[논문]배경잡음 자료를 이용한 국내 가속도 관측망의 방위각 보정값 측정

이상준

doi:10.5467/jkess.2021.42.2.195

배경잡음 자료를 이용한 국내 가속도 관측망의 방위각 보정값 측정
Determining the Orientation of Accelerograph Stations in South Korea using Ambient Noise Data 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.42 no.2, 2021년, pp.195 - 200

이상준 (고려대학교 기초과학연구원)

초록
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기상청에서 운용하는 268개의 가속도 관측망에 대한 방위각 보정값을 측정하기 위해 배경잡음 교차상관 방법을 사용하였다. 이 방법은 배경잡음 자료를 사용하기 때문에 원거리 지진자료를 사용하는 방법과 달리 특정 조건에 맞는 지진을 선정할 필요가 없고, 한반도와 같은 조밀한 관측망에 적용하여 단기간의 연속 파형 자료만을 사용해 신뢰할 수 있는 방위각 보정값을 측정할 수 있다. 계산에는 2020년 1월부터 2020년 2월까지 총 268개의 기상청 가속도 관측망에 기록된 3성분 연속 파형 자료를 사용했다. 계산된 결과를 보면 기존에 원거리 지진자료를 사용한 결과와 매우 유사하며, 기존 결과에서 누락된 가속도 관측소들을 포함한 대부분 관측소의 방위각 보정 계산 결과가 표준편차 5° 이하로 안정적으로 계산되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구를에서 사용한 방법을 활용해 기상청 가속도 관측소에 대한 방위각 보정값을 지속적으로 모니터링하고 측정된 결과를 활용하면, 가속도 자료의 수평 성분을 활용한 다양한 연구들에 활용할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Orientation corrections for the total of 268 accelerograph stations of the Korea Meteorological Administration (KMA) were estimated using ambient noise cross-correlation. As this method uses ambient noise data instead of teleseismic waveforms from earthquakes under certain conditions, reliable orientation corrections can be obtained using only two-month long continuous seismic data from dense seismic networks in the Korean peninsula.Three-component continuous data recorded at the 268 accelerograph stations from January to February 2020 were used to estimate orientation corrections. The results are comparable to the previous results obtained from teleseismic waveforms; the overall standard deviations of the orientation corrections are less than 5°. Therefore, orientation corrections for the accelerograph station network can be tracked periodically by the ambient-noise method and the result can be used in various studies using the horizontal-component of acceleration data.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

1~1Hz의 대역 필터를 적용하였다. CZZ, 의 힐버트 변환(Hilbert Transform) 함수 o씩C`ZZ를 구하고, C₁Z, C₂Z를 반시계 방향으로 1 회전시켜가며 구한 C`1Z, C`2Z 중 C`2Z 와 C`ZZ사이의 교차상관 정규계수(NCC, Normalized Correlation Coefficient)가 가장 큰 회전값을 각 관측소 쌍에 대해 구한다. 이 때, 교차상관 정규계수는 다음과 같이 정의한다.
1). 각 관측소의 연속 자료에서 평균(Mean), 추세(Trend), 계기반응(Instrument Response)을 제거하고, 100Hz에서 10Hz로 다운 샘플링하였다. 전체 연속 자료는 1시간 간격의 시간창(Time Window)으로 나누었으며, 이때 각 시간창이 30분씩 겹치도록 하여 한 관측소에 대해 각 성분별로 최대 2399개의 시간창을 얻었다.
본 연구에서는 배경잡음 교차상관을 이용한 방위각보정 값 결정 방법을 기상청에서 운용하는 가속도 관측소에 적용하여 총 268개 관측소에 대한 방위각 보정 값을 측정하였다. 계산된 결과는 원거리 지진자료의 파형 극성을 사용하여 계산한 KMA (2019)의 결과와 매우 유사하며, 해당 보고서에 누락되어 있는지 표 형 및 시추공 가속도 관측소에 대한 방위각 보정값를 포함하여 전체 관측소에 대해 표준편차 5 미만으로 안정적으로 측정되는 것을 확인할 수 있다.
그리고 개별 관측소에 대해 나머지 267개 관측소와의 교차상관 정규계수가 최대가 되는 회전값을 각각 구한다. 사용한 주파수 대역 (0.1~1Hz)과 관측소 사이 거리를 고려하여, 레일리파가 최소 1파장 이상 포함될 수 있도록, 가장 가까운 관측소 10곳을 제외하고 차순위 50개 관측소에 대한 회전값을 평균하여 해당 관측소에 대한 방위각보정 값을 최종적으로 계산하였다(Lee and Rhie, 2015; Lee et al., 2021).
그리고 각 시간창 중에서 최대 진폭이 전체의 평균 제곱근(Root-mean-square)의 10배 이상 큰 시간창을 버려 지진과 같은 배경잡음 이외의 신호를 제거하였다 (Bensen et al, 2007; Lee and Rhie, 2015). 이어 별도의 시간영역에 대한 정규화(Normalization) 없이 주파수 영역에서 Spectral Whitening을 적용하였다. 전처리 이후에 모든 관측소 쌍에 대해 Z-Z, N-Z, E-Z 성분 사이의 교차상관을 각 시간창에 대해 계산하고 중합(Stack)하여 교차상관 함수(CCF, Cross-Correlation Function) 구하고 이를 CZZ, C₁Z, C₂Z로 정의한다.
, 2018; Kim and Rhie, 2019) 은다수 진행됐지만, 가속도계 관측소의 경우 일부 시추공 관측소에 대한 결과(Han and Hahm, 2016)만 계산됐으며, KMA (2019)에서도 117개의 시추공 관측소에 대한 방위각 계산 결과만을 보여준다. 이에 본 연구에서는 Lee and Rhie (2015)의 배경잡음 교차상관 방법을 가속도계 특성에 맞게 적용하여 기상청 전체 가속도 관측소에 대한 방위각 보정값을 계산하였다.

대상 데이터

자료를 사용하였다. 방위각 보정값 추정 대상관측소의 개수는 총 268개소로 지표형 50개소, 시추공 218개소로 구성되어 있으며 해당 시기에는 BUS2 CHJ2, SEO₂가 BUS3, CHJ3, SEO₃와의 교체를 위해 동일한 위치에서 중복으로 운용되었다(Fig. 1). 각 관측소의 연속 자료에서 평균(Mean), 추세(Trend), 계기반응(Instrument Response)을 제거하고, 100Hz에서 10Hz로 다운 샘플링하였다.
이 연구에는 2020년 1월부터 2020년 2월까지 50 일 동안 기상청 가속도 관측소에 기록된 3성분 연속파형 자료를 사용하였다. 방위각 보정값 추정 대상관측소의 개수는 총 268개소로 지표형 50개소, 시추공 218개소로 구성되어 있으며 해당 시기에는 BUS2 CHJ2, SEO₂가 BUS3, CHJ3, SEO₃와의 교체를 위해 동일한 위치에서 중복으로 운용되었다(Fig.
관측소를 운용 중이다. 이 중 50개소는 지표형 가속도계를 사용하며, 215개소는 지하 20~100m 지점에 설치된 시추공 관측소이다. 이러한 가속도계는 3 성분(N, E, Z)로 구성되어 3차원적인 지반 운동을 관측하는데, 정밀한 관측을 위해서는 3성분의 방향이 정확하게 설치되어야 한다.
, 2021). 표준편차를 고려하여 총 268개 관측소 중에서 방위각이 15 이상 틀어진 것으로 측정되는 관측소는 72개소(26.9%)이며 이 중 지표형 관측소는 7개소, 시추공 관측소는 65개소이다(Fig. 2). 지표형 관측소만을 비교했을 때 전체의 약 14.

이론/모형

방위각 보정값의 계산은 Lee and Rhie (2015)의 방법을 따르되 가속도계의 계기응답(Instrumental Response) 및 교차상관 함수로부터 레일리 파 신호가 강한 주파수 영역을 고려하여, 광대역 관측소의 경우(0.05~ 0.45Hz)와 다르게 0.1~1Hz의 대역 필터를 적용하였다. CZZ, 의 힐버트 변환(Hilbert Transform) 함수 o씩C`ZZ를 구하고, C₁Z, C₂Z를 반시계 방향으로 1 회전시켜가며 구한 C`1Z, C`2Z 중 C`2Z 와 C`ZZ사이의 교차상관 정규계수(NCC, Normalized Correlation Coefficient)가 가장 큰 회전값을 각 관측소 쌍에 대해 구한다.

성능/효과

측정하였다. 계산된 결과는 원거리 지진자료의 파형 극성을 사용하여 계산한 KMA (2019)의 결과와 매우 유사하며, 해당 보고서에 누락되어 있는지 표 형 및 시추공 가속도 관측소에 대한 방위각 보정값를 포함하여 전체 관측소에 대해 표준편차 5 미만으로 안정적으로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구를에서 사용한 방법을 활용해 기상청 가속도 관측소에 대한 방위각 보정값을 지속적으로모니터링하고 측정된 결과를 활용하면, 가속도 자료의 수평 성분을 활용한 수신함수 역산, 배경잡음 토모그래피, 최대지반 가속도 측정, 모멘트텐서 파형 역산 등과 같은 연구들에 활용할 수 있을 것이다.
Table 1과 같다. 계산된 결과를 보면 전체 관측 소중 258개 관측소(96.2%)의 방위각 보정값의 표준편차가 5 미만으로 나타나고 있으므로 대체로 방위각보정 값이 안정적으로 계산되었음을 확인할 수 있다.표준편차가 5 이상인 관측소의 경우 KMA (2019)에서도 10~60 ^o으로 크게 관측되며, 방위각 보정값 계산에 사용된 각 관측소 회전값의 교차상관 정규계수의최대값이 0.
8 이상인 것으로 보아 부지효과, 관측소 품질관리 이슈 등의 이유로 인해 계산이 안정화되지 않은 것으로 보인다. 또한, 표준편차가 5 미만인 관측소의 경우 KMA (2019)에서 표준편차가 10 미만인 방위각 보정 결과와 대체로 일치하는 것을 확인할 수 있다. 청일(CGIA), 개천(GACA) 등과 같은 일부 관측소는 2018년 이후 2020년까지 각각 약 180 혹은 90 가량 방위각이 틀어진 것으로 계산되며, 관측소 코드가 SAJA에서 SAJB로 변경된 상주관측소와 같은 경우는 광대역 가속도 관측소로 변경되는 과정에서 기존 약 122 틀어져 있던 방위각을 바로잡은 것으로 보인다.
각 관측소의 연속 자료에서 평균(Mean), 추세(Trend), 계기반응(Instrument Response)을 제거하고, 100Hz에서 10Hz로 다운 샘플링하였다. 전체 연속 자료는 1시간 간격의 시간창(Time Window)으로 나누었으며, 이때 각 시간창이 30분씩 겹치도록 하여 한 관측소에 대해 각 성분별로 최대 2399개의 시간창을 얻었다. 그리고 각 시간창 중에서 최대 진폭이 전체의 평균 제곱근(Root-mean-square)의 10배 이상 큰 시간창을 버려 지진과 같은 배경잡음 이외의 신호를 제거하였다 (Bensen et al, 2007; Lee and Rhie, 2015).
2). 지표형 관측소만을 비교했을 때 전체의 약 14.3%, 시추공 관측소의 약 28.8%가 ±10 이상 방위각이 틀어져 있는 것으로 측정되며, 이는 향후 지속적인 모니터링을 통해 방위각 보정값을 정기적으로 제공함으로써 해결할 수 있을 것으로 보인다.

후속연구

계산된 결과는 원거리 지진자료의 파형 극성을 사용하여 계산한 KMA (2019)의 결과와 매우 유사하며, 해당 보고서에 누락되어 있는지 표 형 및 시추공 가속도 관측소에 대한 방위각 보정값를 포함하여 전체 관측소에 대해 표준편차 5 미만으로 안정적으로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구를에서 사용한 방법을 활용해 기상청 가속도 관측소에 대한 방위각 보정값을 지속적으로모니터링하고 측정된 결과를 활용하면, 가속도 자료의 수평 성분을 활용한 수신함수 역산, 배경잡음 토모그래피, 최대지반 가속도 측정, 모멘트텐서 파형 역산 등과 같은 연구들에 활용할 수 있을 것이다.

참고문헌 (15)

Bensen, G. D., Ritzwoller, M. H., Barmin, M. P., Levshin, A. L., Lin, F., Moschetti , M. P., Shapiro, N. M., Yang, Y., 2007, Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broad-band surface wave dispersion measurements. Geophysical Journal International, 169, 1239-1260.

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원문보기 상세보기
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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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