Retrieval of 3-Dimensional Raindrop Size Distribution using X-band Polarimetric Radar

Abstract

강수입자크기 분포 DSD (Raindrop Size Distribution)의 시∙공간 정보는 정확한 강수량 추정, 강수셀에서의 미세물리학적 강수 발달 연구, 수치모델에서의 파라메터화 과정이나 검증에 중요한 자료로 활용된다. X-밴드 레이더를 이용한 최적의 DSD 파라메터NW와 D0 를 추정하기 위하여는, 정확한 강수감쇠 보정 알고리즘을 개발하고, 보정된 반사도와 차등반사도를 이용하여 보다 정확한 시∙공간적 강수크기 분포도를 구하기 위한 새로운 NW와 D0 관계식 및 알고리즘을 개발할 필요가 있다. 이중편파레이더의 경우 강수에 의해 감쇠된 반사도와 차등반사도는 레이더 켈리브레이션, 지상클러터, 강수에 의한 감쇠 등에 영향을 받지 않는 레이더 파라메터 차등위상 (differential propagation phase: ΦDP)을 이용하여 간단하게 보정 할 수 있다. 일반적으로 강수감쇠비 (specific attenuation: A)는 A=αKDP로 비차등위상(specific differential phase: KDP)에 비례한다. 계수 α 는 X-밴드 레이더에서 0.14-0.60(평균 0.25) 정도의 값으로 강수셀의 DSD, 온도 등에 의해 불안정하게 변동한다. 지금까지의 연구에서는 이 계수 α 를 경험적 평균값을 사용하거나, 강수셀 별로 구하여 감쇠비를 추정하였으나, 같은 강수셀이라 하더라도 부분적으로 DSD 또는 온도가 틀림으로 α 의 분포 또한 틀릴 것에 착안하여, 본 연구에서는 500 m 해상도를 가지는 α 의 분포도를 전체 레이더 관측 강수셀에서 구하여 보다 정확한 감쇠비 값을 추정, 반사도와 차등반사도의 강수감쇠량를 보정하는 방법을 제시하였다. 개발된 알고리즘은 PPI (plan position indicator) 뿐만 아니라 RHI (range-height indicator) 데이터에도 적용하였으며, 이 값은 지상에서 관측된 강수입자 측정 데이터를 이용하여 검증하였다. 그 결과 α 는 전체적으로 0.1–0.6의 분포를 보였고, 하나의 강수 셀 안에서도 약한 강수 부분에서는 0.1-0.2, 대류셀의 중심에서는 0.4 이상의 값을 보였다. α 의 분포도를 이용하여 보정한 레이더 파라메터는 지상에서 관측한 검증데이터 강수입자계측기(disdrometer)에서 관측한 데이터와 잘 일치하였고, scattering simulation에서 추정한 경험적관계식 (AH–KDP, ADP–KDP, ADP–AH, AH–ZH, KDP–ZH, ZDR–ZH 그리고 ZDP–ZH) 과도 잘 일치하였다. 강수감쇠가 보정된 반사도와 차등반사도는 DSD파라메터 중 NW와 D0 회수하기 위한 핵심 파라메터이다. 감수감쇠가 보정된 차등반사도를 이용하여 큰 차등반사도에서도 D0 를 회수할 수 있는 새로운 추정식 D0=0.77ZDR+0.79 를 제시하였다. 또한 NW의 회수에 필요한 강수물함량 (liquid water content: W) 추정식은 반사도뿐만 아니라 비차등위상 파라메터를 함께 사용하여 추정하였고, 이 때 사용된 W(KDP) 식의 계수 값은 레이더 안테나 고도각의 영향을 함께 보정함으로써 보다 정확한 3차원 강수물함량 분포도를 계산하였다. 새롭게 회수한 D0 와 강수물함량 W를 이용하여 NW를 추정하는 알고리즘을 제시하였으며, 이와 같이 회수한 NW와 D0 값은 강수입자계측기의 지상 검증데이터와의 비교에서 잘 일치함을 보였고, NW와 D0 값은 수평뿐만 아니라 연직 프로파일에서도 대체적으로 역비례하는 관계를 보였다. 대류형과 층상형으로 나누어 구한 평균NW와 D0 는 선행연구 결과와 비교하여 선행연구의 구분 범위 안에 잘 일치하였으며, 모두에서 해양성에 가까운 특성을 보였다. 이는 본 분석 데이터가 태풍의 경우임을 고려할 때 적절한 결과로 보인다. 본 연구에서 제안한 X-밴드 레이더 강수감쇠보정 방법과, NW, D0 를 회수하는 두 알고리즘은 이후 강수의 발달과정에 관한 미세물리학적 기상연구에 크게 이용될 수 있을 것으로 사료된다.