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문제 정의
- 기상 레이더 관측망의 사각 지역을 보완하고 강우 관측의 시공간 해상도를 향상시키기 위해서 X밴드 선박용 레이더 시스템을 활용한 지상 강우 관측 기술을 제시하였다. 선박용 레이더의 신호는 ADC를 통해서 디지털 반사 신호로 변환되었다.
- 본 연구에서는 강우 현상에 대한 X밴드 선박용 레이더의 신호를 처리하여 생성한 강우 정보의 정확도를 검증함과 동시에 우리나라의 지형적 특성과 장비에 따른 강우 관측의 한계를 극복할 수 있는 강우 관측 시스템을 제시한다.
제안 방법
- 선박용 레이더와 우량계로 추정된 강우를 비교하기 위해 극좌표계로 표출되는 레이더의 반사도를 XY 격자 해상도 100 m와 격자수 401 × 401개의 2차원 반사도로 변환하였고, 레이더 반경 내 우량계의 위도와 경도를 직교 좌표(Cartesian coordinates)로 변환하였다. AWS 세 지점(No. 159, No. 919, No. 968)에서 강우가 뚜렷하게 기록된 사례에서 우량계를 통해서 선박용 레이더의 QPE 및 검증을 수행하였다. 관측기간의 AWS 우량계와 그 지점에 대응하는 선박용 레이더의 반사도를 통해서 선형성을 확인할 수 있었고, 상관계수 R2의 값은 0.
- 본 연구에서는 선박용 레이더를 이용하여 2016년 1월 17일 16시부터 19시까지 단기 강수 사례에 대한 관측을 수행하였다. 부경대학교 용당 캠퍼스에서 선박용 레이더 관측 시스템의 시범운용을 실시하였고, 운용 결과의 검증을 위하여 그림 5와 같이 관측 반경 내에서 운용 중인 13대의 AWS(: Automatic Weather Station) 자료를 사용하였다.
- 선박용 레이더와 우량계로 추정된 강우를 비교하기 위해 극좌표계로 표출되는 레이더의 반사도를 XY 격자 해상도 100 m와 격자수 401 × 401개의 2차원 반사도로 변환하였고, 레이더 반경 내 우량계의 위도와 경도를 직교 좌표(Cartesian coordinates)로 변환하였다.
- 이러한 문제에 대해 지형 클러터 제거 기술을 사용하여 변환된 신호의 포화 된 반사도 영역을 제거하였고, 신호 보정 기술을 통해 거리에 따른 빔의 감쇠와 부피 변화에 의해 발생하는 관측 오류 문제를 해결하였다. 선박용 레이더의 QPE를 검증하기 위해서 단기 강우 사례에 대하여 선박용 레이더의 관측을 실시하였다. 관측 기간에 AWS 우량계의 강우량은 선박용 레이더의 반사도와 선형성을 보였고, 5 mm hr-1 이상의 강우에 대하여 기상 레이더와 선박용 레이더의 강우 분포는 일치하였다.
- 모니터는 레이더의 Range, Pulse length, Target 및 Heading 라인 등을 표시한다. 안테나와 모니터 간에 전송되는 신호는 모두 +12 V, 0 V 레벨로 On-off 신호이기 때문에 전압분배로 TTL 레벨로 만든 다음 IC 회로(7414 LOGIC)를 거쳐 On-off 상태를 나타내도록 설계하였다. Video 신호는 반사 정도에 따라 -6 ∼ 0 V 레벨로 스윙하기 때문에 연산 증폭기(OP AMP)를 사용하여 상을 반전시킨 다음 그 전압레벨에 따라 양자화된 디지털 반사 정보로 변환시켰다.
- ADC는 신호 전송에 영향을 주지 않으면서 Head, Bearing, Trigger 그리고 Video 신호를 인식할 수 있다[7]. 이러한 레이더 신호를 서로 연결 처리하여 신호 손실 가능성을 방지하고, 40 MHz의 ADC 샘플링 주파수와 12 bit의 디지털 신호 해상도를 사용하여 정밀도와 정확도를 극대화하였다(표 1 참조).
- 기상 레이더와 달리 선박용 레이더는 ±10° 이상의 단일 고도각으로 넓게 빔을 방사하여 스캔하기 때문에 지면으로부터 반사된 지형 신호가 수신되고, 거리에 따라 빔이 감쇠하거나 부피가 증가하는 문제가 있다. 이러한 문제에 대해 지형 클러터 제거 기술을 사용하여 변환된 신호의 포화 된 반사도 영역을 제거하였고, 신호 보정 기술을 통해 거리에 따른 빔의 감쇠와 부피 변화에 의해 발생하는 관측 오류 문제를 해결하였다. 선박용 레이더의 QPE를 검증하기 위해서 단기 강우 사례에 대하여 선박용 레이더의 관측을 실시하였다.
- 지형클러터 위에 강수가 발생할 경우, 그림 2와 같이 지형클러터와 강수의 신호가 더해져 더욱 강한 신호가 발생한다. 이러한 원리를 이용하여 지형클러터 지도를 통해서 강수 신호만을 추출하였다.
- 청천 대기에서 레이더 스캔 라인에 대하여 시공간적으로 지속적인 강도를 나타내는 신호를 제거하기 위해서 2차원 지형클러터 지도를 작성하였다. 지형클러터 위에 강수가 발생할 경우, 그림 2와 같이 지형클러터와 강수의 신호가 더해져 더욱 강한 신호가 발생한다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 선박용 레이더를 이용하여 2016년 1월 17일 16시부터 19시까지 단기 강수 사례에 대한 관측을 수행하였다. 부경대학교 용당 캠퍼스에서 선박용 레이더 관측 시스템의 시범운용을 실시하였고, 운용 결과의 검증을 위하여 그림 5와 같이 관측 반경 내에서 운용 중인 13대의 AWS(: Automatic Weather Station) 자료를 사용하였다. 시범운용 지점은 레이더 방위각 340° ∼ 360° 사이에 300 m 이상의 산악 지형이 위치하는 것 외에는 300 m 미만의 낮은 지형으로 둘러싸여 있고, 부산 중심에 위치하기 때문에 부산에서 발생하는 대부분의 강수를 관측할 수 있으며, 서쪽과 남쪽으로 유입되는 강수를 관측하는 것도 가능하다.
이론/모형
- 그림 4와 같이 디지털 신호로 변환된 선박용 레이더 관측 자료는 우량계 강우량과 선형적인 관계를 보인다. 두 자료의 선형 관계를 통해 우량계 강우량과 대응하는 레이더 픽셀의 신호에 대한 비율을 산출하기 위해 QPE(: Quantitative Precipitation Estimation)에 대한 변환 계수를 의미하는 식 (3)을 사용하였다. 범위 n은 강우 사상의 시작과 끝나는 기간 동안의 관측 자료 개수이다.
- 선박용 레이더에서 안테나와 모니터 사이에 수신되는 반사 또는 산란 신호를 강수 신호로 처리하기 위해 ADC(: Analog to Digital Converter)를 사용하였다. ADC는 신호 전송에 영향을 주지 않으면서 Head, Bearing, Trigger 그리고 Video 신호를 인식할 수 있다[7].
성능/효과
- 고도각 0° 이하의 빔을 차단하기 위해 레이더 주위로 클러터 펜스를 설치하여 청천 사례에 대하여 클러터 펜스로 지형클러터를 제거하기 전과 후의 결과를 비교하였을 때, 그림 1과 같이 지형클러터로 인하여 포화되었던 레이더 반사도 영역이 52% 감소하였다.
- 관측 기간에 AWS 우량계의 강우량은 선박용 레이더의 반사도와 선형성을 보였고, 5 mm hr-1 이상의 강우에 대하여 기상 레이더와 선박용 레이더의 강우 분포는 일치하였다.
- 그림 9. 기상 레이더와 선박용 레이더로 관측한 강우 분포 비교이며, 선박용 레이더 관측 결과의 시공간 해상도가 높다
- 선박용 레이더는 단일 고도각 스캔 방식과 단일편파 빔을 통해서 지형 및 선박 등을 탐지한다. 선박용 레이더를 통하여 X밴드 전파를 활용한 강우 관측 시스템을 구축 할 수 있고, 비용을 절감할 수 있는 경제적인 측면과 하드웨어 규모를 고려할 때 설치 및 운용이 매우 효율적이다.
- 운용 지점의 빔 차폐율 검사 결과, 300 m 이상의 지형에 의해 레이더 방위각 340° ∼ 360° 사이의 영역에서 50% 정도의 빔 차폐율을 보였으나 전반적으로 30% 미만으로 낮게 나타났다.
후속연구
- 선박용 레이더는 지상의 시공간적 고해상도 강우 분포 정보를 생성함으로써 기상 레이더의 자료를 검정하고 보정하는 데 활용될 수 있고, 지상 강우 관측 가능성을 제시함으로써 향후 기상용 X밴드 레이더 관측망 구축의 기초 자료로 활용될 수 있다. X밴드 선박용 레이더의 활용은 산간 및 도심 지역의 국지성 집중 호우의 피해 예방에 활용될 뿐 아니라 선박용 레이더를 활용한 기상 장비의 발전에 기여할 것이다. 아직 약한 강우 분포에 대한 감지 능력이 낮으나, ADC의 offset과 gain 조절을 통해서 감지 능력은 향상될 수 있다.
- 선박용 레이더는 지상의 시공간적 고해상도 강우 분포 정보를 생성함으로써 기상 레이더의 자료를 검정하고 보정하는 데 활용될 수 있고, 지상 강우 관측 가능성을 제시함으로써 향후 기상용 X밴드 레이더 관측망 구축의 기초 자료로 활용될 수 있다. X밴드 선박용 레이더의 활용은 산간 및 도심 지역의 국지성 집중 호우의 피해 예방에 활용될 뿐 아니라 선박용 레이더를 활용한 기상 장비의 발전에 기여할 것이다.
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