초록 ▼

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
성층권 무인기의 항로가 될 한반도와 그 주변, 동아시아 성층권 고도의 기상 특성을 분석하였다. 성층권 변동 특성 분석에 사용된 자료는 ECMWF 재분석자료에서 대기의 역학적, 열역학적 특성을 동시에 설명할 수 있는 잠재와도이며, 등압면 및 등온위면 좌표계의 잠재와도를 사용하였다. 성층권 무인기의 주 항로가 될 한반도 영역은 ECMWF 분석자료를 WRF 전처리 과정을 통해 5km 수평해상도를 가진 고해상도 자료를 2002년부터 2011년까지 6시간 간격 단위의 자료를 이용하여 변동 특성을 조사였다.

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
성층권 무인기의 항로가 될 한반도와 그 주변, 동아시아 성층권 고도의 기상 특성을 분석하였다. 성층권 변동 특성 분석에 사용된 자료는 ECMWF 재분석자료에서 대기의 역학적, 열역학적 특성을 동시에 설명할 수 있는 잠재와도이며, 등압면 및 등온위면 좌표계의 잠재와도를 사용하였다. 성층권 무인기의 주 항로가 될 한반도 영역은 ECMWF 분석자료를 WRF 전처리 과정을 통해 5km 수평해상도를 가진 고해상도 자료를 2002년부터 2011년까지 6시간 간격 단위의 자료를 이용하여 변동 특성을 조사였다.
한반도 영역의 열적 대류권계면의 시간과 계절에 따른 고도가 분석되었다. 이를 동아시아 수평 공간적인 관점에서 살펴보면, 대류권계면의 고도는 저위도에서 높고 고위도로 갈수록 낮아지는 경향을 볼 수 있는데, 완만한 감소가 아니라 우리나라 부근에서 급격히 낮아지는 계단형 구조를 보여준다. 5월 이전에는 낮은 대류권계면 지역에 위치하다가, 6월에는 그 경계가 위치하고, 7-8월에는 높은 대류권계면 지역에 속하게 된다. 역학적 대류권계면 고도는 2 PVU 와 3.5 PVU 값을 대류권계면 기준으로 사용하였다. 2 PVU를 기준으로 하였을 때의 역학적 대류권계면 고도는 열적 대류권계면과 비교했을 때 매우 낮은 고도에 위치를 하였으나 3.5 PVU 기준 역학적 대류권계면은 상대적으로 열적 대류권계면과 일치함을 보였다. 한반도 영역 상공의 성층권 변동 특성 분석을 통해, 최근 2002∼2011년 평균된 온도의 공간 및 양적 분포는 여름철 성층권에서 최저, 겨울에서 최대치를 나타내며, 풍속 또한 계절별 평균 분포가 나타나지만, 10년 기간 내, 극한값을 추출하면, 계절에 상관없이 매우 큰 극한값이 분포하는 변동 특성을 보였다.
성층권 장기체공 무인기에 탑재될 기상센서의 설계를 위해 기상 시뮬레이터가 개발되었다. 기상 시뮬레이터는 WRF 모델을 기반으로 성층권 하부를 충분히 모사할 수 있도록 수평해상도 1km, 연직 90층의 고해상도 모델을 구축하여 사용하였으며 대기 복사는 매 적분시간마다 사용하여 대기에서의 복사과정을 정밀하게 모사하도록 고안하였다. 기상 시뮬레이터를 이용한 레이더 반사도와 적외 휘도온도의 시뮬레이션에서는 호우사례와 태풍사례 모두에서 관측보다 다소 넓게 분포하였으나 관측에서 나타나는 전체적인 패턴은 잘 모사하고 있었다. 라디오미터의 청천대기 복사 시뮬레이션에서는 주파수 별로 대기고도에 반응하는 상태를 확인 할 수 있었으며 저주파는 대기의 하층에 주로 반응하고 고주파는 대기의 상층부에 주로 반응하는 특성을 보였다.
성층권 장기체공 무인기에 장착 될 기상탑재체의 개념설계에서는 기상관측 스캐닝 방법, 운항·상승·하강 동안 탑재체 작동 순서 등 무인기 운영의 작동모드 전반적인 운용 방식들을 정의 하였다. 탑재체의 주 관측기기인 라디오미터는 고도각 스캔과 함께 연속적인 방위각 스캔이 모두 가능하도록 설계 제안 되었다. 비행체의 예상 운항속도와 라디오미터의 지상 관측 크기에 비교하여 방위각 축의 속도는 운영고도에서 약 분당 2회전으로 제안 되었다. 지표에서 고해상도 자료를 얻기 위해 가장 좁은 빔폭의 경우 스캔 방향과 스캔을 가로지르는 방향으로 오버 샘플링 될 것 이다. 고도각 스캔의 경우 간헐적으로 수행 되며 방위각스캔이 주를 이루는 형태의 관측이 될 것이다. 다부처사업의 특성상 기상탑재체는 비행체 체계의 물리/전자적 통합과정이 필요하므로 비행체가 요구하는 요건들을 모두 고려하여 비행체와 탑재체 자체의 운영에 간섭하지 않도록 하여야 한다. 기상탑재체로부터 수집된 자료는 비행체 운영에 필요한 지상통제시스템의 무선전파를 이용하여 자료전송을 하여야 하므로 국방과학연구소의 지상국과 긴밀한 협의가 필요하다.

Abstract ▼

Atmospheric observations at relatively low altitude (〜20km) in HALE UAV enables very high resolution data in entire troposphere in which most weather system resides. This is a multi-disciplinary military-civilian joint project in collaboration between various administrations and organizations. While

Atmospheric observations at relatively low altitude (〜20km) in HALE UAV enables very high resolution data in entire troposphere in which most weather system resides. This is a multi-disciplinary military-civilian joint project in collaboration between various administrations and organizations. While ADD (Agency for Defense Development) leads the whole project with two other national institutes, NIMR is responsible for development of an atmospheric instrument. We aim it to operate for 3 days during which she flies at around 20km without refueling and operates atmospheric payload transmitting real-time observation data to ground. Atmospheric temporal and spatial properties in lower stratosphere were examined over Korean Peninsula and vicinity in East Asia.
Tropopause height is lower in higher latitude and vice versa with sudden drop over Korea. Temporal variations of temperature in lower stratosphere for last 10 years shows lowest in summer. Wind also has spatial variations but there is no seasonal trend over last decade. Microwave radiometer simulator was developed using radiative transfer theory, to support conceptual design of an atmospheric instrument. Clear sky simulation resulted frequency dependent vertical sensitivity: lower frequency tends to be more sensitive in lower atmosphere and vice versa.
Conceptual design of an atmospheric instrument suggests scanning geometry, measurement sequency during take-off and landing, etc. It also includes both azimuthal and zenith scans for the microwave radiometer. Scan rate is determined with respect to the observation footprint and flight speed. As the payload is supported by the aircraft, it is important to work closely between different organizations. High resolution observation from the payload in HALE UAV should improve prediction of torrential rains and tropical storms. In situ measurements in lower stratosphere has only been possible by a couple of leading institutes in the world, which this project will give us unique opportunity leading in this field.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연 구 보 고 서 ... 2
• 목 차 ... 4
• 표 목차 ... 8
• 그 림 목 차 ... 10
• 요 약 문 ... 22
• Summary ... 27
• 제 1 장 서 론 ... 28
• 제 2 장 성층권 기상감시 및 예측시스템 개발 ... 31
• 제 1 절 동아시아 및 한반도 성층권 기상특성분석 ... 31
• 1. 성층권 기상특성 분석 ... 31
• (1) 북반구 중위도 겨울철 성층권 기상특성 분석 ... 32
• (2) 동아시아 성층권 변동 특성 분석 ... 54
• (3) 동아시아 성층권 일규모 잠재와도 유형분석 ... 61
• (4) 대류권계면, 최대풍 고도의 변동성 조사 ... 71
• 2. 한반도 성층권 기상특성 분석 ... 78
• (1) 한반도 성층권 기온, 풍속 및 오존 혼합비 범위 산출 ... 79
• (2) 한반도 성층권 고도별, 계절별 공간분포 산출 ... 84
• 3. 요약 및 결론 ... 90
• 제 2 절 성층권 예측모델 원형 개발 ... 91
• 1. 기상 시뮬레이터 개발을 위한 성층권 예측모델 원형개발 ... 91
• (1) 개요 ... 91
• (2) 국지예보시스템의 성층권 분석 및 예측성능 분석 ... 93
• (3) 기상 시뮬레이터를 위한 성층권 예측모델 원형 개발 ... 96
• 2. 성층권 예측모델 원형의 활용방안 ... 102
• 3. 요약 및 결론 ... 104
• 제 3 장 성층권 장기체공기 기상탑재체 개발 ... 105
• 제 1 절 성층권 기상관측 활용사례 ... 105
• 1. 개요 ... 105
• (1) 성층권 접근 ... 105
• (2) 성층권 기상관측의 특성 ... 107
• 2. 성층권 항공기 ... 109
• (1) 다양한 관측기반 ... 109
• (2) 항공기를 이용한 관측기반 ... 111
• (3) 성층권 무인항공기를 이용한 관측기반 ... 113
• 3. 성층권 무인기 기상센서 ... 117
• (1) 항공기를 이용한 기상관측장비 ... 117
• (2) 성층권 무인기 기상탑재센서 ... 119
• 4. 요약 및 결론 ... 135
• 제 2 절 성층권 무인기 라디오미터 시뮬레이터 ... 137
• 1. 개요 ... 137
• 2. 마이크로파 복사모델 ... 139
• (1) 청천복사 ... 141
• (2) 분자 흡수 ... 145
• (3) 대기입자의 Rayleigh 산란 ... 146
• (4) Mie 산란 ... 148
• (5) 비구형 입자의 산란 ... 151
• (6) 지면 복사 ... 160
• 3. 복사모델의 수치계산 ... 161
• (1) 회절계산 행렬 W의 계산과 역행렬 ... 164
• (2) Mueller 행렬의 계산 ... 165
• (3) Rayleigh와 Mie산란을 위한 β 행렬 ... 166
• (4) 복사모델의 해 ... 167
• (5) 강우를 포함한 β 행렬 연산 ... 168
• 4. 라디오미터 채널선택 ... 169
• (1) 사이드밴드 불균형에 대한 감도 ... 172
• (2) 투과율 ... 173
• (3) 가중함수 ... 174
• (4) 수증기층에 대한 감도 ... 176
• (5) 전체 수증기에 대한 감도 ... 179
• (6) 액체상태의 물, 작은 빙정 입자와 싸락눈 층에 대한 감도 ... 180
• (7) 표면 편광, 복사율과 풍속에 대한 감도 ... 183
• (8) 해빙에 대한 감도 ... 186
• 제 3 절 성층권 무인기 라디오미터 개념설계 ... 188
• 1. 개요 ... 188
• 2. 라디오미터 시스템 성능 ... 189
• (1) 개요 ... 189
• (2) 개념설계 제약조건 ... 190
• 3. 라디오미터 시스템 개념설계 ... 192
• (1) 스캔방식 ... 192
• (2) 주파수 선택 ... 194
• (3) 안테나 설계 ... 197
• (4) 서브시스템 ... 198
• 4. 라디오미터 탑재체 기계적 개념설계 ... 201
• (1) 탄소복합재의 자외선 복사, 응축 그리고 오존의 영향 ... 202
• (2) LUR 부품의 열적 팽창 ... 204
• (3) 전기계통 개념설계 ... 205
• (4) 작동 개념설계 ... 207
• 5. 결론 및 요약 ... 210
• 제 4 장 요약 및 결론 ... 212
• 참고 문헌 ... 214
• 부록 2013년도 학술용역과제 ... 224
• 성층권 장기체공기 탑재용 기상센서 기본설계 ... 227
• 끝페이지 ... 568