기상항공기, 기상레이더등의 공동활용관측전략 장기호 수문자원연구팀 응용기상연구과 국립기상연구소
발표순서 1. 서론 2. 종합관측실험사례 1) 이중편파레이더활용연구 2) 대형타워활용연구 3) 기상항공기활용연구 3. 3차원종합관측전략 ( 안 ) 4. 요약및향후전략 ( 안 )
I. 서론 1. 국내외학계현황 - 국제 : 중대형인프라 ( 항공기, 이중편파레이더, 타워등 ) 를활용한 3 차원관측및실험최근동아시아 : 분야별항공기활용관측기술연구활성화 - 국내 : 인프라부족으로지상관측, 소형원격장비, 소규모항공실험연구 2. 국내정책현황 - 연구용 X- 밴드이중편파레이더도입 : 09.5~ ( 무안설치 ) - 보성 200 m 관측타워시스템진행 : 10 설계, 11 설치 - 연구용항공기우선도입추진 ( 항공기도입기본계획, 기상청관측기반국, 08.7) - 연구용항공기도입을포함한 기상조절기술개발 추진 à 예비타당성조사대상사업으로선정 ( 11~16 년, 총 1,010 억원, 추진단 - 연구기관 - 지원사업단 - 항공기운영단 ) à 예비타당성조사 ( 09.12 월중순 ~ 10.4 월, KISTEP) 통과시 11 년부터사업시작
I. 서론 : 3 차원종합관측실험전략 ( 안 ) - 총괄 3D Multisensing Study Plan Beijing 300m Tower (IAP) - Flux - VAL of simulation Aircraft (Plan) -Cloud/Airosol Scan: Radar, Lidar -Cloud ptls.: FSSP,2D-C,2D-S,PIP,HVPS -Aerosol ptls.: PCASP, etc -Seeding eqiup. -Gases: LI7500, etc -Others? Weather Modification -Snow Characteristics -Cloud seeding Yellow Sea Monitor (Plan) -Severe weather monitor -Drop-sonde obs. w/ Models CAL/VAL of satellite/radars data Climate Change Element -Aerosol, Gases Combine Dual-Pol. Radar -CAL/VAL of dual-pol. -Ptls. Identification X Dual-Pol. X Single-Pol. Bosung 200m Tower (KMA Plan, 2010~) - Standard Sounding (Tower & Aircraft) - East-Asia Flux Data Joining 200m Tower (MRI) -Flux (6 lvs.) Typhoon Structure (Joining with T-PARC?)
II. 종합관측실험 (1): S-Pol. 활용상황 (2008 년,NCAR 집계 ) Boulder, CO 2006: REFRACTT 2006 Convective Initiation and water vapor Denver, CO 1997: PROWS Convective rainfall estimation Boulder, CO 2004: WISP04 Winter Weather Boulder, CO 2005: REFRACTT 2005 Convective Initiation and water vapor Idalia, CO: STEPS 2000 Severe convection and lightning West Port, WA 2001: IMPROVE Winter Storms Oregon 2001: IMPROVE II Orographic precipitation Wichita, KS 1997: CASES 97 Watershed rainfall and land/surface Oklahoma Panhandle 2002: IHOP Water vapor and convective initiation Melbourne, FL 1998: PRECIP98 Convective rainfall estimation Milan Italy, 1999: MAP Orographic precipitation and flooding Mazatlan MX, 2004: NAME Orographic and Monsoon precipitation Barbuda W. Indies 2004: RICO Marine cumulus and warm rain S. Taiwan, 2008: TIMREX Monsoon and Mei-Yu Front flooding rain Ji-Parana, Brazil 1999: TRMM-LBA Amazon wet season rainfall
II. 종합관측실험 (2): S-Pol. 및항공기관측비교 (1) Barthezy, Eszter, S. Goeke, J Vivekanandan and S. M. Ellis 2001: Detection of snow and ice crystals using polarization radar measurements: comparison between ground-based in situ and S-Pol observations. Deierling W, Petersen WA, Latham J, Ellis S., and Christian H, 2008: The relationship between lightning activity and ice fluxes in thunderstorms. Stoelinga, M. T., P. V. Hobbs, C. V. Mass, J. D. Locatelli, B. A. Colle, R. A. Houze, A. L. Rangno, N. A. Bond, B. F. Smull, R. M. Rasmussen, G. Thompson, and B. R. Colman, 2003: Improvement of Microphysical Parameterization through Observational Verification Experiment (IMPROVE).
II. 종합관측실험 (3): S-Pol. 및항공기관측비교 (2) Irregular ice Dry snow PID using CSU S-band radar data PMS 2DC agrees well with the PID output of S-Pol
II. 종합관측실험 (4): 타워활용상황 ( 동아시아 ) 220m 보성 Tower 시스템 1) PBL 2) 대기환경모니터링 3) 물순환모니터링 4) 대기연직구조 200m 일본 MRI 220m Tower -PBL 관측연구 (6 개층 ) 중국 IAP 300 m Tower - PBL 관측연구 - 모델검증 보성 200m Tower ( 계획 ) - 종합관측연구 ( 물순환, 대기연직, 환경 )
II. 종합관측실험 (5): 동아시아항공기활용상황 (2008 년,NIMR 집계 ) 국내기상항공기활용현황 활용분야주관기관활용시기항공기주요관측요소비고 기상조절 구름물리연구 국립기상연구소 연세대, 강릉대등 11 4 월 중소형 평창지역인공강우 임대항공기 황사관측 국립기상연구소 광주과기원등 3 5 월중소형 서해황사농도 임대항공기 태풍연구 국립기상연구소 08 년여름중대형 태풍연직관측 국제공동연구 ( 외국비행기 ) <2008~09 년기상항공기활용상황도 > 대기질관측 환경과학연구원 국립기상연구소 봄, 가을철중소형 개스관측 CO 2 층별관측 임대항공기 광주과기원 ( 동경대 ) 필요시중소형 에어로솔, 가스관측 국제공동연구 ( 일본비행기 ) 서울대필요시무인기 에어로솔, 가스관측 국제공동연구 출처 : 국립기상연구, 2009. 6
II. 종합관측실험 (6): 2008 인공증설비행실험 ( 항공용레이더장착 ) Airborne Target (Yongpyeong) Snow Enhancement Exp. of NIMR (2008) (a) 용평강설입자수 (b) 2008.3.4.14:35 (b) (c) 2008.3.4 15:12 항공레이더 ( 김용훈 )
II. 종합관측실험 (7): 2009 인공증설비행실험 ( 이중타겟 ) Airborne Target (Yongpyeong, Teabeck city) Seeding Exp. (2009) (a) 하장 AWS 강우량 (b) 2009.3.30.22:40~50 l 실험방법 1) 목표지역 : 평창 ( 주타켓 : 용평스키장 ), 태백 ( 주타켓 : 광동댐 ) 2) 실험조건 : 목표지역으로활성화 ( 수액량 0.15 mm 이상 ) 된구름유입 3) 시딩라인 : 해발고도약 2 ~ 3km, 목표지역의풍상측교차 10 km 4) 검증방법 : 항공레이더와구름응결핵계수기실험전ㆍ후비교검증 목표지역과시딩지역지상강설입자개수, 강수량등비교검증 5) 실험근거 : 접촉결빙과정 (Pitter and Pruppacher, 1973) (c) 2009.3.30 23:28~38 CPC( 염성수 )
è 인공증설 ( 증우 ) 국내최초성공 : KBS 등언론보도 48 회 ( 08.11~ 09.7) II. 종합관측실험 (8): 인공증설비행실험 ( 08-09 결과요약 ) è 과실연 / 동아사이언스선정 2008 년 10 대과학뉴스 (22 위 ) l 임의풍향에대한실험기술 è 통계적검증을위한실험회수대폭강화가능 ( 실용화접근 ) l 인공강우비행실험에항공레이더를이용한검증 ( 세계최초 ) è 빠른실험결과확인가능 연도차수일시목표지역시딩물질시딩상황 1 차 08.03.03 15:30~21:00 용평스키장 액체질소요오드화은 북동,~3 m/s 온도 : -8 목표지역증설효과 실험결과 강수증가량 / 효과시간 /CPC X - - 강설유입 비고 2008 2 차 08.03.04 10:30~15:30 용평스키장 액체질소요오드화은 북동,~3 m/s 온도 : -20 지상증설 1) 항공레이더 환산증설량 : 0.9 cm 2) 효과시간 ~ 30 분 - 인공강우항공레이더검증 ( 세계최초, 특허출원 ) 2009 3차 08.03.14 10:10~15:10 1차 09.02.23 08:24~13:05 2차 09.03.22-23 22:40~02:33 3차 09.03.30-31 18:42~00:35 용평스키장 용평스키장 액체질소북동,~3 m/s 온도 : -5 액체질소 요오드화은 북동,~3 m/s 온도 : -4 용평스키장요오드화은북서,~8m/s 온도 : -8 태백 X - X X 지상증설 환산증설량 : 0.3cm효과시간 ~ 1 hr - - 수액량부족 ( 대관령라디오미터감시 ) - 미량강설 -수액량부족 -CPC 목표지역피크 - 소형비행기액체질소용량부족 AgI 2번 (2개지역 ) 으로변경 (Dr.YAO 자문 ) - CPC 목표지역피크 광동댐요오드화은 X 증우검출 - CPC 목표지역피크 - 24분후인접 ( 신기 AWS) 0.5mm 용평스키장 태백광동댐 요오드화은남서,~7m/s 온도 : -12 요오드화은남서,~8m/s 온도 : -13 X 지상증우 항공레이더 증우량 : 하장 0.5 mm효과시간 ~ 21 분 - 강설유입 - 18 분후인접 ( 삽달령 AWS) 0.5 mm증우검출 - CPC 목표지역피크 1) : 자연강수유입이없고 ( 지상레이더 ), 평균 1 시간내외 (15 분 ~2 시간 ) 에서목표지역강우 ( 설 ) 변화검출 2) 초음파적설계값과강수입자계수기 ( 디스드로미터 ) 측정값사이의관계식 (R 2 = 0.57) 으로환산
III. 3 차원종합관측실험전략 ( 안 ): 총괄 3D Multisensing Study Plan Beijing 300m Tower (IAP) - Flux - VAL of simulation Aircraft (Plan) -Cloud/Airosol Scan: Radar, Lidar -Cloud ptls.: FSSP,2D-C,2D-S,PIP,HVPS -Aerosol ptls.: PCASP, etc -Seeding eqiup. -Gases: LI7500, etc -Others? Weather Modification -Snow Characteristics -Cloud seeding Yellow Sea Monitor (Plan) -Severe weather monitor -Drop-sonde obs. w/ Models CAL/VAL of satellite/radars data Climate Change Element -Aerosol, Gases Combine Dual-Pol. Radar -CAL/VAL of dual-pol. -Ptls. Identification X Dual-Pol. X Single-Pol. Bosung 200m Tower (KMA Plan, 2010~) - Standard Sounding (Tower & Aircraft) - East-Asia Flux Data Joining 200m Tower (MRI) -Flux (6 lvs.) Typhoon Structure (Joining with T-PARC?)
III. 3 차원종합관측실험전략 ( 안 ): 기상조절 ( 항공기 /X-Pol) X-Pol. Daegwallyeong Target (Yongpyeong) X-Pol è 기상조절실험전후미세물리구조변화측정
III. 3 차원종합관측실험전략 ( 안 ): 기상조절 ( 타워 / 항공기 ) Airborne Observation Profile of cloud ptl. size distri. Standard Profile of Atm. &. Envir. - Temperature, Humidity, and 3D Wind - Aerosols and CO 2 CAPS (Scanning ) Lidar PIP NET Rad. 3DWind Temp./Humid ASOS PM10/2.5 LI7500 Farmland
III. 3 차원종합관측실험전략 ( 안 ): 실험연구용항공기기본설계 ( 안 )
III. 3 차원종합관측실험전략 ( 안 ): 항공기도입손익산정 (2009.10 집계 ) 연구용중형항공기도입 ( 임차 ) 손익산정 l 중형항공기임대비용대비임차손익은약 0.34:1 ( 12 년전망 1:1) 이나, l 인공강우검증및항공종합관측향상 : 임대소형항공기는거의불가능한 주요목적 인공강우비행실험 남서해태풍연구 서해 CO 2 관측 서해황사관측 서해환경관측 서해환경종합관측 기상자원지도검증 합계 관측요소 ( 관측장비 ) 인공강우검증등 ( 항공레이더등 ) 온습도사운딩 ( 드롭존데 ) 고도별 CO 2 농도 ( 플라스크샘플링 ) 황사연직구조 ( 입자계수기 ) SO 2, NOx, CO 등 (Gas Analyzer) 가스, 에어로솔, 구름 (Gas Analyzer, CAPS등 ) 해상풍검증등 (ADP 등 ) 현재 ( 08.3~ 09.10, 약 1.5 년간 ) 임대항공기종류 소형 ( 세스나 2 인승 ) 중소형 ( 팔콘제트기 ) 중소형 ( 킹에어9인승 ) 소형 ( 세스나2인승 ) 중소형 ( 파이퍼8인승 ) 중소형 ( 슈퍼킹에어 12인승 ) 주관기관 ( 실험기간 ) 기상연구소 ( 09.2-3월) 국제공동연구 ( 08.8-10월) 기상연구소참여기상연구소 ( 09.9-11) 기상연구소 ( 08.3-5월) 환경연구원 ( 09.1-6월) 광주과기원동경대 ( 09.3-4월) 현임대시간 ( 예산 / 년 ) 15 H (0.5억원) 100 H ( 총 20억 ) ( 분담금1.2억원 ) 15 H (1 억원 ) 10 H (0.5 억원 ) 30 H (4 억원 ) 20 H 2) (5 억원 ) 2012 년예상임대시간 1) ( 예산 / 년 ) 중형항공기도입이후연간운영예상시간 ( 비용 / 년 ) 45 H 100 H 300 H 300 H 45H (3 억원 ) 100 H 2) 30 H 90 H 60 H - - - 10 H 25H 1) 2012 년예상임대시간은통계적유의수자가필요한실험의통례상현임대시간의 3 배로가정 2) 종합적센서를부착한중형항공기는서해에관한관측이동시수행가능 3) 중소형항공기 ( 팔콘제트기또는킹에어 12 인승 ) 임대비용 (2 천만원 / 시간 ) 으로산정 봄철 (4~6 월 ) 인공강우, 태풍전면드롭존데관측가능 190 H (30 억 ) ( 순수 11.2 억 ) 570 H (105 억 3) ) ( 순수 33.6 억 ) 525 H ( 총비용50억 ) ( 임차30억 ) 효과 7회AgI실험중 3회효과 ( 평균 0.57mm 강우 ) 태풍예측개선 : 진로 / 강도각각 22% 개선 ( 08, T-PARC 항공실험 ) - 서해 CO2 감시 황사입자의대부분이 1km 이하존재 ( 시험관측결과 ) -중국오염물질유입지속감시 -공동활용합의추진중 -기후변화요소지속감시가능성확인 -공동활용합의됨한반도대기및환경연직기준값설정총비용 = 임차료 (30억/ 년 )+ 운영비 (10억/ 년 )+ 연료등소모품 (10억/ 년 )
III. 요약및향후전략 ( 안 ) 1. 국내외활용상황요약 : 대형첨단플랫폼구축중 - 이중편파레이더 : 수상체분류, 관측연구, 항공기비교관측 - 타워관측시스템 : Flux 관측, 모델결과검증, 대기 / 환경연직기준관측추진 - 기상항공기 ( 기상조절기술개발추진중 ) 2. 중대형인프라활용극대화 - 독자장비활용방안 무안 ( 대관령 ) 연구용이중편파레이더 : CAL/VAL, 강수구조관측연구 보성 200 m 타워시스템 : Flux, Gases, Aerosol, 대기 / 환경연직구조, 물순환 기상항공기 è 겨울 : 인공강우봄 : 황사관측, 공항안개저감실험여름 : 태풍드롭존데관측, 서해강수셀관측가을 : 레이더 / 위성검보정등시 / 특별 : 기후변화요소 / 입체관측 - 종합활용방안 항공기 편파레이더 : 미세물리분류알고리즘, 모델미세물리, 기상조절검증등 항공기 타워 : 대기및환경연직기준관측값확보 (Global 표준관측소 ) 등 항공기 편파레이더 타워 : 연직미세물리입자분류및크기분포비교관측등 등
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