초록 ▼

${\circ}$ 연구목표
${\cdot}$ GNSS 관측망 기반 가강수량 감시 기술 개발
${\cdot}$ GNSS 관측망 기반 가강수량 감시 정보 제공
${\cdot}$ GNSS 가강수량 수치예보모델 적용 연구
${\circ}$ 연구내용 및 성과
${\cdot}$ 천문(연) GNSS 및 기상장비(MET3A) 관측자료를 전용선을 통해 원격으로 수집하는 일련의 과정을 자동화

${\circ}$ 연구목표
${\cdot}$ GNSS 관측망 기반 가강수량 감시 기술 개발
${\cdot}$ GNSS 관측망 기반 가강수량 감시 정보 제공
${\cdot}$ GNSS 가강수량 수치예보모델 적용 연구
${\circ}$ 연구내용 및 성과
${\cdot}$ 천문(연) GNSS 및 기상장비(MET3A) 관측자료를 전용선을 통해 원격으로 수집하는 일련의 과정을 자동화
${\cdot}$ 전국에 고르게 분포한 GNSS 관측망을 기반으로 수 mm 수준의 정밀도를 갖는 GNSS 가강수량 변화 감시 기술 개발
${\cdot}$ 수치예보 현업적용을 위한 GNSS 관측망 기반 가강수량 감시 정보 제공
${\cdot}$ 준 실시간(30분) GNSS 가강수랑 자료처리 기법 개발
${\cdot}$ 준 실시간 GNSS 가강수량 및 누적수증기량 웹기반 정보제공 시스템 개발
${\cdot}$ 안개현상에 대해 GNSS 수증기량 분석을 통해 역학적 물리적 과정규명을 통해 새로운 관측 및 분석 시도
${\cdot}$ GNSS 가강수량 정보의 수치모델 초기치로써의 활용 가능성 및 영향을 분석하고 예비결과를 도출

Abstract ▼

- the retrieval of the high accuracy GNSS PWV with a network
${\cdot}$ remote sensing and processing data of KASI GNSS and MET3A with the exclusive line and automation of these precesses
${\cdot}$ to ensure the accuracy of sub mm for GNSS PWV retrieval with the world top

- the retrieval of the high accuracy GNSS PWV with a network
${\cdot}$ remote sensing and processing data of KASI GNSS and MET3A with the exclusive line and automation of these precesses
${\cdot}$ to ensure the accuracy of sub mm for GNSS PWV retrieval with the world top class level and verify PWV comparing with radiosonde
- the basis design and the retrieval algorithm of the neal-real time GNSS PWV
${\cdot}$ the perform the experiment collecting GNSS and MET3A measurements with a half hour interval
${\cdot}$ established the exclusive strategy of automatic processing GNSS PWV
- data assimilation with GNSS PWV to the NWP model and producing the pre-result
${\cdot}$ through the understanding and analyzing an international tendency, selecting of technique assimilating GNSS PWV to NWP model
${\cdot}$ analysis of the preliminary results for assimilating the high accuracy GNSS PWV

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ...19
• 제 1 절 연구개발의 목표 ...19
• 제 2 절 연구개발 배경 및 필요성 ...19
• 제 3 절 연구개발 추진체계 및 비전 ...22
• 제 2 장 국내.외 기술개발 현황 ...25
• 제 1 절 국내 연구개발 현황 및 성과분석 ...25
• 제 2 절 국외 연구개발 현황 및 성과분석 ...30
• 제 3 절 기술 및 시장 동향 분석 ...42
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ...44
• 제 1 절 네트워크 기반 고정밀 GNSS 가강수량 산출 ...44
• 제 2 절 준 실시간 GNSS 가강수량 산출기술개발 ...93
• 제 3 절 GNSS 가장수량 자료동화적용을 위한 기반기술 개발 ...137
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 ...178
• 제 1 절 연구개발목표 달성도 ...178
• 제 2 절 관련 분야의 기대 효과 ...178
• 제 3 절 기상현업분야 기여도 ...180
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ...181
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...184
• 제 7 장 참고문헌 ...185
• [표 1. 1. 1] 관련연구개발의 국내.외 배경 ...21
• [표 2. 1. 1] 서울대 학교 GNSS 관측소 사양 ...27
• [표 2. 1. 2] 인하대학교 GNSS 관측소 사양 ...28
• [표 2. 1. 3] 성균관대학교 관련 연구 보유장비 ...29
• [표 2. 3. 1] 각국의 GNSS 활용현황 ...43
• [표 3. 1. 1] MET3와 MET3A 제반사항 비교 ...48
• [표 3. 1. 2] Saastamoinen 모델의 천장거리와 관측지점의 고도에 따른 보정치 ...70
• [표 3. 1. 3] 자료처리에 사용되는 Bernese 프로그램 설명 ...72
• [표 3. 1. 4] 정역학 Niell 사상함수 계수 ...75
• [표 3. 1. 5] 습윤 Niell 사상함수 계수 ...75
• [표 3. 1. 4] 자료처리 전략 및 사용된 주요 모델 ...84
• [표 3. 1. 5] 관측소의 안테나-수신기-레이돔 사양 .'N/A'는 조합에 없음을 뜻함 ...85
• [표 3. 1. 6] 대전, 수원, 베이징, 우한의 자료처리결과 E는 동쪽, N은 북쪽, U는 수직방향을 의미함 ...86
• [표 3. 1. 7] 관측소의 안테나-수신기-레이돔 사양 .'N/A'는 조합에 없음 ...88
• [표 3. 1. 8] 국내 7개 GPS 관측소의 자료처리 결과 ...90
• [표 3. 1. 9] 대전, 베이징, 우한, 수원의 ZTD 차이 비교 (절대 PCV - 상대 PCV) ...91
• [표 3. 1. 10] 국내 7개 관측소의 ZTD 차이 비교 (절대 PCV - 상대 PCV) ...91
• [표 3. 2. 1] 기존 후처리 방법과 준 실시간처리 방법 비교 ...93
• [표 3. 2 .2] 자료처리 전략 및 사용된 주요 모델 ...96
• [표 3. 2. 3] NEQ 조합방법과 Sliding Window 방법 결과의 통계 요약. 는 상관성 그래프의 기울기, 는 세로축 절편이고, STD는 잔차의 표준편차를 나타냄 ...103
• [표 3. 2. 4] 기존 GPS 후처리 방법과 준 실시간처리 방법 비교 ...104
• [표 3. 2. 5] 후처리와 준 실시간 처리결과의 계절별 ZTD 및 가강수량 차이 표준편차 비교 ...108
• [표 3. 2. 6] 속초관측소 GPS 자료처리 결과와 라디오존데 결과 비교 ...112
• [표 3. 2. 7] 웹서비스 구축 단계별 특징 ...132
• [표 3. 3. 1] WRF-ARW 모델설계 ...146
• [표 3. 3. 2] 발생 가능한 경우의 수 ...153
• [표 3. 3. 3] 영역 3의 규준실험과 GNSS 가강수량 자료동화실험의 12시간누적강수량에 대한 각 Threshold별 Threat score ...154
• [표 3. 3. 4] 2007년 속초의 라디오존데와 GNSS 가강수량간의 표준편차 및 바이어스 ...165
• [표 3. 3. 5] 안개시 고려되는 효과. GNSS에 의해 인지(O), 불인지(X). 서울(S), 목포(M), 속초(K) ...174
• [표 4. 1. 1] 연구개발 목표 및 달성도 ...178
• [표 6. 1. 1] 해외과학기술 수집내용 ...184
• [그림 1. 3. 1] 연구개발의 추진체계 도식도 ...23
• [그림 1. 3. 2] 연구개발의 비전 ...24
• [그림 2. 1. 1] 한국천문연구의 GNSS 관측망 및 GNSS 가강수량 웹서비스 ...26
• [그림 2. 1. 2] 서울대학교 GNSS 관측소 ...27
• [그림 2. 1. 3] 인하대학교 GNSS 관측소 ...28
• [그림 2. 2. 1] NOAA/GSD의 지상기반 GNSS 기상 관측소 분포 ...30
• [그림 2. 2. 2] 허리케인시즌 동안의 수증기량 분포 ...31
• [그림 2. 2. 3] NOAA/GSD에서 수행되는 지상GNSS 관측망관측부터 대기모델로의 자료화까지 자료처리 및 배포 과정 ...31
• [그림 2. 2. 4] GPS NRT 네트워크와 강수관측분포 ...33
• [그림 2. 2. 5] GNSS 가강수량사용여부에 따른 강수예측성 비교 ...34
• [그림 2. 2. 6] 독일 GFZ의 GASP 지상기반 GNSS 네트워크 ...35
• [그림 2. 2. 7] GEONET 관측소 분포 ...37
• [그림 2. 2. 8] 5분간의 GPS데이터를 GIPSY로 처리하여 하루 동안의 가강수량 변화 ...37
• [그림 2. 2. 9] 일본 기상청의 GPS 가강수량의 기상수치예보모델 자료동화 실험 ...38
• [그림 2. 2. 10] GPS Tomography를 이용한 뇌우의 수증기량 3D구조 ...38
• [그림 2. 2. 11] 지구 대기에 의한 GPS 신호 엄폐 ...39
• [그림 2. 2. 12] 저궤도위성 GPS 전파신호엄폐를 이용한 대기의 평균온도(zonal average) 분포 (a)는 2007년 3월 1-7일간의 기온 평균치로서 위도 10도, 고도 1km의 해상도, (b)는 표준편차 ...40
• [그림 2. 2. 13] CHAMP와 GRACE를 이용한 수증기량 분포도 ...40
• [그림 2. 2. 14] CHAMP와 GRACE를 이용한 중력잘 분포도 ...41
• [그림 3. 1. 1] 한국천문연구원의 GPS 기준국 분포 ...44
• [그림 3. 1. 2] 한국천문연구윈 본원에 설치된 기상장비(MET3) ...45
• [그림 3. 1. 3] 서울기상청내의 GPS 기준국과 고흥 우주센터내의 GPS 기준국에 설치된 기상장비 (MET3A) ...45
• [그림 3. 1. 4] 제주 탐라대학교내의 GPS 기준국과 속초기상대내의 GPS 기준국에 설치 기상장비 (MET3A) ...46
• [그림 3. 1. 5] 밀양기상관측소내의 GPS 기준국과 목포기상대내의 GPS 기준국에 설치된 기상장비(MET3A) ...46
• [그림 3. 1. 6] 보현산천문대 1m 망원경동 옥상과 소백산천문대 건물 외벽에 설치된 기상장비 (MET3A) ...47
• [그림 3. 1. 7] GPS 장비와 기상장비 및 엑세사리 ...49
• [그림 3. 1. 8] GPS 수신기와 MET3A 연결구성 ...50
• [그림 3. 1. 9] 기상장비(MET3A)와 Trimble NetRS 연결 ...51
• [그림 3. 1. 10] 기상데이터를 얻기 위한 GPS 수신기 내부셋팅 ...51
• [그림 3. 1. 11] 독일 BKG에서 제시한 향후 이중주파수 GPS 수신기 데이터 활용전망 ...53
• [그림 3. 1. 12] 독일 BKG의 NTRIP 기준국정보 (출처:http://igs.bkg.bund.de/) ...53
• [그림 3. 1. 13] 한국천문연구원의 GPS 데이터 및 기상정보 수집체계 ...54
• [그림 3. 1. 14] 시리얼 통신을 이용한 기상장비 제어 프로그램(좌) 및 GPS 데이터 자동.수집 변환프로그램 ...55
• [그림 3. 1. 15] RINEX 형태 (.m)로 변환된 기상정보 ...56
• [그림 3. 1. 16] RINEX m파일에 기록된 정보 내용 ...56
• [그림 3. 1. 17] 임의의 GPS 기준국에서의 일일 기상변화 (a)기압, (b)상대습도, (c)온도 ...57
• [그림 3. 1. 18] 기압 변화에 따른 대류층 지연 영향 분석 ...58
• [그림 3. 1. 19] 대기지연의 원인 ...59
• [그림 3. 1. 20] 상층대기에 의한 GPS 신호지연 개념도 ...60
• [그림 3. 1. 21] 고도각에 따라 변하는 대류층 지연량 ...61
• [그림 3. 1. 22] 대류층 신호지연의 기하학적 모형 ...67
• [그림 3. 1. 23] Bernese S/W를 이용한 GPS 가강수량 생성 순서도 ...71
• [그림 3. 1. 24] 각각의 위성 방향의 신호를 사상함수를 통해 천정방향으로 투영 ...73
• [그림 3. 1. 25] 고도각 변화에 따른 각 사상함수의 변화 ...76
• [그림 3. 1. 26] NGS에서 상대 PCV를 결정하기 위한 방법(Mader, 1999) ...78
• [그림 3. 1. 27] 전자기파 무반향실에서 절대 PCV를 결정하는 방법(Gorres, Campbell & Siemes 2006) ...80
• [그림 3. 1. 28] 야외 절대측정을 위한 로봇의 모습. (a)와 (b)는 과거에 사용한 로봇이 (c)는 현재 사용하는 로봇 (http://www.ife.uni-hannover.do) ...81
• [그림 3. 1. 29] Block II GPS 위성의 안테나 구성 (Degnan & Pavlis 1994) ...83
• [그림 3. 1. 30] GPS 망의 관측소와 기선 DAEJ(대전), SUWN(수원), BJFS(베이징), WUHN(우한) ...85
• [그림 3. 1. 31] 각 관측소별로 상대 PCV와 절대 PGV를 적용한 결과의 차이. X축의 E,N,U는 각각 동쪽, 북쪽, 수직방향을 의미하고 Y축의 차이는 min 단위임. 각 점의 오차막대는 31일 간의 결과의 표준편차를 의미함. (a), (d)는 베이징과 우한의 레이돔을 고려하지 않은 결과, (b), (e)는 베이징과 우한의 레이돔을 고려한 결과, (c)는 수원의 레이돔을 고려하않은 결과를 나타냄 ...87
• [그림 3. 1. 32] 사용된 관측소와 기선. DAEJ(대전), BHAO(보현산), SBAO(소백산), SKCH(속초), MKPO(목포), YOSU(여수), JEJU(제주) ...89
• [그림 3. 1. 33] 한국천문연구원 관측망에 대해 각 관측소 별로 상대 PCV와 절대 PCV를 적용한 결과의 차이그림. 사용 단위와 축 설명은 그림 6과 동일함. (a) 보현산, (b) 소백산, 속초, (d) 목포, (e) 제주, (f) 여수 ...90
• [그림 3. 2. 1] Sliding Window 방법 개념도 ...94
• [그림 3. 2. 2] NEQ 방법 개념도 ...95
• [그림 3. 2. 3] NEQ를 이용한 가강수량 비교. (a)부터 (f)까지 보현산, 대전, 제주, 목포, 소백산, 속초 관측소. 파란실선은 기준 가강수량, 녹색은 24시간 이용, 적색은 18시간 이용, 하늘색은 12시 간 이용한 결과임 ...97
• [그림 3. 2. 4] Sliding Window를 이용한 가강수량 비교. (a)부터 (f)까지 보현산, 대전, 제주, 목포, 소백산, 속초 관측소. 파란실선은 기준 가강수량, 녹색은 24시간 이용, 적색은 18시간 이용, 하늘색은 12시간 이용한 결과임 ...98
• [그림 3. 2. 5] NEQ 조합방법 결과의 기준 가강수량과 상관성 비교. 좌측의 (a), (c), (e) 그림은 각각 24시간 18시간 18시간 결과의 상관성 결과이고, 우측 (b), (d), (f) 그림은 결과의 잔차를 나타냄 ...100
• [그림 3. 2. 6] Sliding Window방법 결과의 기준 가강수량과 상관성 비교. 좌측의 (a), (c), (e)그림은 각각 24시간 18시간 18시간 결과의 상관성 결과이고, 우측 (b), (d), (f)그림은 결과의 잔차를 나타냄 ...101
• [그림 3. 2. 7] 기존 GPS 후처리와 Sliding Window방법 비교. 시간의 흐름은 왼쪽에서 오른쪽 방향임 (a) 기존 GPS 후처리방법. (b) Sliding Window 방법 ...104
• [그림 3. 2. 8] 사용된 GPS 상시관측소. $\blacksquare$는 IGS 관측소, $\bullet$는 일반 상시관측소 ...106
• [그림 3. 2. 9] 속초 GPS ZTD의 계절별 비교. (a) 1월, (b) 4월, (c) 7월, (d) 10월. 가로축은 시간, 세로축은 후처리 결과와 준 실시간처리 결과 간의 차이를 나타냄 ...107
• [그림 3. 2. 10] 목포 GPS ZTD의 계절별 비교. (a) 1월, (b) 4월, (c) 7월, (d) 10월. 가로축은 시간, 세로축은 후처리 결과와 준 실시간처리 결과 간의 차이를 나타냄 ...108
• [그림 3. 2. 11] 후처리방법(POST)과 준 실시간(NRT) 가강수량 비교. (a) 속초관측소, 목포관측소, 가로축은 후처리방법, 세로축은 준 실시간 처리방법 결과 ...109
• [그림 3. 2. 12] 속초지역 라디오존데와 GPS 가강수량 비교. 가로축은 라디오존데, 세로축은 GPS 가강수량. '+'는 일별 후처리결과, '${\cdot}$'은 준 실시간 처리결과, 실선과 점선은 각각 후처리 결과와 준 실시간 처리결과의 전형회귀선 ...111
• [그림 3. 2. 13] 디렉토리 구조 ...114
• [그림 3. 2. 14] 자동화 개념도 I ...116
• [그림 3. 2. 15] GPS 가강수량 생성 자동화 개념도 ...117
• [그림 3. 2. 16] 후처리 메인 스크립트(dailyrun.sh) ...119
• [그림 3. 2. 17] 준 실시간처리 메인 스크립트(RUN30) ...120
• [그림 3. 2. 18] 준 실시간처리 주요 스크립트(dntr_nrt.sh) ...121
• [그림 3. 2. 19] 준 실시간처리 주요 스크립트(prep_nrt.sh) ...122
• [그림 3. 2. 20] 준 실시간처리 주요 스크립트(aftr_nrt.sh) ...123
• [그림 3. 2. 21] RINEX 관측파일 예제 ...125
• [그림 3. 2. 22] RINEX 기상관측 파일 예 ...126
• [그림 3. 2. 23] ZTD 산출 결과파일 예 ...127
• [그림 3. 2. 24] 자료처리 결과 예 (DA2파일) ...128
• [그림 3. 2. 25] 자료처리 결과 파일 예 ...129
• [그림 3. 2. 26] 웹서버 업로드용 결과파일 예 ...130
• [그림 3. 2. 27] 웹서버 업로드용 라디오존데 결과 파일 예 ...131
• [그림 3. 2. 28] 준 실시간 가강수량 정보제공서비스 초기화면 ...133
• [그림 3. 2. 29] 대전 GPS 관측소를 클릭한 경우 화면 ...134
• [그림 3. 2. 30] GNSS 가강수량을 클릭한 경우 ...135
• [그림 3. 2. 31] 결과비교 그림 ...136
• [그림 3. 3. 1] 강수집중시간(2007년 7월 9일 12~10일 12UTC)에 대한 기상청 AWS(자동기상관측소)의 강수량(mm) 분포. (a)12시간 누적강수량, (b)24시간 누적강수량 ...139
• [그림 3. 3. 2] 강수집중시간(2007년 7월 9일 12~18UTC)에 대한 기상청 AWS(자동기상관측소)의 시간당 누적 강수량(mm) 분포. (a)12~13UTC, (b)13~14UTC, (c)14~15UTC, (d)15~16UTC, (e)16~17UTC, (f)17~18UTC ...140
• [그림 3. 3. 3] 기상청 지상분석일기도, (a) 2007년 7월 9일 00UTC, (b) 10일 00UTC ...142
• [그림 3. 3. 4] 강수집중시간(2007년 7월 9일 00~10일 00UTC)의 광주 라디오존데 자료의 연직 상당온위(보라색), 가강수량(파란색) 및 바람 분포 ...143
• [그림 3. 3. 5] 2007년 7월 8일 00UTC~10일 00UTC 48시간 시간당 누적강수량 및 GNSS 가강수량(PWV) 분포(mm). (a)대전, (b)여수 ...145
• [그림 3. 3. 6] (a) 수치예보모델의 각 영역(1, 2, 3), (b) 영역 3에서 한국천문연구원(빨간색)과 국토해양부(파란색)의 GNSS 상시 관측소 분포 ...147
• [그림 3. 3. 7] 선정된 사례(2007년 7월 9일)에 대한 규준실험 영역 3에서의 시간당 누적 강수량(mm) 분포(빨간색 점 : 대전지역 표시). (a)12~13UTC, (b)13~14UTC, (c)14~15UTC, (d)15~ 16UTC, (e)16~17UTC, (f)17~18UTC ...148
• [그림 3. 3. 8] 선정된 사례의 각 영역별 규준실험과 GNSS 가강수량 민감도 실험 모식도 ...150
• [그림 3. 3. 9] 규준실험과 GNSS 가강수량 동화시 초기(2007년 7월 9일 12UTC) 가강수량 차이, (a)규준실험-천문연 관측소 자료동화, (b)규준실험-천문연 및 국토해양부 관측소 자료 동화 ...151
• [그림 3. 3. 10] 선정된 사례(2007년 7월 9일)에 대한 GNSS 가강수량 자료동화실험 영역 3에서의 시간당 누적 강수량(mm) 분포(붉은 점 : 대전지역 표시). (a)12~13UTC, (b)13~14UTC, (c)14~15UTC, (d)15~16UTC, (e)16~17UTC, (f)17~18UTC ...152
• [그림 3. 3. 11] 2007년 7월 9일 12~18UTC에서 CTL과 GPS 가강수량 자료동화실험의 6시간 누적강수량 차이. (a)천문연GPS동화-CTL, (b)전체(천문연+국해부)GNSS동화-CTL ...155
• [그림 3. 3. 12]. 2007년 7월 9일 시간별(12~18UTC) GNSS 가강수량 자료동화실험과 CTL 강수량 차이 ...156
• [그림 3. 3. 13] 2007년 7월 9일 시간별 규준실험과 전체(한국천문연구원+국토해양부) GNSS 가강수량 동화실험의 상당온위(등온선)와 연직바람(화살표) 분포의 남북방향 단면도. (a)연직단면 표시선, (b)규준실험(12UTC), (c)규준실험(18UTC), (d)전체GNSS동화(12UTC), (e)전체 GNSS동화(18UTC) ...158
• [그림 3. 3. 14] 복사안개의 생성순서 및 원리 ...161
• [그림 3. 3. 15] 이류안개의 생성순서 및 원리 ...162
• [그림 3. 3. 16] GNSS를 이용한 안개탐지 원리 ...162
• [그림 3. 3. 17] 벌크 물-연속모델에서의 대기수상의 상변화 ...163
• [그림 3. 3. 18] (a) 2007년 속초 라디오존데 및 GNSS 가강수량 시계열, (b) 라디오존데 및 GNSS 가강수량 차이의 시계열 ...164
• [그림 3. 3. 19] GNSS를 이용한 안개탐지를 위한 대기조건을 가정한 그림 ...167
• [그림 3. 3. 20] 선정된 안개사례의 대표적인 기압배치 및 850hPa에서의 수증기속 유입 ...168
• [그림 3. 3. 21] 2007년 8월 2일 00UTC부터 4일 00UTC까지 목포관측소의 (a)시정, 온도 및 상대습도 시계열, (b) GNSS 연직누적수증기량 및 상대습도 시계열 ...169
• [그림 3. 3. 22] 2007년 8월 2일 12UTC부터 3일 06UTC까지 목포관측소 GNSS 가강수량과 WRF모델에서 산출한 가강수량 시계열 비교 ...171
• [그림 3. 3. 23] 2007년 6원 25일 00UTC부터 27일일 00UTC까지 목포관측소의 (a)시정, 온도 및 상대습도 시계열, (b) GNSS 연직누적수증기량 및 상대습도 시계열 ...172