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레이더 VIL 자료를 이용한 사례분석

2004. 12. 9

경북대학교 천문대기과학과

김 경 익, 서 남 섭

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발 표 순 서

◈ 서 론

◈ 관측 및 자료 처리

◈ 분 석 방 법

◈ 분 석 결 과

◈ 요 약 및 결 론

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서 론

1. 선 행 연 구

◈ 국 외

- Green & Clark (1972) : VIL에 관한 최초 연구

- Douglas & Robert (1972) : 악기상 예보, 수문학 적용

- Kitzmiller (1994) : 악기상 뇌우의 구별

- Amburn & Wolf (1997) : 대류 특성과 관련

- Amburn & Wolf(1977); VIL Density로 우박 사례 연구

-Aldo(2003) : UVIL을 이용한 악기상 연구

◈ 국 내 : VIL을 이용한 연구 미약

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2. 배 경 이 론

◈ 액체수함량의 중요성

⊙ LWC의 크기와 공간분포

- 구름 역학 : Entrainment and Mixing

⊙ LWC의 변화

- 대기 열역학 과정, 구름입자의 이동

- LWC 증가 : 잠열 방출

- LWC 감소 : 잠열 흡수

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◈ 연직적분 액체수함량

(Vertically Integrated Liquid Water Content)

0

14

12

10

8

6

4

2

20 40 60 80 100

Horizontal Distance (km)

Hei

ght (

km)

30 deg 15 deg 10 deg

6 deg

3 deg

0.7 degh1

h2

0

14

12

10

8

6

4

2

20 40 60 80 100

Horizontal Distance (km)

Hei

ght (

km)

30 deg 15 deg 10 deg

6 deg

3 deg

0.7 deg

0

14

12

10

8

6

4

2

20 40 60 80 100

Horizontal Distance (km)

Hei

ght (

km)

30 deg 15 deg 10 deg

6 deg

3 deg

0

14

12

10

8

6

4

2

20 40 60 80 100

Horizontal Distance (km)

Hei

ght (

km)

0

14

12

10

8

6

4

2

20 40 60 80 100

Horizontal Distance (km)

Hei

ght (

km)

30 deg 15 deg 10 deg

6 deg

3 deg

0.7 degh1

h2

스톰에 함유된 액체수의 양 추정

: 악기상의 3차원 특성을 2차원

그림형태로 표출

- M(h) : LWC(Liquid Water Content)

- h : 고도

-> severe weather의 조기 경보

∫=− toph

hdhhMkgmVIL

0

)()( 2

6

⊙ VIL 값의 변화

- 뇌우 기능성: 15 gm-2 이상

- 찬 기단에서 뇌우 발생 : VIL : 25 ~ 35 gm-2 (우박 형성)

- 온난 기단에서 뇌우 발생 :VIL : 50 ~ 60 gm-2 (우박 형성이 안되는 경우 발생)

⊙ 다양한 VIL 값의 분석 결과

VIL : 일 변화, 계절 변화(사용시 주의)

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⊙ VIL density(kgm-3) = VIL/echo top height

- Amburn & Wolf (1997) : VIL 밀도 최초 분석

우박 발생 사례 선정 : 에코 정상 고도와 VIL과의 관계

-> VIL 밀도 증가 시 우박의 크기 증가

-> VIL 밀도가 ≥ 3.5 gm-3, 우박크기 ≥ 19 mm-> VIL 밀도 : VIL의 일변화, 계절변화에 관계 없이 사용 가능한

효과적인 우박 발생 지표임을 제안

8

⊙ UVIL(Upper level Vertically Integrated LWC)

- Aldo(2003) : 동결 고도 이상의 VIL 최초 분석악기상 및 우박 발생 가능성 분석

∫

∫≅

=−

top

m

top

m

h

h

h

h

dhZ

dhhMkgmUVIL )()( 2

Z : reflectivity factorhm : melting height

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⊙ Estimation of VIL and UVIL

UVIL

10

--------------------------------------------------- (1)

---------------------------------------- (2)

---------------------------------------------- (3)

---------------------------------------------------------------- (4)

Eqs(2) and (3):

------------------------------------------------ (5)

∫=− t

b

h

hdhhMkgmVIL )()( 2

403)(

6 λπρπρ wZ

Zw NdDDDnM t

b== ∫

70

0

6 720)(λ

NdDDDnZ == ∫∞

DeNDn λ−= 0)(

7/47/4

018

0

]10720[Z

NNM w

×=

πρ

11

Eq.(5) -> eq.(1)

∫−− ×= t

b

h

hdhZkgmVIL 7/462 1044.3)(

hZZVIL ii ∆+×= +−∑ 7/416 ]2/)[(1044.3

36 −mmmUnit of Z :

Unit of h : m

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◈ Continuity equation of VIL

Time evolution of VIL in an atmospheric column : continuity equation

Where

u, v : component of horizontal advection velocityP(t) : ground rainfall rateS(t) : source term

)()()( tPtSVILdt

d−=

yv

xu

tdtd

∂∂

+∂∂

+∂∂

=

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◈ 연 구 목 적

- CAPPI & 연직 단면도 분석

- VIL & VIL 시간차 분석

- 레이더 반사도의 3-D 표출: 대류세포의 공간분포

여름철 대류성 강수 시스템의 발달, 공간 분포 및 특성 파악

레이더 자료 분석의 활용도 높임

공항 레이더의 효율성 증대

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관 측 및 자 료 처 리

◈ 공항용 도플러 기상 레이더(TDWR )- 일본의 Mitusbishi 회사 제작

- 파장 5.3cm, C-band 레이더

- 빔은 선형 수평편파, 빔폭 0.7°

- 최대 관측거리 430km, 최대 도플러 속도 30m/s

5 km

영종도 남서쪽왕산의 해발 127m 설치

활주로와 약 5km 거리

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◈ Scan schedule⊙ Monitor mode : 공항 주변에 별다른 기상현상이 발생하지 않을 때

⊙ Hazard mode : 악기상을 보다 자세히 관측

⊙ Mode 전환

- VIL이 자동 변환 지표

- Monitor mode에서 특정 주기 동안 VIL값 계산

임계 VIL값의 면적 100 ㎢를 초과, 혹은 강도 수위 4 mm/hr초과

Hazard mode Scan Timeline

1 1.5 2.1 2.9 4 6 811

15

21

28

36

45

0.70.70.70.70.70.70

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Scan Number

Ele

va

tio

n

M oni tor mode Scan Timel ine

0 0.7 1 1.4 1.9 2.5 3.2 4 5 710

1520

2632

38

45

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Scan Number

Ele

va

tio

n(deg

ree)

16

◈ 관 측 자 료

⊙ 6-7분 간격 PPI Volume scan 자료

⊙ 분석에 사용된 고도각

- Monitor 모드 : 16개

- Hazard 모드 : 14개

⊙ 관측기간

- 2002년 8월 7일 02시∼ 06시

- 일 총강수량 : 86.3mm(인천공항 기상대)- 03시부터 04시까지 32.1mm의 강수량 기록

- 뇌우 발생

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분 석 방 법

⊙ CAPPI(Constant Altitude PPI)

- PPI (Plan Position Indicator)의 반사도 사용, 일정 고도면에 에코 표출- Cross-section (연직 단면도 ) 분석, VIL 계산에 이용

⊙ Cross-section - 강수 구름 밴드의 폭과 연직 단면의 강도 분석

⊙ VIL & VIL 시간차- 시스템의 이동 방향 및 속도 분석- 대류운 강수 구름의 발달, 공간 분포 및 특성 분석

⊙ 레이더 반사도의 3-D 표출- 대류운 강수 시스템의 입체적 분포 분석

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분 석 결 과

◈ 종관 상태 분석

⊙ The surface weather map ( 2002년 8월 7일 03시 )

⊙ Enhanced GMS Infrared image( 2002년 8월 7일 03시 )

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⊙ Skew-T log P diagram image( 2002년 8월 7일 03시; 오산)

⊙ 풍 속(a), 풍 향(b) 분 석

5 km

1.5 km

(a) (b)

남 서 풍30 – 40 knot

0.5 km

20

◈강수밴드이동분석

⊙ V I L 2 ( 03시 41분 )⊙ V I L 1 ( 02시 09분 )

AB

강수구름밴드 이동 : 15 km/h, 남동진, 상층의 남서풍에 대해 직각 방향

21

⊙ VIL Difference 1 (VIL 2 – VIL 1) ⊙ V I L 3 ( 05시 10분 )

C

A B

C

시스템이 접근하기 전 강수구름 밴드의 이동방향과 속도 사전 분석

: 강수밴드가 공항 주변에 영향을 줄 시간대와 지속시간 예측 가능

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A

A'

B

B'

◈ Cross-section 분석

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⊙ Cross-section A-A'

폭 15 km

4 km

A A' B B'

6 km

⊙ Cross-section B-B'

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◈ VIL을 이용한 대류운 특성 분석

⊙ V I L 1 ( 0 - 12 km ) ⊙ V I L 1 ( 0 - 6 km )

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⊙ V I L 2 ( 0 - 12 km ) ⊙ V I L 2 ( 0 - 6 km )

26

⊙ VIL Difference ( 0 - 12 km ) ⊙ VIL Difference ( 0 - 6 km )

30dBZ 이상이 6km 이하로 분석되었던 cross-section 분석과 유사VIL 분석 : 강수구름이 6km 이하에 많이 분포

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⊙ V I L 1 ( 02시 09분 ) ⊙ V I L 2 ( 05시 50분 )

대류운 강수 구름 밴드의 세부적 분석 : 반경 50km

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⊙ VIL Difference 1 (VIL 2 – VIL 1) ⊙ VIL Difference 2 (VIL 1 – VIL 2)

VIL & VIL 시간차 분석 : 대류운 강수 구름의 특성 파악

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◈ 레이더 반사도 3–D 분석- 03시 21분 – 27분 Volume Data 중 35dBZ 이상

영종도

30

4 km

Cross-section 분석에서 35dBZ 이상의 강한 부분이 4km 이하에 분포한 것과 동일

여러 개의 기둥 : 강수구름 밴드의 구조가 여러 개의 대류운 특성을 가지고 있음을입체적으로 보여줌

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◈ Schemetic diagram

(a) (b)

(c)

Schemetic diagram (a) development and movement of cloud on the synoptic analysis, (b) horizontal structure of conventive precipitation band, (c) time-height cross section of radar reflectiviy factor from 0200 LST to 0600 LST 7 August, 2002.

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요 약 및 결 론

◈ 요 약⊙ 종관상태· 지상 기압골 영향, 상층까지 남서풍에 의한 온난기류 유입· 대류운 특성의 강수 구름 밴드 형성

⊙ Cross-section 분석· 강수 구름 밴드의 연직 분포

: 30dBZ 이상은 6km, 35dBZ 이상은 4km 까지· 강수 구름 밴드의 폭 : 약 15km

강수의 강도 및 지속시간 판단

⊙ VIL & VIL 시간차 분석· 강수 구름 밴드 15km/h, 남동진· VIL 분석에서 강한 부분과 약한 부분 동시 존재· VIL 시간차 분석에서 증가 부분에서 감소, 감소 부분에서 증가

대류운 강수 구름의 특성 표현

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요 약 및 결 론

⊙ 레이더 반사도 3-D 표출

· 35 dBZ 이상 여러 개의 기둥으로 표출

· 대류운 강수 시스템의 공간 분포특성 입체적 표현

- 주 강수 밴드 유입시

· 레이더 반사도 : 지상에서 가장 큰 값, 선형적 감소

지상에서의 많은 강수량과 밀접한 관련

◈ 결 론

- 대류운 강수 시스템의 공간분포 파악

- 강수계의 이동 및 악기상 예보에 도움

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