Improvements of QPE by Z and ZDR bias correction for heavy rainfall

Abstract

Z, ZDR 오차보정에 의한 집중호우 강우 추정

강 미 영

부경대학교 대학원 환경대기과학과

요 약

본 연구는 집중호우에 적합한 편파레이더 강우량 추정 정확도 향상을 위하여 반사도(Z)와 차등반사도(ZDR)의 오차보정을 수행하고 다양한 강우 추정 관계식을 평가하였다. 반사도와 차등 반사도 오차보정 수행 이전에 관측된 ZDR의 샘플링 에러에 의한 노이즈를 완화를 위해 mZDR을 산출하였다. mZDR은 ZDR의 표준편차와 상관계수()의 관계를 비슬산 레이더에 적용하여 이론적으로 모의하였고, 최소 9개 gate 이상의 ZDR을 사용할 때 레이더에서 관측된 ZDR 변수의 품질이 향상되었다. 반사도 오차보정 방법은 self-consistency를 사용하였으며, 차등 반사도(ZDR) 오차보정은 비슬산 레이더의 관측전략에 적합한 light rain 기법을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 light rain 방법은 반사도가 20 에서 28 dBZ 구간에서 ZDR을 0 으로 가정하여 오차를 산출하는 방법(mZDR bias로 명명)과 장기간 누적된 부산의 DSD 자료로 부터 구간별 반사도에 따른 ZDR 값을 적용하여 오차를 산출하는(PZDR bias로 명명) 방법을 이용하였다. 그리고 지상 우적계에서 준 실시간으로 관측된 DSD를 이용하여 계산된 ZDR(DZDR) 오차 보정에 적용하였다. 비슬산 레이더 비기상에코는 상관계수 (ρhv)와 차등위상차 (ΦDP)의 표준편차 (12 degree km-1)를 사용하였으며, 차등위상차의 접힘(folding)풀기 및 노이즈 제거를 수행하였다. 비감쇠정보(AH)계산에는 비슬산레이더 자료의 차등위상차의 불규칙한 radial profile을 보완하기 위하여 3 km 크기의 윈도우로 이동평균을 수행하였다. 또한 한 ray에서 가장 작은 차등위상차 값을 가지는 시작 gate와 가장 큰 차등위상차 값을 가지는 끝 gate를 찾는 기법도 개발하여 적용하였다. 편파레이더 강우량 추정 관계식은 2001년부터 2004년까지 POSS 우적계에서 관측된 111,507개의 DSD 자료를 T-matrix 시뮬레이션으로 계산된 편파변수 및 강우강도를 이용하여 산출하였다. T-matrix 시뮬레이션에 적용된 변수는 S-밴드, 온도 20℃, 캔팅 각도(canting angle)의 표준편차 및 평균은 각각 7도와 0도를 적용하였으며 drop shape에 대한 가정은 Andsager 등(1999)과 Beard and Chuang (1987)이 제안한 관계식을 이용하였다. 오차보정에 따른 레이더 강우량 추정정확도 향상을 평가를 위해 강수량추정 관계식 R(Z,ZDR)에 각각 산출된 반사도와 차등반사도 오차를 적용하였다. 그 결과 POSS 자료를 활용한 반사도와 차등 반사도 오차보정 후 강수량 추정정확도가 향상되었으며, 또한 지상 우적계에서 관측된 DSD를 이용한 차등반사도 보정이 강수량 추정 정확도 향상에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. R(Z,ZDR)관계식 뿐만 아니라 반사도와 차등 반사도를 포함한 R(ZDR,KDP)와 R(Z,ZDR,KDP,AH)를 평가하였으며, 집중호우에 적합한 강우관계식 평가를 위해 R(AH), R(KDP)결과도 함께 비교 평가를 하였다. 합성 관계식 산출시 Z 와 KDP 두 변수의 높은 상관성으로 KDP를 제외한 R(Z,ZDR,AH)관계식을 도출하여 강우량 정확도 평가를 통해 호우시 본 관계식의 효용성에 대해서 알아보았다. CASE III인 2012년 8월 23일 사례의 경우 새로이 제안된 R(Z,ZDR,AH) 관계식이 가장 높은 정확도를 보였으나 CASE II와 CASE V 두 사례는 R(Z,ZDR,KDP,AH)로 구한 레이더 강우량이 지상우량과 매우 유사하게 나타났다. 이러한 결과는 각 사례별 강우강도의 분포가 달라서 발생한 것으로 보여져 강우강도별 강수량 관계식의 정확도 평가를 수행하였다. 약한 강수에서는 R(AH)>R(Z,ZDR,KDP,AH)>R(Z,ZDR,AH)의 순으로 강한 강수에서는 R(KDP,)>R(KDP,ZDR)>R(Z,ZDR,KDP,AH), 순으로 정확도가 높음을 보여주었다. 이는 강우강도에 따른 편파변수의 영향이 각기 다르게 적용된 것으로 사료된다. 따라서 각 강우강도별로 강수량 관계식을 달리 적용하는 것이 강수량 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 하나의 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 R(Z,ZDR,KDP,AH) 관계식은 모든 변수가 포함되어 있고, Z와 KDP의 상관도가 높아 다중공선성이 (multicolinearity)이 발생할 수 있다. 그러나 본 연구에 사용한 R(Z,ZDR,KDP,AH)의 경우는, Z와 KDP 중 하나가 강수량 추정에러를 감소시킨 것으로 보여 진다. 따라서 향후 보다 많은 사례에 대하여 평가가 이루어져야겠지만 집중호우를 포함한 강우에 이 관계식을 사용하면 레이더 강우량 정확도를 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.