Classification of Rainfall Types Using a Polarimetric Radar and Disdrometer

Abstract

In the current study, the rainfall classification for the central and southeastern Korea was accomplished. As a tool to estimate accurate precipitation data, a PARSIVEL disdrometer, S-band polarimetric (S-POL) and S-band radar were used to identify and classify the stratiform and convective rains at various times of day from June 2015 to March 2016. The S-POL and S-band radar data used in this study are from the Yongin (37.2 °N, 127.3 °E) and Gudeoksan (35.1 °N, 129.0 °E) sites, respectively, operated by Weather Radar Center of Korea Meteorological Administration (KMA). The drop size distribution (DSD) using PARSIVEL disdrometer from Jincheon (36.9 °N, 127.5 °E) and Miryang (35.5 °N, 128.6 °E) sites, which located 29 and 57 km away from S-POL and S-band radar, respectively are analyzed and compared with the radar retrievals in a statistical and functional approach. The Jincheon and Miryang sites indicated the difference of DSD characteristics during June 2015 to March 2016. The averaged DSD at both sites shows a similar pattern, however a slightly larger magnitude at small drops is distributed in Jincheon site. The averaged raindrop spectra of Jincheon and Miryang sites in different rainfall system (Changma, Localized Low, and Typhoon system) also show that the rainfall of Jincheon site tends to have more raindrops than Miryang site especially over small drops (0.31 – 0.81 mm). The methods of rainfall identification were applied for central and southeastern Korea through the DSD differences at both sites. The stratiform and convective rains are identified by three different methods, namely vertical profile of reflectivity (VPR), Bringi et al. (2003) (BR03), and vertical profile of reflectivity-Bringi et al. (2003) (BR03-VPR) methods. The combination of VPR and BR03 methods shows better classification scheme compared to VPR and BR03 method. The rain types are classified by disdrometer and S-POL radar after identified through the VPR, BR03, and BR03-VPR methods. There are two methods of approach to the rainfall classification; the first is from disdrometer and the second is from S-POL radar. For disdrometer, the different classification algorithms of log10 Nw-D0, log10 N0-R, Λ-log10 N0, and Λ-R were analyzed to find out adequate separation of the rainfall types at Jincheon and Miryang sites. The classification was performed well for both sites with the new derived classification line except for log10 N0-R domain. The classification either for stratiform or convective rains shows the regional differences in Korea. Besides, there are three methods for classification using S-POL radar; the first is SHY95 method, which referred to Steiner et al. (1995), the second is DSD retrieval method, retrievals from polarimetric radar, using Nw and D0 from Zdr, and third is Fuzzy method, which is the Trapezoidal membership function of fuzzy logic. For the stratiform rains classification, SHY95 is the best method with 0.0% misclassification, whereas DSD retrieval method is the foremost method with 30.4% misclassification for convective rains classification. However, the Fuzzy method is performed better than SHY95 and DSD retrieval methods with 5.9% and 34.3% misclassification for stratiform and convective rains, respectively. In conclusion, rainfall classification using PARSIVEL disdrometer of Jincheon and Miryang sites was well performed especially through BR03-VPR method. The Fuzzy method also shows reasonable well for the rainfall classification at Jincheon site.

본 연구에서는 한국 중부 및 남동지역에 대한 강우 유형을 분류하였다. 정확한 강우 자료를 산정하기 위해 광학우적계인 PARSIVEL, S-밴드 단일 및 이중편파 레이더 자료가 사용되었고, 2015년 6월부터 2016년 3월까지의 자료를 이용하여 다양한 시간대의 층상형과 대류형 강우를 구분 및 분류하였다. 한국 기상청(KMA)의 기상 레이더 센터에서 운용하는 용인 S-밴드 이중편파 레이더 (37.2 °N, 127.3 °E)와 구덕산 (35.1 °N, 129.0 °E) S-밴드 단일편파 레이더 자료가 사용되었다. 용인과 구덕산 두 레이더로부터 각각 29, 57 km 떨어진 지점에 위치한 진천 (36.9 °N, 127.5 °E)과 밀양 (35.5 °N, 128.6 °E)의 PARSIVEL을 이용한 강우입자분포 (DSD)는 통계. 수학적 접근방식으로 레이더자료와 비교 분석하였다. 2015년 6월부터 2016년 3월까지 두 대의 PARSIVEL 자료를 이용한 결과, 진천과 밀양 지점에서 서로 다른 특성이 나타났다. 두 지점의 평균 강우입자분포는 유사한 패턴을 보였으나 진천 지점의 경우 작은 입자 (0.31 - 0.81 mm)에서 보다 큰 수농도 값을 확인하였다. 강우시스템 (장마, 이동 저기압 그리고 태풍 시스템) 별로 분석하였을 때 진천 지역이 밀양 지역보다 작은 입자에서 보다 큰 수농도 값이 나타남을 확인하였다. 두 지점의 강우입자 분포차이를 통해 한국 중부 및 남동지역에 대한 강우 유형 분류 방법을 적용하였다. 층상형과 대류형 강우는 반사도 수직 프로파일 (VPR), Bringi et al. (2003)에서 사용된 (BR03), 그리고 반사도 수직 프로파일- Bringi et al. (2003) (BR03-VPR)로 세 가지 방법을 통해 분류된다. BR03방법은 1분마다 갱신되는 PARSIVEL 우적계 자료를 이용하는 반면 VPR방법은 매 10분마다 수집되는 레이더 자료를 이용하였다. VPR과 BR03을 결합한 방법 (BR03-VPR)은 각각 VPR과 BR03 방법보다 층상형과 대류형 강우 분류에 적절한 방법임을 확인하였다. 강우 유형은 우적계와 이중편파 레이더를 통해 분류된 후 VPR, BR03 그리고 BR03-VPR방법으로 확인되었다. 우적계를 이용하는 방법과 S-POL 레이더를 이용하는 방법으로 강우분류를 실시하였다. 우적계를 이용한 강우 유형 분류는 진천과 밀양 지점의 적절한 강우 유형 분류를 위하여 log10 Nw-D0, log10 N0-R, Λ-log10 N0, 그리고 Λ-R의 각기 다른 분류 알고리즘으로 분석하였다. 분류는 log10 N0-R 도메인을 제외하고 새로운 분류선에 따라 수행되었다. 층상형 또는 대류형 강우에 대한 분류가 지역적으로 차이가 나타났다. 레이더를 이용한 강우 유형 분류로는 첫 번째 Steiner et al. (1995)에서 참고된 SHY95방법, 두 번째 편파레이더를 이용해 Zdr로부터 Nw와 D0를 회수하는 DSD 회수 방법과 세 번째는 퍼지로직의 Trapezoidal membership function 퍼지방법을 실시하였다. 층상형 강우 분류에서는 0%의 분류오류를 갖는 SHY95가 가장 좋은 방법인 반면 대류형 강우 분류에서는 30.4%의 분류오류를 갖는 DSD 회수 방법이 가장 나은 방법이었다. 그러나 층상형과 대류형 강우에 대해서는 퍼지방법이 5.9%와 34.3%의 분류오류를 갖는 SHY95 와 DSD회수 방법보다 좋은 결과를 보였다. 결론적으로, 진천과 밀양 지점의 PARSIVEL 우적계를 이용한 강우 분류는 BR03-VPR방법을 통해 잘 수행되었으며, 퍼지 방법은 진천 지점의 강우분류에서 합리적인 결과를 보여주었다.