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통계적 규모 축소 기반 KMAPP을 이용한 저고도 항공난류 예측 시스템 개발
김정훈,김정회,최희욱,이상삼 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
지면 근처 시어 및 대류 불안정에 의해 발생하는 저고도 난류는 공항 근처에서의 안전한 항공기 운항에 지대한 영향을 미친다. 항공기에 영향을 주는 대기 중 난류 현상은 현업 수치모델 격자간격에 비해 매우 작은 규모이며, 이들에 대한 수치모델 기반 예측 시스템은 현업 수치모델이 분해 가능한 규모에서의 다양한 난류 진단지수들을 계산하고, 이들을 국제민간항공기구에서 권장하는 객관적인 난류 강도인 에디소산률(Eddy Dissipation Rate; 이하 EDR)로 변환하여 제공한다. 이러한 변환을 위해서는 Lognormal Mapping Technique (LMT) 방법이 사용되며 이는 장기간 저고도 난류 관측 자료와 수치모델 자료 기반 개별난류지수들의 로그정규 분포 특성 값들을 이용한다. 본 연구에서는 최근 5년간 보성 타워의 20-Hz 초음파 풍속계에서 관측된 EDR과 기상청 국지예측모델 기반 KMA Post Processing(이하 KMAPP) 자료를 이용하여 저고도 통합 난류 예측 시스템을 개발하고 검증하였다. KMAPP의 도메인은 대한민국을 포함하는 영역에 수평 격자 간격이 100 m이며, 하루에 2번 0-24시간 예측장이 생성된다. 본 연구에서는 객관적인 예측 시스템 개발을 위해 기상청 국지예측모델의 통합난류 예측 시스템과 KMAPP기반 시스템을 상호 비교하였으며, 최종적으로 보성 타워자료에서 관측된 EDR 자료와 비교 검증하였다. 보성 타워 근처의 5x5 격자에서 평균된 KMAPP기반 EDR 예측은 관측에서 나타나는 일주기 난류 발생 변동을 잘 나타내고 있었으며, 평균절대오차와 평균 제곱근 오차는 각각 0.08 m<SUP>-2/3</SUP> s<SUP>-1</SUP>과 0.1 m<SUP>-2/3</SUP> s<SUP>-1</SUP> 정도로 나타났다. 이를 통해서 개발된 KMAPP 기반의 고해상도 난류 예측 정보는 대한민국의 허브 공항들에서의 안전한 항공기 운항에 도움을 줄 것으로 기대된다.
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WRF 모형을 이용한 난류소산율 수치모의 및 보성타워자료에서 관측된 난류소산율과의 비교 검증
김정회,김정훈 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.4
난류소산율은 단위 시간당 난류운동에너지(이하 TKE)가 큰 규모에서 작은 규모로 캐스케이드되는 정도를 나타내며, 난류소산율의 세제곱근이 에디소산율(이하 EDR)로 정의된다. 난류소산율은 수치모형에서 행성경계층(이하 PBL) 물리 모수화의 성능 향상에 직접적으로 관련이 있다. 항공 기상의 관점에서 항공기 부하가 EDR에 비례하는 것이 알려져 있으며, 국제민간항공기구에서 항공 난류의 강도를 나타내는 척도로 EDR을 이용하고 있다. 본 연구에서는 난류소산율 3km 수평격자 간격을 가지는 영역에서 Weather Research and Forecasting(이하 WRF) 모형을 이용하여 수치모의를 수행하였고, 항공 기상 측면에 초점을 두어 EDR의 형식으로 난류소산율의 특성을 분석하였다. 1.5차 난류종결 방법론은 TKE 예단방정식을 이용하여 TKE를 계산하며, TKE를 제외한 2차 모멘트는 진단하여 값을 산출한다. 1.5차 난류종결 방법론에서 난류소산율은 TKE와 예단 된 난류운동의 길이규모를 이용하여 계산된다. WRF에서 PBL 모수화로 구현된 방안 중 Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino(이하 MYNN) 방안과 Quasi-Normal Scale Elimination(이하 QNSE) 방안을 이용하여, 한반도 영역에 대하여 2018년 10월 한달 간의 기간에 대하여 WRF 모형에서 EDR을 5분 간격으로 산출하였다. 두 방안을 이용하여 산출된 EDR(이하 EDR-MYNN 및 EDR-QNSE) 모두 PBL의 일주기 성장에 잘 부합하는 일주기 변동이 전반적으로 관찰되었으나, 태풍과 같은 외력이 작용하는 경우 일주기 변동이 깨지는 양상이 나타났다. 모의된 EDR 값의 검증을 위하여 2018년 10월 동안 보성표준기상관측소(이하 BMO) 3차원 초음파 풍속계 관측 자료를 이용하여 산출된 EDR 값(이하 EDR-BMO)과의 비교를 수행하였다. EDR-EMO과 비교했을 때 EDR-MYNN과 EDR-QNSE는 약 0.16m<sup>2/3</sup>s<sup>-1</sup>의 평균 절대오차 정도로 과소모사 되었으며, 고도가 증가할 수록 과소모사의 정도가 증가하는 것이 확인되었다. EDR-MYNN의 경우 야간의 안정한 PBL 내에서 EDR-BMO에 비하여 EDR의 강도를 과소모사 했으나, EDR-QNSE의 경우 그러한 경향이 상대적으로 적게 나타났다.
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지상기반 관측자료를 이용한 수도권지역 저고도난류 특성 연구
민재식,김정훈 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
전 세계적으로 도시화는 빠르게 진행되고 있으며 우리나라의 도시화율은 80%이상 수준이며 2050년 경 86%에 달할 것으로 예측된다. 빠른 도시화로 인해 도심 교통혼잡은 가중되고 있으며 2015년 한국교통연구원 분석에 따르면 교통혼잡비용이 무려 33조 3천억원에 달하는 것으로 나타났다. 이러한 교통 체증을 해결하기 위한 방안으로 대두되고 있는 것이 드론이다. 우리나라도 2025년 상용화를 목표로 한국형 도심항공교통(K-UAM)에 대한 정책 및 연구개발을 진행 중에 있다. 도심항공교통은 지상 50 m에서 약 1km 내외의 고도를 운항하게 된다. 이 고도는 대기혼합층에 해당하고 대기혼합층 내에서는 대류에 의한 연직확산 및 바람에 의한 시어의 영향으로 미세규모의 난류가 많이 발생한다. 이러한 미세규모 난류는 드론의 순항을 위협하는 주요 요소 중 하나다. 이에 본 연구에서는 안전한 드론비행을 위해 도심 내 하층대기에서의 난류 발생 특성을 분석하고자 한다. 분석을 위해 우리나라 수도권을 중심으로 3개 지점의 윈드라이다 바람성분 프로파일과 난류 플럭스 관측자료를 사용하였다. 2016년부터 2020년 기간 관측된 자료의 계절 및 시간에 따른 난류발생 특성을 분석하였다. 또한 관측지점의 주변 특성 (주거지, 상업지, 농경지)에 따른 난류발생 특성도 분석하였다. 가장 큰 특징은 농경지에 비해 주거지/상업지에서 난류발생 빈도가 높았으며, 야간에 농경지는 안정한 대기 특성을 보이는 반면, 주거지/상업지에서는 야간임에도 불구하고 난류발생 빈도가 높게 나타났다.
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