[논문]유효 경보를 위한 새로운 낙뢰 경보시스템의 개발 방법에 대한 제안

심해섭; 이복희

doi:10.5207/jieie.2015.29.12.068

유효 경보를 위한 새로운 낙뢰 경보시스템의 개발 방법에 대한 제안
A Proposal on the Development Method of a New Lightning Warning System for Effective Alerts 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.12, 2015년, pp.68 - 76

심해섭 (National Meteorological Satellite Center) , 이복희 (School of Electrical Engineering, Inha University)

Abstract ▼ AI-Helper

We examine the standalone lightning warning system (LWS) and its warning performances for three years. This system acquires and analyzes the data of cloud-to-ground strike (CG), intra-cloud discharge (IC) and electrostatic field (EF) to produce prior warnings with respect to the impending arrival of CG in the area of concern (AOC). The warnings in this system are carried out based on the fixed two areas method. To evaluate warning performances, we analyzed the statistics of warnings with probability of detection (POD) and false alarm ratio (FAR). Based on the previous study, we revised the trigger and clear conditions of lightning warning for improving the performances of the system. As a result of this revision, POD increased from 0.18 to 0.44 and FAR decreased from 0.96 to 0.78 during the summer of 2014. However, the LWS was not possible to trigger effective alerts (EA) because there was no effective lead time (LT) for the fixed two areas method. Problems related to the low detection efficiency of IC and the use of EF data for warnings still decreased POD and increased FAR. Hence, we proposed the development method of a new LWS (NLWS) that would be composed of integrated weather data, the flexible two areas and the user software in order to trigger EA and improve warning performances.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 고정 2 영역법의 사용, 25%의 IC 탐지율과 무지향성 방향 관측, EF 자료 조합, POD와 FAR의 상충 관계는 경보 성능 저하의 근본적인 원인이 되고 있으며 무엇보다 독립형 LWS는 단지 사전 경보용으로서 사용자별 유효 LT 확보로 가능한 EA 발령은 곤란하다. 그러므로 기상 자료의 융합, 가변 2 영역법과 사용자 소프트웨어의 적용으로 가능한 NLWS의 개발을 제안하였다. 제안된 NLWS는 필연적인 POD의 증가와 FAR의 감소 그리고 사용자별 유효 LT의 확보로 EA의 자동 발령과 해제 그리고 피뢰 대책의 자동 시행이 가능하여 CG로 인한 피해를 저감시킬 수 있어 국가 중요시설은 물론 민간에서도 많은 활용이 예상된다.
상술한 바와 같이 본 연구에서 운영된 독립 LWS, 기상청의 CG 초단기 예보 그리고 민간 업체의 CG 경보기와 독립형 LWS는 엄정한 피뢰 대책의 일환으로 적용할 수 없다. 그러므로 새로운 LWS(new LWS: NLWS)의 개발이 필요함을 알 수 있으며 본 제안은 상술한 독립형 LWS의 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은 다음과 같다.
본 연구에서는 LPS의 일환으로 독립형 LWS를 도입하고 3년간 운영하여 경보 통계로 경보 성능을 평가하였다. 선행 연구에 따른 경보 발령과 해제 조건의 수정으로 POD는 0.
6%)의 피해액만이 집계되어 자연 재해로 인한 피해 현황과 정확한 비교가 곤란하다. 인명 피해의 발생 경향을 파악하는 것은 예방 대책의 수립 등에 유용할 수 있으므로 우선하여 장기 누적 피해 현황을 표 2와 같이 조사하였다. 89년간 총 435인의 인명 피해가 발생하여 연평균 약 4.

제안 방법

또한 2014년의 경보 성능을 비교 평가하기 위하여 표 7과 같이 국외 LWS의 POD와 FAR를 조사하고 CSI를 산정하였다.
LWS의 운영 결과는 표 5와 같다. AOC내에 최초 CG 경보(CG in the area of concern: CGAOC), SUC, FA의 횟수로 나타내었으며 경보의 과대 또는 과소 경향의 평가를 위해 편이(bias or frequency bias)를 산정하였다. 편이가 1보다 클 경우 과대 경보 경향이므로 향후 경보 발령을 위한 플래쉬 횟수의 증가 등을 통한 FA의 감소가 요구됨을 알 수 있다.
CG에 인한 피해 현황의 파악을 위해 2010년부터 2014년까지의 자연 재해와 CG 피해 현황을 표 1로 비교하였다[8]. CG로 인한 인명 피해(사망, 부상)와 재산 피해는 자연 재해 대비 각각 15.
POD의 증가를 위하여 사전 경보 단계인 ‘Warning’, ‘High Alert 2’의 플래쉬 종류를 당초 CG에서 IC로 변경하고 경보 발령 및 해제 조건에서 EF의 문턱값을 하향으로 조정하였다.
경보 성능의 평가를 위하여 기상 예보 분류표를 표 6과 같이 경보 분류표로 수정하여 사용하였으며 경보 통계는 그림 2와 같이 POD, FAR 그리고 두가지 평가 요소의 함수이며 1에 가까울수록 완벽한 경보를 의미하는 CSI를 사용하였다. 2014년 최종 경보 성능에서 POD의 증가 원인은 경보 발령을 위한 플래쉬의 종류 변경이며 EF 단독 경보를 사전 경보에서 제외한 것이 FAR의 최대 감소 원인이 되었다.
그 결과로 독립형 LWS의 근본적인 문제점을 확인할 수 있었으며 개선책으로서 유효 선행시간 (lead time: LT) 확보로 유효 경보(effective alerts: EA)의 자동 발령과 해제 그리고 피뢰 대책의 자동 시행이 가능한 ‘새로운 낙뢰 경보 시스템(new lightning warning system: NLWS)’의 개발 방법을 제안하였다.
또한 FTW의 감소를 위하여 ‘High Alert 1’의 경보 해제 시간을 당초 10분에서 30분으로 변경하였다.
본 논문에서는 CG, 운내 방전(intra-cloud discharge: IC) 및 대기 전장(electrostatic field: EF) 관측을 기반으로 하며 고정 2 영역(fixed two areas)의 경보 방법을 사용하는 독립형 LWS를 3년간 운영 하고 경보성공률(probability of detection: POD), 오보율(false alarm ratio: FAR), 임계성공지수(critical success index: CSI) 등의 경보 통계로 경보 성능을 평가하였다. 그 결과로 독립형 LWS의 근본적인 문제점을 확인할 수 있었으며 개선책으로서 유효 선행시간 (lead time: LT) 확보로 유효 경보(effective alerts: EA)의 자동 발령과 해제 그리고 피뢰 대책의 자동 시행이 가능한 ‘새로운 낙뢰 경보 시스템(new lightning warning system: NLWS)’의 개발 방법을 제안하였다.
본 제안의 실시 예에서는 그림 4과 같이 입·출력부, 처리부, 결합부, 판단부를 포함하는 낙뢰 경보 소프트웨어를 제공 할 수 있도록 한다.

데이터처리

운영 중인 LWS의 구성별 사양과 경보 방법은 표 3, 그림 1과 같다[15-17]. CG와 IC는 자계방향탐지(magnetic direction finding: MDF)방식으로 관측되며 탐지율은 MDF와 도달시간(time of arrival: TOA) 방식을 혼합한 미국 뇌관측 네트워크(national lightning detection network: NLDN)와 비교 시험으로 검증되었다[15]. 경보 방법으로 고정 2 영역법을 사용하며 2 영역은 AOC와 WA으로 구분되고 AOC 내 첫 CG가 발생하기 전 WA에서 경보가 발령되면 사전 경보 성공(successful prior warning: SUC), 사전 경보 없이 AOC에 CG가 발생하면 경보 실패(failure to warn: FTW), WA에 사전 경보가 발령되었으나 AOC에 CG가 발생하지 않을 경우 오보(false alarm: FA)로 판정된다.

성능/효과

2) (입력부) 한반도 지도 상에 AOC가 자동 생성되고 기상청의 IC, CG 관측 및 군집화 자료와 뇌우 세포의 속도와 방향 자료가 자동 입력된다.
CG에 인한 피해 현황의 파악을 위해 2010년부터 2014년까지의 자연 재해와 CG 피해 현황을 표 1로 비교하였다[8]. CG로 인한 인명 피해(사망, 부상)와 재산 피해는 자연 재해 대비 각각 15.7%, 3.1%로 집계되어 CG 피해의 심각성과 피해 예방을 위한 능동적인 대책이 필요함을 알 수 있었다. 그러나 CG로 인한 재산 피해의 경우 총 341건 중 94건(27.
2014년 최종 경보 성능에서 POD의 증가 원인은 경보 발령을 위한 플래쉬의 종류 변경이며 EF 단독 경보를 사전 경보에서 제외한 것이 FAR의 최대 감소 원인이 되었다. POD의 증가와 FAR의 감소로 CSI는 당초 0.03에서 0.17로 증가하였으므로 선행된 연구 결과에 기초한 경보 및 해제 조건(표 4)의 수정은 합리적인 것으로 밝혀졌다. 또한 2014년의 경보 성능을 비교 평가하기 위하여 표 7과 같이 국외 LWS의 POD와 FAR를 조사하고 CSI를 산정하였다.
또한 2014년의 경보 성능을 비교 평가하기 위하여 표 7과 같이 국외 LWS의 POD와 FAR를 조사하고 CSI를 산정하였다. 경보 통계로 운영 결과를 제시한 국내 LWS의 부재로 국외 자료를 사용하였으며 조사한 국외 LWS의 경우 국가 낙뢰 관측망 기반의 LWS로 독립형 LWS에 비하여 IC, CG 탐지율이 높고 EF 자료를 사용하지 않아 필연적으로 POD, CSI가 높고 FAR가 낮은 것을 알 수 있다. CSI를 기준하면 2014년의 경보 성능은 최고 기술 수준의 50%에 해당하므로 지속적인 개선이 필요하다[18-20].
본 연구에서 운영된 LWS는 물론 시판되는 국내·외의 모든 LWS는 고정 AOC와 WA 또는 고정 WA와 가변 AOC를 사용하는 고정 2 영역의 경보 방법을 사용하므로 뇌운의 이동 속도 등에 비례하여 LT가 증감된다.

후속연구

그러나 고정 2 영역법 기반의 독립형 LWS은 사용자별 EA 발령이 곤란하여 새로운 LWS의 개발이 필요함을 본 연구를 통하여 알 수 있었다.
미국 기상 솔루션 업체인 WDT(weather decision technology)사의 LPA과 독일 기상 솔루션 업체인 Nowcast사의 LWS에서는 이미 CG 경보에 추가하여 풍수해 경보를 제공하고 있다[27-28]. 그러므로 NLWS의 개발로 사용자별 요구 LT에 충족하는 CG와 풍수해에 대한 자동 사전 경보의 발령과 해제가 가능할 것으로 예상된다.
또한 CG로부터 주요 설비와 재산 보호를 위한 가장 능동적인 피뢰 대책은 사전 경보이다. 따라서 본 제안은 낙뢰로 인한 인명과 재산의 손실 저감에 도움이 될 것으로 예상된다. 무엇보다 사용자별 유효 LT의 확보로 EA의 발령이 가능할 것이므로 국가 중요 시설은 물론 민간에서도 많은 활용이 예상된다.
그러므로 기상 자료의 융합, 가변 2 영역법과 사용자 소프트웨어의 적용으로 가능한 NLWS의 개발을 제안하였다. 제안된 NLWS는 필연적인 POD의 증가와 FAR의 감소 그리고 사용자별 유효 LT의 확보로 EA의 자동 발령과 해제 그리고 피뢰 대책의 자동 시행이 가능하여 CG로 인한 피해를 저감시킬 수 있어 국가 중요시설은 물론 민간에서도 많은 활용이 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CG는 어떤 문제들의 원인이 되고 있는가?	지자기 폭풍(geomagnetic storm)으로 발생하는 지자기 유도전류(geomagnetic induced current)와 40㎞ 이상의 고도에서 핵폭발이 발생한 때 수반되는 전자기 펄스(high-altitude electromagnetic pulse)를 제외 하면 지상에서 가장 위협적인 전기 재해는 낙뢰 (cloud-to-ground strike: CG)이다. CG는 재난 및 안전 관리 기본법 등에 준한 자연 재난․재해로 과도과 전압․전류의 발생과 그로 인한 전기․전자기기 소손, 뇌임펄스 잡음(lightning impluse noise)에 의한 전파 장애(radio frequency interference)뿐만 아니라 화재와 정전 파급 등으로 인한 인명과 재산 손실의 주요한 원인이 되고 있다[1-4].
	CG 예보를 피뢰 대책의 시행을 위한 기준으로 사용할 수 없는 이유는 무엇인가?	그러나 피뢰 대책의 시행을 위한 엄정한 기준으로 사용할 수 없다. CG 초단 기 예보는 예보 검증 결과의 부재로 신뢰성이 확보되어 있지 않으며 1시간의 고정된 LT를 사용하므로 사용자 별 유효 LT의 확보와 EA 발령이 곤란할 수 있다. 또한 CG 문자와 앱 서비스의 경우는 실황 정보의 제공이므로 능동적 피뢰 대책의 일환으로 적용할 수 없다.
	CG 피해 예방을 위한 가장 능동적인 대책으로 국외에서는 어떠한 시스템들이 피뢰 시스템의 일환으로 운용되고 있는가?	CG 피해 예방을 위한 가장 능동적인 대책으로 국외 에서는 낙뢰 예측 알고리즘(lightning prediction algorithm: LPA)과 낙뢰 경보시스템(lightning warning system: LWS)이 피뢰시스템(lightning protection system: LPS)의 일환으로 공항, 광산, 군사 시설, 우주선 발사대, 골프장, 레이더 센터 및 방송 중 계소 등 국가 기반시설과 민간에서 폭넓게 운용되고 있다. 그러나 국내의 경우 경보 성능이 검증된 LPA, LWS의 운영 실적은 매우 적은 실정이다.

참고문헌 (28)

M. A. Uman., "The Art and Science of Lightning protection". Cambridge University Press, New York, pp.134-138. 2008.
R. A. Rakov and M. A. Uman., "Lightning-Physics and Effects", Cambridge University Press, New York, pp.588-654. 2003.
C. J. Andrews, M. A. Cooper, M. Darveniza, and D. Mackerras, "Lightning Injuries: Electrcal, Medical, and Legal Aspects", CRC, Inc., pp.12-19. 2000.
D. S. Kim, B. H. Lee and D. K. Jeon, "Statistics of Casualities and Damage Caused by Lightning Strikes in Korea from 2000 to 2007", J. KIIEE, Vol.23, No.7, pp.14-19, 2009.
Ministry of Public Safety and Security, "Countermeasures against Natural Disasters Act", Act No.12844, 2014.
Ministry of Public Safety and Security, "Framework Act on the Management of Disaster and Safety", Act No.12943, 2014.
Ministry of Public Safety and Security, "Task Status II of the Master Plan on the Management of Disasters and Safety", 2014.
Ministry of Public Safety and Security, "2014 Annals of Disasters", 2015.
Man-Shik Park, "Statistics of Lightning Damages and Lightning Protection Standards in Korea", M.S. Thesis, Inha University, 2005.
The Electrical Engineering & Science Reserch Institute, "Study for Establishing Criterions and Preparing Measures to Help Mitigate Lightning Damage", A Political Study, NEMA, 2009.
Korea University of Technology and Education, "A Political Study for Future Optimal Lightning Detection Network in Korea", A Political Study, KMA, 2010.
M. M. Lengyel, "Lightning Casualties and Their Proximity to Surrounding Cloud-to-ground Lightning". M.S. Thesis. University of Oklahoma, 2004.
R. L. Holle, R. E. Lopez, B. C. Navarro, "Deaths, Injuries, and Damages from Lightning in the United States in the 1890s in Comparison with the 1990s". 2005 American Meteorological Society, pp.1563-1573. Oct., 2005.
R. L. Holle, "Annual Rates of Lightning Fatalities by Country". 20th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, 2008.
User's Guide, "Thunderstorm Sensor Model 928". Vaisala, 2003.
User's Guide, "ALARM v1.1". Vaisala, 2003.
User's Guide, "EFM550". Vaisala, 2003.
Hae-Sup Shim, Bok-Hee Lee, "Construction and Operation Characteristics of the Automated Lightning Warning System Based on Detections of Cloud-to-ground Discharge and Atmospheric Electric Field", J. KIIEE, Vol.28, No.11, pp.58-64, 2013.
J. Montanya, D. Aranguren, N. Pineda, G. Sola, D. Romero, V. March, "Total Lightning, Electrostatic Field and Mmeteorological Radar Applied to Lightning Hazard Warning". 20th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, CD-ROM, 2008.
M. J. Murphy and R. L. Holle, "Warnings of Cloud-to-ground Lightning Hazard Based on Combinations of Lightning Detection and Radar Information". 19th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, CD-ROM, 2006.
J. Inampues, D. Aranguren, H.Torres, J. Montanya, I. Santoyo, E. Olarte, C. Younes., "Analysis of Lightning Forcasts in Colombia Based on the Lightning Detection Network Data". 10th International Symposium on Lightning Protection. Curitiba, Brazil, 2009.
M. J. Murphy and R. L. Holle, N. W. S. Demetriades, "Cloud-to-ground Lightning Warnings Using Electric Field Mill and Lightning Observations". 20th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, 2008.
R. L. Holle, Nicholas W.S. Demetriadws, and Amitabh Nag, "Lightning Warnings with NLDN Cloud and Cloud-to-ground Lightning Data". 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP), Shanghai, China, pp.315-323, 2014.
D. R. MacGorman, I. R. Apostolakopoulos, N. R. Lund, N. W. S. Demetriades, M. J. Murphy, and P. R. Krehbiel, "The Timing of Cloud-to-ground Lightning Relative to Total Lightning Activity", Mon. Wea. Rev., vol. 139, pp. 3871-3886, 2011.

상세보기
ACRP Report 8. "Lightning-Warning Systems for Use by Airports". Airport Cooperative Research Program, Federal Aviation Administration, USA, 2008.
Hae-Sup Shim, "The Development of National Lightning Warning System", 2015 proposal competition, KMA, p. 17, 2015.
http://www.wdtinc.com(WDT Homepage)
http://www.nowcast.de(Nowcast Homepage)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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