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문제 정의
- 이러한 불확실성이 포함된 자료들이 강수분석에 활용될 경우 주변 격자점을 과대 혹은 과소추정하여 분석자료의 질을저하시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 보간법의 적합성 여부를 확인하기 위하여 기상레이더 지점을 중심으로 반경 50 km에 이상 이격된 범위의 기상레이더 반사도는 강수량 추정에 유용하지 않다고 판단하고 유효반경(maximum unambiguous range)을 50 km로 설정하였으며 유효반경에 포함되는 지상관측소 자료를 추출하여 적합성 평가를 진행하였다.
- 본 논문에서는 서로 다른 보간법을 적용한 조건부 합성결과를 하나의 강수사상에 적용하여 연구결과를 도시하였다. 연구내용을 확장하여 보간법에 따른 격자의 보간계수(interpolation factor)를 미리 산정한다면 미계측 유역을 포함한 전유역 강수 공간분포의 산정이 가능하므로 신속하게 조건부 합성결과를 생산할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 기상레이더 강수자료의 활용성을 개선하기 위하여 기상레이더 강수자료의 오차를 최소화하고 공간적으로 분포된 강수장을 취득하기 위한 방법으로 조건부 합성기법을 활용하였으며, 사용되는 공간 보간법에 따른 기상레이더 강수장의 특징을 평가하였다. 모형의 적합성은 면봉산 기상레이더 및 주변 지상 강수자료를 활용하였으며, 교차검증을 통하여 보간법에 따른 조건부 합성결과를 비교분석 하였다.
- 본 연구의 목적은 기상레이더 반사도-강수강도(이하 Z-R 관계식)를 활용하여 산정되는 기상레이더 강수자료의 과소 추정 문제점을 파악하고 기상레이더 강수자료의 공간분포를 실제 수문해석에 적용하기 위하여 조건부 합성기법을 적용하여 강수의 공간적 해상도를 극대화 시키는데 있다.
제안 방법
- 교차검증의 두 번째 경우로서 본 연구에서는 조건부 합성기법의 활용되지 않은 AWS 강수자료와 보간법에 따른 조건부합성결과의 적합성을 평가하였으며, 일종의 Blind Forecasting 관점에서 모형의 검증을 수행하였다. Fig.
- 내삽지점(R,θ,Φ)에서의 반사도를 구하기 위하여 투영점(R,θ,Φk)와 (R,θ,Φk+1)에서의 추정 값을 이용하여 내삽을 수행한다.
- 변환된 위치에 해당하는 반사도를 추출하기 위하여 주변 4개의 반사도 값을 이용한 내삽을 통하여 각 위치의 반사도 값을 추출하였다.
- 본 연구에서는 층상형 강수에 널리 사용되는 Z = 200R 1.6(Marshall and Palmer, 1948)을 적용하였으며 면봉산 기상레이더로부터 산출된 10분 단위 강수자료를 1시간 단위로 누적하여 지상 강수자료와 조건부 합성하였다.
- UF자료는 정보를 포함하는 Header와 실제 데이터 값을 나타내는 자료가 반복 저장된 이진자료이다. 본연구에서는 면봉산 기상레이더의 UF자료에서 지형에코와 대기잡음을 제거한 보정 후 반사도(corrected reflectivity, CZ)를 활용하여 CAPPI 자료를 생산하였다. CAPPI (Constant Altitude PPI) 자료는 여러 개의 PPI 관측 자료를 입체 격자에 저장하여 일정한 고도(1.
- 따라서 보간법의 적합성 여부를 보다 신뢰성 있게 판단하기 위해서는 보간에 활용되지 않은 지점 결과에 대하여 교차검증(cross-validation)하는 과정을 수행하였다. 첫 번째 교차검증과정으로서, 본 연구에서는 관측반경 50 km에 포함되는 모든ASOS지점을 대상으로 순차적으로 1개 지점씩 누락하여 보간법을 적용하고 최종적으로 조건부 합성된 결과를 평균하여 실제 강수량과 비교하였다.
대상 데이터
- 1). 면봉산 기상레이더는 경상북도 청송군에 위치하고 있는 해발고도 1,113 m 면봉산 정상에 2004년에 개소되어 2004년부터 2005년까지 1년간의 시험운영을 마치고 2005년 1월 1일부터 정식 관측을 실시하였다.
- 기상레이더란 고주파수의 전자파를 안테나를 통하여 대기 중으로 발사하여 대기 중에 존재하는 강수세포, 눈, 우박, 곤충 및 먼지 등의 물체들에 의해 전파가 산란되는 것 중 레이더 방향으로 후방산란 되어 오는 전자파를 수신하여 그 신호를 분석함으로써 물체의 위치 및 종류 등을 판별하는 원격탐측 장비이다. 본 연구에서는 기상청 면봉산 기상레이더 자료를 활용하였다(Table 1 and Fig. 1). 면봉산 기상레이더는 경상북도 청송군에 위치하고 있는 해발고도 1,113 m 면봉산 정상에 2004년에 개소되어 2004년부터 2005년까지 1년간의 시험운영을 마치고 2005년 1월 1일부터 정식 관측을 실시하였다.
- 본 연구에서는 면봉산 기상레이더 강수자료와 지상 강수자료를 조건부 합성하기 위하여 2014년8월18일의 강수사상을 분석대상으로 선정하였다. 우선적으로 지상 강수자료를 공간분포하기 위하여 불규칙하게 분포되어 있는 기상청ASOS 강수자료를 활용하였다.
- 본 연구에서는 면봉산 기상레이더 강수자료와 지상 강수자료를 조건부 합성하기 위하여 2014년8월18일의 강수사상을 분석대상으로 선정하였다. 우선적으로 지상 강수자료를 공간분포하기 위하여 불규칙하게 분포되어 있는 기상청ASOS 강수자료를 활용하였다. Fig.
데이터처리
- 이를 위하여 본 연구에서는 공간적으로 불규칙한 지상 강수자료를 공간 분포 할 수 있는 다양한 보간법을 적용하였으며 교차검증을 통하여 보간법에 따른 조건부 합성결과를 통계적으로 평가분석 하였다.
- 앞서 서술한바와 같이 보간법에 사용된 자료의 경우 참값으로 고려되기 때문에 보간법에 사용된 지점자료를 활용하여보간법의 적합성 여부를 판단하는 것은 적합하지 못하다. 따라서 보간법의 적합성 여부를 보다 신뢰성 있게 판단하기 위해서는 보간에 활용되지 않은 지점 결과에 대하여 교차검증(cross-validation)하는 과정을 수행하였다. 첫 번째 교차검증과정으로서, 본 연구에서는 관측반경 50 km에 포함되는 모든ASOS지점을 대상으로 순차적으로 1개 지점씩 누락하여 보간법을 적용하고 최종적으로 조건부 합성된 결과를 평균하여 실제 강수량과 비교하였다.
- 본 연구에서는 기상레이더 강수자료의 활용성을 개선하기 위하여 기상레이더 강수자료의 오차를 최소화하고 공간적으로 분포된 강수장을 취득하기 위한 방법으로 조건부 합성기법을 활용하였으며, 사용되는 공간 보간법에 따른 기상레이더 강수장의 특징을 평가하였다. 모형의 적합성은 면봉산 기상레이더 및 주변 지상 강수자료를 활용하였으며, 교차검증을 통하여 보간법에 따른 조건부 합성결과를 비교분석 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Kriging 기법, IDW 기법 및 Spline 기법을 사용하여 강수자료를 공간보간 하였다.
- UF자료를 CAPPI자료로 변환하기 위해서 Mohr and Vaughan (1979)의 공일차내삽법(bilinear)을 사용하였다. 기상레이더 위치를 원점으로 설정하고 x 및 y 방향으로 1 km 간격으로 데카르트 좌표(cartesian coordinate)로 정의하면 기상레이더 반경에 포함되는 모든 격자점(x,y,z)의 위치를 Eq.
- IDW 기법의 최대 장점은 적용이 간단하고 연산시간이 짧다는 것이다. 본 연구에서 강수자료를 2차원으로 공간분포하기 위하여 두 점간의 거리를 구하는 알고리즘으로는 유클리디안 거리(euclidean distance)를 적용하였다.
- 본 연구에서는 베리오그램 추정식이 편향되지 않으면서 오차분산을 최소로 하는 Ordinary Kriging (OK) 기법을 적용 하였다.
- 마지막으로 지구통계학에서 공간 보간을 위하여 많이 응용되고 있는 Spline 기법은 Kriging 기법에 비해 매우 효율적으로 빠른 시간에 공간 보간이 가능하며 여러 방법을 결합하여 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 관점에서 본연구에서는 Harmonic Spline 보간법을 활용하였다. 작은 변위들에서 Spline 기법은 가중치가 주어지는 점을 제외하고는 일반적으로 4차 미분계수가 0의 값을 가진다(Sandwell, 1987;Feliciano-Cruz and Ortiz-Rivera, 2012).
성능/효과
- 다수의 연구에서 기상레이더 강수자료를 이용한 유역에서의 유출분석을 수행한 결과 지상 강수자료에 준하는 정확성을 확인하였다.
- 1) 서로 다른 보간법을 적용하여 기상레이더 강수자료와 지상 강수자료를 공간분포 하여 정량적인 강수량 분석을 수행한 결과, 기상레이더 강수자료의 과소추정 문제점을 효과적으로 보완할 수 있었으며 강수장의 공간적 특성을 보다 명확히 판별할 수 있었다. 향후 지상관측소를 추가적으로 고려함과 동시에 고도 및 해안선과 같은 지형적 특성을 고려한다면 보다 정확한 시공간적 강수자료를 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 2) 지상 강수자료와 기상레이더 강수자료를 조건부 합성한 후 보간법에 활용되지 않은 지점에 대하여 교차검증을 수행한 결과 전반적으로 우수한 보간 결과 취득이 가능하였으며, 미계측유역의 시공간적 강수량을 추정하는데 있어서 활용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 앞서 언급된 바와 같이 강수량에 영향을 미치는 바람 및 지형 등의 고려가 요구되며, 특히 조건부 합성시 지상 강수자료의 확충을 통해 보다 신뢰성 있는 고해상도 시공간적 강수자료로서 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 3은 기상레이더 강수자료와 보간법에 따른 조건부 합성결과를 도시한 결과이다. Fig. 2와 비교하여 일반적으로 나타나는 기상레이더 강수의 과소추정의 문제점이 조건부 합성을 통하여 보완되고 있는 것을 확인할 수 있으며 지상 강수자료의 공간분포 결과에 비하여 조건부 합성결과는 강수구역을 보다 세밀하게 구분하는 것을 확인 하였다. 또한, Kriging 기법 및 IDW 기법을 적용한 조건부 합성결과는 내륙지역에서 해양지역에 걸쳐 위치하고 있는 강수구역을 Spline 기법에 비하여 우수하게 반영하고 있는 것을 확인할 수 있다.
- 5에 도시하였다. 기존의 기상레이더 강수자료의 경우 지상 강수자료에 비하여 상당히 과소추정되는 문제점이 확인되지만 조건부 합성기법을 통하여 얻어진 강수자료의 경우 지상 강수자료의 양적특성을 우수하게 재현하고 있는 것을 확인할 수 있다.
- ‘R’은 기상레이더 원자료, ‘K’는 Kriging 기법의 조건부 합성결과이며 ‘I’는 IDW 기법, 마지막으로 ‘S’는 Spline 기법을 의미한다. 기존의 기상레이더 편의오차가 포함된 원시자료(raw data)와의 지상 강수자료와의 상관성은 높게 평가되지만 MAE, RMSE 및 Bias는 수문분석에 직접 사용하기에는 많은 오차가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다. 조건부 합성결과는 전반적으로 상관계수를 포함한 기타 통계적 적합성 평가 결과에서 상당한 개선을 보여주고 있다.
- 2와 비교하여 일반적으로 나타나는 기상레이더 강수의 과소추정의 문제점이 조건부 합성을 통하여 보완되고 있는 것을 확인할 수 있으며 지상 강수자료의 공간분포 결과에 비하여 조건부 합성결과는 강수구역을 보다 세밀하게 구분하는 것을 확인 하였다. 또한, Kriging 기법 및 IDW 기법을 적용한 조건부 합성결과는 내륙지역에서 해양지역에 걸쳐 위치하고 있는 강수구역을 Spline 기법에 비하여 우수하게 반영하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 보간법에 따라 공간분포의 결과가 상이하게 도출되는 사유로 사료된다.
- Kriging기법에 의한 공간분포 결과는 오차분산을 최소로 하는 목적함수를 사용하기 때문에 전반적으로 평활화 효과(smoothing effect)가 나타나고 있으며, IDW 기법에 의한 공간분포 결과는 지상관측소 강수자료를 완전히 참값으로 간주하기 때문에 지상관측소 위치의 공간분포 결과는 뚜렷한 특성을 나타내고 있다. 마지막으로 Spline 기법에 의한 공간분포 결과는 관측 결과가 존재하지 않는 해양지역의 공간분포를 추정하는데 있어 모형의 특성상 발산하는 결과는 나타내고 있지만 기지의 자료가 충분한 내륙지역의 공간분포 결과는 Kriging 기법 및 IDW 기법의 공간분포 결과를 포괄적으로 반영할 수 있는 보간법으로 사료된다.
- 1의 ▼ 지점). 시각적 평가 및 통계적 지표를 기준으로 판단해보면, 보간법에 따른 미소한 차이는 발생하고 있지만 전반적으로 우수한 결과를 확인할 수 있으며 기상레이더 강수자료의 편의보정 방법으로서 적합성을 갖는다고 판단할 수 있다.
후속연구
- 3) 본 연구에서 적용하는 보간법은 연산과정이 간단하여 방재유관기관의 강수자료를 종합적으로 이용하여 실시간 재난관리 및 모니터링 시스템과 연계한다면 고해상도의 조건부 합성 강수자료를 생산할 수 있을 것으로 사료되며해양지역 및 산악지역과 같이 강수자료의 획득이 어려운 유역에서는 Spline 기법을 적용하여 산정된 조건부 합성 강수자료는 수치모형의 입력자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
- 2) 지상 강수자료와 기상레이더 강수자료를 조건부 합성한 후 보간법에 활용되지 않은 지점에 대하여 교차검증을 수행한 결과 전반적으로 우수한 보간 결과 취득이 가능하였으며, 미계측유역의 시공간적 강수량을 추정하는데 있어서 활용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 앞서 언급된 바와 같이 강수량에 영향을 미치는 바람 및 지형 등의 고려가 요구되며, 특히 조건부 합성시 지상 강수자료의 확충을 통해 보다 신뢰성 있는 고해상도 시공간적 강수자료로서 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 논문에서는 서로 다른 보간법을 적용한 조건부 합성결과를 하나의 강수사상에 적용하여 연구결과를 도시하였다. 연구내용을 확장하여 보간법에 따른 격자의 보간계수(interpolation factor)를 미리 산정한다면 미계측 유역을 포함한 전유역 강수 공간분포의 산정이 가능하므로 신속하게 조건부 합성결과를 생산할 수 있을 것으로 사료된다. 이는 초단기강수량 예측을 통한 돌발홍수 대응기술 개발에 직접적으로 활용 가능하여 수공학 분야의 방재기술 향상에 기여할 것으로 판단된다.
- 연구내용을 확장하여 보간법에 따른 격자의 보간계수(interpolation factor)를 미리 산정한다면 미계측 유역을 포함한 전유역 강수 공간분포의 산정이 가능하므로 신속하게 조건부 합성결과를 생산할 수 있을 것으로 사료된다. 이는 초단기강수량 예측을 통한 돌발홍수 대응기술 개발에 직접적으로 활용 가능하여 수공학 분야의 방재기술 향상에 기여할 것으로 판단된다.
- 1) 서로 다른 보간법을 적용하여 기상레이더 강수자료와 지상 강수자료를 공간분포 하여 정량적인 강수량 분석을 수행한 결과, 기상레이더 강수자료의 과소추정 문제점을 효과적으로 보완할 수 있었으며 강수장의 공간적 특성을 보다 명확히 판별할 수 있었다. 향후 지상관측소를 추가적으로 고려함과 동시에 고도 및 해안선과 같은 지형적 특성을 고려한다면 보다 정확한 시공간적 강수자료를 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
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