大韓環境工學會誌 特輯 - Special Feature - 128~135. 2008. 우리나라의해양기상 / 환경모니터링분야기술현황및전망 윤강훈 한국방재학회부회장 한국건설기술연구원수문연구실 The Present and Future State of National Disaster Prevention System in Korea Kanghoon Yoon Hydrology Research Division, Korea Institute of Construction Technology 1. 서론 * 우리나라는 2007년 12월 7일충남태안앞바다에서발생한유조선허베이스피리트호의 1만5천톤원유유출사고에서나타난바와같이대형해양원유유출사고에대한체계적인해양방재탐사시스템을갖추고있지못하고있으며, 우리나라는아직까지전국적인방재시스템구축보다는부처별로, 지자체별로독자적인방재시스템을구축하려는경향이있다. 이에본고에서는주로해양에서의해양오염을포함한각종대형재난에대비하는해양기상 / 환경모니터링분야에서의우리나라기술현황과향후전망을논하고자한다. 2. 해양기상 / 환경모니터링분야국내기술현황및여건전망 해양은육지와달리관측에있어서원격탐사기법에의지 하는것이일반적이다. 원격탐사기법중최근에급격히 대두하고있는기술로는레이더가있으며, 레이더시스템 의일반적인특성은다음과같다. 레이더는공간을향해전자기파를방사하여물체에의해 반사되어돌아오는파를측정하여물체를탐지한다. 기상 관측용으로쓰이는레이더는물체의반사도, 시선속도, 스 펙트럼을측정하며, 최근에는전자기파의편파성질을이 용하여물체의종류등을구별하기도한다. 이러한레이더 Table 1. 기상청현업용기상레이더특성 E-mail: khyoon@kict.re.kr Tel: 031-910-0279 Fax: 031-910-0251 J. of KSEE / Vol. 30, No. 2, February, 2008
우리나라의해양기상 / 환경모니터링분야기술현황및전망 129 의분류는방사되는전자기파의파장에따라일반적으로 S-band(10 cm), C-band(5 cm), X-band(3 cm) 로나누게되지만, 연구용목적으로구름물리를탐지하기위해서는파장이훨씬적은 Ka-band, W-band를이용하기도하고, 파장에따른전파흡수차이를이용한다중파장레이더를사용하기도한다. 한반도에서운영하는레이더는기상청, 공군, 건설교통부에서각각의목적에맞게운영되고있으며, 그중 Table 1은현재기상청에서운영하는기상레이더의종류및특성을나타내고있다. 무안기상대에있는연구용 X-band 레이더를제외하고는 Table 1에서볼수있듯이주파수대역이 S/C-band 로주로강우측정을위해활용되고있다. 공군의경우 C- band 시스템을중심으로임무에맞게레이더수기를운영하고있으며, 건설교통부도한국건설기술연구원을중심으로강우레이더를이용한홍수예경보시스템에대한연구를하고있다. 이들모든레이더는현재국내자체개발실적이전무하여미국, 독일, 일본, 중국에서전량수입되어운영되고있다. Fig. 1의무안기상대에는현재미국 EEC 사로부터 X- band 이중편파기능을탑재한도플러레이더를설치하여연구용으로사용하고있는데, 폭설등탐지에유리함을연구결과로보여주고있고, 다만이중편파기술이성숙되지않은상태에서도입되어현재로도이분야에대한연구는계속필요한사항이다. 세계적독과점품목인방재목적의레이더는국민의생명과재산을보호하는국가의기본시스템으로서국방장비와같이 200~300% 의비용을지불하더라도자국기술로시스템을구축하는것을원칙으로하는핵심요소기술이다. 기본적으로기술자립을원칙으로하고있으나, 외국기술의도입시에도기술제공국가는원천기술제공을꺼려하기때문에기술적자립화가시급한분야이다. 기상관측용레이더에대한국내학계및연구소의연구개발현황을보면, 주로레이더시스템에산출된자료의처리, 활용등에국한이되어연구되어왔고, 표준화되지않은시스템에따른연구개발의한계에따라원천적으로 국내레이더시스템개발의필요성을지속적으로제기하고있는상태이다. 기상관측이아닌타목적의레이더시스템분야의국내현황을살펴보면, 거의국방과학연구소와 LIG 넥스원, 삼성탈레스, STX 엔진등몇몇대기업방위산업체를중심으로방위시스템기술에국한된레이더연구개발이행하여져왔다. 따라서기상 / 환경모니터링을위한레이더개발현황은거의전무하다고할수있다. 업체에서는코엠정보통신, 제아정보통신등현재운용중인레이더의유지보수를담당하는국내중소기업및해외업체의수입을담당하는국내대리점들만존재하고있다. X-band 이상의주파수를갖은일종의기상레이더로 Fig. 2의 MRR(Micro Rain Radar) 이있는데, 운용주파수는 24.1 GHz로, 소출력 (50 mw) 의 Gunn 다이오드발진기를이용한 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식을이용하고있으며, 독일 METEK사에서수입하여운용되고있다. MRR은강우입자의도플러스펙트라값으로부터입자의크기와개수로부터입자의낙하속도, 반사도, 강우강도를추출하는데, 스캐닝이되지않아고정지점을관측하는용도로쓰인다. 한편, 한국항공우주연구원주관으로개발한 Ka-band 레이더는주목적이전력선탐지등충돌방지기능에있으나, 부기능으로근거리기상상태를관측할수있는기상모드를탑재하게개발되었다. 주파수는 35 GHz를사용하였고마그네트론을이용하여최대출력 2.5 kw이다. 레이더는현재까지기상연구소와함께연구용목적으로강우탐지실험을하고있으며, Fig. 3에서와같이 4개의안테나를스위칭하여강우현상을탐지할수있는기능을보유하고있다. 기상 / 환경모니터링용레이더의국내개발은기술적측면에서충분히가능성이있으며, 다만국내수요만고려하면시장성이적어초기단계의투자가이루어지지못하고있는실정이다. GPM에쓰이는 Ku-band, Ka-band 레이더는또한세계적독과점기업에서도상품으로출시하고있지않기때문에같은주파수레이더를사용하고자할경우, Fig. 1. 무안기상대 X-band 레이더. Fig. 2. 강우레이더 (MRR). 대한환경공학회지 30 권 2 호, 2008 년 2 월
130 윤강훈 Fig. 3. Ka-band 다목적레이더. 반드시개발을하여야하는분야이기도하다. Fig. 4는 Kaband 다목적레이더를이용한강우측정결과를보여주고있다. 마이크로파라디오미터란레이더처럼전자파를방사하여목표물에서반사되는반사파를측정하는것이아닌, 물체에서바로방사되는마이크로파대역의자연에너지 ( 잡음신호 ) 를초광대역, 저잡음, 고감도수신기를이용하여물체의밝기온도 (Brightness Temperature) 를검출하는장치이다. 다채널고감도의마이크로파라디오미터를이용하면, 대기중의밝기온도를측정하여 cloud liquid water 측정, total integrated water vapor 측정을통해강우를예측하여기상예보의정확성을향상시킬수있고, 해양밝기온도를측정하여 sea surface wind speed, sea surface temperature, sea ice and snow cover detection을통해해수온도변화특정을통한해양측정이가능하다. 또한땅의밝기온도를통해 soil moisture, rain rate over land로농작물의작황을예측하고측정함으로써연간강수를예측할수있다. 선진국에서이미기상예측, 해양연구, 환경감시등에폭넓게사용되고있는것에비해국내의연구개발실적은많지않다. 국방용지능탄센서및이미징라디오미터기법을응용하여국방과학연구소를중심으로조금씩연구되고있다. 광주과학기술원에서는수년간영상, 의료등응용을위한마이크로파, 밀리미터파대역의라디오미터시스템을연구해오고있다. Fig. 5는 94 GHz 대역의이미징을위해개발한영상라디오미터의모습을보여주고있다. Fig. 5. W-band 영상라디오미터. Fig. 4. Ka-band 다목적레이더의강우측정. J. of KSEE / Vol. 30, No. 2, February, 2008
우리나라의해양기상 / 환경모니터링분야기술현황및전망 131 Fig. 6. 라디오미터, DREAM. 특히내년발사를목표로하는과학기술위성 2호 (STSAT-2) 에는광주과학기술원에서주관으로개발한대기및지구복사에너지관측용마이크로파라디오미터 (DREAM: Dualchannel Radiometer for Earth and Atmosphere Monitoring) 가탑재되게되어개발이완료되었다. 제작된라디오미터는 23.8 GHz, 37 GHz의이중채널로구성되어있으며 Hot, Cold Source를이용한 On-board Calibration 기능을갖추고있다. 현재열, 진동등환경시험을마치고발사를기다리고있으며, 지구와대기권의수증기양극과구름속의물함유량등수치를측정함으로써과학기술위성 2호의주임무인기상관측수행에핵심적인기능을담당하게된다. 그중 Table 2는 DREAM의기본구성및주요사양이다. 따라서라디오미터의분야의시스템기술은확보하고있다고볼수있으며, DREAM과 W-band 대역의라디오미터기술등을활용하면레이더와함께강우량산정에있어서좋은데이터를산출할수있을것이다. 해양기상관측부이는해양에서기상및해상상황을자동관측하기위한장비로부이 (buoy) 에각종기상관측센서를설치하여무선통신으로육상에실시간으로송수신하는기능을가진해상기상관측장비이다. 또한과거에널리이용 Fig. 7. 해양기상관측부이. 되었던선박에의한해상기상관측을보완하기위한무인 해양기상관측장비이다. 실시간으로수집되는해상기상관측 자료는국지적인해상예보, 기상예보모델및특보발표기 반구축업무에기여하고있다. 기상청에서는현재인천, 목 포, 여수, 통영, 동해부근에해상에고정부이를설치하 여자료를수집하고있다. 3. 해양기상 / 환경모니터링분야국외기술현황및여건전망 해양기상 / 환경을관측하기위한센서는종류나목적에 따라방대하다고할수있다. 하지만, 앞선배경에서와같 이최근의 GPM 프로젝트는세계적연구추세를가장잘 반영하고있다. GPM 의핵심관측기기는 GPM Microwave Imager(GMI) 라디오미터와 Dual-frequency Precipitation Radar(DPR) 레이더로구성되어있다. Fig. 8 은 GPM 의 Swath 측정에대한도식이며, Fig. 9 는위성에서 DPR 의위치이다. Table 2. DREAM 기본구성및주요사양 Parameter Altitude Operation Frequency Bandwidth Antenna Diameter Beamwidth Dynamic Range Radiometric Accuracy Radiometric Sensitivity Antenna Polarization Look Angle Swath Width Specification 300~1500 Km 23.8 GHz, 37.0 GHz 500 MHz 115 mm(23.8 GHz) 58 mm(37.0 GHz) 10 degree(23.8 GHz) 10 degree(37.0 GHz) 3~300 K < 2.0 K < 0.5 K Linear Polarization Down looking 52.5 Km(variable) Fig. 8. GPM Swath 측정. 대한환경공학회지 30 권 2 호, 2008 년 2 월
132 윤 강 훈 Fig. 9. DPR(Dual frequency Precipitation Radar). DPR은 기존 TRMM의 PR(Precipitation Radar)의 업그레 이드 모델로 위성에서 정확한 강우측정을 할 수 있는 레 이더로 Ka-band 레이더를 추가로 삽입시켜 높은 고도에 서 적은 비와 눈의 탐지에 유리하다. 또한 Fig. 10에서 보 는 바와 같이 Ku-band와 Ka-band 사이에서 차등 감쇄 값 (differential attenuation)에 의해 비와 눈을 구별할 수 있 다. DPR의 주요 사양은 Table 3과 같다. Fig. 11. DPR Airborne 프로토타입 실험. DPR은 위성용으로 JAXA 주관으로 개발되고 있지만, 효 용성 검증을 위해 NASA에서는 California Institute of Technology의 Jet Propulsion Lab. 등과 같이 airborne prototype 을 개발하였다. Fig. 11은 신호처리장치, 안테나, 그리고 실 험에 쓰인 항공기를 보여준다. Massachusetts 대학에서는 TRMM, GPM 과의 연계를 고려한 AMFR(Advanced Multi-Frequency Radar)를 개발하 고 있다(Fig. 12, Table 4 참조). DPR의 주파수 외에 Wband 레이더를 포함시켜 보다 정확한 강수 연구를 위해 W-band 사양까지 포함하고 있다. 대기 해양 환경모니터링을 위해 인공위성에서 쓰이는 라 디오미터는 Fig. 13과 같이 여러 주파수대역을 쓰며 종류 도 다양하다. Fig. 14와 Table 5는 GPM에 탑재되는 GMI 라디오미터 의 각 채널 및 쓰이는 주파수대역 및 주요 사양을 보여준 다. Fig. 15 18은 TRMM에 탑재된 라디오미터로 측정한 다양한 지구관측 모습이다. Fig. 10. DPR의 주파수와 강우탐지 범위. Table 3. DPR의 주요 사양 Item KuPR Swath Width 245 kilometers(km) KaPR 120 kilometers(km) Range Resolution 250 meters(m) 250/500 meters(m) Spatial Resolution 5 km(nadir) 5 km(nadir) Beam Width 0.71 degrees 0.71 degrees Transmitter 128 Solid State Amplifiers 128 Solid State Amplifiers Peak Transmit Power 1000 Watts(W) 140 Watts(W) Pulse Repetition 4100 to 4400 Hertz Freq. 4100 to 4400 Hertz Pulse Width two 1.667 microseconds pulses two 1.667 microseconds pulses in matched beams two 3.234 microseconds pulses in interlaced scans Beam Number 49 49(25 in matched beams and 24 in interlaced scans) J. of KSEE / Vol. 30, No. 2, February, 2008 Fig. 12. AMFR 블록 다이어그램.
우리나라의 해양 기상/환경 모니터링 분야 기술현황 및 전망 133 Fig. 13. 위성 탑재 라디오미터 주요 사양. Table 4. AMFR의 주요 사양 Table 5. GMI의 주요 사양 Fig. 14. GMI(GPM Microwave Imager). 대한환경공학회지 30권 2호, 2008년 2월
134 윤 강 훈 Fig. 15. Radiometer 지구관측 모습 A. <Radiometer로 측정한 Global Liquid Water> Fig. 17. Radiometer 지구관측 모습 C. <SSM/I Radiometer로 측정한 Global Cloud Liquid Water in 1999> Fig. 16. Radiometer 지구관측 모습 B. <Radiometer 로 측정한 Global Precipitation> Fig. 18. Radiometer 지구관측 모습 D. <SSM/I Radiometer로 측정한 Sea Surface Wind Speed in 1999> 4. 해양 기상/환경 모니터링 분야 정부지원정책 현황 해양 기상/환경 모니터링 분야의 정부지원정책 현황은 현재 임진강유역 홍수예보를 위한 강우관측용 수문레이더 1기를 Radtec사로부터 도입하여 2000년부터 운영하고 있 으며, 한국건설기술연구원에는 EEC사의 연구용 강우레이 더 1기가 2004년 설치되었으며, 2004년 전국강우레이더 설치 및 홍수 예경보시스템 개선 기본계획이 수립에 관한 연구사업이 시행되어 전국 11개소에 수문레이더를 설치하 여 홍수 예경보 업무를 개선하는 기본계획안이 도출되어 있으나, 해양 기상/분야에서의 레이더 활용에 관한 체계적 인 연구는 현재 과학기술부, 기상청 등이 중심이 되어 통 신해양기성위성을 발사 계획하고 있으며, 해양수산부를 중 심으로 통합 해양방재시스템 기획연구를 완료하고 사업 추진 단계에 있다. J. of KSEE / Vol. 30, No. 2, February, 2008 5. 결론 및 제언 국내의 레이더, 라디오미터 분야에서 기본 시스템 기술 은 확보되어 있기 때문에 기상/환경 모니터링 어플리케이 션에 맞는 시스템 기술이 습득될 경우 세계시장에서 기존 소수국가와 독과점 지위의 경쟁력을 갖출 수 있으며, IT, 통신 기술은 이미 세계적인 기술수준에 올라와 있기 때문 에 컨텐츠와 서비스에 대한 새로운 수요를 창출하는 것도 경쟁력을 가질 수 있는 기회 요인으로 작용할 수 있다. 모니터링 장치개발 시 하드웨어와 소프트웨어에 대한 Calibration 등의 영역에서는 기술력경험과 노하우가 필요 한 분야이기 때문에 단기간 기술 확보를 위해서는 해외협 력 절실 요구되는 분야이며, 상대적으로 높은 주파수 대역 인 Ku-band, Ka-band에 대한 소재 및 부품은 가격이 높 지만, 기술의 발전추이에 따라 점점 가격인하 추세여서 낮은 주파수 대역에 비해 경쟁력이 많이 떨어지지는 않
우리나라의해양기상 / 환경모니터링분야기술현황및전망 135 고오히려안테나의크기를줄여전체적인가격경쟁력을우위에둘수있다. 끝으로시스템기술과함께필요한소재, 부품기술의핵심기술기반은통신시스템등타파급효과를크게가져올수있는분야이므로, 환경방재한분야뿐만아니라국가전체의첨단방재시스템구축차원에서적극적인관심과투자가필요할것으로사료된다. 참고자료 1. 해양수산부, 통합해양방재시스템개발사업기획연구, 11, pp. 57~74(2007). 대한환경공학회지 30 권 2 호, 2008 년 2 월