과의 관계를 분석하기 위하여 GPS 상시 관측소와 인접한 지역의 기상 관측소 중에서 적설량 관측이 이루어지는 지점으로 연구 대상을 결정하였다. 참고로 기상청의 적설량 관측은 기상본청, 지방기상청 및 기상대 등의 유인관측소에서 이루어지고 있다.
- 본 연구에서는 강원도 영동 지역과 인접 지역 중에서 국토지리정보원의 GPS 상시관측소를 운영하고 있는 지점을 대상으로 하였다. 국토지리정보원의 GPS 상시관측소는 좌표 성과가 고시되어 경험적 건조 지연량 계산에 필요한 위치 정보를 이용할 수 있다.
이론/모형
- 이 가중 평균 기온 모델은 우리나라에서 운용중인 라디오존데 관측소 6개소로부터 획득한 평균 기온 관측값과 동일 지역의 지상 기상 관측소로부터 수집한 지상 기온과의 선형 회귀 분석을 통하여 개발된 모델이며, 식 (3)과 같다. GPS 가강수량 복원과 관련한 자료처리 전략과 방법은 송동섭(2007)에 사용된 방법을 이용하였다.
- T는 해당 관측소의 지표 기온을 의미한다. 본 연구에서는 GPS 위성신호의 실제 습윤 지연량으로부터 가강수량으로 환산하기 위해 필요한 가중 평균 기온 모델과 관련한 C(-12.35)와 D(1.01) 상수는 송동섭(2007)이 제시한 모델을 적용하였다. 이 가중 평균 기온 모델은 우리나라에서 운용중인 라디오존데 관측소 6개소로부터 획득한 평균 기온 관측값과 동일 지역의 지상 기상 관측소로부터 수집한 지상 기온과의 선형 회귀 분석을 통하여 개발된 모델이며, 식 (3)과 같다.
- 웨이블릿 분석에서는 시계열에 대한 연속함수들의 무한 가중합으로 연산을 수행하며, 각 함수들은 공간상에 지역화 된, 즉 한정된 영역에 대한 영이 아닌 값을 가진다. 본 연구에서는 Gaussian에 의해 변조된 점근적으로 영에 근접하는 Morlet 웨이블릿을 적용하였다(Morlet, 1992). 다음 그림 5는 강릉과 울진 지역에서의 GPS 가강수량, 적설량 및 포화수증기압에 대한 주기성 분석 결과를 도시한 것이다.
- 건조 지연량은 총 지연량에서 95% 정도를 차지하고 있다. 천정 방향에 대한 건조 지연(Zenith Hydrostatic Delay, ZHD)은 GPS 관측 지점의 지표면 기압과 기온을 사용하여 Hopfield 건조 지연 모델, Black 건조 지연 모델, MOPS 모델 및 식 (1)과 같은 Saastamoinen 건조 지연 모델을 이용하여 결정할 수 있다.
- GPS 가강수량 추정을 위한 관측 데이터는 2011년 2월 9일부터 2월 12일(UTC 기준)의 4일간 자료를 이용하였다. 추가적으로 자동 기상 관측소에서 제공하고 있는 해면기압을 GPS 관측소 위치에서의 기압으로 환산하기 위한 역해면 경정 과정 방법은 송동섭(2009a)이 제시한 방법을 적용하였다. 표 1은 연구 대상 지점의 GPS 상시관측소와 기상 관측소의 정보를 정리한 것이다.
성능/효과
- 1) 분석 결과, GPS를 이용하여 복원한 대류권에서의 가강수량 증가가 발생된 이후에 강설량의 증가되는 추세를 나타냈다. 특히, 이러한 GPS 가강수량의 증가는 대기 중에 포함된 수증기량과 포화수증기량의 비율에 대한 기상 인자인 상대습도와의 밀접한 상관성을 지니고 있는 것으로 확인되었다.
- 2) 적설량의 증가와 함께 GPS 가강수량의 감소 현상은 대기 중 가강수량과 밀접한 관계가 있는 상대습도가 감소하는 패턴을 보이고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 시간 경과에 따라 GPS 가강수량과 신적설량의 증감 추이는 강릉과 울진에서 모두 같은 상관을 지니는 것으로 분석되었다.
- 3) GPS 가강수량과 현지 기온을 이용하여 구한 포화수증기압에 대한 웨이블릿 방법을 이용하여 구한 주기성 분석에서 두 지역에서 GPS 가강수량은 약 21시간, 포화 수증기압은 약 23시간으로 나타났다. 본 연구 기간에 한해서는 GPS 가강수량과 포화수증기압의 주기는 유사한 주기성을 지니고 있는 것으로 검출되었음을 확인할 수 있었다.
- 4) 추가적으로 폭설에 대한 집중 분석 기간 동안의 GPS 가강수량과 신적설량에 대한 분석 결과, 두 인자의 증감 추세는 서로 다르게 나타나고 있는 것으로 확인되었다. 특히, 폭설 기간 동안 GPS 가강수량과 포화수증기압과의 상관관계는 양적 선형관계로서 비 영향 기간 동안과는 서로 상반되는 관계를 보이고 있는 것으로 나타났다.
- 두 변수가 정적 상관인 경우에 각 변수는 같은 부호 방향으로 증가하는 경향을 보이며, 부정적 상관인 경우에는 두 변수의 부호가 서로 반대로 나타난다. GPS 가강수량과 포화수증기압에 대한 상관 분석 결과, 폭설 기간 동안에는 강릉지역의상관도는45.9%, 울진 지역은 17.4%로 나타났다. 이러한 결과는 폭설 기간 동안에는 포화수증기압과 가강수량이 양의 상관관계에 있다는 것을 의미하며, 포화수증기압의 증가에 따라 GPS 가강수량의 증가에 상관이 있음을 보여주고 있다.
- 피어슨 상관계수의 지표 분석에 따라 폭설 기간 동안 강릉 지역에서는 GPS 가강수량과 포화수증기압이 뚜렷한 양적 선형관계를 나타내고 있으며, 울진에서는 약한 양적 선형 관계를 보이고 있다. 강설량이 발생하지 않은 기간 동안에는 강릉은 거의 무시될 수 있는 선형 관계이며, 울진에서는 약한 음적 선형관계를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 데이터 획득에 필요한 연구 기간과 표본 자료가 부족하여 GPS 가강수량과 폭설시 포화수증기압과의 직접적인 상관성을 찾기는 어려운 것으로 사료된다.
- 또한 시간 경과에 따라 GPS 가강수량과 신적설량의 증감 추이는 강릉과 울진에서 모두 같은 상관을 지니는 것으로 분석되었다. 대기 수분량의 증가가 기온 하강으로 인한 수분 응결 과정을 통해 강설량의 증가 추이를 이끌고 있는 것을 연구대상 지역 모두에서 확인할 수 있었다.
- 2) 적설량의 증가와 함께 GPS 가강수량의 감소 현상은 대기 중 가강수량과 밀접한 관계가 있는 상대습도가 감소하는 패턴을 보이고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 시간 경과에 따라 GPS 가강수량과 신적설량의 증감 추이는 강릉과 울진에서 모두 같은 상관을 지니는 것으로 분석되었다. 대기 수분량의 증가가 기온 하강으로 인한 수분 응결 과정을 통해 강설량의 증가 추이를 이끌고 있는 것을 연구대상 지역 모두에서 확인할 수 있었다.
- 적설량은 강릉에서는 신뢰구간을 벗어나는 지점에서 주기가 나타났으며, 울진에서는 약 10시간(610분)의 주기를 보임으로써 불확실성을 나타냈다. 또한 포화수증기압은 약 23시간(1400분)의 주기가 검출되었으며, 본 연구 사례에 국한해서는 GPS 가강수량의 주기와 유사함을 보이고 있다고 사료된다. 그러나 본 연구의 시계열 기간이 짧고 대상 연구 지역도 작은 관계로 두 인자의 주기의 유사성이 GPS 가강수량과 포화수증기압의 연관과 관련된 발생주기의 대표성을 가지고 있지는 않다.
- 3) GPS 가강수량과 현지 기온을 이용하여 구한 포화수증기압에 대한 웨이블릿 방법을 이용하여 구한 주기성 분석에서 두 지역에서 GPS 가강수량은 약 21시간, 포화 수증기압은 약 23시간으로 나타났다. 본 연구 기간에 한해서는 GPS 가강수량과 포화수증기압의 주기는 유사한 주기성을 지니고 있는 것으로 검출되었음을 확인할 수 있었다. 그러나 적설량에 대한 웨이블릿 변환 방법에 의한 주기성 분석 결과에서는 특정한 주기가 검출되지 않았다.
- 0cm가 불과 3시간 동안에 발생하였다. 시간 경과에 따라 GPS 가강수량과 신적설량의 증감 추이는 강릉과 울진에서 모두 같은 상관을 지니는 것으로 분석되었다. 앞서 4.
- 고려한 기상 인자는 GPS 가강수량 복원에 필요한 기온과 기압, 적설량, 상대습도 및 포화수증기압이다. 연구 대상 기간 동안 강릉 지점에서는 평균 GPS 가강수량이 9.5mm이며, 최솟값은 5.4mm, 최댓값은 12.4mm(2월 10일 22시)로 나타났다. 한편 울진 지점에서는 최소 3.
- 4%로 나타났다. 이러한 결과는 폭설 기간 동안에는 포화수증기압과 가강수량이 양의 상관관계에 있다는 것을 의미하며, 포화수증기압의 증가에 따라 GPS 가강수량의 증가에 상관이 있음을 보여주고 있다. 폭설 기간을 제외한 기간 동안의 분석에서는 두 지역 모두 음의 상관관계에 있는 것을 그림 8을 통해 확인할 수 있다.
- 주기성 분석 결과, GPS 가강수량의 경우에는 강릉과 울진에서 약 21시간(1280분)의 주기를 보였으며, 신뢰수준 구간에 거의 근접하는 부분에서 주기가 검출되는 특징을 보였다. 적설량은 강릉에서는 신뢰구간을 벗어나는 지점에서 주기가 나타났으며, 울진에서는 약 10시간(610분)의 주기를 보임으로써 불확실성을 나타냈다. 또한 포화수증기압은 약 23시간(1400분)의 주기가 검출되었으며, 본 연구 사례에 국한해서는 GPS 가강수량의 주기와 유사함을 보이고 있다고 사료된다.
- 다시 말해 신뢰구간은 점선 위의 나타나는 스펙트럼 영역이 유의하다고 할 수 있으며, GWP에서도 강한 강도를 나타내는 부분에서 주기성을 지닌다. 주기성 분석 결과, GPS 가강수량의 경우에는 강릉과 울진에서 약 21시간(1280분)의 주기를 보였으며, 신뢰수준 구간에 거의 근접하는 부분에서 주기가 검출되는 특징을 보였다. 적설량은 강릉에서는 신뢰구간을 벗어나는 지점에서 주기가 나타났으며, 울진에서는 약 10시간(610분)의 주기를 보임으로써 불확실성을 나타냈다.
- 1) 분석 결과, GPS를 이용하여 복원한 대류권에서의 가강수량 증가가 발생된 이후에 강설량의 증가되는 추세를 나타냈다. 특히, 이러한 GPS 가강수량의 증가는 대기 중에 포함된 수증기량과 포화수증기량의 비율에 대한 기상 인자인 상대습도와의 밀접한 상관성을 지니고 있는 것으로 확인되었다. 대기 중의 상대습도가 100%에 이르게 될 때 대기는 포화상태에 이르게 되며, 동시에 GPS로 복원한 가강수량이 대기 중에 포함된 수증기의 액상 포화 상태를 검출할 수 있음을 의미한다고 판단된다.
- 4) 추가적으로 폭설에 대한 집중 분석 기간 동안의 GPS 가강수량과 신적설량에 대한 분석 결과, 두 인자의 증감 추세는 서로 다르게 나타나고 있는 것으로 확인되었다. 특히, 폭설 기간 동안 GPS 가강수량과 포화수증기압과의 상관관계는 양적 선형관계로서 비 영향 기간 동안과는 서로 상반되는 관계를 보이고 있는 것으로 나타났다. 그러나 영동 폭설 기간 동안의 신적설 발생과 관련한 GPS 가 강수량과의 특정한 상관성이 도출되지는 않았다.
후속연구
- 전반적으로 데이터 획득에 필요한 연구 기간과 표본 자료가 부족하여 GPS 가강수량과 폭설시 포화수증기압과의 직접적인 상관성을 찾기는 어려운 것으로 사료된다. 추후 폭설 기간 동안 고층대기기상 관측 기구인 레디오존데로부터 획득한 연직 수증기 정보와 수증기 복사계로부터 획득한 자료를 보강하여 대기 분석 자료의 보강을 통한 상관 분석이 필요하다고 본다.
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