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민영 승
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1 기상연구소기상레이더활용연구 오성남 기상연구소원격탐사연구실 006 년 월 6 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

기상레이더활용기술개발및예보기술향상 연구용레이더관측및운영 초단시간강수예보시스템 VSRF

2 I. 연구개요 남서해안동하계악기상집중관측 학연관공동집중관측실시악기상감시및분석기술개발레이더보조관측장비도입 레이더바람장산출시스템 고해상도의 3 차원바람자료산출고층바람정보제공 레이더 -AWS 강우강도시스템 RAR 고해상도정량적강수량자료산출집중호우및소낙성강우에대한정량적평가 기상레이더활용기술개발및예보기술향상 연구용레이더관측및운영 초단시간강수예보시스템 VSRF 6 시간이내의단시간강수예측장산출모델의스핀 - 업문제점보완 레이더운영 유지를위한최적환경구축악기상분석을위한관측자료생산 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

3 II. 남서해안동하계악기상집중관측 집중관측목적 악기상감시및분석기술개발 정량적강수량추정및초단시간예보기술개발 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

4 집중관측지역특성 겨울철 : 폭설, 한파 한반도의남서해안은악기상의길목에위치 겨울철 : cp 확장에의한폭설과한파 여름철 : 태풍, 장마전선, 중규모대류 복합체등과같은악기상 무안연구용레이더관측소 KEOP 사업과연계집중관측의적지 해남 KEOP 관측소 여름철 : 태풍, 장마전선, MCS 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

기상연구소 X-band 기상레이더 RHI scan 연직단면관측 Height [km] 0 8 6 4 0 8 6 0.5.0.5.0.5 3.0 3.5 4.0 5.0 6.

0 Range vs Height RHI : 30 RHI : 57 - 강수연직구조파악 - 관측주기 : 0 분 Volume scan 0.5 35.

5 기상연구소 X-band 기상레이더 RHI scan 연직단면관측 Height [km] Range vs Height RHI : 30 RHI : 57 - 강수연직구조파악 - 관측주기 : 0 분 Volume scan 관측고도각 : 강수 9 - 비강수 0 -최대관측반경 : 75 km -최대관측시선속도 : 3.4 m/s -자료해상도: 시선성분 50 m 방위각성분 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍 Range [km]

6 집중관측및관측기기 006 년특별관측기간 006 년동계남서해안악기상공동관측 006 년 월 일 월 8 일 기압골통과에따른강우관측 월 4 일, 5 일 006 년하계남서해안악기상공동관측 006 년 6 월 0 일 7 월 9 일 목적 : 레이더반사도와관측기기간의비교, 관측기기간의검증 방법 : 분주기로목포방향 RHI 관측 관측사례명관측기간사례설명 일누적강수량 mm 운남목포해남 KEOP-006A0 6월 일 KEOP-006A 7월 일 화중지방에서발달한장마전선에동반된강수시스템 KEOP-006A 7월 4일 KEOP-006B0 6월 5일 화남지방에서발달한장마전선에동반된강수시스템 KEOP-006B 7월 일 KEOP-006C0 7월 8-9일 태풍 에위니아 전면수렴대에서동반된강수시스템 KEOP-006D0 7월 0일 태풍 에위니아 에동반된강수시스템 관측기기 무안기상대 : 연구용레이더, Radiosonde 동계 운남면사무소 하계 : 강우레이더, 0. mm 우량계 해남관측소 : 윈드프로파일러, 오토존데, 광학강우강도계, 강우레이더 목포기상대 : 광학강우강도계, 광학디스트로메터, 강수 설 량등관측 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

7 동계집중관측 06UTC 5 FEB. 일기도 06UTC 5 FEB 적외영상 006 년 월 5 일 3 7 시 해남일강수량 : 5.0 mm 4 일,.0 mm 5 일 남쪽저기압과북쪽고기압에의한수렴대 적외및레이더영상에서비구름대관측 MRR 에의한겨울철강우의연직구조관측 약 800 m 부근에녹는고도존재 5 시 30 분경갑자기녹는고도사라짐 남서기류와북서기류의불연속면으로추정됨 06UTC 5 FEB. 레이더영상 MRR 영상 MRR DSD 분포 Melting Laer 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

8 하계집중관측방법및관측기기 ORG Optical Rain Gauge - X-band Doppler Radar - MRR KNU -MRR 무안 -MRR -ORG - PARSIVEL 운남 목포 운남운남목포목포해남해남 MRR Micro Rain Radar -MRR -ORG - PARSIVEL plan - Autosonde - Wind profiler 해남 006 하계레이더집중관측 - 무안레이더 : 목포방향 RHI 관측 분주기 - 운남면사무소옥상 : MRR, 우량계설치 - 목포기상대노장 : 0. mm 우량계설치 PARSIVEL Optical Disdrometer 006 하계레이더집중관측목적 - 지상관측자료와레이더관측의비교 - 연직단면관측을통한강수시스템의연직구조분석 - 지상강우레이더와비교한연직특성파악 006년 월 6일 ~ 8일제7회레이더워크숍

9 관측기기 Optical Rain Gauge ORG 목적 : 강우량측정 특성 : 강우강도및강수타입분류 Performance Specification Rain Dnamic Range Rain Accumulation Rain Accurac Rain Resolution 0. to 500 mm/hr 0.00 to mm 5 % Accumulation 0.00 mm Micro Rain Radar MRR 목적 : 연직강우특성측정 특성 : 레이더반사도, 강우입자낙하속도, 액체수함량, 입자크기분포 Specification Frequenc 4 GHZ K-band Averaging interval 60s Height resolution 50 m Number of range gate up to 30 Accurac 0.0 mm/h Particle Sie and Velocit PARSIVEL 목적 : 강수입자크기분포측정 특성 : 낙하속도에따른강수입자형태를구분, 강수입자의크기, 낙하속도, 개수측정 Measuring Range Particle Sie of Fluid Precipitation Particle Sie of Solid Precipitation Particle Speed Optical Laser Wavelength Rain Rate Range 0. ~ 5 mm 0. ~ 5 mm 0. ~ 0 m/s 650 nm 0.00 ~ 00 mm/h 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

10 하계집중관측결과 층운형 Unnam Mokpo Haenam Melting Laer 대류형 Unnam Mokpo Haenam 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

11 관측기기간의검증 : AWS, ORG, MRR, PARSIVEL Dail rainfall 006 년 6 월 일강우사례 일강수량 : 목포 [64.5 mm], 해남 [56.0 mm] 목포 : 64.5 mm/da 운남 : 6 mm/da 해남 : 56.0 mm/da 우량계의분해능이 0.5 mm 이므로 30 분이상누적강우강도를비교 Rainfall mm 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍 Accumulated rainfall 30-min at Mokpo June, Time hour AWS_metri 0. mm AWS_kma 0. mm AWS_kma 0.5 mm ORG PARSIVEL MRR 00 m

12 관측기기간의검증 : AWS, ORG, MRR, PARSIVEL 006 년 6 월 일강우사례 일강수량 : 목포 [64.5 mm], 해남 [56.0 mm] Accumulated rainfall 30-min at Mokpo June, 006 Accumulated rainfall 30-min at Mokpo June, 006 AWS / ORG / PARSIVEL / MRR mm AWS_kma 0. mm AWS_kma 0.5 mm ORG PARSIVEL MRR 00 m AWS / ORG / PARSIVEL / MRR mm AWS_kma 0. mm AWS_kma 0.5 mm ORG PARSIVEL MRR 00 m AWS_metri 0. mm 006년 월 6일 ~ 8일제7회레이더워크숍 강우강도순으로소팅 AWS_metri 0. mm -> 각장비들간의측정시간이다르기때문에측정시간에서오는오차를줄이기위함

13 남서해안동하계악기상집중관측결과 AWS 우량계는분해능이 0.5 mm 이기때문에 30 분이상의누적강우강도값과다른측정기기값과비교 각관측기기의측정된강수량값의비교 MRR > ORG > PARSIVEL > AWS 우량계 PARSIVEL 광학디스트로메터, ORG 광학강우강도계, MRR 소형강우레이더 는대체적으로 0.97 이상의높은상관도를가짐 광학및 MRR 장비는 AWS 에비하여약 0-0% 정도과대관측 바람이없는경우잘일치함 바람이 5 m/s 이상인경우 0% 정도과대관측 5 분, 30 분, 시간누적강우비교 대체적으로 부근의높은상관도 Fitting 이후표준오차는 mm 부근 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

14 III. 레이더바람장산출알고리즘개발 목적 레이더에서관측된시선방향의속도성분을 u,v 바람성분으로변환 방법 Velocit Aimuth Displa VAD - 레이더관측소에대해연직으로각층의바람성분을생산 Volume Velocit Processing VVP - 레이더관측반경내의각층의각격자에대한바람성분을생산 Dual Doppler radar snthesis method - VVP 보다해상도가높은바람자료를생산 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍 VADGeometr V θ = V cosα cos φ θ + V V R R θ = = usinθ cosα + vcosθ cosα + w n h Fourier Series a i= a + i f i= i n p u = u0 + u + u + higher order terms v = v + v + v + higher order terms a θ i 0 cosiθ + a f sinα i+ sinα sini + θ

VAD 사례분석 : 006 년 월 4 일 0 LST 신의주지역에위치한저기압골의영향을받음 일강수량 : 해남 5.0 mm 0 ~ 07 LST Wind direction from sonde [deg] 70 60 50 40 30 0 0 00 R =0.

8 Windprofiler 와풍속비교 5 5 0 5 0 5 30 35 Wind Velocit from radar [ms - ] 6000 6000 5000 Radar Autosonde Wind Profiler 5000 radar autosonde wind

15 VAD 사례분석 : 006 년 월 4 일 0 LST 신의주지역에위치한저기압골의영향을받음 일강수량 : 해남 5.0 mm 0 ~ 07 LST Wind direction from sonde [deg] R =0.90 windprofiler 와풍향비교 Wind direction from radar [deg] Wind Velocit from sonde [ms - ] R =0.8 Windprofiler 와풍속비교 Wind Velocit from radar [ms - ] Radar Autosonde Wind Profiler 5000 radar autosonde wind prfiler Height [ m ] 3000 Height [ m ] Wind Direction [ deg ] Wind Velocit [ ms - ] 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

16 VVP 선행연구 Waldteufel and Corbin, 979 Koscieln et al., 98 VVP 방법이론 V r,, V r r V00,0,0 = P T K m m + ε V r : 레이더시선속도 P m : 기하학적변수 = r cosα cosφ = r cosα sinφ K m : 바람장변수 = r sinα Є : 오차항 r r r r r V V V V,, = V 00,0, ' ˆ ' ' V r = V r ˆcos i α sinφ + j cosα cosφ + kˆsinα ' cosα sinφ ' ' u0 cosα cosφ ' ' ' v0 cosα r cosα cosφ sinφ 0 cosφ + 0 sinφ / ' ' u + v cosα r cosα sinφ 0sinφ ' ' u cosα r cosα cosφ 0cosφ ' v ' ' r cosα cosα r sinα 0sinφ K = = u, a P e ' v ' ' r cosα cosα r sinα 0cosφ a w e 0 ' sinα ' w ' ' r cosα sinα r sinα w 0 ae ' ' w sinα r cosα sinφ 0 ' ' sinα r cosα cosφ 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

17 VVP 사례연구 : 004 년 6월 9 일 LST 무안레이더 vs. 해남윈드프로파일러 남동 -> 남 -> 남서 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

18 이중도플러레이더를이용한바람장산출 Precipitation particle,, V - V V R R Radar,,,, :,, : Radar,, : Radar V : Radar V : Radar R : Radar R : Radar V T : O Radar,, using Cartesian components - - V V R i = = = R R [ u + v + w + V ] [ u + v + w + V ] [ + + ] / i i i t t 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

19 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍이중이중도플러도플러레이더를레이더를이용한이용한바람장바람장산출산출 ] [ ] [ 4 3 C V RV R V C C V R V RV C t t t t t t t t t t = = = = / ] [ : 0.75 : 3.8 : snow rain snow rain rain snow t t t t t V V V Snow Rain Z V Rain Z V Snow + = + = = + Horiontal windu,v, = = t Vertical air velocitw, if atmosphere is non-condensation. Terminal velocitv t from Rogers, 964 d v u w w top top + = 4 3 wc C v wc C u = = using continuit equation using continuit equation Melting laer Rain+snow snow Rain w top = 0 m/s

20 이중도플러합성방법 이중도플러바람장산출과정 이중도플러분석영역합성 Step. 바람장산출에필요한정보및변수산출단계 Step. Sprint & Cedric Program 실행 Step 3. 이중도플러바람장생성및합성 Step 4. 바람장표출및검증 Wind Profiler 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

21 이중도플러합성결과 : 006 년 7월 0 일 태풍에위니아 0400 KST 0600 KST 0800 KST 000 KST 00 KST 400 KST 600 KST 800 KST 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

22 IV. Radar-AWS Rain rate RAR 시스템 목적및선행연구 목적 : RADAR 에의한정확한강우강도산출 -Z=00R.6 레이더반사도로부터강우량산출 Marshall and Palmer, 레이더반사도에우량계강우강도로 WPMM으로 Z-R 계수를보정한강우강도추정 Rosenfeld et al., WPMM 이론을이용한실시간 Z-R 관계식산출및 C 밴드와 S 밴드레이더에서추정된강우강도의정확성비교 석미경외, JMA: 레이더반사도에 AMeDAS로보정한강우강도산출 Oki et al., 997 레이더 -AWS 강우강도시스템개선 목적 : 레이더자료를이용한실시간정량적레이더강우강도산출 - 방법 : 레이더-AWS 강우강도 Radar-AWS Rain Rate ; 이하 RAR : 레이더 QC 강화 + Rosenfield 방법 WPMM 이론 : Z-R 계수산출 : 국내레이더반사도에적용한시스템 - RAR 검증시스템구축 : 실시간공간분포, 시간분포검증시스템 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

알고리즘을알고리즘을이용한이용한우량계의우량계의강우강도강우강도산출산출 Z 0 ZP Z dz = R0 RP R dr km Space resol.. = km Time resol.

23 RAR 시스템모식도 Window probabilit matching method WPMM km km 격자격자간격의간격의.5.5 km km 고도의고도의각격자반사도각격자반사도 CAPPI CAPPI 산출산출 TRMM-GSP TRMM-GSP 알고리즘을알고리즘을이용한이용한우량계의우량계의강우강도강우강도산출산출 Z 0 ZP Z dz = R0 RP R dr km Space resol.. = km Time resol.. = min. WPMM WPMM 이론을이론을이용한이용한Z-R Z-R 관계식관계식산출 각레이더에레이더에Z-R Z-R 관계식을관계식을적용하여적용하여강우강도강우강도추정추정 한반도한반도영역영역강우강도강우강도합성장합성장산출 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

24 WPMM 적용과정 WPMM 각 0 분자료를이용한 시간누적 Z-R 쌍산출 : 우량계강우강도측정 -9 ~ 0 min. 우량계위치위의반사도 3 km X 3 km 격자에해당하는반사도의최소편차반사도추출 3 반사도및우량계임계치설정 : 0 ~ 60 dbz, 0.5 mm/h 4 반사도자료에 M-P 관계식적용하여초기강수장산출 Yes Z-R 쌍 > 임계치 No Z-R 관계식산출 : 중앙값적합법이용 Z-R 관계식 : 이전시간 Z-R 관계식이용 No 반복회수 > Yes 각레이더에 Z-R 관계식적용하여강우강도산출 dbz 임계치이하무강수처리 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

사례 분석 : 005년 7월 9일 호우 사례 0800-0850 LST : 서해안, 경기,

85 RAR가 M-P relationship 자료의 통계적 결과보다 더 정확함.

25 사례 분석 : 005년 7월 9일 호우 사례 LST : 서해안, 경기, 전라지역 0 mm/h 이상 강수 현상 AWS 시간 누적 강수량 M-P relationship Z=00R.6 레이더-AWS 강우강도RAR 상관계수 : 0.5 상관계수 : 0.68 CSI : 0.69, ACC : 0.75 CSI : 0.83, ACC : 0.85 RAR가 M-P relationship 자료의 통계적 결과보다 더 정확함. RAR가 경기, 전라, 충청 지역 등 한반도 전체의 AWS 관측 강우강도에 더 근접하게 자료 산출함. 006년 월 6일 ~ 8일 제7회 레이더 워크숍

26 검증결과 : 005 년여름철 6,7,8 월 40 Mean Rain-rate 30 RMSE 35 AWS M-P relationship RAR 5 M-P relationship RAR 30 Rain-rate mm/h RMSE mm/h Mean Error mm/h Threshold mm/h ME M-P relationship RAR Correlation Coefficient Threshold mm/h CORR M-P relationship RAR Threshold mm/h Threshold mm/h 임계치 mm/h 에서정량적검즘스코어 AWS 평균강우강도 : 6. mm/h M-P relationship - 평균강우강도 : 3.9 mm/h, RMSE: 6.64 mm/h, ME: -. mm/h, 상관계수 : 0.5 RAR 006년 월 6일 - 평균강우강도 ~ 8일제7회레이더 : 5.50 mm/h, 워크숍 RMSE: 5.66 mm/h, ME: mm/h, 상관계수 : 0.65

27 검증결과 : 005 년여름철 6,7,8 월 Probabilit Of Detection POD BIAS CSI M-P relationship RAR Bias Score M-P relationship RAR Critical Success Inde M-P relationship RAR Threshold mm/h Threshold mm/h Threshold mm/h 임계치 mm/h 에서정성적검증스코어 M-P relationship POD : 0.6, BIAS :.6, CSI : 0.40 RAR - POD : 0.74, BIAS :.46, CSI : 0.43 POD : probabilit Of Detection CSI : Critical Success Inde 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

28 RAR 시스템검증결과 레이더 -AWS 강우강도시스템구축 - 실시간 Z-R 관계식산출및고해상도강우강도추정 사례분석 : 005 년 7 월 9 일 LST - 상관계수 : M-P relationship 0.5, RAR CSI : M-P relationship 0.69, RAR 0.83 검증결과 : 005 년여름철 6, 7, 8 월 - 상관계수 : M-P relationship 0.5, RAR CSI : M-P relationship 0.40, RAR 0.43 RAR 시스템을통한좀더정확한강우강도자료산출. 통계적분석결과 RAR 자료가 M-P relationship 강우강도자료보다더정확함. 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

29 V. 초단시간 강수예보 시스템 VSRF VSRF : Ver Short-Range Forecast of precipitation 강수량 예측 사례: LST 저기압 중심이 한반도를 지나가는 사례 분석장 4 LST 외삽장 3 LST + 6hr hr 3hr 4hr 5hr hr 006년 월 6일 ~ 8일 제7회 레이더 워크숍 병합장 3 LST + 6hr hr 3hr 4hr 5hr hr

30 006 년여름철 6~8 월 검증 CSI 0. mm threshold.0 CSI Critical Success Inde VSRF SRAPS RDAPS Forecast Lead Time hr SRAPS : Short-Range Analsis & Prediction Sstem, 예보연구실 RDAPS : Regional Data Assimilation & Prediction Sstem, 수치예보과 캐나다 MAPLE Turner 등, J. App 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

31 요약. 무안레이더관측소운영레이더운영 유지를위한최적환경구축악기상분석을위한관측자료생산. 남서해안동하계악기상집중관측학연관공동집중관측실시, 레이더보조관측장비도입악기상감시및분석기술개발 3. 레이더바람장산출시스템고해상도의 3 차원바람자료산출, 고층바람정보제공 4. 레이더 -AWS 강우강도시스템 RAR 고해상도정량적강수량자료산출집중호우및소낙성강우에대한정량적평가 5. 초단시간강수예보시스템 VSRF 6 시간이내의단시간강수예측장산출모델의스핀 - 업문제점보완 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

32 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍 감사합니다

33 관측기기간의검증 : AWS vs. ORG 006 년 6 월 일강우사례 일강수량 : 목포 [64.5 mm], 해남 [56.0 mm] Time series Scatter plot Accumulated rainfall 30-min at Haenam June, Accumulated rainfall 30-min at Haenam June, 006 AWS_kma 0.5 mm ORG 6 Rainfall mm ORG mm 4 ORG MRR 00 m Time hour AWS 0.5 mm 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

관측기기간의검증 : Parsivel vs. MRR Rain Intensit mm/h 0 5 0 5 Optical Disdrometer vs. Micro Rain Radar [4 Feb.

Λ = 4.R 0 e 0. ΛD 0 3 4 5 6 7 Falling velocit m/s Rain event 00:30 0:00 LST 4 Februar 006 DSD : 0.

34 관측기기간의검증 : Parsivel vs. MRR Rain Intensit mm/h Optical Disdrometer vs. Micro Rain Radar [4 Feb. 006] Distrometer MRR 00 m MRR 50 m MRR 00 m Reflectivit dbz Rain rate mm/h Liquid water content g/m3 N D = N Λ = 4.R 0 e 0. ΛD Falling velocit m/s Rain event 00:30 0:00 LST 4 Februar 006 DSD : 0. 4 mm distributed N0=6-9*04, Λ=.5 Haeje.5 mm, Mokpo 3.5 mm Time hour N D = N Λ = 4.R 0 e 0. ΛD 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

35 VVP 샘플링과오차와의관계 from Xin and Reuter, 998 Aimuth angle Horiontal wind error Divergence error Radial range Horiontal wind error Divergence error 006 년 월 6 일 ~ 8 일제 7 회레이더워크숍

광덕산 레이더 자료를 이용한 강원중북부 내륙지방의 강수특성 연구

광덕산 레이더 자료를 이용한 강원중북부 내륙지방의 강수특성 연구 Study on the characteristic of heavy rainfall in the middle northern Gangwon Province by using Gwangdeoksan radar data 2004. 12. 10. Fig. 2.2.1 Measurement range of Gwangdeoksan radar site Fig. 2.2.2