[기상재해의 저감을 위한 최첨단 리모트센싱 기술 ③] 강우량을 고정밀도로 추정하는 멀티 파라미터 레이더

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[기상재해의 저감을 위한 최첨단 리모트센싱 기술 ③] 강우량을 고정밀도로 추정하는 멀티 파라미터 레이더

2016년 8월 1일 (월) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2016년 8월호 - 전체 보기 )

[기상재해의 저감을 위한 최첨단 리모트센싱 기술 ③]
강우량을 고정밀도로 추정하는 멀티 파라미터 레이더

최근 국지적인 집중호우, 이른바 게릴라성 호우와 그에 기인하는 도시형 침수피해가 다발하고 있다. 멀티 파라미터 레이더 시스템(이하 MP 레이더)은 구름에서 비가 내리는 과정을 연구하기 위해 수평편파와 수직편파를 동시에 송수신(이중편파 관측)하여 얻어지는 편파 파라미터를 활용하는 레이더로 방재과학기술연구소에서 처음으로 실용화되었고, 이후 정보통신연구기구(NICT), 우주항공연구개발기구(JAXA), 도쿄전력 등에서 도입되어 왔다. 그 후 일본 국토교통성에서 2009년부터 도시부를 중심으로 X밴드 MP 레이더가 순차적으로 도입되어 2012년 7월부터 27기가 시험 운용 중에 있다. 한편, 국토교통성은 이미 일본 전국에 26기의 단일편파 C밴드 레이더 우설량계(雨雪量計)를 배치하여 방재정보 및 하천관리에 이용하고 있다. 본고에서는 MP 레이더의 특징과 시스템 구성을 간단히 설명하고, C밴드 레이더 우설량계와의 비교를 통해 X밴드 MP 레이더의 고정밀 강우량 추정 방법을 소개한다.

정리 편집부

MP 레이더의 특징

이중편파 레이더의 관측원리

(1) X밴드 레이더의 실용화

X밴드 기상 레이더는 C밴드 기상 레이더에 비해 강우 시 전파의 감쇠가 커지기 때문에 광역 관측에는 부적합하다. 그러나 장치구성이 비교적 소규모라는 점, 그리고 국소 관측에 적합하다는 점에서 연구 용도로 많이 설치되었다.

이중편파 파라미터를 이용한 전파의 감쇠보정 방법이 확립되어 대기 전파(傳播) 도중 강우의 영향을 정량적으로 보정함으로써 고정밀도의 강우량 관측결과를 얻을 수 있게 되었다.

(2) 편파 파라미터
강수입자는 공기저항을 받기 때문에 구형을 유지하지 못하고 수평방향으로 편평(扁平)하다. 편평한 정도는 입자의 크기 및 성질에 따라 달라지며, 이 성질을 이용한 관측량의 제원을 편파 파라미터라고 한다. 기존의 단일편파 관측에서는 편평도의 차이 및 크기의 불규칙함을 관측할 수 없었지만, 이중편파 관측에서는 수평방향과 수직방향으로 전파를 동시에 발사할 수 있기 때문에 단일편파 레이더에서의 레이더 반사인자(Zh) 외에 수평편파와 수직편파의 편파별 강도정보와 위상정보를 취득할 수 있다. 어느 정도의 S/N비가 확보 가능한 범위에서 위상정보는 강도가 감쇠해도 유지되므로 전파의 감쇠에 좌우되지 않는 파라미터이며 감쇠보정에 활용 가능하다. 이중편파 관측에 의해 얻어지는 편파 파라미터의 특징을 [표 1]에 나타냈다.

MP 레이더의 시스템 개요

국토교통성에서의 도입사례를 참고로 고체화 송신기를 이용한 X밴드 MP 레이더의 주요 제원을 [표 2]에, 시스템 구성을 [그림 1]에 나타냈다.

MP 레이더 관측에 의한 우량강도 정밀도

(1) 우량강도 산출처리

단일편파 레이더로 관측되는 우량강도(雨量强度)가 레이더 반사인자 Zh를 이용하여 계산되는 것과는 달리 국토교통성의 X밴드 MP 레이더에서는 [그림 2]에 보이는 바와 같이 편파 파라미터와 Zh를 조합하여 우량강도를 산출하고, 또 복수의 레이더 데이터가 존재하는 영역에서는 그들을 합성한다.

① 품질관리·차폐보정

이하의 항목에 대해 관측데이터의 품질관리를 실시하고, KDP에 의한 강우강도 추정 영역을 판정한다.

(a) 지형 및 건물에 의해 이상이 발생하는 구역 제거

(b) 특이점 등의 이상치(異常値) 제거

(d) 레이더 빔이 차폐된 영역

② KDP 산출
KDP는 편파 간의 위상차를 이용한 파라미터이기 때문에 수신강도가 약한 범위에서는 위상잡음이 크다. 이 때문에 미리 ØDP를 평활화하고 나서 KDP를 산출한다.

③ 강우감쇠 보정
단일편파 레이더의 경우 감쇠보정은 전파전파(電波傳播) 도중의 강우에 의한 감쇠량을 근거리에서 순차로 추정·적산하여 구했기 때문에 원거리만큼 오차가 누적되어 정밀도에 문제가 있었다. 이에 MP 레이더에서는 다음의 식 (1 )을 이용하여 Zh의 전파 도중 강우감쇠의 영향을 KDP로 보정하는 방식을 채용하고 있다. KDP는 위상정보이며, 어느 정도의 S/N비가 있으면 강도정보와 같이 강우감쇠의 영향을 받지 않는데다가 해당 메쉬별로 산출되기 때문에 해당 메쉬 이외의 영향을 받지 않고 보정을 실시할 수 있다.

ZhC: 강우감쇠 보정 후의 반사인자
Zh: 강우감쇠 보정 전의 반사인자
Ah: 보정계수, al, bl: 정수

④ 강우강도 추정
단일편파 레이더의 경우 반사인자 Zh로부터 우적(빗방울) 정수로 정의되는 값을 이용해 우량강도 R을 산출한다.(R-Zh 관계) 우적정수는 강우상황 및 빗방울의 크기 등에 의해 변하는데 계산상 일정치를 이용하기 때문에 우량의 추정오차가 커지게 된다. 이 때문에 C밴드 레이더 우설량계에서는 지상우량계로 보정을 실시함으로써 우량추정 정밀도를 확보하고 있다. 이중편파 레이더에서는 R-Zh 관계뿐만 아니라, KDP 등의 편파 파라미터를 활용한 R-KDP 관계를 조합해 우량강도를 산출하기 때문에 레이더 1기로 높은 정밀도의 우량강도를 얻을 수 있다.

(2) C밴드의 단일편파 레이더 우설량계와 X밴드 MP 레이더의 관측 비교

C밴드 레이더 우설량계는 레인지(range) 분해능 1km, 방위분해능 0.7도에서 관측된 데이터로부터 1km의 직교 메쉬로 변환한 우량을 산출하여 전송한다. 이에 대해 X밴드 MP 레이더는 레인지 분해능 150m, 방위분해능 1.2도에서 관측된 데이터로부터 250m의 직교 메쉬로 변환한 우량에 대해 정보를 제공하고 있다.([그림 3] 참조) 이에 따라 X밴드 MP 레이더는 C밴드 레이더 우설량계의 16배나 되는 공간분해능을 얻을 수 있다.또, X밴드 MP 레이더는 C밴드 레이더 우설량계에 비해 관측범위는 좁지만, 데이터 갱신율이 C밴드의 5배이다. X밴드 MP 레이더는 전술에서와 같이 레이더 1기로 고정밀도의 우량관측이 가능하여 지상우량계에 의한 보정이 필요 없고, 따라서 처리시간이 단축되어 실시간 성능이 향상된다.([표 3] 참조)

[그림 4]에는 국토교통성에서 실시한 단일편파 레이더 지상우량계에 의한 보정 전 상태와 X밴드 MP 레이더 지상우량계와의 비교결과를 나타냈다. 이 도표에서 이중편파 파라미터를 이용한 X밴드 MP 레이더가 레이더 1기에서 지상우량계와 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
일본 국토교통성에서는 고해상도의 높은 갱신율을 갖는 X밴드 MP 레이더와 관측범위가 넓은 C밴드 레이더의 각각의 특징을 결합하여 일본 전국의 강우량을 관측, 정보제공을 실시하고 있다.