Retrieval of Three Dimensional Wind Fields Using Data of UHF Wind Profiler Network

Abstract

3차원 바람장은 오염물질의 확산 예측, 위험기상 진단, 수치예보모델의 자료동화와 같이 중요한 분야에 필수적인 정보이다. 3차원 바람장은 수치예보모델 또는 첨단 원격탐사 장비(레이더, 위성)를 통해 생성할 수 있지만, 수치예보모델은 긴 수치 적분 시간이 요구되고 기상레이더와 위성은 청천에서 바람장을 생성하기 어렵다. 청천에서 관측 기반으로 시공간적으로 고해상도의 3차원 바람장을 생성할 수 있는 수단이 부족하다. 윈드프로파일러는 관측 지점에서 바람벡터의 연직 프로파일을 제공하며 강수 대기뿐만 아니라 청천에서 수 분, 수십 미터의 시공간적 고해상도로 바람벡터를 생성할 수 있다. 2016년에 프랑스 Toulouse 대학에서는 HyMex(Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment) 프로그램의 일환으로 지중해 연안 지역의 윈드프로파일러 관측망으로 3차원 선형 바람장을 생성하여 연안 지역의 육상풍을 모의하였지만, 선형 바람장과 수백 km로 넓은 관측망 규모 때문에 국지적인 바람장의 특성을 모의하기 어려웠다. 우리나라는 기상청에서 운영되고 있는 세계적으로 조밀한 윈드프로파일러 관측망을 보유하고 있기 때문에 윈드프로파일러 관측망을 이용한 고해상도 3차원 바람장을 생성하는 것이 가능하다. 다만, 윈드프로파일러 자료의 품질 관리 시스템의 최적화 부족으로 인하여 윈드프로파일러 관측망에서 제공되는 자료의 품질이 낮다. 본 연구의 목적은 한반도의 조밀한 윈드프로파일러 관측망을 활용하여 청천 및 강수 대기에서 관측 기반의 의미있는 고해상도 3차원 바람장의 생성 방법을 제시하고, 위험기상 사례에서 윈드프로파일러를 이용한 비선형적인 3차원 바람장 모의를 통해서 바람장의 선형성을 기반으로 한 선행 연구의 한계를 극복하는 것이다. 연구 목적을 달성하기 위하여 3단계로 연구가 진행되었다. 첫 번째 단계에서는 독자적으로 윈드프로파일러 자료의 품질을 관리할 수 있는 원천 기술을 개발하였다. 이 기술을 통해 윈드프로파일러의 도플러 스펙트럼의 품질을 개선하였고, 윈드프로파일러 바람벡터의 정확도를 품질 개선 전에 비하여 약 50% 향상시켰다. 기상청의 윈드프로파일러 자료의 품질 관리는 제조사의 소프트웨어에 의존하고 있고, 소프트웨어의 품질 관리 알고리즘 별 최적화가 부족하였다. 윈드프로파일러 자료의 품질 향상을 위해서는 원시 자료에 대한 접근 기술과 도플러 스펙트럼을 통한 복잡한 자료 처리 기술이 요구되었기 때문에 국내에서 품질 관리를 위한 독자적인 기술력을 확보하기 어려웠다. 본 연구 결과를 통해 국내 최초로 윈드프로파일러 자료의 품질 관리를 위한 독자적인 원천 기술력이 확보되었다. 두 번째 단계에서는 선행 연구에서 제시된 단일 관측망을 기반으로 한 3차원 선형 바람장 생성 방법의 한계를 극복하기 위하여 국내 기상청 윈드프로파일러 관측망을 기반으로 다중 관측망을 이용한 3차원 바람장 합성 방법을 새롭게 제안하였다. 장기간(2014년 3월 5일 ~ 6월 25일) 윈드프로파일러 자료와 라디오존데 자료를 이용하여 선행 연구 방법과 본 연구에서 제안된 방법의 정확도를 비교하였다. 다중 관측망을 이용한 3차원 바람장 합성 방법은 단일 관측망을 이용한 기존 연구 방법에 비해 약 15% 이상 3차원 바람장의 정확도를 향상시켰고, 바람장의 합성에 의해 3차원 바람장의 영역도 확대되었다. 또한 윈드프로파일러 관측망에 기상레이더 관측망을 추가하여 3차원 바람장을 생성하는 새로운 시도가 이루어졌다. 기상레이더 관측망이 추가됨으로서 윈드프로파일러 관측망의 공백 영역이 보완되었고, 3차원 바람장의 범위도 확대되었다. 기상레이더 관측망에 의한 윈드프로파일러 관측망 보완에 의해 3차원 바람장의 정확도가 약 7% 이상 향상되었다. 즉, 새롭게 제안된 방법을 통해서 선행 연구에서 제안된 방법보다 정확한 고해상도의 3차원 바람장을 효과적으로 생성할 수 있었다. 세 번째 단계에서는 다중 관측망을 이용한 3차원 바람장 합성 방법을 장마전선 사례(2013년 6월 17일 ~ 6월 21일)에 적용하여 비선형적인 바람장을 모의하였다. 장마 사례를 통해 선행 연구에서 제안된 방법의 한계가 명확하게 드러났고, 새롭게 제안된 다중 관측망을 이용한 3차원 바람장 합성 방법은 장마 사례와 같은 극단적인 환경에서도 유의한 3차원 바람장을 생성할 수 있었다. 특히, 장마전선의 역학적 구조를 입체적으로 제시함으로서 정마전선의 위치, 전선면에 발생되는 하층 제트 및 역학적 불안정도를 매우 정확하게 파악할 수 있었다. 본 연구에서 새롭게 시도되었던 기상레이더 관측망 합성은 장마전선과 같이 강수를 동반한 기상 현상에서 3차원 바람장을 유도하는데 매우 효과적이었다. 최종적으로 본 연구를 통해 기상 조건과 무관하게 원격탐사 관측 기반으로 시공간적으로 고해상도의 3차원 바람장을 생성할 수 있는 효과적인 방법을 제안하였고, 선행 연구에서 제안된 방법보다 더욱 개선된 결과를 도출하였다. 효과적으로 3차원 바람장을 생성할 수 있는 수단이 부족한만큼 본 연구 방법 및 결과는 3차원 바람장 정보가 필수적인 분야에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.