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GK-2A IR관측 기반 한반도 여름철 대류운발생 사례 분석 및 대류운발생 탐지 알고리즘 적용방안 연구
김대룡,신동빈 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
기후변화에 따라 한반도 내 여름철 강수 특징은 급격하게 발달하여 국지적으로 많은 강수량을 기록하는 열대성 강수로 변화하고 있다. 따라서 군을 비롯한 각 기관별 예보관과 방재기상 감시 요원들은 국지성 호우에 대처하기 위한 감시업무를 24시간 수행하고 있다. 대류운 발생 감시를 위한 방법에는 목측, 레이더, 위성 기반이 있으나 정지궤도위성 IR센서 기반의 감시 방법은 감시 가능지역 제한 없이 실시간으로 감시 할 수 있기 때문에 가장 효율적인 방법이다. 본 연구에서는 천리안위성 2A호(GK-2A)에 탑재되어 있는 AMI센서의 IR관측을 기반으로 발달하는 대류운의 특성을 분석한 뒤 대류운 발생 탐지(CI Detection) 현업 알고리즘에 적용 및 검증하여 대류운 발생 탐지 알고리즘의 발전 방향에 대해 제시하였다. GK-2A 현업 서비스 이후(2019년 7월) 한반도에서 여름철 발생한 대류운 35개 사례에 대한 밝기온도(BT) 2종, 밝기온도 차(BTD) 9종, BT/BTD 10분 경향성 11종 등 총 20종의 Interest Field를 통계적 방법으로 분석하였다. 대류운 발생 시점(레이더에서 처음으로 35 dBZ 이상 관측) 전후 30분 간 시계열 자료를 Linear Regression, PCA(Principal Component Analysis) 두 가지 방법으로 분석하였다. Linear Regression 결과 BT/BTD 계열의 Interest Field는 구름 성장과 0.9 내외의 상관관계를 기록하였으며, Trend 계열의 Interest Field는 0.7 내외의 상관관계를 기록하였다. PCA 결과 BT/BTD 계열 Interest Field 2개, BTD 계열 Interest Field 2개만 사용하여 본 연구에 사용된 전체 자료의 95% 내외의 분산을 설명할 수 있었다. 통계분석 결과는 기상청에서 운영중인 대류운탐지 현업 알고리즘에 적용하여 비교 및 검증하였다. 대류운 탐지 알고리즘은 현업 알고리즘을 기반으로 일부 수정하여 재구현하였다. 대류운 판별시험 부분에는 현업 알고리즘과 같은 Interest Field 및 임계값, Interest Field는 같지만 임계값은 통계치를 이용한 방법, Linear Regression 결과, PCA 결과 등 4가지 방법을 적용하였다. 검증 결과 현업 알고리즘 Interest Field를 통계값으로 임계치를 수정한 방법이 POD 최대 91.3, FAR 최소 57.1로 가장 좋은 탐지성능을 보였다. 이는 한반도에서 직접 관측된 자료를 기반으로 임계치를 조정 할 경우 탐지성능 향상에 도움이 될 수 있음을 의미한다.
COMS 위성의 가시 및 적외 영상 채널로부터 복원된 대류운의 강우강도 향상과 검증
문윤섭,이강열 한국지구과학회 2016 韓國地球科學會誌 Vol.37 No.7
The purpose of this study is to improve the calibration matrixes of 2-D and 3-D convective rainfall rates(CRR) using the brightness temperature of the infrared 10.8 μm channel (IR), the difference of brightness temperatures between infrared 10.8 μm and vapor 6.7 μm channels (IR-WV), and the normalized reflectance of the visible channel(VIS) from the COMS satellite and rainfall rate from the weather radar for the period of 75 rainy days from April 22, 2011 to October 22, 2011 in Korea. Especially, the rainfall rate data of the weather radar are used to validate the new 2-D and 3-DCRR calibration matrixes suitable for the Korean peninsula for the period of 24 rainy days in 2011. The 2D and 3D calibration matrixes provide the basic and maximum CRR values (mm h−1) by multiplying the rain probability matrix, which is calculated by using the number of rainy and no-rainy pixels with associated 2-D (IR, IR-WV) and 3-D(IR, IR-WV, VIS) matrixes, by the mean and maximum rainfall rate matrixes, respectively, which is calculated by dividing the accumulated rainfall rate by the number of rainy pixels and by the product of the maximum rain rate for the calibration period by the number of rain occurrences. Finally, new 2-D and 3-D CRR calibration matrixes are obtained experimentally from the regression analysis of both basic and maximum rainfall rate matrixes. As a result, an area of rainfall rate more than 10 mm/h is magnified in the new ones as well as CRR is shown in lower class ranges in matrixes between IR brightness temperature and IR-WV brightness temperature difference than the existing ones. Accuracy and categorical statistics are computed for the data of CRR events occurred during the given period. The mean error (ME), mean absolute error (MAE), and root mean squire error (RMSE) in new 2-D and 3-D CRR calibrations led to smaller than in the existing ones, where false alarm ratio had decreased, probability of detection had increased a bit, and critical success index scores had improved. To take into account the strong rainfall rate in the weather events such as thunderstorms and typhoon, a moisture correction factor is corrected. This factor is defined as the product of the total precipitable waterby the relative humidity (PW·RH), a mean value between surface and 500 hPa level, obtained from a numerical model or the COMS retrieval data. In this study, when the IR cloud top brightness temperature is lower than 210 K and the relative humidity is greater than 40%, the moisture correction factor is empirically scaled from 1.0 to 2.0 basing on PW·RH values. Consequently, in applying to this factor in new 2D and 2D CRR calibrations, the ME, MAE, and RMSE are smaller than the new ones. 본 연구의 목적은 2011년 4월 22일부터 10월 22일까지 우리나라에서 강수가 있는 총 75일 동안 COMS 위성의 적외 채널 10.8 μm 휘도 온도(IR), 적외 채널 10.8 μm와 수증기 채널 6.7 μm의 휘도 온도차(IR-WV), 정규화 된 가시 반사도(VIS)와 기상 레이더의 강우강도를 이용하여 2-D와 3-D 대류운의 강우강도 (CRR) 조견표를 향상시키는 것이다. 특별히 한국형 2-D와 3-D CRR 조견표를 검증하기 위해 2011년 강수가 있는 24일 동안의 기상 레이더 강우강도 자료가 사용된다. 2-D와 3-D CRR 조견표는 각 채널의 등급 범주별 강우 총수와 비강우 총수의 행렬을 이용하여 구한 강우 확률에 평균 누적강우강도와 최대 강우강도를 각각 곱함으로써 2-D (IR, IR-WV)와 3-D (IR, IR-WV, VIS) 조견표의 기본과 최대 행렬을 얻을 수 있다. 최종적으로 새로운 2-D와 3-D의 CRR 조견표는 경험적으로 기본과 최대 강우강도 행렬의 회귀 분석으로 얻어진다. 그 결과 새로운 CRR 조견표는 기존보다 낮은 IR 휘도 온도, 낮은 IR-WV 휘도 온도차일 때에도 비교적 많은 강우 현상을 나타내며, 10 mm h−1이상의 강우강도 영역이 확대되어 나타난다. 정확도와 범주별 통계가 주어진 기간 동안 발생했던 CRR 자료에 대해 계산된다. 새로운 2-D와 3-D CRR 조견표의 평균 오차, 평균절대 오차, 제곱근평균 오차가 기존 조견표보다 작게 나타나며, 예측 거짓경고비율은 감소하고, 탐지확률은 증가하며, 임계성공지수는 개선된다. 태풍과 뇌우와 같은 기상 이변에서의 강한 호우를 고려하기 위해서 습윤 보정 계수를 교정한다. 이 인자는 수치모델이나 COMS에서 복원한 지면에서 500 hPa까지 평균한 총가강수량과 상대습도의 곱 (PW·RH) 으로 정의된다. 이 연구에서는 PW·RH에 근거하여 IR 운정 휘도 온도가 210 K 이하일 때, 상대습도가 40% 이상일 때 1에서 2사이를 경험적으로 정한다. 새로운 2-D와 3-D CRR 조견표를 적용한 결과 평균 오차, 평균 절대 오차, 제곱근 평균 오차가 줄어든다.