최대직경에 따른 강수입자직경분포 특성을 이용한 정량적인 강수량추정 연구

Abstract

강수입자직경분포(DSD)는 구름미세물리과정, 구름역학과정에서 발생하는 강수입자의 형성과 성장에 영향을 미치며, 강수의 변동성은 DSD의 변동성과 직결된다. 레이더변수가 가지는 DSD의 적률이 달라 DSD의 변동성은 레이더를 이용한 정량적인 강수량추정에서 중요하게 다루어지고 있다. 특히 DSD의 최대직경은 각 변수크기에 많은 영향을 미치므로 본 연구에서는 최대직경에 따른 DSD변동 특성에 기반하는 레이더강수량 추정방법을 제안하였다. 강수입자직경분포를 최대직경에 따라 분류하였을 때, 상대적으로 작은 최대직경에서 DSD의 모양은 위로 볼록한 형태를 보이는 반면 최대직경이 증가할수록 DSD의 모양이 선형에 가까워지고, 6 mm 이상의 최대직경에서는 아래로 볼록한 형태를 나타내었다. DSD변수의 평균값 또한 최대직경이 증가할수록 Shape (µ), Slope (Λ), Intercept parameter (N0), Normalized intercept parameter (NW)변수는 감소하고 Median volume diameter (D0)와 Mass-weighted mean diameter (Dm)변수는 증가하였다. 레이더 변수의 경우, 교차상관계수 (Co-polar cross-correlation coefficient, ρhv)를 제외한 수평반사도 (Horizontal reflectivity, ZH), 차등반사도 (Differential reflectivity, ZDR), 비차등위상변위 (Specific differential phase, KDP)와 강수량은 최대직경이 증가할수록 변수의 평균값이 증가하였다. 강수량과 KDP는 최대직경이 증가할수록 변동폭이 커지지만, ZH와 ZDR은 작은 최대직경에서 가장 큰 변동폭이 나타났다. 또한 Z-R, R-KDP 산포도에서 최대직경 1 mm 간격으로 분류된 자료는 그 군속이 나뉘고 각 군속에 따른Z=ARb와 R=αKDPβ강수량추정관계를 산출한 결과, 상수 A (α)값은 최대직경에 따라 210 (33.5)에서 3539 (9.1)로 증가 (감소)하고 지수 b (β)값은1.03 (0.93)에서 0.72 (1.0)로 감소 (증가)하였다. 최대직경에 따른 DSD의 변동특성은 강수량추정관계식에서 일정한 변화경향으로 나타났으므로, 최대직경에 따른 강수량추정관계식의 변화를 정량화하여 레이더강수량추정방법을 개발하였다. 최대직경에 따라 상대적으로 선형 증가하는 ZH와 ZDR을 이용하여 최대직경을 회수하는 방법을 제안하였으며, 회수된 최대직경을 0.5 mm 간격으로 분류하여 계산된 Z-R과 R-KDP관계식의 계수 A, α와 지수 b, β를 이용하여 최대직경에 따른 계수 A, α와 지수 b, β 관계식을 각각 유도하였다. 유도된 계수 A, α와 지수 b, β관계식을 이용하여 각각의 자료에 최적화된 Z(R)DMAX, R(KDP)DMAX강수량추정관계식을 적용하여 강수량을 산출하였다. 위 방법으로 산출된 결과와 단일 Z(R), R(KDP) 강수량추정관계식으로 산출된 결과를 비교해 보았을 때, 강수량이 증가할수록 커졌던 변동폭이 감소하였으며, 전체구간에서 과소추정되었던 강수량이 실제 강수량과 근사한 값으로 산출되었다; Z-R 관계식의 결정계수 (정규오차)는 0.83 (0.31)에서 0.98 (0.16)로 변하고, R-KDP 관계식의 결정계수 (정규오차)는 0.95 (0.18)에서 0.99 (0.13)으로 변하였다. 특히 R(KDP)DMAX 강수량추정관계식은 전체 강수영역에서 좁고 일정한 변동폭을 가지는 강수량을 산출하고 100 mmh-1 이상의 강한 강수영역의 과소추정이 개선되어 가장 좋은 결과를 나타내었다. 개발된 강수량추정알고리즘을 실제 레이더자료에 적용한 결과 Z(R)DMAX, R(KDP)DMAX 모두 강수량추정 정확도가 향상되었다.