[논문]전파강수계의 다중 고도각 자료를 이용한 면적 평균 강우 추정 기법

임상훈; 최정호; 김원

doi:10.3741/jkwra.2020.53.6.417

전파강수계의 다중 고도각 자료를 이용한 면적 평균 강우 추정 기법
Areal average rainfall estimation method using multiple elevation data of an electromagnetic wave rain gauge 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.6, 2020년, pp.417 - 425

임상훈 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부) , 최정호 (조선이공대학교 메카트로닉스공학과) , 김원 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부)

초록
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홍수와 같은 수문 재해를 예측하고 예방하기 위해서는 강우량을 정확하게 추정해야한다. 본 연구에서는 전파강수계의 다중 고도 관측 데이터를 사용한 면적 평균 강우량 추정 방법을 개발하였다. 소형 전파강수시스템은 K 대역 이중 편파 기술을 사용하여 매우 짧은 거리를 관측하는 소형 레이더이다. 면적 평균 강우 추정 방법은 관측 거리와 시간이 매우 짧기 때문에 관측 범위에서 강우 변동이 작다는 가정을 기반으로 한다. 제안된 방법은 지상우량계 및 파시벨우적계와 같은 지상 장비와 비교하여 평가되었다. 비교 평가된 강우 사상들에 대해 전파강수계로부터 추정된 평균강우와 지상장비로부터 관측된 강우량이 잘 일치함을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to predict and prevent hydrological disasters such as flood, it is necessary to accurately estimate rainfall. In this paper, an areal average rainfall estimation method using multiple elevation observation data of an electromagnetic wave rain gauge is presented. The small electromagnetic rain gauge system is a very small precipitation radar that operates at K-band with dual-polarization technology for very short distance observation. The areal average rainfall estimation method is based on the assumption that the variation in rainfall over the observation range is small because the observation distance and time are very short. The proposed method has been evaluated by comparing with ground instruments such as tipping-bucket rain gauges and a Parsivel. The evaluation results show that the methodology works fairly well for the rainfall events which are shown here.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. EWRG 1st prototype system picture.
그림 Fig. 2. Signal processing function flowchart
그림 Fig. 3. Scan strategy of the EWRG
표 Table 1. Specification of the EWRG 1^st prototype
그림 Fig. 4. Flowchart of average area rainfall estimation for the EWRG
그림 Fig. 5. Configuration of EWRG testbed at Geoje
그림 Fig. 6. Rainfall observation image by EWRG (2019/07/19 07:00, Geoje), (a) reflectivity (Z) (b) correlation coefficient (ρHV) (c) Differential propagation phase shift (ΦDP)
그림 Fig. 7. Comparison result of 2019/07/17:220549-2019/07/18:005949(LST) case1.
그림 Fig. 8. Comparison result of 2019/07/19:050000-084359(LST) case2.
그림 Fig. 9. Comparison result of 2019/07/19:231001-2019/07/20:035000(LST) case3.
그림 Fig. 10. Comparison result of 2019/07/20:040001-061001(LST) case4.
그림 Fig. 11. Configuration of EWRG testbed at Yeoncheon
그림 Fig. 12. Rainfall observation image by EWRG(2019/07/26 05:35, Yeoncheon), (a) reflectivity (Z) (b) correlation coefficient (ρHV) (c) Differential propagation phase shift (ΦDP)
그림 Fig. 13. Comparison result of 2019/07/26:025002-104201(LST) case 5.
표 Table 2. Error comparison of total cumulative rainfall rate between EWRG and ground equipments (Pit-Gauge, Tipping gauge,Parsivel)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 개발한 시스템은 전자파를 이용한 근거리의 고분해능 및 높은 관측변수-우량 관계를 적용하여 강우량을 측정함으로써 오랫동안 사용되어 온 전통적인 물받이 방식의 지상우량계를 보완하여 면적 우량 관측에 사용하기 위한 장비이다. 이 시스템은 이중 편파 기술을 사용하며 K 대역에서 작동한다.
본 연구에서는 기존의 원통형 지상우량계와 같은 관측 기능을 수행하면서 공간적 한계를 극복할 수 있는 고분해능의 강우 공간분포를 기반으로 지형의 영향을 고려할 수 있는 새로운 개념의 전자파를 이용한 전파강수계(Electromagnetic Wave Rain Gauge (EWRG))를 개발하였다. 일반적으로 이중 편파 기상레이더 자료를 이용한 정량적 강우 강도는 레이더 변수들 (반사도(Z_h), 차등 반사도(Z_dr) 및 비차등위상차(K_dp)) 을 이용하여 게이트 단위(셀 단위)로 계산된다.
이에 반해 전파강수계는 지점 우량이 아닌 관측면적에 대한 우량을 추정한다. 본 연구에서는 이중편파 전파강수계의 다중 고도 관측 자료를 사용하여 정확한 면적 평균 강우량 추정치를 제공하는 방법을 개발하였다. 다중고도의 반사도, 비차등위상차의 고도각별 평균값을 이용하여 면적 단위의 면적 평균 강우 강도를 추정한다.

가설 설정

전파강수계의 단위 면적 평균 강우는 단위 면적의 평균 레이더 변수들을 이용한 추정 강우를 의미하며 관측범위에 따라 달라진다. 본 연구에서 면적강우는 전파강수계 관측 반경 1 km을 가정하여 3.14 km²을 의미한다.

제안 방법

2) 본 연구에서는 다중 고도 관측 데이터를 이용한 면적 평균 강우 추정 방법을 새롭게 개발하였다. 전파강수계의 관측 거리와 관측 시간이 매우 짧아 시공간적으로 강우량의 변동이 작다는 가정을 기반으로 개발된 이 방법을 지상 우량계와 비교한 결과 평균 10% 이내의 차이를 보여 우량 측정을 위해 활용 가능한 것으로 나타났다.
2019년7월17-20일 동안의 강우사상을 보다 다양하게 분석하기 위해 시간대별로 4개의 경우로 분류하여 비교 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 이중편파 전파강수계의 다중 고도 관측 자료를 사용하여 정확한 면적 평균 강우량 추정치를 제공하는 방법을 개발하였다. 다중고도의 반사도, 비차등위상차의 고도각별 평균값을 이용하여 면적 단위의 면적 평균 강우 강도를 추정한다. 전파강수계의 단위 면적 평균 강우는 단위 면적의 평균 레이더 변수들을 이용한 추정 강우를 의미하며 관측범위에 따라 달라진다.
본 논문에서는 2019년 7월17-20일 동안 경상남도 거제에서 관측한 자료와 2019년 7월26일 경기도 연천에서 수행한 두 사상에 대한 자료를 이용하였다. 또한 면적 평균 강우 추정 결과를 평가하기 위해 일반 전도형 우량계와의 비교, 파시벨우적계 자료와의 비교, 핏 우량계와의 비교 등 다양한 방법으로 비교 검증을 수행하였다.
본 사상에 대해서는 전파강수계 관측치로부터 추정된 면적 평균 강우량과 두 개의 우량계, 그리고 파시벨 우적계의 강우량을 비교하였다. Fig.
본 연구에서 개발한 전파강수계는 정확도 면에서는 기존의 전통적 우량계 및 우적 입자 측정장치의 성능을 가지며, 지상에 근접한 고도에서 높은 공간 해상도로 강수를 측정할 뿐만 아니라 반경 1 km (3.14 km²)의 공간 범위를 포괄함으로써 면적 대표성을 높인 효율적인 측정이 가능한 측정장치이다. 주요 결론은 다음과 같다.
수평 및 수직 편파별 상관계수 R0, R1, R2 로부터 편파별 반사도(Z), 시선속도(V), 스펙트럼 폭(W)과 이중편파 기상변수인 차등반사도(ZDR)를 계산한다. 교차상관계수 phv (0) 로부터 이중편파 기상변수 상관계수(ρHV), 차등위상차(ФDP)를 계산하며, 또한 품질관리를 위한 변수로 신호대잡음비 (SNR), 신호 품질지수(SQI) 등도 계산한다.
전파강수계 검증을 위해 여러 지역에서 약한 강우에서부터 강한 강우까지 다양한 강우 사상에 대한 시험관측을 수행하였다. 본 논문에서는 2019년 7월17-20일 동안 경상남도 거제에서 관측한 자료와 2019년 7월26일 경기도 연천에서 수행한 두 사상에 대한 자료를 이용하였다.
2019년7월17-20일 사상은 태풍 다나스의 영향으로 많은 양의 수증기가 유입되어 남부지방에 많은 비가 내렸던 경우이다. 전파강수계 면적 평균 강우 추정치를 평가하기 위해 두 개의 전도형 우량계와 하나의 파시벨우적계를 전파강수계 근처에 설치하였다. Fig.
전파강수계 면적 평균 강우 추정치와 여러 지상 관측장비들의 실측자료와 비교 분석을 수행하였다. 본 논문에서 분석된 두 사상은 모두순간 강우 강도가 30-100 mm/hr의 강한 강우 사상으로서 전파강수계의 목적인 수재해 예방을 위한 전파 강수계의 성능 분석에 적합한 경우이다.
전파강수계의 송수신장치로부터 수신한 수평 채널과 수직 채널의 중간주파수(IF) 신호를 ADC (Analog to Digital Converter)에서 샘플링하여 디지털 신호로 변환하고 DDC (Digital Down Converter)와 펄스압축 과정을 거쳐 I/Q 데이터로 변환한다. I/Q 데이터로부터 상관계수와 기상변수를 계산하여 최종 산출물을 이더넷을 통하여 운영제어장치로 전달한다(Fig.

대상 데이터

2019년7월 26일 강우는 한반도 중북부에 걸친 장마전선에 의한 강한 강우가 내린 사상(case 5)이다. 전파강수계 성능 검증을 위해 한국건설기술연구원 연천SOC실증연구센터에 강우 측정 성능 검증 사이트를 마련하였다.
전파강수계 성능 검증을 위해 한국건설기술연구원 연천SOC실증연구센터에 강우 측정 성능 검증 사이트를 마련하였다. 검증 사이트에는 일반적인 전도형 우량계와 파시벨우적계 외에 보다 정확한 지상 강우 관측을 위한 핏 우량계 등이 설치되었다. Fig.
전파강수계 면적 평균 강우 추정치와 여러 지상 관측장비들의 실측자료와 비교 분석을 수행하였다. 본 논문에서 분석된 두 사상은 모두순간 강우 강도가 30-100 mm/hr의 강한 강우 사상으로서 전파강수계의 목적인 수재해 예방을 위한 전파 강수계의 성능 분석에 적합한 경우이다. 전파강수계와 지상 실측값과의 오차 분석을 위해 전파강수계 일누적 면적 평균강우량과 우량계 일누적 관측값과의 오차율을 사상별(case 1-5)로 정리하여 Table 2에 제시하였다.
전파강수계 검증을 위해 여러 지역에서 약한 강우에서부터 강한 강우까지 다양한 강우 사상에 대한 시험관측을 수행하였다. 본 논문에서는 2019년 7월17-20일 동안 경상남도 거제에서 관측한 자료와 2019년 7월26일 경기도 연천에서 수행한 두 사상에 대한 자료를 이용하였다. 또한 면적 평균 강우 추정 결과를 평가하기 위해 일반 전도형 우량계와의 비교, 파시벨우적계 자료와의 비교, 핏 우량계와의 비교 등 다양한 방법으로 비교 검증을 수행하였다.
4에서 설명된다. 입력받는 스캔 관측자료는 30도, 45도 및 60도의 고도각에서 획득된 관측변수로서, Z_h (30), Z_h (45), Z_h (60), K_dp (30), K_dp (45) 및 K_dp (60)이다. 그리고 <Z_h (30)>은 30도 스캔에서 획득된 Z_h들의 평균값, <K_dp (30)>은 30도스캔에서 획득된 K_dp들의 평균값을 나타낸다.

성능/효과

1) 본 연구에서 개발된 전파강수계를 기존 우량계, 파시벨 등과 비교하여 국내 여러 지점에서 비교 관측한 결과 넓은 면적에 대한 면적 강우량의 동시 측정이 가능한 것으로 나타났다.
분석 결과 5 사상에 대한 총누적강우에 대한 NB는 약 -7.5%이고 NAE는 8.6%이다.
2) 본 연구에서는 다중 고도 관측 데이터를 이용한 면적 평균 강우 추정 방법을 새롭게 개발하였다. 전파강수계의 관측 거리와 관측 시간이 매우 짧아 시공간적으로 강우량의 변동이 작다는 가정을 기반으로 개발된 이 방법을 지상 우량계와 비교한 결과 평균 10% 이내의 차이를 보여 우량 측정을 위해 활용 가능한 것으로 나타났다.

후속연구

3) 본 연구에서 개발된 전파강수계와 강우 추정 방법을 적용할 경우 기존 우량계로 측정할 수 없는 넓은 면적에 대한 우량을 정확도 높게 측정 가능한 것으로 나타났으며 향후 새로운 강우량 측정 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
근거리의 짧은 시간 동안 다중 고도각으로 레이를 스캔하여 관측된 레이더 자료를 이용함으로써, 레이더 자료를 오염시킬 수 있는 각종 에코들에 대한 문제점을 해소할 수 있으며,정확한 강우추정을 통해 집중호우 및 홍수를 예방할 수 있다. 초단거리로서 1 km를 예로 들었으나, 제안된 방법은 이에 한정되지 않으며, 1 km 이상의 거리에 대해서도 평균 강우 추정에 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌 (9)

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저자의 다른 논문 :

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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