GK-2A 제4차기상청활용기술기상위성중간보고회사용자컨퍼런스 태풍 해양분야개발현황및향후계획 부산대학교제주대학교한국해양대학교서울대학교 조영헌문일주김형석남성현
GK-2A 후속위성을위한태풍 해양활용연구내용 위성기반태풍위치및강도의객관적분석기술개발 ( 해양대 ) 위성기반태풍발달 / 약화분석및가이던스기술개발 ( 제주대 ) 태풍의주요위험요소 ( 강수, 바람 ) 분석기술개발 ( 제주대 ) 해상풍및 3차원수평바람장분석기술개발 ( 서울대 ) 위성기반해양환경감시및분석기술개발 ( 부산대 ) 2
GK-2A 제4차기상청활용기술기상위성중간보고회사용자컨퍼런스 위성기반태풍위치및강도의객관적 분석기술 해양대학교
목표 : 위성기반태풍자동분석시스템개발 < 입력자료 > GK-2A IR/VIS/SWIR ASCAT Ocean Wind K-ADT < 산출물 > 태풍중심위치 (lat, lon) 태풍강도지수 (T, CI) 태풍최대풍속 (Wmax) 태풍중심기압 (Pmin) 대상영역 : full disk 사용, 태풍활동영역 산출주기 : 10 minute Microwave Image SSMI, AMSR etc Optimal TC Center Fix 각위성자료 ( 다채널, 다위성 ) 에서의태풍중심위치 기계학습기반최적태풍중심위치 대상영역 : 각자료의태풍활동영역 산출주기 : 비정기 ( 위성자료수집시간에의존 )
태풍중심위치분석기술 현재국가기상위성센터사용중인 CIMSS-ADT 태 풍중심추정기술의한계극복을위한기술개발 태풍패턴기반중심분석기술개발 태풍패턴에따른중심분석알고리즘차등적용으로약한태풍이라도위성영상분석을통한중심추정이가능하도록함 눈이있는패턴의경우 Spiral Centering과 Ring Fitting 동시사용 눈이없는패턴 (CDO, Curved-Band, Shear) 의경우 Spiral Centering 만사용 Spiral Centering Score 계산시사용되는상수값최적화 고해상도 GK-2A 자료활용성극대화 분석해상도를 0.1도에서 0.02도로상향 2단계분석과정을 1단계과정으로최적화 짧은시간에태풍진로의심한흔들림발생방지알고리즘 (EXTRP) 적용
태풍의강도지수 중심위치오차를반영한앙상블태풍강도지수 (T,CI) 산출 태풍중심위치에따른강도지수 ADT 에서의태풍의강도지수는태풍의중심위치에민감함 (Curved band 패턴의경우 28km 격자내의중심위치차이에따라 40% 이상 0.5 이상차이 ) 위성영상분석으로부터산출된태풍중심추정오차에따른강도지수의불확실성을최소화하기위해분석된중심위치주변의격자를활용한앙상블태풍강도지수산출 현재중심부근 9 개의격자에서각각강도지수 (T, CI) 를산출하고이를바탕으로앙상블강도지수산출 Final TC Center Ensemble Center 1 Ensemble Center n 시험결과 T# 1 T# n CI# 1 CI# n Ensemble T# and CI# 6
태풍중심기압 / 최대풍속 한국형태풍강도지수 - 중심기압 - 최대풍속변환알고리즘개발 현재국가기상위성센터에서는일본에서개발된태풍강도변환표 (Koba et al.1989) 을사용중. 이변환표는다양한태풍의특성 ( 패턴, 위치, 속도 ) 등을고려하지않음. 태풍의이동속도, 위도, 중심기압편차를이용한변환식을적용 태풍 CI- 중심기압편차 (dp) 변환표개발 태풍최대풍속변환식 (CI, dp, 이동속도, 위도이용 ) 개발 Koba Vmax=1.32*VTC 0.64 +8.569*SQRT(ABS(dP))-0.6644*lat- 0.4558*(dP)-3.350 New 7
최적중심위치 다양한 GK-2A 채널및위성자료를활용한태풍중심위치분석방법개발 ASCAT GK-2A 다채널태풍중심위치 GK-2A 의기본 IR(CH13) 이외의태풍 VIS, SWIR 및타 IR 채널에서의태풍의중심위치산출 앞서개발한패턴기반중심위치산출알고리즘활용 RNN 기계학습기반준실시간최적중심위치산출 다위성태풍중심위치 해상풍이용태풍중심위치산출알고리즘개발 Circular Variance 알고리즘 MW 위성자료활요한태풍중심위치알고리즘도임 ARCHER v2 RNN 기계학습기반비실시간최적중심위치산출 HIMAWARI-8 채널영상별중심위치산출 8
GK-2A 제4차기상청활용기술기상위성중간보고회사용자컨퍼런스 위성기반태풍발달 / 약화분석기술 제주대학교
목표 1: 위성기반태풍강도에영향을미치는열역학적산출물생성 < 입력자료 > SST 북서태평양 (110 o E~170 o E, 5 o N~40 o N) Daily composite Gridded, 5~25km SSHA Global 7-day merged Gridded, 25km 연직수온프로파일 (T) < 최종열역학적산출물 > 해양열용량 (OHC) 수직혼합수온 (T mix ) 태풍최대잠재강도 (MPI) 태풍추가발달강도 (POT) 태풍발달 약화가이던스 대상영역 : full disk 산출주기 : daily 공간해상도 : 25km 수직해상도 : 1 o C (4 o C~29 o C) MLD 110 o E~170 o E, 5 o N~40 o N Monthly climatology Gridded, 25km Upper Air T & H Monthly climatology Gridded, 25km ARGO profile POT=MPI - MWS ( 현재강도 ) OHC MPI T mix T-profile 110 o E~170 o E, 5 o N~40 o N 2000-2014 merged HYCOM-NCODA, NCEP Global 2003-2014, 25km gridded
활용기술의기본개념 인공위성을이용한상층해양수온구조추정원리 +SSHA (η) -SSHA (η) ARGO profile (446,284 개 ) D20 D20 ρ 1 ρ 2 20 o C: 열대해역수온약층중간온도 D20 와 SSHA (η) 관련성 ΔD i = D i - D i, i=29, 28. 4 ΔD i = a(x,y,m,i) η + b(x,y,m,i)
산출물정확도검증결과 관측자료 (ARGO) 를활용한해역별, 시간별연직수온산출값의상세검증 D20(m) D26(m) Corr. RMSE (m) Bias (m) 0.93 12 7 0.76 47 6 0.99 12 4 0.75 106 1 0.97 63-22 0.99 24 3 0.73 78 31 0.99 38-8 0.99 23-1 T100( ) Profiles : 1278 RMSE : 18.89 R : 0.90 Bias : 6.9 OHC Profiles : 1242 RMSE : 21.37 R : 0.81 Bias : 9.5 0.99 31 11 0.99 33 8 0.99 31 13 0.99 26 8 0.99 25 14 0.99 26 4 Profiles : 1359 RMSE : 1.12 R : 0.97 Bias : 0.38 Profiles : 1247 RMSE : 28.84 R : 0.84 Bias : 8.46 D20, D26 : 20,26 깊이온도 T100 (Tmix) : 0-100m 평균수온 OHC(Ocean Heat Content) : 해양열용량 12
목표 2: 태풍강도에영향을미치는역학적산출물생성 <Input Data> < 최종역학적산출물 > 위성기반 3 차원바람장 태풍바람분리 Environmental flow 3 차원태풍배경장 연직쉬어 (VWS) 대기수렴 (Con) 대기발산 (Div) 와도 (Vor) 태풍발달 약화가이던스 110 o E~170 o E, 5 o N~40 o N Daily composite Gridded, 25km + 대상영역 : full disk 산출주기 : daily 공간해상도 : 25km Disturbance Shear Convergence Divergence Vorticity
최종결과물및종합표출방안 ( 가이던스 ) 종합적인표출방안 Guidance 14
GK-2A 제4차기상청활용기술기상위성중간보고회사용자컨퍼런스 태풍의주요위험요소 ( 강수, 바람 ) 분석기술 제주대학교
목표 : 한반도접근태풍의위험요소 ( 강수, 바람 ) 분석기술개발 GK-2A 위성에서산출되는고해상도의실시간강수합성장과바람자료를활용하여한반도에접근하는태풍이과거한반도에영향을미친태풍들과비교하여어느정도 (Percentile) 의바람과강수를동반하고있는지를추정하고이를바탕으로한반도접근시에태풍의영향유형 ( 비태풍, 바람태풍, 비바람태풍 ) 을판단을위한기초자료생성 16
최종결과물및종합표출방안 ( 가이던스 ) RUSA (0215) Precipitation 28N 94%ile 점선 : 1 시간실선 : 1 day 평균 Percentile 32N 28N 최적경로최대풍속 위성추정강수량 32N Wind speed 한반도근접시기 (32N) 강수 (94%ile), 바람 (82%ile) -> 비위험 / 바람위험태풍최적경로최대풍속 Percentile 82%ile 비태풍 바람태풍 위험태풍 81%ile 이상 74%ile 이상 위성추정평균풍속 주의태풍 59~81%ile 57~73%ile 17 17
GK-2A 제4차기상청활용기술기상위성중간보고회사용자컨퍼런스 해상풍및 3 차원수평바람장분석기술 서울대학교
목표 1: 태풍주변해상풍및 3 차원수평바람장산출 < 입력자료 > GK2A 자료 AMV Full disk 1hour Point CTT Full disk 1hour Gridded AMSU 48 km Track ASCAT 25 km Track IR wind.f90 MW wind.f90 MT wind.f90 합성가중치 ( 수평, 수직 ) < 최종산출물 > 태풍주변해상풍및 3 차원수평바람장 고도별수평바람벡터구조 중심통과단면풍속구조 최대풍속반경 (Rmax) 강풍반경 (R15) 폭풍반경 (R25) 대상영역 : 태풍주변영역 (10ºx10º) 산출주기 : 1 hour 공간해상도 : 12 km 수직해상도 : 11 개표준고도
활용기술의기본개념 적외영상기반수평바람장산출 (IR wind) - 최대풍속 (V max ), 최대풍속반경 (R max ), 완화계수 (x) 로부터 1 차원대칭바람장 Modified combined Rankine vortex model V r = V max V r = V max r, r < R R max max x R max, r > R r max AMSU 기반수평바람장산출 (MS wind) - 태풍난핵구조 (warm core) 특성을반영 - 비대칭성분 ( 태풍이동속도 / 배경장 ) 을고려한비대칭 2차원바람장 - 최대풍속반경수직변화율 (S) 을고려한 3차원바람장
산출물정확도검증결과 1 SAR 기반해상풍및 MERRA2 재분석장자료와검증 Case2) TC FITOW
산출물정확도검증결과 2 CIRA 및 MERRA2 재분석장자료와비교 산출물해상풍 (1000 hpa) 2017/08/03, 12:00 TC NALGAE IR wind (KMA 현재현업알고리즘 ) IR wind ( 개발알고리즘 ) CIRA ASCAT MT wind MERRA2
목표 2: FD 영역해상풍및 3 차원수평바람장 < 입력자료 > AMV Full disk 1hour Pont FD wind.f90 < 최종산출물 > FD 영역해상풍및 3 차원수평바람장 (FD wind) 고도별수평바람벡터구조 대상영역 : Full disk 산출주기 : 1 hour 공간해상도 : 24 km 수직해상도 : 11 개표준고도 UM model global 1hour gridded
종합표출방안
GK-2A 제4차기상청활용기술기상위성중간보고회사용자컨퍼런스 위성기반해양환경감시및분석기술 부산대학교
저수온 / 수온변동지수 <Input Data> < 최종산출물 > Full disk 해수면온도편차 저수온 / 수온변동지수 대상영역 : Full disk 산출주기 : daily 자료형태 : gridded 공간해상도 : 4km 대상영역 : 한반도근해 산출주기 : daily 자료형태 : gridded 공간해상도 : 4km Full disk GK2A SST Full Disk Daily composite Gridded, 4km Korea 일해수면온도기후값및 Korea한반도표준편차 DB 근해 <Daily SST Anomaly> < 저수온 / 수온변동지수 > < 표출방안 > 편차의범위표시방법저수온지수고수온지수 1σ<SSTA<2σ 2σ<SSTA<3σ 3σ<SSTA ㆍ + 저수온주의보 저수온경고 Extreme 저수온경고 고수온주의보 고수온경고 Extreme 고수온경고 이상저수온사례 (2011 년 01 월 30 일 ) 26
해양전선 해수면온도장을이용하여산출한해양전선 < 입력자료 > < 해양전선 > 2016 년 5 월 4 일예시 Gradient Magnitude GK2A SST 동아시아최적화 Daily composite Gridded, 4km Fuzzy C-means Clustering Sobel operator 기법을통해산출된수온구배 (Gradient Magnitude, GM) 와 Fuzzy C-means Clustering 기법을사용하여구분된수괴의경계를합성하여해양전선산출 GM 과클러스터경계를합성하여해양전선을산출함으로써뚜렷한전선구분가능 27
연안용승지수 UM 의바람자료를이용하여국지적환경특성을고려한용승지수 (Upwelling age, UA) 산출 관측소해수온관측값 대상영역 : 동해 20 개정점 산출주기 : daily 산출된용승지수의값을활용하여 UA>1 일때용승발생하여냉수대가출현함. 용승이빈번히발생한 S04 와 S10 주변조위관측소의해수온관측값과용승지수간의비교 용승지수가 1 이넘을때수온이크게감소함. 28
latitude latitude latitude 해양에디탐지 < 입력자료 > Global Daily merged SSHA 지형류 Gridded, 25km 단일에디추적결과 Lagrangian Particle Tracking 기법을 활용한에디탐지알고리즘개발 대상영역 : 동해 산출주기 : daily < 입자추적결과 > 타원형태의해양에디를탐지하여 기하학적성분산출 longitude < 표출방안 > longitude longitude 29
latitude Depth 해양에디탐지 : 검증 10 o C isothermal line Example case 입자농도분포 107 106 Korea Ulleung-do 105 104 103 102 208 209 Japan longitude longitude 국립수산과학원에서 2 달간격으로관측하는정선연직수온자료를활용하여산출한 에디의경계값을기준으로에디탐지알고리즘의 threshold 추정요소로활용 30
선박착빙지수 해양표층수온을입력자료로사용하며, 한반도를중심의국지적지역에서최적화된 Bowen Ratio의값을산출 Bowen Ratio의값을기준으로총 5단계로구분하여착빙지수로나타낸다 ( 위험, 경계, 주의, 관심, 정상 ). 위험 경계 주의 관심 정상 산출된착빙지수와기존착빙지수를각각 MODIS-Aqua 이미지와의해빙분포를검증함. Bowen Ratio 를기준으로구분한착빙지수에서는위험을지시함으로써기존사용하고있는 착빙지수보다잘모사하는것으로판단됨. 31
현재까지진행사항및향후계획 현재까지진행사항 태풍해양분야활용기술알고리즘개발, 표준화, 상세검증완료 가이던스개발, 표출방안제안, ATBD 작성 검토위원회국외기술자문 향후계획 알고리즘정확도개선 알고리즘최적화 (I/O 점검, 수행시간체크등 ) 개발된가이던스보완 32
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