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문제 정의
- 본 연구에서는 강원지방기상청의 PCL 1300에서 발생하는 이상 에코의 원인을 분석하였고, 원인 분석을 바탕으로 PCL 1300의 정확도를 개선하였다. PCL 1300은 서쪽과 남쪽의 복잡한 산악지형으로 인하여 지리적으로 지형에코가 발생하기 쉬운 곳에 위치한다.
제안 방법
- 강원지방기상청의 동쪽과 북쪽은 반경 5 km 이내에 해발 30 m 이하의 평탄한 지형으로 이루어져있고, 동쪽으로 반경 5 km 밖으로는 해안이다. 본 연구에서는 강원지방기상청의 UHF WPR의 도플러 스펙트럼을 분석하여 지형에코를 확인하였고, DC 성분 제거 방법을 적용하여 지형에코를 제거하였다. 지형에코 제거 전과 후의 WPR의 바람벡터 오차는 라디오존데(Radio Sonde, RS)의 관측 자료를 기준으로 통계적으로 검증되었고, 지형에코 제거에 따른 개선 효과를 정략적으로 제시하였다.
- 이와 같은 근거로 DC 성분을 제거하여 PCL 1300의 정확도를 개선하였다. 특히 DC 성분을 제거한 후에 뚜렷하게 나타나는 대기 신호는 DC 성분이 지형에코임을 확인하였다.
- 우선 DC 라인 주변에서 지형에코에 해당되는 몇 개의 FFT 분석점을 결정한다. 전통적인 방법에서는 일반적으로 5개 이하의 FFT 분석점을 이용하며, 본 연구에서는 5개의 분석점을 이용하였다. PCL 1300은 연직빔과 4개의 경사빔으로 구성되는데, 결정된 FFT 분석점에 기록된 속도 성분의 값은 빔별로 제거된다.
- 본 연구에서는 강원지방기상청의 UHF WPR의 도플러 스펙트럼을 분석하여 지형에코를 확인하였고, DC 성분 제거 방법을 적용하여 지형에코를 제거하였다. 지형에코 제거 전과 후의 WPR의 바람벡터 오차는 라디오존데(Radio Sonde, RS)의 관측 자료를 기준으로 통계적으로 검증되었고, 지형에코 제거에 따른 개선 효과를 정략적으로 제시하였다.
- 지형에코가 제거된 도플러 스펙트럼을 통해서 Fig. 7과 같이 U, V, 풍속, 그리고 풍향을 산출하였고, RS의 바람벡터와 비교하였다. UDC의 고도에서 과소 추정되었던 PCL 1300의 U, V는 지형에코의 제거로 인하여 뚜렷하게 개선되었다.
- 특정 사례를 통해 검증된 지형에코 제거를 이용한 개선 과정으로부터 RS 비양 시점을 기준으로 PCL 1300에 지형에코가 나타났던 사례를 Table 5와 같이 선별하였고, PCL 1300의 개선 전과 후의 풍속에 대한 RMSE를 통해서 지형에코 제거에 따른 개선 효과를 제시하였다. 지형에코로 인하여 최대 8.
대상 데이터
- PCL 1300의 바람벡터 정확도 개선을 위하여 관측 해상도가 높은 저층 관측 방식의 자료를 이용하였고, 고층 관측 방식의 자료는 PCL 1300의 지형클러터 영향을 검증하기 위해 활용되었다. 10분 간격으로 수집되는 PCL1300 자료의 비교 및 검증을 위하여 Table 2와 같이 강원지방기상청에서 RS를 27회 비양하였다. RS 자료는 6월 17일부터 19일까지 2시간 간격으로 18회 수집되었고 7월 10일부터 11일까지 3시간 간격으로 9회 수집되었다.
- PCL 1300의 바람벡터 정확도 개선을 위하여 관측 해상도가 높은 저층 관측 방식의 자료를 이용하였고, 고층 관측 방식의 자료는 PCL 1300의 지형클러터 영향을 검증하기 위해 활용되었다. 10분 간격으로 수집되는 PCL1300 자료의 비교 및 검증을 위하여 Table 2와 같이 강원지방기상청에서 RS를 27회 비양하였다.
- 10분 간격으로 수집되는 PCL1300 자료의 비교 및 검증을 위하여 Table 2와 같이 강원지방기상청에서 RS를 27회 비양하였다. RS 자료는 6월 17일부터 19일까지 2시간 간격으로 18회 수집되었고 7월 10일부터 11일까지 3시간 간격으로 9회 수집되었다. RS는 독일 GRAW사의 DFM-06 모델을 사용하였고(Table 3), GRAW사에서 개발한 GRAWMET 소프트웨어에서 처리된 자료를 이용하였다.
- RS 자료는 6월 17일부터 19일까지 2시간 간격으로 18회 수집되었고 7월 10일부터 11일까지 3시간 간격으로 9회 수집되었다. RS는 독일 GRAW사의 DFM-06 모델을 사용하였고(Table 3), GRAW사에서 개발한 GRAWMET 소프트웨어에서 처리된 자료를 이용하였다.
- 이러한 특징에 의해서 저층 관측 방식은 관측해상도가 높고 유효관측고도가 낮으며, 고층 관측 방식은 관측해상도가 낮고 유효관측고도가 높다. Table 1과 같이 PCL 1300은 총 71개 고도의 바람벡터를 수집하며, 저층 관측 방식의 관측해상도와 유효관측고도는 각각 72 m, 9700 m이고 고층 관측 방식은 각각 164 m, 15000 m이다.
- 본 연구에서는 강원지방기상청에 설치된 프랑스 Degreane사의 UHF WPR(PCL 1300)의 관측 자료를 이용하였다. PCL 1300은 저층 관측 방식(low mode)과 고층 관측 방식(high mode)으로 관측한다.
- 지형에코의 DC 성분 제거 방법은 Fig. 2와 같이 PCL 1300의 도플러 스펙트럼 자료를 이용한다. 우선 DC 라인 주변에서 지형에코에 해당되는 몇 개의 FFT 분석점을 결정한다.
성능/효과
- 8에서는 Table 5의 사례를 통합하여 PCL 1300의 RMSE를 고도별로 산출하였다. 1 km 이하의 하층은 지형에코가 발생했음에도 불구하고 약한 풍속에 의해 개선 전과 후의 풍속 차이가 1 m s-1 미만이고 도플러 스펙트럼에서 지형에코 외에 대기 신호도 뚜렷하게 수신되어서 PCL 1300의 개선효과가 크지 않았던 반면에 고도 3 km 이상의 상층에서는 지형에코에 대한 개선 효과가 뚜렷하였다. 지형에코에 의해 12 m s-1까지 발생하였던 풍속의 오차는 지형에코의 제거에 의해 2 m s-1 미만으로 감소하였다.
- 9(b)). PCL 1300의 U는 69.4% 개선되었고, RS와의 상관성은 0.62에서 0.98로 향상되었다. PCL 1300의 U는 풍속과 유사한 특징을 보였다.
- 지형에코 제거를 통해서 U에 대한 PCL 1300의 과소 추정은 뚜렷하게 개선되었다. PCL 1300의 V는 32.2% 개선되었고, RS와의 상관성은 0.85에서 0.94로 향상되었다. PCL 1300의 V는 U에 비하여 벡터의 크기가 작아서 개선 효과는 낮았다.
- Table 5의 전체 사례를 통해서 최종적으로 PCL 1300의 바람벡터에 대한 오차 개선 효과를 Table 6에서 제시하였다. PCL 1300의 풍속은 68.4% 개선되었고, RS 풍속과의 상관성은 0.58에서 0.97로 향상되었다. Fig.
- 가장 큰 특징은 UDC와 LDC가 모든 빔에서 제거됨으로써 2차 지형에코에 의해 묻혀있던 대기 신호가 뚜렷하게 나타난 것이다. UDC와 LDC를 제거하기 전에 나타났던 마주보는 경사빔 간의 도플러 스펙트럼의 비대칭성은 사라지고 고도별로 대칭성이 뚜렷하게 나타났다. DC 성분을 제거한 후에 뚜렷하게 나타나는 대기 신호는 UDC와 LDC가 지형에코임을 증명하는 가장 확실한 근거이다.
- 6 m s-1로 감소하였다. 개선 효과가 가장 크게 나타났던 사례는 사례 2였으며, 86.6%의 오차 개선 효과를 보였다. 지형에코로 인한 WPR의 풍속 오차는 실제 풍속에 비례하기 때문에 지형 에코에 대한 정확한 오차 개선이 이루어진다면 WPR 풍속에 대한 개선 효과는 상층이 하층보다 크다.
- 본 연구 결과를 통해서 강원지방기상청의 PCL 1300의 하드웨어 관측 정확도는 오차 약 2.0 m s-1 미만으로 높은 것으로 판단된다. 개선 전에 발생한 약 6.
- 펄스폭이 길수록 관측해상도는 낮아지고, PRF가 작을수록 유효관측고도는 높아진다. 이러한 특징에 의해서 저층 관측 방식은 관측해상도가 높고 유효관측고도가 낮으며, 고층 관측 방식은 관측해상도가 낮고 유효관측고도가 높다. Table 1과 같이 PCL 1300은 총 71개 고도의 바람벡터를 수집하며, 저층 관측 방식의 관측해상도와 유효관측고도는 각각 72 m, 9700 m이고 고층 관측 방식은 각각 164 m, 15000 m이다.
- 이와 같은 특징에 의해 PCL 1300의 오차 개선 효과는 Fig. 8과 같이 지형에코가 상층의 넓은 고도에서 뚜렷하게 발생할수록 크게 나타났다. Fig.
- 지형에코로 인한 WPR의 풍속 오차는 실제 풍속에 비례하기 때문에 지형에코에 대한 정확한 오차 개선이 이루어진다면 WPR 풍속에 대한 개선 효과는 상층이 하층보다 컸다. 이와 같은 특징에 의해 PCL 1300의 오차 개선 효과는 지형에코가 상층의 넓은 고도에서 뚜렷하게 발생할수록 크게 나타났다. 1 km 이하의 하층은 지형에코가 발생했음에도 불구하고 약한 풍속에 의해 PCL 1300의 개선효과가 크지 않았던 반면에 고도 3 km 이상의 상층에서는 지형에코에 대한 개선 효과가 뚜렷하였다.
- DC 성분은 저층 관측 방식의 유효 관측 고도 밖에 존재하는 해발 600 ~ 1000 m 이내의 산악지형에 의해 발생한 것으로 판단할 수 있으며, 전파거리 접힘의 특성에 의해 반경 약 10 ~ 15 km 이내에서 발생한 2차 지형에코에 의한 신호로 판단된다. 즉, 저층 관측 방식과 고층 관측 방식에서 발생하는 DC 성분의 유무와 RS를 기준으로 산출된 바람벡터의 연직 분포 차이는 시선속도 0 m s-1 부근의 첨두가 지형에코임을 증명하는 두 번째 근거임과 동시에 전파고도 접힘 현상에 의한 2차 지형에코의 근거가 되었다.
- PCL 1300의 풍속은 개선 전에 15 m s-1 미만에서 RS의 풍속과 선형적인 분포를 보였지만 15 ~ 25 m s-1의 풍속에서는 지형에코에 의해 과소 추정되었다. 지형에코 제거를 통해 PCL 1300의 풍속은 과소 추정이 개선되면서 RS의 풍속과 일치하게 되었고, PCL 1300의 바람벡터에 대한 오차는 약 2.0 m s-1 미만으로 줄었다. 최종적으로 PCL 1300의 풍속은 68.
- 특정 사례를 통해 검증된 지형에코 제거를 이용한 개선 과정으로부터 RS 비양 시점을 기준으로 PCL 1300에 지형에코가 나타났던 사례를 Table 5와 같이 선별하였고, PCL 1300의 개선 전과 후의 풍속에 대한 RMSE를 통해서 지형에코 제거에 따른 개선 효과를 제시하였다. 지형에코로 인하여 최대 8.3 m s-1까지 오차가 발생하였고, 개선 후에는 최대 오차가 2.6 m s-1로 감소하였다. 개선 효과가 가장 크게 나타났던 사례는 사례 2였으며, 86.
- 0 m s-1 미만으로 줄었다. 최종적으로 PCL 1300의 풍속은 68.4% 개선되었고, PCL 1300의 U, V는 각각 69.4%, 32.2% 개선되었다.
- 이와 같은 근거로 DC 성분을 제거하여 PCL 1300의 정확도를 개선하였다. 특히 DC 성분을 제거한 후에 뚜렷하게 나타나는 대기 신호는 DC 성분이 지형에코임을 확인하였다. 지형에코로 인한 WPR의 풍속 오차는 실제 풍속에 비례하기 때문에 지형에코에 대한 정확한 오차 개선이 이루어진다면 WPR 풍속에 대한 개선 효과는 상층이 하층보다 컸다.
- 펄스폭과 PRF는 WPR의 공간적 관측해상도와 유효관측고도에 영향을 준다. 펄스폭이 길수록 관측해상도는 낮아지고, PRF가 작을수록 유효관측고도는 높아진다. 이러한 특징에 의해서 저층 관측 방식은 관측해상도가 높고 유효관측고도가 낮으며, 고층 관측 방식은 관측해상도가 낮고 유효관측고도가 높다.
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