Rainfall Estimation at Near-Ground Level Using Commercial Microwave Link

Abstract

본 연구는 강우 관측 사각 지역 중에 하나인 도심에서 Korea Telecom이 운용하고 있는 상대적으로 낮은 주파수 6~8GHz의 여덟 상용 마이크로파 링크 감쇠 신호 자료를 이용하여 강우 유무 탐지 및 지상 강우량을 추정하고, X밴드 레이더 감쇠 보정으로 지상 강우량 정확도를 향상시키는 방법을 제시한다. 마이크로파 링크를 활용한 지상 강우 유무 탐지 및 강우량 추정 그리고 레이더 감쇠 보정 기술의 정확도는 청천일 때의 감쇠와 강우가 있을 때의 감쇠를 구별하기 위한 기준 감쇠인 청천 감쇠 크기 Aclear의 계산 정확도에 의존한다. 강우의 시간적인 상관 관계를 이용하는 통계적 방법인 이동창 분산(Moving window variance)으로 실시간 강우 변화에 따라 변동하는 Aclear를 산출하였다. 강우 형태에 따른 적합한 창 크기와 결정 임계 값을 설정하고, 최대 90분 이내의 마이크로파 감쇠는 동일한 강우 셀에 의한 것으로 가정하였다. 우량계의 강우 유무 판단의 정확도는 강우 감지기의 10%인 반면에 마이크로파 링크 감쇠를 활용한 강우 유무 탐지율은 83%로 조사되었다. 또한 고해상도 분해능(0.01 dBm)의 마이크로파를 이용한 강우 유무 탐지 정확도는 평균 81%로 선행 연구에서 사용된 1 dBm 분해능의 자료보다 두 배 향상된 결과를 보였다. 지상 강우량을 산출하기 위해서 강우에 의해 야기된 링크 길이당 감쇠 k와 우량계 강우 강도 R 사이의 관계를 조사하였다. 임의의 시간에 강우에 의한 감쇠 Arain는 마이크로파 감쇠와 Aclear 간의 차이가 마이크로파 감쇠 크기의 2.5%를 초과할 때의 그 차이 값으로 결정하였고, Arain를 마이크로파 링크 거리로 나누어 링크 길이당 감쇠 k를 산출하였다. 마이크로파 링크 선상에 우량계가 설치되어 있지 않기 때문에 베리오그램(Variogram)을 이용하여 유효 반경 내의 모든 우량계와의 거리에 따라 가중 평균한 R을 계산하였다. 추정된 R-k 관계식을 국제 통신 연합(International Telecommunication Union)에서 제안한 R-k 관계식과 비교하였다. 마이크로파 링크 기반 지상 강우량 산출 방법은 층상형 강우 사례와 대류형 강우 사례에서 우량계 강우 강도와 상관 계수는 모두 0.9 이상이고, 평균 오차는 0.7 mm h-1로 기상 레이더 강우와 우량계의 상관 계수 0.5 ~ 0.6, 평균 오차 4.1 ~ 5.1 mm h-1에 비해 매우 개선된 정량적 결과를 도출하였다. 마이크로파 링크는 경로 상의 감쇠 크기를 직접 측정하기 때문에 기상 레이더 감쇠 보정을 위한 기준 값으로 활용될 수 있다. 다중 마이크로파 링크 감쇠 자료를 기반으로 X밴드 이중 편파 레이더 강우 감쇠 보정을 할 수 있는 방법(multiple microwave links method, MMLm)을 개발하였다. 안정적으로 레이더 감쇠 보정 계수 a 를 추정할 수 있는 MMLm을 층상형 강우 사례와 대류형 강우 사례에서 선행 연구에서 개발된 네 가지 감쇠 보정 방법(DPRm, SMLm, RSMLm, RMMLm)과 비교하였고, 기상청 S밴드 레이더 반사도와 비교 검증하였다. 대류형 사례(층상형 사례)에서 X밴드 레이더의 감쇠 보정 전과 보정 후의 반사도와 S밴드의 반사도 간의 평균 오차는 14.65 dB (-7.63 dB)에서 -1.75 dB (-2.06 dB)로 감소하였고, 평균 절대 오차는 14.65 dB (7.69 dB) 에서 6.82 dB (4.34 dB)로 감소하였다. 그리고 RMSE는 15.78 dB (8.92 dB)에서 7.8 dB (5.31 dB)로 감소함으로써 정량적 반사도 산출 정확도가 향상된 결과를 보였다. 층상형 강우 사례는 대류형 강우 사례에 비해 감쇠 보정 전의 평균 오차가 작았다. 선행 연구에서 제안한 단일 이중 편파 레이더 또는 단일 마이크로파 링크만을 활용하거나 레이더와 마이크로파 링크를 모두 활용하여 감쇠 보정하는 방법의 결과에 비해 인접한 다중 마이크로파 링크만을 활용하는 MMLm 감쇠 보정의 결과가 더욱 시공간적 강우의 변동성을 잘 고려함을 확인하였다. MMLm은 인접한 다중 마이크로파 링크를 활용하기 때문에 선행 연구에서 문제로 언급되었던 호우에 의한 심각한 감쇠 현상이 발생할 경우에도 안정적으로 레이더 감쇠 보정 계수를 제공할 수 있으며, 레이더 방위각과 마이크로파 링크가 서로 평행하지 않아도 적용할 수 있기 때문에 마이크로파 링크 활용 폭을 증대할 수 있다. 본 연구에서는 국내에서 처음으로 상용 마이크로파 링크를 활용하여 기상 관측 사각 지역인 도심에서 강우 유무 탐지 및 지상 강우량을 추정하고 기상 레이더 감쇠를 보정할 수 있는 방법을 개발하였다. 인접한 다중 마이크로파 링크만을 활용하여 지상 강우의 시공간적 변동성을 고려한 향상된 결과를 산출할 수 있음을 확인하였다. 마이크로파 링크를 활용한 강우 관측 기술은 전세계적으로 방송 및 통신으로 운영되고 있는 인프라를 활용하기 때문에 강우 관측 비용을 크게 절감할 수 있으며, 지면으로부터 수 십 미터 내의 높이에서 수 km 지역의 지상 강우를 대표할 수 있으므로 기존 강우 관측망인 우량계와 기상 레이더 사이의 간극을 채울 수 있는 장점이 있다. 또한 강우 관측 장비가 부족한 개발 도상국에서도 경제적으로 활용될 수 있다. 기상 관측 사각 지역에서 확보한 지상 강우 자료는 위험 기상 및 초 단기 예보 향상에 기여할 것이다.

핵심어: 상용 마이크로파 링크, 강우 유무 탐지, 저층 강우량, 레이더 강우 감쇠 보정, 기상 관측 사각 지역 해소

Novel methods for detecting rainfall, estimating near-ground level rainfall and improving the accuracy of near-ground rainfall with X-band radar attenuation correction were developed over commercial microwave links operating by Korea Telecom. The commercial microwave links with relatively low frequencies from 6 to 8 GHz were operated along path lengths ranging from 5.7 to 37.4 km traversing the city of Seoul, Korea in urban, one of the rainfall observation blind spot. The accuracy of rainfall detection, near-ground level rainfall estimation and radar attenuation correction using microwave link attenuation is dependent on the accuracy of calculation of attenuation during clear sky Aclear, which is baseline for separating attenuation during clear sky and attenuation during rain. Moving window variance, a statistical method that uses temporal correlation of rainfall, yields Aclear that fluctuates with real-time rainfall changes. The appropriate window size (90 min) and decision threshold (0.009) according to the type of rainfall were set and the microwave attenuation within a maximum of 90 minutes is assumed to be due to the same rainfall cell. The accuracy of rainfall detection by rain gauge was 10% of rainfall detector, while that by microwave link was 83%. In addition, the accuracy of rainfall detection by microwave link with higher resolution (0.01 dBm) was 81%, which is twice of the result in previous studies with the resolution (1 dBm). The improved accuracy of rainfall detection led to the improved accuracy of the near-ground level rainfall. The relationship between (rain-induced) specific attenuation AH and rainfall rate R was investigated to calculate near-ground level rainfall. Rain-induced attenuation Arain was determined as the difference between microwave attenuation and Aclear exceeding 2.5% of the magnitude of the microwave attenuation. Since no rain gauge was installed under the path of microwave link, weighted average of R was calculated according to the distance from all rain gauges within effective radius using a variogram. The estimated R-k relation is compared with the R-k relation proposed by the international telecommunication union. The correlation coefficient between microwave link-based rainfall rate and rain gauge rainfall rate was more than 0.9 and mean error was 0.7 mm h-1. The correlation coefficient between radar-based rainfall rate and rain gauge was 0.5 to 0.7 and the mean error was 4.1 to 5.1 mm h-1. Microwave link-based rainfall rate yield significantly improved quantitative estimation compared to radar-based rainfall rate. The microwave link can be used as a reference for weather radar attenuation correction because it directly measures the amount of attenuation of the path. Based on the multiple microwave links method (MMLm), a method for X-band radar attenuation correction was developed. The MMLm, which can stably estimate the radar attenuation correction coefficient a, is compared with the four attenuation correction methods (DPRm, SMLm, RSMLm, RMMLm) developed in the previous studies and verified with S-band radar reflectivity for the cases of convective rainfall and stratiform rainfall. In convective (stratiform) case, the mean error between the reflectivity of the S-band radar and the reflectivity of the X-band radar before and after the attenuation correction decreased from 14.65 dB (-7.63 dB) to -1.75 dB (-2.06 dB), the mean absolute error decreased from 14.65 dB (7.69 dB) to 6.82 dB (4.34 dB). The RMSE was reduced from 15.78 dB (8.92 dB) to 7.8 dB (5.31 dB), resulting in improved quantitative reflectivity accuracy. The mean error before attenuation correction in the stratiform rainfall case was smaller than that in the convective rainfall case. The results of MMLm, which utilize only adjacent multiple microwave links were more useful in the rainfall spatiotemporal variation than with a dual-polarimetric radar or with a single microwave link, or the use of both a radar and a microwave link proposed in the previous studies. In this study, novel algorithms for detecting rainfall, estimating near-ground level rainfall and correcting radar attenuation using commercial microwave link were developed for the first time in Korea. Rainfall observation technology using microwave links can significantly reduce rainfall observation costs by utilizing the infrastructure that is operated by broadcasting and telecommunication around the world, and represents near-ground level rainfall in the area of several kilometers from several tens of meters above the ground. It can fill the fap between rain gauge and radar. It can also be used economically in developing countries where rainfall observation equipment is scarce. Near-ground level rainfall data obtained from blind spots will contribute to forecast severe weather and nowcasting.

Key words: Commercial microwave link, Rainfall detection, Near-ground level rainfall, Radar attenuation correction, Gap-filling