[논문]구름레이더를 이용한 대기 공기의 연직속도 추정연구

정은실

doi:10.14191/atmos.2019.29.1.105

[국내논문] 구름레이더를 이용한 대기 공기의 연직속도 추정연구
Study on the Retrieval of Vertical Air Motion from the Surface-Based and Airborne Cloud Radar 원문보기

대기 = Atmosphere, v.29 no.1, 2019년, pp.105 - 112

초록
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대기 중에 지름이 약 1.68 mm 이상인 물방울이 존재하는 경우, 연직방향으로 주사하는 구름레이더에서 미(Mie) 기법을 사용하여 공기의 연직속도를 구할 수 있다. 이 리뷰논문에서는 강수가 있는 작은 적운 구름에서 구름레이더를 사용하여 공기의 연직속도를 구할 수 있는 방법을 정리하였다. 공기의 연직속도는 첫 번째 미(Mie) 최소치가 이론적으로 가지는 낙하속도와 스펙트럼상에서 첫 번째 미(Mie) 최소치가 실제로 관측된 시선속도와의 차이로 추정할 수 있다. 구름레이더가 항공기에 탑재된 경우에는, 항공기의 운동 및 자세각이, 관측된 도플러속도의 연직성분에 영향을 미치므로 이 항들을 보정하여 공기의 연직속도를 구할 수 있다. 항공용 도플러 레이더의 경우, 미(Mie)기법으로 구한 공기의 연직속도는 구름입자로부터 직접 후방산란 되어 관측된 연직속도 및 항공기 운항시스템으로부터 구한 연직속도와 잘 일치하는 결과를 보여주었다. 구름 레이더로부터 미(Mie) 산란 특징을 이용하여 연직속도를 추정하는 이 기술은 강수 및 비강수 구름시스템에서의 연직속도장 매핑(mapping)에 응용할 수 있다. 또한 여러 고도에서의 항공기 관측을 통하여, 연직속도의 총체적인 구조뿐 만 아니라 폭풍우의 성장, 발달, 소멸 주기(life cycle)를 재구성할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Measurements of vertical air motion and microphysics are essential for improving our understanding of convective clouds. In this paper, the author reviews the current research on the retrieval of vertical air motions using the cloud radar. At radar wavelengths of 3 mm (W-band radar; 94-GHz radar; cloud radar), the raindrop backscattering cross-section (${\sigma}b$) varies between successive maxima and minima as a function of the raindrop diameter (D) that are well described by Mie theory. The first Mie minimum in the backscattering cross-section occurs at D~1.68 mm, which translates to a raindrop terminal fall velocity of ${\sim}5.85m\;s^{-1}$ based on the Gunn and Kinzer relationship. Since raindrop diameters often exceed this size, the signal is captured in the radar Doppler spectrum, and thus, the location of the first Mie minimum can be used as a reference for retrieving the vertical air motion. The Mie technique is applied to radar Doppler spectra from the surface-based and airborne, upward pointing W-band radars. The contributions of aircraft motion to the vertical air motion are also described and further the first-order aircraft motion corrected equation is presented. The review also shows that the separate spectral peaks due to the cloud droplets can provide independent validation of the Mie technique retrieved vertical air motion using the cloud droplets as a tracer of vertical air motion.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Terminal Fall speed as a function of drop size(equivalent spherical diameter) (from Gunn and Kinzer,1949)
그림 Fig. 1. Normalized backscattering cross-section as a function of raindrop’s (a) diameter and (b) terminal speed for oblate spheroids at 94 GHz and vertical incident (modified Fig. 2 of Fang et al., 2017).
그림 Fig. 2. An example of Doppler spectrum. Locations of the theoretical and observed 1^st Mie minimum, shown as V_{f, 1} and V_{D, P}, respectively (modified Fig. 8b of Kollias et al., 2007).
그림 Fig. 3. Axes related to the aircraft rotations (modified Fig. 3 of Fang et al., 2017).
그림 Fig. 4. A time series of correction terms at 228 m ARL (above radar level) related to aircraft motion (black), horizontal wind speed (red), and apparent rotational velocity (blue) for data obtained on 5 Apr 2010 over Barbados (modified Fig. 4 of Fang et al., 2017).
그림 Fig. 5. A time-height cross-section of (a) radar reflectivity and (b) motion corrected Doppler velocity (+: upward) in the precipitating cloud on 5 April 2010 during BACEX from 16.28 (16:16:48) to 16.31 (16:18:36) UTC. The reported height is above the Airborne Radar Level (ARL). Zero height corresponds to 768 m above sea level. Dashed line indicates a specific time for the Doppler spectra in Fig. 5c. (c) Doppler power spectra observed on 16:17:45 UTC 5 April 2010, which is denoted as a dashed line in Figs. 5a, b. The vertical lines in (c) correspond to the V_{f, 1} and V_{D, P}. (d) Vertical profiles of peaks and valleys of motion corrected Doppler spectra, corresponding to Fig. 5c. Red (magenta) circles and blue crosses indicate 1^st (2^nd) maximum and 1^st minimum location in the Doppler spectra due to the Mie oscillation. Blue asterisks represent peaks due to the cloud droplets. (e) Vertical air motions with height, retrieved from the Mie technique (circles) and obtained from the Doppler velocity of cloud droplets (asterisks) on 16:17:45 on 5 April 2010, denoted as dashed line in Figs. 5a, b.

AI 본문요약
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문제 정의

, 2010). 이 리뷰 논문에서는 지상 및 항공용 W-밴드 레이더에서 공기의 연직속도를 구하는 방법에 대하여 기술한다. 특히, 연직속도를 구하는 기본 원리에 대해서는 Lhermitte(1988)와 Kollias et al.
68 mm 이상인 물방울이 존재하는 경우, 연직방향으로 주사하는 구름레이더에서 미(Mie) 기법을 사용하여 공기의 연직속도를 구할 수 있다. 이 리뷰논문에서는 강수가 있는 작은 적운 구름에서 구름레이더를 사용하여 공기의 연직속도를 구할 수 있는 방법을 정리하였다. 공기의 연직속도는 첫 번째 미(Mie) 최소치가 이론적으로 가지는 낙하속도와 스펙트럼상에서 첫 번째 미(Mie) 최소치가 실제로 관측된 시선속도와의 차이로 추정할 수 있다.

가설 설정

구름레이더로부터 Mie 기법을 이용하여 공기의 연직속도를 추정할 때, 빗방울이 구형이라고 가정하였다. 빗방울이 편평한 회전 타원체인 경우, T-매트릭스를 사용하면 첫 번째 Mie 최소치 위치는 약 1.
항공용 레이더에서, 전자기파를 방출하고 수신하는 레이더 안테나가 X축을 따라 정확하게 정렬되어 있고 레이더 빔이 항공기 좌표에서 X-Y 평면에 정확히 수직이라고 가정한다. 그러나 이러한 가정이 반드시 유효하지 않을 수 있다.

대상 데이터

아프리카 대륙에서 대서양 지역으로 주기적으로 수 송되는 에어로졸(먼지)이 무역풍 지역에서 발생하는 구름에 미치는 영향을 조사하기 위하여 2010년 3월 16일에서 4월 15일 사이에 바베이도스 에어로졸-구름 관측 캠페인(BACEX)이 실시되었다. 관측을 위한 주 요 플랫폼은 Twin Otter (TO) 연구용 기상항공기로써, 이 연구용 항공기에는 온도, 습도, 가 강수량 등과 같 은 기본 기상요소를 관측할 수 있는 각종 센서와 구 름 미세물리과정을 관측할 수 있는 구름레이더, 그리 고 에어로졸 입자크기에서 강수입자크기까지 관측할 수 있는 각종 관측장비(probe)들이 탑재되어 있었다.
비교에 사용된 사례는 2011년 5월 7일 미국 플로리다 주 키 웨스트 해상에서 관측된 얇은 해양성 적운이었으며, 비교결과 레이더로부터 구한 연직속도는1.3 ± 0.5 m s−1이었으며, 항공기 운항시스템으로부터 구한 연직속도는 0.6 ± 0.6 m s−1로, Mie 기법으로부터 추정한 연직속도가 0.5~1 m s−1 강하게 나타났다.

이론/모형

관측된 연직속도 성분에 가장 큰 오차를 제공하는 최소 요소만을 고려하여 만든 1차 보정 방정식(first-order corrected equation)에 대해서는 Jung (2012)의 연구결과를 인용·참조하였다.
실제 대기 중에서는 고도에 따라 밀도가 달라진다. 따라서 각 고도에서의 V₀는 Beard (1985) 공식(식2)을 사용하여 고도에 따른 낙하속도의 밀도보정을 해준다.

후속연구

구름 레이더로부터 미(Mie) 산란 특징을 이용하여 연직속도를 추정하는 이 기술은 강수 및 비 강수 구름시스템에서의 연직속도장 매핑(mapping)에응용할 수 있다. 또한 여러 고도에서의 항공기 관측을 통하여, 연직속도의 총체적인 구조뿐 만 아니라 폭풍우의 성장, 발달, 소멸 주기(life cycle)를 재구성할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공용 도플러 레이더를 사용하여 얻는 이점은?	항공용 도플러 레이더의 경우, 미(Mie)기법으로 구한 공기의 연직속도는 구름입자로부터 직접 후방산란 되어 관측된 연직속도 및 항공기 운항시스템으로부터 구한 연직속도와 잘 일치하는 결과를 보여주었다. 구름 레이더로부터 미(Mie) 산란 특징을 이용하여 연직속도를 추정하는 이 기술은 강수 및 비강수 구름시스템에서의 연직속도장 매핑(mapping)에 응용할 수 있다. 또한 여러 고도에서의 항공기 관측을 통하여, 연직속도의 총체적인 구조뿐 만 아니라 폭풍우의 성장, 발달, 소멸 주기(life cycle)를 재구성할 수 있을 것으로 기대된다.
	대류성 구름과 뇌우 등의 발달을 이해하기 위해 필요한 지식은?	대류성 구름과 뇌우 등의 발달을 이해하기 위해서는 구름역학과 미세물리의 상호작용에 대한 이해가 필요하며, 따라서 공기입자의 연직운동에 대한 지식이 필요하다. 도플러 레이더를 이용하여 강수구름에서의 공기 연직속도를 구하고자 하는 노력은 1960년 대부터 있어왔다(Probert-Jones and Harper, 1961; Doviak and Zrnic, 1993).
	공기의 연직속도는 어떻게 추정할 수 있는가?	이 리뷰논문에서는 강수가 있는 작은 적운 구름에서 구름레이더를 사용하여 공기의 연직속도를 구할 수 있는 방법을 정리하였다. 공기의 연직속도는 첫 번째 미(Mie) 최소치가 이론적으로 가지는 낙하속도와 스펙트럼상에서 첫 번째 미(Mie) 최소치가 실제로 관측된 시선속도와의 차이로 추정할 수 있다. 구름레이더가 항공기에 탑재된 경우에는, 항공기의 운동 및 자세각이, 관측된 도플러속도의 연직성분에 영향을 미치므로 이 항들을 보정하여 공기의 연직속도를 구할 수 있다.

참고문헌 (24)

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