채프에코는 기상레이더 영상에서 강수에코로 자주 오인된다. 본 연구에서는 채프에코를 효과적으로 제거하기 위하여 국립기상연구소 X-밴드 이중편파레이더에서 관측한 자료를 활용하여 채프에코의 반사도와 각각의 이중편파변수의 관계성을 분석하였다. 특히 본 연구는 채프에코 사례의 입체관측자료 영상에서 채프에코가 발생한 영역만을 선별하여 이중편파변수 자료들을 수집하였다. 전반적으로 이중편파변수(반사도, 차등반사도, 교차상관계수, 차등반사도 표준편차와 비차등위상차)에 대해 채프에코의 변수 값이 강수에코보다 넓은 범위를 차지하며, 채프 섬유의 공간적 배치는 레이더빔에 대해 수평적으로 놓여있는 경향이 나타났다. 일부 강수에코의 교차상관계수는 0.8 이하의 값을 갖고 있기 때문에 채프에코 값과 상당한 중첩이 나타났다. 일반적으로 교차상관계수는 강수에코와 채프에코를 효과적으로 분리하는데 좋은 변수로 고려되고 있지만, 이 연구는 교차상관계수만을 이용하여 채프에코를 제거할 경우에 일부 강수에코가 제거될 가능성이 있음을 시사한다.
채프에코는 기상레이더 영상에서 강수에코로 자주 오인된다. 본 연구에서는 채프에코를 효과적으로 제거하기 위하여 국립기상연구소 X-밴드 이중편파레이더에서 관측한 자료를 활용하여 채프에코의 반사도와 각각의 이중편파변수의 관계성을 분석하였다. 특히 본 연구는 채프에코 사례의 입체관측자료 영상에서 채프에코가 발생한 영역만을 선별하여 이중편파변수 자료들을 수집하였다. 전반적으로 이중편파변수(반사도, 차등반사도, 교차상관계수, 차등반사도 표준편차와 비차등위상차)에 대해 채프에코의 변수 값이 강수에코보다 넓은 범위를 차지하며, 채프 섬유의 공간적 배치는 레이더빔에 대해 수평적으로 놓여있는 경향이 나타났다. 일부 강수에코의 교차상관계수는 0.8 이하의 값을 갖고 있기 때문에 채프에코 값과 상당한 중첩이 나타났다. 일반적으로 교차상관계수는 강수에코와 채프에코를 효과적으로 분리하는데 좋은 변수로 고려되고 있지만, 이 연구는 교차상관계수만을 이용하여 채프에코를 제거할 경우에 일부 강수에코가 제거될 가능성이 있음을 시사한다.
To effectively remove chaff echoes, which are often misidentified as precipitation echoes on weather radars, this study examines the relationship between the radar reflectivity and each of dual polarimetric parameters. The dual polarimetric parameters are collected only for the echo areas identified...
To effectively remove chaff echoes, which are often misidentified as precipitation echoes on weather radars, this study examines the relationship between the radar reflectivity and each of dual polarimetric parameters. The dual polarimetric parameters are collected only for the echo areas identified as chaff echoes on the NIMR X-band dual polarization radar. Overall, the polarimetric parameters (i.e., reflectivity, differential reflectivity, cross correlation coefficient, standard deviation of differential reflectivity and specific differential phase) for chaff echoes have a wider range of values than those for precipitation echoes and the chaff filaments tend to be horizontally oriented to radar beams. There appears to be a considerable overlap in the cross correlation coefficient range of chaff and precipitation echoes since some precipitation echoes have cross correlation coefficient lower than 0.8. Therefore, although the cross correlation coefficient is known to be a good variable in identifying and separating chaff echoes from precipitation echoes, it is suggested that additional care should be taken when using the cross correlation coefficient solely in removing chaff echoes.
To effectively remove chaff echoes, which are often misidentified as precipitation echoes on weather radars, this study examines the relationship between the radar reflectivity and each of dual polarimetric parameters. The dual polarimetric parameters are collected only for the echo areas identified as chaff echoes on the NIMR X-band dual polarization radar. Overall, the polarimetric parameters (i.e., reflectivity, differential reflectivity, cross correlation coefficient, standard deviation of differential reflectivity and specific differential phase) for chaff echoes have a wider range of values than those for precipitation echoes and the chaff filaments tend to be horizontally oriented to radar beams. There appears to be a considerable overlap in the cross correlation coefficient range of chaff and precipitation echoes since some precipitation echoes have cross correlation coefficient lower than 0.8. Therefore, although the cross correlation coefficient is known to be a good variable in identifying and separating chaff echoes from precipitation echoes, it is suggested that additional care should be taken when using the cross correlation coefficient solely in removing chaff echoes.
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문제 정의
따라서 본 연구는 채프에코의 이중편파변수 특성을 분석하기 위하여 국립기상연구소 X-밴드 이중편파레이더로 관측된 채프에코와 강수에코 각각의 사례들을 수집하고 채프에코와 강수에코가 관측된 영역만을 선별하였다. 이렇게 선별된 영역 내에 있는 채프에코와 강수에코의 이중편파변수 값의 범위 특성을 조사함으로써 채프 섬유가 갖는 편파변수 상의 물리적 특성을 살펴보았다.
이 절에서는 채프 또는 강수에만 해당하는 에코의 반사도와 특정 이중편파변수의 빈도분포 특성을 분석 함으로써 채프에코가 강수에코로부터 분리 가능한지를 논의할 것이다.
이 절은 반사도, 차등반사도, 교차상관계수의 평면 위치표시기(PPI, Plan Position Indicator) 영상을 살펴봄으로써 채프와 강수의 공간적 배치 특성과 이들 에코 유형들이 갖는 편파변수상의 물리적 특성에 대해서 논의할 것이다.
따라서 본 연구는 채프에코의 이중편파변수 특성을 분석하기 위하여 국립기상연구소 X-밴드 이중편파레이더로 관측된 채프에코와 강수에코 각각의 사례들을 수집하고 채프에코와 강수에코가 관측된 영역만을 선별하였다. 이렇게 선별된 영역 내에 있는 채프에코와 강수에코의 이중편파변수 값의 범위 특성을 조사함으로써 채프 섬유가 갖는 편파변수 상의 물리적 특성을 살펴보았다. 국내·외적으로 채프에코에 관한 연구가 부족한 현실에서 이러한 채프에코 특성 연구는 채프에코를 강수에코로부터 효과적으로 제거할 수 있는 기틀을 마련하는데 기초 연구로 활용될 수 있을 것이다.
제안 방법
(1) 이중편파레이더 영상을육안 관찰하여 채프에코가 관측된 90개의 입체관측자료와 강수에코가 관측된 10개의 입체관측 자료를 선정하였다. (2) 각 유형의 에코가 나타난 영역(Fig. 2에 나타낸 부채꼴 영역들)을 방위각과 방사거리로 표현하여 표로 만들었다(Tables 3 and 4). (3) 이 표를 참조하여 선정된 영역 내부에 있는 이중편파변수 값들을 수집함으로써 분석 자료에 포함될 수 있는 잡음을 최소화하였다.
X-밴드 레이더 반사도에서 강한 강수에 의한 감쇠 영향을 제외하기 위하여 40 dBZ 이상의 강한 강수의 후면에 있는 레이더 반사도를 분석 자료에 포함하지 않도록 4개의 영역(P1-P4)을 설정하였다(Fig. 3a).
두 변수들 사이의 빈도분포를 살펴보기 위하여 각사례 영상에서 선별된 영역들 내의 게이트들이 갖는 반사도와 차등반사도의 쌍들을 수집하였으며, 반사도와 차등반사도를 각각 x축과 y축으로 하는 2차원 공간에 이들의 빈도를 나타냈다(Figs. 4a and 4b). 채프 에코의 경우에 반사도와 차등반사도는 각각 0-30 dBZ 와 −8-23 dB의 범위를 가졌다(Fig.
4a and 4b). 따라서 차등반사도의 표준편차가 채프에코와 강수에코의 특성을 구분하 는데 좋은 후보 변수가 될 것이라 예상하여 반사도와 차등반사도 표준편차의 빈도분포를 분석하였다 (Figs. 4e and 4f). 차등반사도 표준편차는 각 게이트의 좌표에서 방위각에 대해 양 방향으로 1개씩과 방사거리에 대해 전후방으로 3개씩의 게이트를 추출하여 총 21개의 게이트 표본을 확보한 후 중심 게이트와 주변 게이트들과의 차등반사도의 표준편차를 구하 였다.
또한 NIMR (2010)는 X-밴드 이중편파레이더를 이용하여 2009년 7월 1일부터 2009년 12월 31일까지 채프에코가 발생한 일수를 분석하였다.
또한 채프에코와의 비교를 위하여 동일 레이더에서 관측한 강수에코 사례에 대해서 같은 방법을 적용하여 분석 하였다.
반사도와 차등반사도의 빈도분포와 유사하게 채프에코와 강수에코에 대해 반사도와 교차상관계수의 빈도분포를 분석하였다. 채프에코의 교차상관계수는 주로 0-1.
확산 초기의 채프에코 반사도는 20 dBZ 정도의 값도 나타났다. 반사도의 축에 대한 차등반사도, 교차상관계수, 차등반사도 표준편차와 비차등위상차를 축으로 하는 2차원 평면에서 채프에코와 강수에코의 빈도분포의 특성을 분석하였다. 강수에코와 비교하여 채프에코의 차등반사도는 −8-23 dB의 넓은 범위에 분포하였으며, 대부분의 채프에코는 양의 차등반사도를 보였다.
본 연구에서 사용하는 이중편파레이더에서 산출되는 9개의 관측변수는 지형에코 필터 적용전 수평반사도(DZ), 지형에코 필터 적용 후 수평반사도(ZH), 시선속도(VR), 스펙트럼폭(SW), 지형에코 필터 적용후 수직반사도(ZV), 차등반사도(ZDR), 차등위상차(ΦDP), 교차상관계수(ρHV)와 비차등위상차(KDP)이다.
, Rinehart, 2010). 이 비차등위상차는 채프에코와 강수에코의 특성을 살펴볼수 있는 좋은 변수로 고려되어 채프에코와 강수에코에 대한 반사도와 비차등위상차의 빈도분포를 분석하였다.
, Rinehart, 2010). 이러한 교차상 관계수의 성질을 이용하여 채프에코와 강수에코의 특성을 분석하였다(Figs. 2c and 3c). Fig.
한편 국립기상연구소의 X-밴드 이중 편파레이더를 비롯하여 기상청에 도입 예정인 이중편파레이더의 자료 품질관리를 위하여 채프에코의 이중 편파변수 특성을 사전에 파악하는 것은 매우 중요한일이다. 이를 위하여 본 연구는 기존의 연구와는 달리 관측기간 동안 채프에코가 나타난 관측 사례 날의 레이더 PPI 영상에서 채프에코를 육안으로 판단 하고 채프에코가 나타난 영역만을 선정하여 수집한후, 이들의 이중편파변수 특성을 분석하였다. 또한 채프에코와의 비교를 위하여 동일 레이더에서 관측한 강수에코 사례에 대해서 같은 방법을 적용하여 분석 하였다.
4e and 4f). 차등반사도 표준편차는 각 게이트의 좌표에서 방위각에 대해 양 방향으로 1개씩과 방사거리에 대해 전후방으로 3개씩의 게이트를 추출하여 총 21개의 게이트 표본을 확보한 후 중심 게이트와 주변 게이트들과의 차등반사도의 표준편차를 구하 였다. 따라서 주어진 방위각 a와 방사거리 b에서의 차등반사도의 표준편차 식은 다음과 같다.
대상 데이터
각 유형에 해당하는 에코만을 수집하기 위하여 다음과 같이 수행하였다. (1) 이중편파레이더 영상을육안 관찰하여 채프에코가 관측된 90개의 입체관측자료와 강수에코가 관측된 10개의 입체관측 자료를 선정하였다. (2) 각 유형의 에코가 나타난 영역(Fig.
즉 Zrnic and Ryzhkov(2004)와 NIMR(2010)는 각각 1-2개의 입체관측 자료만을 사용하였으며, 특히 전자의 반사도 영상에 나타난 채프에코의 반사도가 비교적 큰 값을 갖는 것으로 보아 채프 섬유의 확산이 시작된 지 얼마 되지 않은 시점 인 것으로 보인다. NIMR(2010)는 두 개의 입체관측 자료만을 사용하였다. 따라서 이 두 연구들에서 사용한 자료는 채프의 다양한 특성을 포함하기에는 충분치 않은 자료 표본 크기이다.
강수에코 사례는 총 10개 입체관측를 포함하며, 관측 고도각은 2.0, 3.0, 4.0과 5.0º이다.
0º이다. 강수에코 자료는 2009년과 2010년에 관측된 사례들이다(Table 2). 강수에코 사례는 총 10개 입체관측를 포함하며, 관측 고도각은 2.
본 연구에서 사용한 국립기상연구소 X-밴드 이중편파레이더는 고정 관측 및 이동 관측이 가능한 레이더이며(Table 1), 본 연구에서 사용한 자료의 기간 동안은 전라남도 무안군 해제면에서 관측을 수행하였다. 이 레이더는 9360 MHz의 주파수를 사용하며, 수평편파와 수직편파를 동시에 송신하고, 수평편파와 수직편파를 각각 수신한다.
본 연구에서 사용한 채프에코 자료는 2010년에 관측된 사례들로부터 수집되었다(Table 2). 채프에코 관측자료 수집을 위해 먼저 육안 관찰을 하여 90개의 입체관측 영상을 선택하였으며, 특히 빔차폐, 청천대기에코와 이상전파에코들이 포함되지 않는 채프에코만 존재하는 영역을 선별하였다.
2에 나타내었다. 이 날에 레이더로 부터 방사거리 25 km 이내에 매우 낮은 반사도를 갖는 청천대기에코가 동시에 관측되었다. 이 영상에 채프에코로 판단된 3개의 영역에 C1, C2, C3로 표시하 였다(Fig.
채프에코는 확산 초기에 좁은 영역에서 높은 반사도로 관측되며, 시간이 지나면서 풍향을 따라 길게 확산되는 특성을 가지고 있다. 이 연구에 사용된 90개의 채프 사례들 중에서 대표적인 채프에코 사례의 PPI 영상을 Fig. 2에 나타내었다. 이 날에 레이더로 부터 방사거리 25 km 이내에 매우 낮은 반사도를 갖는 청천대기에코가 동시에 관측되었다.
이러한 방법으로 수집된 채프 에코와 강수에코의 자료 수는 각각 44,393개와 74,599개 이다.
본 연구에서 사용한 채프에코 자료는 2010년에 관측된 사례들로부터 수집되었다(Table 2). 채프에코 관측자료 수집을 위해 먼저 육안 관찰을 하여 90개의 입체관측 영상을 선택하였으며, 특히 빔차폐, 청천대기에코와 이상전파에코들이 포함되지 않는 채프에코만 존재하는 영역을 선별하였다. 또한 0 dBZ 이하의 반사도에는 잡음신호가 많이 포함된 것으로 판단되어 0 dBZ 이하의 반사도는 분석 자료에 포함시키지 않았다.
이론/모형
특히 2009년 국립기상연구소 X-밴드 이중편파레이더에 의해 관측된 차등반사도 값은 음의 편향을 갖는 것으로 나타났다(NIMR, 2010). 이 음의 편향을 줄이기 위해 연직지향 관측 방법(e.g., Gorgucci et al., 1999)을 이용하여 얻은 보정값(1.5 dB)을 2009년 강수에코 사례의 차등반사도 값에 더하였다.
성능/효과
2에 나타낸 부채꼴 영역들)을 방위각과 방사거리로 표현하여 표로 만들었다(Tables 3 and 4). (3) 이 표를 참조하여 선정된 영역 내부에 있는 이중편파변수 값들을 수집함으로써 분석 자료에 포함될 수 있는 잡음을 최소화하였다. 이러한 방법으로 수집된 채프 에코와 강수에코의 자료 수는 각각 44,393개와 74,599개 이다.
강수에코와 비교하여 채프에코의 차등반사도 값은비균질적으로 분포하며(Fig. 2b), 또한 넓은 동적 범위를 나타냈다(Figs. 4a and 4b). 따라서 차등반사도의 표준편차가 채프에코와 강수에코의 특성을 구분하 는데 좋은 후보 변수가 될 것이라 예상하여 반사도와 차등반사도 표준편차의 빈도분포를 분석하였다 (Figs.
강수에코와 비교하여 채프에코의 차등반사도는 −8-23 dB의 넓은 범위에 분포하였으며, 대부분의 채프에코는 양의 차등반사도를 보였다.
강수에코의 교차상관계수는 0.7-1.0 범위에 넓게분포하였고, 반사도가 5-30 dBZ 범위에 있을 때 교차 상관계수는 약 0.95에서 최대 빈도분포를 보인다(Fig. 4d). 이 영역에 있는 강수입자들은 일정한 모양으로 분포하여 수평반사도와 수직반사도 사이에 높은 상관 관계가 있는 것으로 보인다.
강수에코의 빈도분포를 통해 강수입자들은 0-49 dBZ의 반사도와 −2-9 dB의 차등반사도 범위를 가지며, 최대 빈도분포는 1-28 dBZ의 반사도와 3 dB의 차등반사도에서 나타났다(Fig. 4b).
하지만 반사도와 차등반사도 빈도분포에서 채프에코는 대부분 양의 차등반사도 값을 가지고 있어서 채프 섬유들이 3차원 공간에서 수평적으로 누워서 배치되었음을 논하였다. 따라서 본 연구에서 사용된 X-밴드 이중편파레이더의 비차등위상차 값은 다소 안정된 관측 값이 아니며, 따라서 체계적 편향이 있을 것으로 사료된다.
이들 중의 일부는 융해층의 영향으로 볼 수 있지만 사용한 자료에서 융해층이 차지하는 비율은 작다. 따라서 채프에코와 강수에코의 비차등위상차 값에 따르면 본 연구에서 사용한 X-밴드 이중편파레이더는 차등위상차에 대해 불안정 성을 보이며, 이로 인해 비차등위상차에 영향을 준것으로 사료된다.
레이더 PPI 영상에서 채프에코는 확산 초기에 강한 점 에코로 관측되다가 시간이 지남에 따라 풍하측으로 가늘고 길게 분포하는 특징을 가졌다. 확산 초기의 채프에코 반사도는 20 dBZ 정도의 값도 나타났다.
한편 선행 연구에서 채프에코의 차등반사도 범위는 S-밴드 이중편 파레이더에서 0-6 dB였으며(Zrnic and Ryzhkov, 2004), 본 연구와 동일한 X-밴드 이중편파레이더에서는 −10-30 dB였다(NIMR, 2010). 본 연구의 차등반사도는 S-밴드 이중편파레이더의 값보다 더 넓은 동적 범위를 보였다. 이렇게 변수 값의 범위가 다르게 보이는 것은 연구에 사용된 이중편파레이더의 파장과 입체관측 자료의 표본 크기가 관련되어 있을 것으로 사료된다.
2a). 선정된 3개의 영역에서 채프에코의 반사도는 음의 값부터 20 dBZ 정도까지의 범위를 보였다. 특히 C1 영역에서의 채프에코는 채프 섬유의 확산이 시작된 지 얼마 지나지 않았기 때문에 20 dBZ 에 가까운 높은 반사도를 가지며, 점 모양의 에코가 풍하측을 따라 띠 모양으로 변화하는 모습을 보인다.
후속연구
국내·외적으로 채프에코에 관한 연구가 부족한 현실에서 이러한 채프에코 특성 연구는 채프에코를 강수에코로부터 효과적으로 제거할 수 있는 기틀을 마련하는데 기초 연구로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구를 통해 특정한 변수만을 이용하여 강수에코로부터 채프에코를 성공적으로 분리하는 데는 한계가 있음을 알 수 있었다. 따라서 채프에코와 강수에코로 선정되어 수집된 모든 편파변수들을 사용하여 이들의 동시 상관관계의 특성을 지닌 다변수 분석을 통해 채프에코의 식별 및 제거를 위한 알고리즘을 설계할 수 있을 것으로 보인다.
본 연구를 통해 특정한 변수만을 이용하여 강수에코로부터 채프에코를 성공적으로 분리하는 데는 한계가 있음을 알 수 있었다. 따라서 채프에코와 강수에코로 선정되어 수집된 모든 편파변수들을 사용하여 이들의 동시 상관관계의 특성을 지닌 다변수 분석을 통해 채프에코의 식별 및 제거를 위한 알고리즘을 설계할 수 있을 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
채프는 무엇인가?
일반적으로 채프는 군에서 감시레이더를 교란시키기 위한 목적으로 군용기에서 살포되는 물질이다. 이러한 채프에코는 우리나라에서 기상레이더에 자주 관측되기 때문에 기상레이더를 이용한 강수량 추정에큰 영향을 초래할 수 있다.
레이더 PPI 영상에서 채프에코는 어떤 특징을 보였는가?
레이더 PPI 영상에서 채프에코는 확산 초기에 강한 점 에코로 관측되다가 시간이 지남에 따라 풍하측으로 가늘고 길게 분포하는 특징을 가졌다. 확산 초기의 채프에코 반사도는 20 dBZ 정도의 값도 나타났다.
대부분의 체코에코가 양의 차등반사도를 보인 이유는?
강수에코와 비교하여 채프에코의 차등반사도는 −8-23 dB의 넓은 범위에 분포하였으며, 대부분의 채프에코는 양의 차등반사도를 보였다. 이는 채프 섬유가 3차원 공간에서 다양하게 배치됨으 로써 차등반사도가 비교적 넓은 범위에 나타나며, 이와 관련되어 채프에코의 차등반사도 표준편차도 큰값을 나타냈다. 채프에코의 교차상관계수는 대부분 0.
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