교차상관계수는 강수입자의 형태, 크기, 종류, 수 등의 성질이 균일하게 분포
교차상관계수 값의 범위에 따라 대표적으로 관측되는 사례들을 표2.2에 정리
2.3 차등위상차(Differential Phase,
) 및비차등위상차(Specific Differential Phase, KDP)
차등위상차는 수평편파와 수직편파 펄스 간의 위상 차이를 나타내는 변수이다.
차등위상차(
)는 다음 식과 같이 수평편파와 수직편파 펄스 간의 위상여기서 r1과 r2는 각각 레이더로부터의 거리이다. 차등위상차(
)가 주 어진 경로상의 주어진 지점에서 수평편파와 수직편파의 위상차의 합이 전파경 로를 따라 축적된 값으로 해석하기 어렵다면(그림 2.9), 비차등위상차(
)는 단위거리(왕복거리)에 대한 차등위상차의 변화율로서 주어진 지점마다 그 값을 얻을 수 있다(그림 2.10).그림 2.7 수평 및 수직 편파의 전파위상 지연에 대한 개념
그림 2.8 차등위상차의 물리적 이해
그림 2.9 레이더로부터 30 km와 70 km 거리에 위치한 강우관측 지역의 차등위상차
그림 2.10 차등위상차(
)에 대한 비차등위상차(
)의 적용 예일반적으로 비차등위상차(
)는 기상에코에서 -1~6 deg/km이며, 구형입 자는 수평편파와 수직편파의 위상속도에 차이가 없기 때문에
는 거의 0 에 가깝다. 강한 비의 경우 빗방울의 수평크기와 많은 입자농도 때문에 큰 양(+)의 값을 나타내며, 눈/빙정입자와 회전운동을 하는 우박의 경우에는 아 주 작은 차등위상차를 가지므로
는 거의 0에 가까운 값을 나타낸다. 예외 적으로 수평방향을 가지는 빙정입자는 양(+)의 값을 가지는 반면에, 연직방 향을 가지는 빙정입자는 비차등위상차가 음(-)의 값을 가진다. 비강수에코의 경우 일반적으로 차등위상차의 변동이 매우 커서 비차등위상차는 계산하지 않는다.제3장 위험기상 유형별 이중편파변수 활용 사례
그림 3.1 회전하는 우박
○ 우박 분석
그림 3.2 반사도 영상(왼쪽)과 차등반사도 영상(오른쪽) - 우박
우박은 모양이 다양하기 때문에 차등반사도 값 또한 범위가 다양하다. 그러나 우박의 크기가 어느 정도 크고, 낙하하면서 회전하고 있다면 관측시간 내 가로와 세로의 길이가 수시로 바뀌게 되고, 이러한 우박을 관측한다면 가로와 세로 길이의 차이는 확률적으로 미미하게 된다. 따라서 우박의 크기가 어느 정도 크다면 차등
반사도 값은 적은 것으로 알려져 있다(단, 우박의 크기가 작고 겉 표면이 녹아
그림 3.3 반사도,
,
영상 - 거대세포 스톰사례 ○ 우박 발생구역 판별우박의 반사도는 매우 높아 55 dBZ 이상(우박이 매우 건조한 상태일 때는 40 dBZ 정도일 수도 있다), 차등반사도는 –0.5 dB~1.5 dB의 범위를 가지나, 대부분의 경우 우박은 겉 표면이 녹아 있기 때문에 양의 값을 가진다. 교차상관계수 값은 상당히 낮아 0.96 미만이고 0.7까지 낮은 경우도 있다. 비차등위상차도 얼음 상태의 우박만 있는 곳에서는 적은 값을 보이며 0.5°/km 미만 값을 가진다. 그러나 겉 표면이 녹은 상태이거나 우적의 수가 많은 곳에서는 비차등위상차값이 커진다.
다음 영상은 우박이 관측될 때의 전형적인 모습이다. 그림 3.4의 흰색 타원으로 표시된 부분은 우박이 나타나는 곳을 표시한 것이다.
그림 3.4 우박 발생구역 (흰 색 타원)
○ 국내 우박사례에 대한 이중편파레이더 변수 분석
① 강원도 횡성 부근 우박사례(2014년 6월 10일 13:50~14:30)
- 지상 부근(고도각 0.5°) : 반사도 55 dBZ이상, 차등반사도 2~3.5 dB, 교차상관 계수 0.90~0.96로 우박과 비가 혼합되면서 젖은 우박의 이중편파변수 특성이 잘 나타나고 있다. 부분적으로 빙정의 특성인 음의 차등반사도가 나타났다.
- 녹는 고도 부근(고도각 2.39°) : 반사도 40~47 dBZ, 차등반사도 1~1.5 dB, 교차 상관계수 0.98이상으로 싸락눈과 우박과 같은 얼음입자의 변수 특성을 보인다.
※ 고도각 0.5° (횡성지점 고도 2.2 km)
반사도 차등반사도 교차상관계수
※ 고도각 2.39° (횡성지점 고도 5.0 km)
반사도 차등반사도 교차상관계수
그림 3.5 2014년 6월 10일 14시경 반사도, 차등반사도, 교차상관계수 영상
② 경상북도 달성군 우박 사례(2012년 5월 8일 16시)
그림 3.8 비슬산레이더 영상 - 반사도(좌상), 차등반사도(우상), 교차상관계수(좌하), 비차등위상차(우하)
3.2 층상형 강우
고도각을 올려 2.4도 교차상관계수 영상에서 전형적인 밝은 띠 구조가 나타 난다. 낮은 고도각에서 높은 고도각으로 옮겨가면서 밝은 띠가 나타나는지 살펴보면 층상형 강수시스템을 쉽게 판별할 수 있다.
그림 3.10 반사도 영상(왼쪽), 교차상관계수 영상(오른쪽) - 밝은 띠 찾기(고도각 2.4°) 2.4도 고도각에서 차등반사도 영상 역시 밝은 띠 구조를 보여주고 있다.
그림 3.11 차등반사도 영상 - 밝은 띠 찾기(고도각 2.4°)
○ 이슬비
이슬비는 강수강도가 매우 약하게 나타나는 것이 특징이다. 강수입자가 구형에 가깝기 때문에 차등반사도 값은 거의 0이며 강수입자의 분포가 균일하기 때문에 교차상관계수 값은 0.99 이상이다. 관측 볼륨 내에 입자의 수도 상대적으로 적기 때문에 차등위상차(
) 값은 적게 나타난다(그림 3.12).그림 3.12 비슬산레이더 영상 - 반사도(좌상), 차등반사도(우상), 교차상관계수(좌하), 차등위상차(우하)
○ 층상형 강우 사례
그림 3.13의 반사도 영상에서는 강우강도가 약한 층상형 강우형태를 보인다. 교차 상관계수 영상을 통해서는 네모 박스 부분의 상관도가 낮은 경남 지역에서 눈과 비가 혼재되어 있는 것으로 분석할 수 있다. 그러나 실제 지상 실황에서는 눈 관측은 되지 않았고 비만 관측되었다.
그림 3.13 비슬산레이더 영상
이 사례를 통해 레이더 중심으로부터 먼 거리의 영상은 고도가 높은 대기상층에 대한 정보를 나타내므로 이중편파 변수 정보가 실제 지상의 관측 현상과 다를 수 있음을 유의해야 한다.
3.3 대류형 강우(집중호우)
◎ 분석요소
→ 반사도, 차등반사도, 차등위상차(비차등위상차)
■ 분석사항
- 집중호우가 발생하면 반사도가 크다. 차등반사도도 비교적 크게 관측 되며 차등위상차도 크다.
그림 3.14 합성영상 그림 3.15 AWS 누적강수량(1시간) 그림 3.14는 남해안과 경상 남․북도 지역에 집중호우가 발생한 사례의 합성 영상이다. 그림 3.15는 시간당 50 mm에 육박하는 강한 강수역이 남해안과 경북 동해안에 분포하고 있음을 나타낸다. 그림 3.16의 비슬산레이더 반사도 자료에서 집중호우가 나타난 구역에 강한 강수에코가 관측되고 있다. 차등반사도 영상에서는 주변과 특별한 차이는 보이고 있지 않지만 교차상관계수 영상에서는 강한 강수 에코가 관측되는 영역에서 교차상관계수 값이 적게 나타나고 있다. 이는 크기가
다른 우적이 같은 공간에 분포하고 있어서 강우입자의 균일성이 낮다는 것을 알 수 있다. 또한 비차등위상차 값도 남해안 지역부터 경북 동해안 지역까지 1~2°/km로 높게 관측되어서 강우 입자의 수가 많음을 반영하는 집중호우 영역의 특징을 잘 나타내고 있다.
그림 3.16 비슬산레이더 영상 - 반사도(좌상), 차등반사도(우상), 교차상관계수(좌하), 비차등위상차(우하)
○ 2013년 8월 6일 집중호우 사례
그림 3.17 집중호우 사례에서 남부지방 내륙에서 강한 강수에코가 관측되고 있고 차등반사도 또한 높은 것을 확인할 수 있다. 교차상관계수는 상관도가 높아 단일형태 강수, 즉 비가 내리고 있음을 추정할 수 있고, 노란색 네모 영역에서 상관도가 낮은 부분이 존재하나 차등반사도 역시 큰 값이므로 우박 가능성은 낮다(우박이 포함되어 있으면 차등반사도는 낮음). 비차등위상차 또한 반사도값이 큰 지역에서 크게 관측되고 있다. 종합하면 반사도가 크고, 차등반사도, 비차등위상차 모두 크고 교차상관계수 값이 커 우박을 포함하지 않는 집중호우 구역임을 판단할 수 있다.
그림 3.17 비슬산레이더 영상 - 반사도(좌상), 차등반사도(우상), 교차상관계수(좌하), 비차등위상차(우하)
3.4 눈/비 구분
그림 3.18 반사도, 차등반사도, 교차상관계수, 비차등위상차 - 밝은 띠 사례
3.5 강우와 강설 비교
◎ 분석요소
→ 반사도, 차등반사도, 교차상관계수
■ 분석사항
- 눈은 반사도가 비교적 낮다. 순수한 눈 입자만 분포할 경우 교차상관계수가 높게 나오나 순수한 비 보다는 교차상관계수가 약간 낮다.
○ 비
비가 내릴 때 반사도는 보통 20 dBZ(그림에서 녹색계열) 내외로 표출된다 (그림 3.19).
그림 3.19 반사도와 교차상관계수 - 비
그림 3.19에서 교차상관계수는 0.99 근처로 표출되고 흰색 원 안이 비가 관측 되는 지역이다.
○ 눈
융해고도가 없으면 강수형태는 건설이 일반적이다. 건설의 경우 반사도는 40 dBZ 미만, 교차상관계수 값은 0.97 이상으로 매우 높은 편이고, 차등반사도는 상당히 적은 값이지만 0 dB보다 약간 높은 편이다. 다음의 교차상관계수영상 에서 흰색 실선 안쪽 영역의 교차상관계수 값이 매우 높은 편이고 차등반사도 값은 0.2 정도로 전형적인 건설의 예를 보여주고 있다.
그림 3.20 반사도 영상(왼쪽), 교차상관계수영상(중앙), 차등반사도 영상 - 눈
3.6 채프에코
◎ 분석요소
→ 차등반사도, 교차상관계수
■ 분석사항
- 채프에코는 교차상관계수가 낮다. 채프와 강수가 혼재되어 있다면 교차 상관계수가 높은 부분만 강수 영역으로 바로 판단할 수 있다.
채프에코는 확산하면서 수평으로 길게 늘어선 모양이 일반적이며, 차등반사도 값은 대체로 양의 값을 보이나 상당히 높은 값을 나타낼 때도 있다. 그림 3.21의 채프에코 사례에서 차등반사도값은 5~8 dB를 나타내고 있다. 교차상관계수 값은 매우 적은 값을 가지며 보통 0.6 이하이다. 특히 비강수 에코를 분석할 때 교차 상관계수 값을 이용하면 유리하다.
그림 3.21 채프에코
○ 눈/채프
그림 3.22 합성영상 및 연직단면 그림 3.23 강수실황
그림 3.22와 그림 3.23은 강설에코와 채프에코가 혼재되어 있을 경우의 사례로 울진 부근의 채프와 동해 남부해상의 채프가 이중편파레이더 영상에서 구분되어 표출되고 있다. 그림 3.24 반사도 영상에서는 구분이 어렵지만, 차등반사도 값은 채프에코 영역에서는 불규칙적인 패턴을 보여 주고 있고, 교차상관계수 값은
그림 3.22와 그림 3.23은 강설에코와 채프에코가 혼재되어 있을 경우의 사례로 울진 부근의 채프와 동해 남부해상의 채프가 이중편파레이더 영상에서 구분되어 표출되고 있다. 그림 3.24 반사도 영상에서는 구분이 어렵지만, 차등반사도 값은 채프에코 영역에서는 불규칙적인 패턴을 보여 주고 있고, 교차상관계수 값은