[논문]항공기 구름 관측에 사용되는 전방산란 관측 기기의 정확도 향상을 위한 구름입자의 광학적 특성 계산

엄준식

doi:10.14191/atmos.2020.30.1.075

항공기 구름 관측에 사용되는 전방산란 관측 기기의 정확도 향상을 위한 구름입자의 광학적 특성 계산
Calculations of Optical Properties of Cloud Particles to Improve the Accuracy of Forward Scattering Probes for In-Situ Aircraft Cloud Measurements 원문보기

대기 = Atmosphere, v.30 no.1, 2020년, pp.75 - 89

엄준식 (부산대학교 대기환경과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Current in-situ airborne probes that measure the sizes of ice crystals smaller than 50 ㎛ are based on the concept that the measured intensity of light scattered by a particle in the forward and/or backward direction can be converted to particle size. The relationship between particle size and scattered light used in forward scattering probes is based on Mie theory, which assumes the refractive index of particle is known and all particles are spherical. Not only are small crystals not spherical, but also there are a wide variety of non-spherical shapes. Although it is well known that the scattering properties of non-spherical ice crystals differ from those of spherical shapes, the impacts of non-sphericity on derived in-situ particle size distributions are unknown. Thus, precise relationships between the intensity of scattered light and particle size and shape are required, as based on accurate calculations of scattering properties of ice crystals. In this study, single-scattering properties of ice crystals smaller than 50 ㎛ are calculated at a wavelength of 0.55 ㎛ using a numerically exact method (i.e., discrete dipole approximation). For these calculations, hexagonal ice crystals with varying aspect ratios are used to represent the shapes of natural small ice crystals to determine the errors caused by non-spherical ice crystals measured by forward scattering probes. It is shown that the calculated errors in sizing nonspherical ice crystals are at least 13% and 26% in forward (4~12°) and backward (168~176°) directions, respectively, and maximum errors are up to 120% and 132%.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 2. Pictures of a cloud imaging probe (CIP, left) and a cloud droplet probe (CDP, right).
그림 Fig. 1. An example 30 sec averaged particle size distribution measured by a cloud droplet probe (CDP, red) and a cloud imaging probe (CIP, blue) during the 2006 Tropical Warm Pool International Cloud Experiment (TWP-ICE).
그림 Fig. 3. Scattering phase function P₁₁ of spherical particles as a function of scattering angle calculated using Mie theory.
표 Table 1. Specifications of forward scattering probes. Determination of typical sample area depends on particle qualificationcriteria.
그림 Fig. 4. Calculated forward (left, 4~12°) and backward (right, 168~176°) scattering cross sections of spherical particles as a function of particle size using Mie theory.
그림 Fig. 5. (a) An idealized model of hexagonal ice crystal with length (L) and width (W). (b) Example hexagonal ice crystals with aspect ratios (AR = L/W) of 0.5, 1.0, and 4.0.
그림 Fig. 6. Scattering phase functions P₁₁ of hexagonal ice crystals with varying ARs and spheres (liquid (Mie liquid) and ice (Mie ice)) with maximum dimension of 2 μm (left) and 10 μm (right).
표 Table 2. Dimensional information of hexagonal ice crystals used in this study.
그림 Fig. 7. Calculated differential scattering cross sections of hexagonal ice crystals and spheres in forward (4~12°, left) and backward (168~176°, right) directions as a function of particle maximum dimension (D_max).
그림 Fig. 8. Comparisons (blue circles) between actual sizes of hexagonal ice crystals (horizontal) and those determined (vertical) based on the scattering cross sections of hexagonal ice crystals and Mie calculations (i.e., current method used in forward scattering probes) in forward directions (4~12°) for AR indicated in panel.
그림 Fig. 9. Same as Fig. 8, but for backward directions (168~176°).
그림 Fig. 10. Differences (100% × (Mie D_max − D_max)/D_max) between actual sizes of hexagonal ice crystals and those determined based on spherical liquid droplets using Mie calculations in forward (4~12°) directions as a function of AR of hexagonal ice crystals (each panel).
그림 Fig. 11. Same as Fig. 10, but for backward directions (168~176°).

AI 본문요약
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문제 정의

빙정의 분자들이 육각 격자 구조(hexagonal lattice structure)를 기본으로 갖기 때문에육각기둥 또는 육각판(hexagonal plate) 모양이 가장일반적인 작은 빙정의 모양이다. 따라서 본 연구는 실제 빙정 모양을 갖는 빙정 모형을 사용하여 정확한단일산란 특성을 계산하고 전방산란 관측 기기로 빙정 관측 시 빙정의 비구형성때문에 발생하는 크기 산출 오차를 정량화함이 목적이다.
, 1996; Mishchenkoand Travis, 1998) 방법을 사용하여 이를 계산하였으나 가정한 빙정 모양인 회전대칭 모양(즉, 원기둥과회전타원체)은 실제 빙정의 모양과 매우 다르다. 따라서 실제 빙정 모양을 사용한 전방산란 관측 기기 빙정 크기 결정시 오차 정량화에 관한 연구가 필요하며,이는 본 연구의 목표이다.
(2007)은 50 μm보다 작은 구름입자 크기 분포가 위성 원격탐사에서 사용하고 있는 구름 특성 산출 방법과 수치 모형에서 구름의 표현에 중요하다는 것을 강조했다. 또한 전방산란 관측 기기를 사용하는 항공기 관측의 어려움과 개선에 대하여 설명하였다. 본 연구에서는 전방산란 관측 기기를 사용하여 비구형 빙정의 크기 관측 시 발생하는 오차를 정량화 하였다.
또한 전방산란 관측 기기를 사용하는 항공기 관측의 어려움과 개선에 대하여 설명하였다. 본 연구에서는 전방산란 관측 기기를 사용하여 비구형 빙정의 크기 관측 시 발생하는 오차를 정량화 하였다. 이 오차는 무시할 수 없으며 구름입자 크기 분포 측정의 정확도 향상을 위해서 후처리시 반드시 고려해야 한다.

가설 설정

두 파장에서액체상과 고체상 물의 흡수율은 모두 0에 가깝고 해당 굴절률의 실수부(real part)의 차이는 작기 때문에 두 파장에 대한 빙정의 단일산란 특성 차이는 매우작다. ADDA를 사용한 육각형 빙정의 단일산란 특성계산에는 Um and McFarquhar (2013)에 따라 불규칙방향(random orientation)을 가정했다. 비구형 육각형빙정과의 비교를 위한 모든 구형 입자의 계산은 미이론을 사용하여 계산하였다.
첫째, 현재 전방산란관측 기기에 사용하는 크기 변환표는 액체상 구름입자를 가정하고 있다. 따라서 별도의 후처리를 하지 않는 이상 관측된 빙정은 액체상 구형 구름입자라고 가정하고 그 크기를 계산한다. 0.
이 계산을통해 비구형 빙정을 전방산란 관측 기기로 관측 시빙정 크기 산출 오차가 최대 20%에 달한다는 것을보고하였다. 이 연구들의 문제점은 빙정의 모양을 회전대칭(rotationally symmetric)인 원기둥과 회전타원체로 가정했다는 것이다. 이는 T-matrix 방법이 회전대칭체에 대해서만 단일산란 특성을 계산할 수 있기 때문이다.
전방산란 관측 기기로 크기 50 μm 이하의 빙정을관측 시 많은 문제가 발생한다. 첫째, 현재 전방산란관측 기기에 사용하는 크기 변환표는 액체상 구름입자를 가정하고 있다. 따라서 별도의 후처리를 하지 않는 이상 관측된 빙정은 액체상 구형 구름입자라고 가정하고 그 크기를 계산한다.

제안 방법

Figures 10과 11은 Figs. 8과 9의 계산을 종합하여 비구형인 빙정을 현재 항공관측에서 사용하고 있는 전방산란 관측 기기로 관측 하였을 때 구름입자 크기결정의 오차를 전방산란(Fig. 10)과 후방산란(Fig. 11)에 대해, 또한 실제 구름 속에 존재하는 육각형 빙정의 변화 가능한 종횡비를 고려하여 정량화하였다. 구름입자 크기 결정의 오차(difference in diameter)는 100% × (Mie D_max - D_max)/D_max로 계산하였다.
Differences (100% × (Mie Dmax - Dmax)/Dmax) between actual sizes of hexagonal ice crystals and those determinedbased on spherical liquid droplets using Mie calculations in forward (4~12o) directions as a function of AR of hexagonal icecrystals (each panel).
Table 2. Dimensional information of hexagonal ice crystals used in this study. Maximum dimension (D_max) is longer of length(L) or width (W).
구름입자 크기 결정의 오차(difference in diameter)는 100% × (Mie Dmax - Dmax)/Dmax로 계산하였다.
크기가 50 μm 보다 작은 육각형 빙정이 실제 구름 속에서 가질 수 있는 종횡비의 범위를 여섯 구간으로 나눠서 계산하였다. 구형 구름입자의 경우 액체상(Mieliquid, 검은색)과 고체상(Mie ice, 갈색)을 구분하여 계산하여 그 효과를 확인하였다. 전방산란 관측 기기의관측 범위인 전방산란 구간(4~12^o)과 후방산란 구간(168~176^o)은 회색 영역으로 각각 표시하였다.
육각형 빙정 모형은 길이(length, L), 폭(width, W), 종횡비(aspect ratio, AR = L/W)로 표현된다. 총 6개의 종횡비, 0.1, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0를 사용하여 얼음상 구름 안에 존재하는 육각형 빙정의 종횡비 변화폭을 구현했다(Um et al., 2015). 육각형 빙정의 길이와 폭은 각각 최대 48 μm, 20 μm, 크기모수 는최대 ~274까지 사용하여 전방산란 관측 기기의 관측범위를 포함했다(Table 2).
크기가 50 μm 보다 작은 육각형 빙정이 실제 구름 속에서 가질 수 있는 종횡비의 범위를 여섯 구간으로 나눠서 계산하였다.

이론/모형

하지만 실제 작은 빙정은 빙정의 분자들이 육각 격자 구조를 갖기 때문에 기본적으로 육각형 모양이다. 따라서 본 연구에서는 육각형 모양을 갖는 빙정의 단일산란 특성(즉, 산란위상함수와 산란 단면)을 ADDA 방법을 사용하여 계산했다. 또한육각형 빙정의 자연적인 모양 변화 범위를 고려하기위해 여섯 개의 다른 종횡비를 갖는 육각형 빙정 모형을 사용했다.
따라서 본 연구에서는 육각형 모양을 갖는 빙정의 단일산란 특성(즉, 산란위상함수와 산란 단면)을 ADDA 방법을 사용하여 계산했다. 또한육각형 빙정의 자연적인 모양 변화 범위를 고려하기위해 여섯 개의 다른 종횡비를 갖는 육각형 빙정 모형을 사용했다.
본 연구에서는 육각형 빙정(hexagonal ice crystals)을 단일산란 특성 계산을 위한 빙정 모형으로 사용했다(Fig. 5). 육각형 빙정 모형은 길이(length, L), 폭(width, W), 종횡비(aspect ratio, AR = L/W)로 표현된다.
ADDA를 사용한 육각형 빙정의 단일산란 특성계산에는 Um and McFarquhar (2013)에 따라 불규칙방향(random orientation)을 가정했다. 비구형 육각형빙정과의 비교를 위한 모든 구형 입자의 계산은 미이론을 사용하여 계산하였다.
육각형 빙정의 길이와 폭은 각각 최대 48 μm, 20 μm, 크기모수 는최대 ~274까지 사용하여 전방산란 관측 기기의 관측범위를 포함했다(Table 2). 정확한 단일산란 특성 계산을 위하여 Amsterdam DDA (ADDA, Yurkin andHoekstra, 2007, 2011)를 사용했다. DDA 계산에서 산란체는 다이폴(dipole)이라 불리는 성분(element)으로잘게 쪼개져 표현된다(Fig.
회전대칭 모양이 아닌 비구형 산란체의 경우 크기모수가 충분이 큰 경우(> ~100) 기하광학 방법(geometric opticsmethod, GOM)을 근사적으로 사용 가능하며(Macke etal., 1996; Um and McFarquhar, 2011, 2015), 크기모수가 작은 경우에는 정확한 해를 구할 수 있는 discretedipole approximation (DDA)나 invariant imbedding T -matrix method (IITM, Bi and Yang, 2014)를 사용하여 해를 구할 수 있다.

성능/효과

9)에서 모두 확인된다. 또한 전체적으로 편형(oblate, 종횡비 = 0.1) 또는 장형(종횡비 = 4.0) 모양의 육각형 빙정과 비교하면 육각형빙정의 모양이 구형에 가까울수록(즉, 종횡비~1.0) 산출된 크기의 오차가 줄어듦을 알 수 있다.
, 1996; Mishchenko andTravis, 1998) 방법을 사용하여 원기둥(cylinder)과 회전타원체(spheroid) 모양을 가정한 빙정의 단일산란 특성(single-scattering properties)을 계산했다. 이 계산을통해 비구형 빙정을 전방산란 관측 기기로 관측 시빙정 크기 산출 오차가 최대 20%에 달한다는 것을보고하였다. 이 연구들의 문제점은 빙정의 모양을 회전대칭(rotationally symmetric)인 원기둥과 회전타원체로 가정했다는 것이다.

후속연구

이 항공기에는 CDP라는 전방산란 관측 기기가 장착되어 관측을 수행 중이다. 구름물리, 원격탐사, 수치모형 연구 분야의 발전을 위해서는 더욱 정확한 구름관측이 필요하며, 본 연구 결과는 구름입자 관측, 특히 작은 빙정 크기 관측 정확도 향상에 기여할 것이다. 향후 본 연구를 더욱 발전시켜 기상청 CDP 관측자료 후처리에 활용할 계획이다.
구름물리, 원격탐사, 수치모형 연구 분야의 발전을 위해서는 더욱 정확한 구름관측이 필요하며, 본 연구 결과는 구름입자 관측, 특히 작은 빙정 크기 관측 정확도 향상에 기여할 것이다. 향후 본 연구를 더욱 발전시켜 기상청 CDP 관측자료 후처리에 활용할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	얼음상 구름의 직접 관측에 사용되는 것과 그 이유는?	얼음상 구름은 상대적으로 높은 고도에서 존재하기 때문에 직접(in-situ) 관측에는 항공기가 주로 사용된다. 얼음상 구름의 기본적인 특성을 이해하기 위한 가장 기본이 되는 관측은 크기 분포(size distribution) 관측이다.
	얼음상 구름(빙운)의 특징은?	구름은 열역학 상(phase)에 따라 액체상(liquid phase), 혼합상(mixed phase), 얼음상(ice phase) 구름으로 구분한다. 구형의 액체상 구름입자(cloud droplet)로 구성된 액체상 구름(물구름)과는 다르게 얼음상 구름(빙운)은 다양한 모양(habit)과 크기의 빙정(ice crystal)으로 구성되어 있다(Bailey andHallett, 2004; Um and McFarquhar, 2011; Um et al.,2015; Lawson et al.
	혼합상 구름과 얼음상 구름의 미세물리 특성과 복사 특성을 계산하는 것이 어려운 이유는?	빙정이 포함되어 있는 혼합상 구름과 얼음상 구름의 미세물리 특성(microphysical properties)과 복사 특성(radiative properties)를 계산하는 것은 액체상 구름에 비해 상대적으로 어렵다. 이는 빙정이 다양한 종류의 비구형(non-spherical) 모양과 매우 넓은 크기 분포를 갖기 때문이다. 얼음상 구름은 지구 표면적을 최소 17% 덮으며 이는 열대지역에 대해서는 60%에 육박한다(Sassen et al.

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Yurkin, M. A., and A. G. Hoekstra, 2007: The discrete dipole approximation: an overview and recent developments. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 106, 558-589, doi:10.1016/j.jqsrt.2007.01.034.

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Yurkin, M. A., and A. G. Hoekstra, 2011: The discrete-dipole-approximation code ADDA: capabilities and known limitations. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 112, 2234-2247, doi:10.1016/j.jqsrt.2011.01.031.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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