속초 GNSS 가강수량을 이용한 라디오존데 센서별 편향 분석 Analysis on Characteristics of Radiosonde Sensors Bias Using Precipitable Water Vapor from Sokcho Global Navigation Satellite System Observatory원문보기
이 연구에서는 2007년에서 2014년까지의 여름철에 대해 속초기상대 라디오존데 관측을 통해 산출된 가강수량과 속초 GNSS 관측소의 가강수량을 비교하였다. 라디오존데 센서 유형별 수증기량 관측 자료가 주야간 및 강수 발생 유무에 따라 어떠한 특성을 가지는지 분석하였다. 두 관측기기의 주간, 야간별 관측 시점에 따른 가강수량 산포도에서는 선행 연구에서 알려진 바와 같이 주간의 라디오존데 관측에서는 건조 편향이 발견되었다. 특히 RSG-20A 센서는 주간, 야간에서 다른 센서에 비해 건조 편향이 크게 나타났다. 또한 전반적으로 GNSS 가강수량이 증가함에 따라 라디오존데 가강수량이 GNSS 가강수량에 대해 과대 추정에서 과소 추정으로 변화하는 경향이 발견되었다. 라디오존데 가강수량의 편향 및 오차에 대한 정량적 분석에서는 2007, 2008년을 제외하고는 센서 종류에 상관없이 여름의 주간에 비해 야간에서 더 작은 평균 편향을 가짐을 확인할 수 있다. 여름철 강수의 유무에 따른 비교에서는 RS92-SGP 센서가 가장 뛰어난 품질의 결과를 보였다.
이 연구에서는 2007년에서 2014년까지의 여름철에 대해 속초기상대 라디오존데 관측을 통해 산출된 가강수량과 속초 GNSS 관측소의 가강수량을 비교하였다. 라디오존데 센서 유형별 수증기량 관측 자료가 주야간 및 강수 발생 유무에 따라 어떠한 특성을 가지는지 분석하였다. 두 관측기기의 주간, 야간별 관측 시점에 따른 가강수량 산포도에서는 선행 연구에서 알려진 바와 같이 주간의 라디오존데 관측에서는 건조 편향이 발견되었다. 특히 RSG-20A 센서는 주간, 야간에서 다른 센서에 비해 건조 편향이 크게 나타났다. 또한 전반적으로 GNSS 가강수량이 증가함에 따라 라디오존데 가강수량이 GNSS 가강수량에 대해 과대 추정에서 과소 추정으로 변화하는 경향이 발견되었다. 라디오존데 가강수량의 편향 및 오차에 대한 정량적 분석에서는 2007, 2008년을 제외하고는 센서 종류에 상관없이 여름의 주간에 비해 야간에서 더 작은 평균 편향을 가짐을 확인할 수 있다. 여름철 강수의 유무에 따른 비교에서는 RS92-SGP 센서가 가장 뛰어난 품질의 결과를 보였다.
In this study, we compared the Precipitable Water Vapor (PWV) data derived from the radiosonde observation at Sokcho observatory and the PWV data at Sokcho Global Navigation Satellite System (GNSS) observatory provided by Korea Astronomy and Space Science Institute, for the summer of 2007~2014, and ...
In this study, we compared the Precipitable Water Vapor (PWV) data derived from the radiosonde observation at Sokcho observatory and the PWV data at Sokcho Global Navigation Satellite System (GNSS) observatory provided by Korea Astronomy and Space Science Institute, for the summer of 2007~2014, and analyzed the radiosonde diurnal and rainfall-dependent bias according to radiosonde sensor types. In the scatter diagram of the daytime and nighttime radiosonde PWV data and GNSS PWV data, dry bias was found in the daytime radiosonde observation as known in the previous study and dry bias of RSG-20A sensor was larger than other sensors. Overall, the tendency that the wet bias of the radiosonde PWV increased as GNSS PWV decreased and the dry bias of the radiosonde PWV increased as GNSS PWV increased. The quantitative analysis of the bias and error of the radiosonde PWV data showed that the mean bias decreased in the nighttime except for 2007, 2008 summer. In comparison for summer according to the presence or absence of rainfall, RS92-SGP sensor showed the highest quality.
In this study, we compared the Precipitable Water Vapor (PWV) data derived from the radiosonde observation at Sokcho observatory and the PWV data at Sokcho Global Navigation Satellite System (GNSS) observatory provided by Korea Astronomy and Space Science Institute, for the summer of 2007~2014, and analyzed the radiosonde diurnal and rainfall-dependent bias according to radiosonde sensor types. In the scatter diagram of the daytime and nighttime radiosonde PWV data and GNSS PWV data, dry bias was found in the daytime radiosonde observation as known in the previous study and dry bias of RSG-20A sensor was larger than other sensors. Overall, the tendency that the wet bias of the radiosonde PWV increased as GNSS PWV decreased and the dry bias of the radiosonde PWV increased as GNSS PWV increased. The quantitative analysis of the bias and error of the radiosonde PWV data showed that the mean bias decreased in the nighttime except for 2007, 2008 summer. In comparison for summer according to the presence or absence of rainfall, RS92-SGP sensor showed the highest quality.
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문제 정의
이 연구에서는 2007년에서 2014년까지의 여름철동안 속초기상대 라디오존데 관측을 통해 산출된 가강수량과 속초 GNSS 관측소의 가강수량을 비교하여 라디오존데의 센서 유형에 따른 편향을 분석하였다. 이를 통해 라디오존데 센서 유형별 수증기량 관측 자료가 주야간 및 강수 발생 유무에 따라 어떠한 특성을 가지는지 조사하였다. 시계열에서 대체적으로 두 관측은 서로 잘 일치하였으며 그 가운데 보이는 급격한 변동은 강수 현상과 관련된 대기 중 가강수량 증감으로 판단된다.
이 연구에서는 속초기상대 라디오존데 관측을 통해 산출된 가강수량과 속초 GNSS 관측소의 가강수량을 비교하여 라디오존데의 센서 유형에 따른 편향을 분석하였다. 이를 통해 라디오존데 센서별 수증기량 관측 자료가 주야간 및 강수 발생 여부에 따라 어떠한 특성을 가지는지 조사하였다. 본문에서는 먼저 관측기기와 연구방법에 대해 소개하고, GNSS와 라디오존데에서 산출된 가강수량을 비교분석한 결과를 제시하였다.
제안 방법
GNSS 관측탑에는 기상센서가 부착되어 있고, 여기서 관측된 기상자료와 GNSS 신호를 이용하여 가강수량을 산출하였다. GNSS 자료 처리는 스위스 베른대학에서 개발한 Bernese 프로그램(Dach et al.
Table 2에 해당되는 기간에 생산된 속초 GNSS 관측소 및 속초기상대 라디오존데 자료를 이용하여 여름철에서 라디오존데 센서 종류에 따른 GNSS와 라디오존데 가강수량의 주야간 및 강수 유무별 차이를 분석하였다. Fig.
이는 구름 및 물방울이 태양 복사에 의한 습도 센서 가열을 감소시키므로 GNSS 가강수량에 대한 라디오존데 가강수량의 변동성을 줄인 것으로 판단된다. 라디오존데 가강수량의 편향 및 오차에 대한 정량적 분석을 수행하기 위해서 GNSS 가강수량과의 평균 편향, RMSE를 계산하였다. 주야간에 따른 분석 결과에서는 2007, 2008년을 제외하고는 센서 종류에 상관없이 여름철 주간에 비해 야간에서 더 작은 평균 편향을 가짐을 확인할 수 있다.
이를 통해 라디오존데 센서별 수증기량 관측 자료가 주야간 및 강수 발생 여부에 따라 어떠한 특성을 가지는지 조사하였다. 본문에서는 먼저 관측기기와 연구방법에 대해 소개하고, GNSS와 라디오존데에서 산출된 가강수량을 비교분석한 결과를 제시하였다.
이 연구에서는 2007년에서 2014년까지의 여름철동안 속초기상대 라디오존데 관측을 통해 산출된 가강수량과 속초 GNSS 관측소의 가강수량을 비교하여 라디오존데의 센서 유형에 따른 편향을 분석하였다. 이를 통해 라디오존데 센서 유형별 수증기량 관측 자료가 주야간 및 강수 발생 유무에 따라 어떠한 특성을 가지는지 조사하였다.
이 연구에서는 속초기상대 라디오존데 관측을 통해 산출된 가강수량과 속초 GNSS 관측소의 가강수량을 비교하여 라디오존데의 센서 유형에 따른 편향을 분석하였다. 이를 통해 라디오존데 센서별 수증기량 관측 자료가 주야간 및 강수 발생 여부에 따라 어떠한 특성을 가지는지 조사하였다.
이 가운데 2012년은 GNSS 관측자료 부족으로 제외하였다(Table 2). 주간, 야간 및 강수 유무에 따른 차이를 분석하기 위해서 라디오존데 관측시각인 0000, 1200 UTC 각각에 대해 산출된 GNSS 가강수량을 라디오존데 가강수량과 비교하였다. 강수 사례 선정을 위해 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)의 센서가 감지한 강수 유무 자료를 이용하였고, 강수현상이 라디오존데 관측정각에서 30분 이상 지속된 경우를 사례로 선정하였다.
주간, 야간별 라디오존데 가강수량과 GNSS 가강수량의 산포도를 이용하여 라디오존데 관측시점에 따른 가강수량 차이를 조사하였다(Fig. 4, 5). 주간과 야간 관측에 대한 회귀선 기울기는 각각 0.
주야간 및 강수 유무에 따른 라디오존데 가강수량 특성을 알아보기 위해 GNSS에서 산출된 가강수량과 비교하였다. 두 기기간 가강수량의 비율을 통해 분석하였고 비교 결과를 라디오존데 센서별로 나타내었다.
주야간 및 강수 유무에 따른 라디오존데 가강수량 특징을 알아보기 위해 GNSS에서 산출된 가강수량을 이용하여 라디오존데 가강수량과의 비교분석을 수행하였다. 주간, 야간에 따른 분석 결과에서는 전반적으로 GNSS 가강수량이 증가함에 따라 라디오존데 가강수량이 GNSS 가강수량에 대해 과대 추정에서 과소 추정으로 변화하는 경향이 발견되었다.
대상 데이터
1. (From left) GNSS station at Sokcho, radiosonde sensor DFM-06, RS92-SGP, RSG-20A and M2K2-DC.
주간, 야간 및 강수 유무에 따른 차이를 분석하기 위해서 라디오존데 관측시각인 0000, 1200 UTC 각각에 대해 산출된 GNSS 가강수량을 라디오존데 가강수량과 비교하였다. 강수 사례 선정을 위해 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)의 센서가 감지한 강수 유무 자료를 이용하였고, 강수현상이 라디오존데 관측정각에서 30분 이상 지속된 경우를 사례로 선정하였다.
이 연구에서는 2007년에서 2014년까지의 여름철(6~8월)동안 속초에서 강수가 30분 이상 지속된 사례를 분석하였다. 이 가운데 2012년은 GNSS 관측자료 부족으로 제외하였다(Table 2).
데이터처리
다음으로 주야간 및 강수 유무에 대한 가강수량 차이(GNSS-라디오존데)의 평균 및 표준편차를 나타내었다(Fig. 8). 상대적으로 다른 계절에 비해 가강수량의 변동성이 큰 여름 기간에서 주간이 야간에 비해 더 큰 표준편차를 보였다.
주야간 및 강수 유무에 따른 라디오존데 가강수량 특성을 알아보기 위해 GNSS에서 산출된 가강수량과 비교하였다. 두 기기간 가강수량의 비율을 통해 분석하였고 비교 결과를 라디오존데 센서별로 나타내었다. 또한 3시그마 규칙(three-sigma rule)을 적용하여 GNSS 가강수량과 라디오존데 가강수량 차이가 표준편차(standard deviation)의 3배를 초과하는 자료는 이상치(outlier) 사례로 간주하여 분석에서 제외시켰다(Lean and Saunders, 2013; Li et al.
이론/모형
GNSS 관측탑에는 기상센서가 부착되어 있고, 여기서 관측된 기상자료와 GNSS 신호를 이용하여 가강수량을 산출하였다. GNSS 자료 처리는 스위스 베른대학에서 개발한 Bernese 프로그램(Dach et al., 2007)을 이용하였다. Bernese는 전리층 및 대류권 모델링, GNSS 망조정계산 등의 다양한 과학기술 연구를 목적으로 개발된 소프트웨어로서 전 세계적으로 광범위하게 사용되고 있다(Kim and Bae, 2015).
속초기 상대의 라디오존데 센서로는 핀란드 Vaisala사의 LORAN-C 방식 RS80 모델이 2007년 4월까지 사용되다가 독일 GRAW사의 DFM-06 모델이 2009년 5월까지 사용되었다. Vaisala사의 RS92-SGP 모델은 2009년 6월 1일 0000 UTC부터 2011년 3월 6일 1200 UTC까지 사용되었고 이후 2013년 4월까지 진양공업의 RSG-20A 모델이 사용되었다. 이어서 프랑스 MODEM사의 M2K2-DC 모델이 2014년 4월까지 사용되다가 이후로는 진양공업의 RSG-20A 모델이 현재까지 사용되고 있다.
성능/효과
주간, 야간별 라디오존데 가강수량과 GNSS 가강수량의 산포도에서는 선행 연구에서 알려진 바와 같이 주간의 라디오존데 관측에서는 건조 편향이 나타났다. RSG20A 센서는 주간, 야간에서 다른 센서에 비해 건조 편향이 크게 나타났으며 M2K2-DC 센서를 사용한 경우에는 주야간에 따른 상관도 변화율이 가장 작았다.
이와 같은 경향은 DFM-06 센서가 가지는 습윤 편향에 기인하는 것으로 판단된다. 강수 유무에 따른 통계 분석에서 RMSE는 비강수시에는 선행 연구의 결과와 유사한 값을 가지지만 강수시의 RMSE는 다소 크게 나타나는데 이는 가강수량의 변동성이 큰 여름철 자료만을 사용하였기 때문인 것으로 판단되며 건기, 우기에 대한 가강수량 비교에서는 RS92-SGP 센서가 가장 작은 RMSE 값을 가짐으로써 여름에 대한 가강수량 측정 정밀도가 우수한 것으로 나타났다.
RS92- SGP 센서를 사용한 2009, 2010년의 우기 사례를 제외하고는 GNSS 가강수량이 증가함에 따라 라디오존데가 강수량이 GNSS 가강수량에 대해 과대 추정에서 과소추정으로 변화하는 모습이 발견되었다. 또한 DFM-06과 RSG-20A 센서를 사용한 기간에는 GNSS 가강수량이 감소할수록 라디오존데 가강수량은 습윤 편향이 강화되었고 GNSS 가강수량이 증가할수록 라디오존데는 건조 편향이 강화되는 경향을 보였다. 특히 건조 편향은 건기보다 우기에 감소하였다(Table 4).
주간, 야간에 따른 분석 결과에서는 전반적으로 GNSS 가강수량이 증가함에 따라 라디오존데 가강수량이 GNSS 가강수량에 대해 과대 추정에서 과소 추정으로 변화하는 경향이 발견되었다. 또한 DFM-06과 RSG20A 센서를 사용한 기간에 대해서, GNSS 가강수량이 감소할수록 라디오존데 가강수량은 습윤 편향이 강화되었고 GNSS 가강수량이 증가할수록 라디오존데는 건조 편향이 강화되는 경향을 보였다. 특히 건조 편향은 건기보다 우기에 감소하였다.
그 중에서도 RSG-20A 센서는 주간, 야간에서 다른 센서에 비해 건조 편향이 상대적으로 컸다. 또한 센서 종류에 상관없이 야간 관측에서 라디오존데 가강수량과 GNSS 가강수량과의 상관도가 주간보다 높았고, M2K2-DC 센서를 사용한 경우의 주야간에 따른 상관도 변화율이 가장 작았다.
8). 상대적으로 다른 계절에 비해 가강수량의 변동성이 큰 여름 기간에서 주간이 야간에 비해 더 큰 표준편차를 보였다. 비강수 및 강수 사례에 대한 오차막대(Error bar)에서는 강수 시에 표준편차가 더 크게 나타났다.
아프리카 모리셔스에서 수행된 라디오존데 비교 관측에서도 DFM-06 센서의 온도, 습도 부정확성이 언급된바 있다(WMO, 2006). 야간에 대해서는 RS92-SGP 센서가 가장 작은 RMSE 값을 가짐으로써 가강수량 측정 정밀도가 우수함을 보여주고 있다.
주야간 및 강수 유무에 따른 라디오존데 가강수량 특징을 알아보기 위해 GNSS에서 산출된 가강수량을 이용하여 라디오존데 가강수량과의 비교분석을 수행하였다. 주간, 야간에 따른 분석 결과에서는 전반적으로 GNSS 가강수량이 증가함에 따라 라디오존데 가강수량이 GNSS 가강수량에 대해 과대 추정에서 과소 추정으로 변화하는 경향이 발견되었다. 또한 DFM-06과 RSG20A 센서를 사용한 기간에 대해서, GNSS 가강수량이 감소할수록 라디오존데 가강수량은 습윤 편향이 강화되었고 GNSS 가강수량이 증가할수록 라디오존데는 건조 편향이 강화되는 경향을 보였다.
주야간에 따른 분석 결과에서는 2007, 2008년을 제외하고는 센서 종류에 상관없이 여름의 주간에 비해 야간에서 더 작은 평균 편향과 RMSE 값을 가짐을 확인할 수 있다. 이와 같은 경향은 DFM-06 센서가 가지는 습윤 편향에 기인하는 것으로 판단된다.
라디오존데 가강수량의 편향 및 오차에 대한 정량적 분석을 수행하기 위해서 GNSS 가강수량과의 평균 편향, RMSE를 계산하였다. 주야간에 따른 분석 결과에서는 2007, 2008년을 제외하고는 센서 종류에 상관없이 여름철 주간에 비해 야간에서 더 작은 평균 편향을 가짐을 확인할 수 있다. 이와 같은 경향은 DFM-06 센서가 가지는 습윤 편향에 기인하는 것으로 판단된다.
후속연구
이 연구에서는 짧은 분석 기간으로 인해 통계적 오차요인이 포함될 수 있으므로 보다 일반적인 논의를 위해서는 장기간의 관측 결과를 통한 분석이 필요하다고 판단된다. 또한 이 연구에서 분석된 관측자료의 경우 동시에 관측된 자료가 아니므로 관측기기 간 상호 비교에 있어서 한층 더 정밀한 분석을 위해서는 향후에 라디오존데 비양시각을 균일하게 조정하는 것을 포함한 비교 관측을 통한 연구가 필요하다. 이와 같은 GNSS 및 라디오존데 가강수량 비교분석은 라디오존데의 수증기 관측 능력 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
습도가 높은 7, 8월에 대해 중국 광둥성 양장 시에서 실시된 라디오존데 비교 관측에서는 RS92-SGP 센서가 가장 큰 점수를 획득하였다(WMO, 2011). 보다 객관적인 결과를 도출하기 위해서는 좀 더 많은 자료를 통한 장기간의 비교연구가 요구된다.
관측시점 및 강수발생에 따른 라디오존데 센서별 편향 분석은 해당 라디오존데 자료를 활용하는데 지침(guidance)을 제공할 수 있다. 이 연구에서는 짧은 분석 기간으로 인해 통계적 오차요인이 포함될 수 있으므로 보다 일반적인 논의를 위해서는 장기간의 관측 결과를 통한 분석이 필요하다고 판단된다. 또한 이 연구에서 분석된 관측자료의 경우 동시에 관측된 자료가 아니므로 관측기기 간 상호 비교에 있어서 한층 더 정밀한 분석을 위해서는 향후에 라디오존데 비양시각을 균일하게 조정하는 것을 포함한 비교 관측을 통한 연구가 필요하다.
또한 이 연구에서 분석된 관측자료의 경우 동시에 관측된 자료가 아니므로 관측기기 간 상호 비교에 있어서 한층 더 정밀한 분석을 위해서는 향후에 라디오존데 비양시각을 균일하게 조정하는 것을 포함한 비교 관측을 통한 연구가 필요하다. 이와 같은 GNSS 및 라디오존데 가강수량 비교분석은 라디오존데의 수증기 관측 능력 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천정방향으로의 GNSS 신호 총 지연량은 무엇으로 구성되는가?
지상에 도달하기 전에 대기를 통과하면서 발생되는 GNSS 신호의 지연량은 조성 기체에 따라 질소, 산소, 이산화탄소 등에 의한 건조지연과 수증기에 의해 발생 되는 습윤 지연으로 분류된다. 천정방향으로의 GNSS 신호 총 지연량(Zenith Total Delay, ZTD)은 건조 공기에 의한 지연량(Zenith Hydrostatic Delay, ZHD)과 수증기에 의한 지연량(Zenith Wet Delay, ZWD)으로 구성된다 (Song et al., 2002; Lim et al.
GNSS를 이용한 기상기술의 장점은 무엇인가?
GNSS를 이용한 기상기술의 장점은 24시간 상시 관측이 가능하고 지상 관측소 설치에 비례하여 조밀한 분포를 가질 수 있으므로 시·공간적 분해능이 높은 자료를 획득할 수 있다는 것과 유지비용이 비교적 적게 소요된다는 점이다. GNSS 가강수량은 GNSS 위성에서 송출된 신호가 지상국에 도달하는 동안 수증기에 의해 굴절되어 지연된 양을 역으로 환산하여 산출되는데 라디오존데나 라디오미터와 대등한 수준의 정밀도를 가진다고 알려져 있다(Bevis et al.
Bernese 프로그램의 개발 목적은 무엇인가?
, 2007)을 이용하였다. Bernese는 전리층 및 대류권 모델링, GNSS 망조정계산 등의 다양한 과학기술 연구를 목적으로 개발된 소프트웨어로서 전 세계적으로 광범위하게 사용되고 있다(Kim and Bae, 2015). 라디오존데 관측이 수행되는 관측소 중에서 속초기상대에는 한국천문연구원이 운용하고 있는 GNSS 상시 관측소가 설치되어 있다.
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