Retrieval of high temporal resolution wind fields by variational and FGAT method using multiple-Doppler radar

Abstract

악기상을 보다 정확하게 탐지하고 이해하기 위해서는 시간적으로 고해상도의 바람장 자료가 필요하다 (Zrnic et al. 2007; Heinselman and Torres 2011). 도플러 기상 레이더는 시·공간적으로 고해상도의 반사도와 시선속도 자료를 제공한다. 그러나 시선속도 자료로부터 강수시스템의 분석에 용이한 직교좌표계의 u, v, w 성분의 3차원 바람자료를 회수하기 위해서는 강수시스템의 하층으로부터 상층까지를 잘 표현할 수 있는 볼륨관측 자료가 필요하며, 이는 현재 대부분의 레이더 관측전략에서 약 5~10분이 소요된다. 일본의 MLIT (Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism) X밴드 레이더 네트워크의 경우 1분 간격의 레이더 강수량 자료를 제공하기 위하여 한 번의 볼륨스캔(5분) 동안 여러 번의 저고도 관측(1분 간격)을 수행하고 있다. 본 연구에서는 1분마다 관측되는 저고도 레이더 관측 자료를 이용하여 시간 고해상도 바람장을 회수하기 위해 변분법과 FGAT (first guess at appropriate time) 방법을 사용하였다. Gao et al. (1999, 2004)이 제안한 변분법은 t=0과 t=5일 때의 한 볼륨스캔을 이용하여 3차원 바람장을 회수하는데 사용되었고, 1분 간격 (t=1, 2, 3, 4)의 저고도에서의 바람을 회수하기 위해 FGAT 방법을 적용하였다. 회수된 t=0과 t=5의 3차원 바람장을 first guess로 하여 구하고자 하는 시간에 맞게 시간 내삽하는 과정을 거쳐 배경장으로 사용되었고, 이에 저고도 관측 자료를 본 변분법에 적용하여 1분 간격의 바람장을 회수하였다. 개발된 방법을 평가하기 위하여 관측시스템 모사실험(OSSE: observation system simulation experiment)을 수행하였다. 실험에서는 고해상도 구름모델 (CReSS: Cloud-Resolving Storm Simulator)로부터 수행된 강한 뇌우시스템의 사례가 사용되었으며, 분석영역 내에 4대의 레이더를 가정하여 개발된 방법에 적용하였다. 관측시스템 모사실험을 기반으로 개발된 방법을 평가해본 결과, 5분 간격의 3차원 바람장과 1분 간격의 저고도 바람장을 회수할 수 있었다. 5분 간격의 바람장에서 동서바람의 경우 0.995의 높은 상관관계를 보였고 RMSE는 6.6 m s-1 로 나타났으며, 남북방향의 바람의 경우 0.989의 상관도와 RMSE가 2.7 m s-1로 나타났다. 1분 간격의 바람장의 경우에도 0.987이상의 높은 상관관계를 가졌으며 오차범위는 3.11 m s-1로 나타났다. 또한 저고도에서 강한 뇌우시스템의 특징인 vorticity의 형태와 이동이 잘 표현되었으며, 실제 관측 자료에 적용한 결과, 윈드프로파일러 자료와 비교하여 그 신뢰성을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구는 저고도에서 발생하는 여러 악기상 (예, gust front)의 감시와 분석에 유용하게 이용될 것으로 사료된다.