표제지
목차
요약문 3
Summary 5
제1장 서론 18
1. 연구 배경 및 필요성 18
1.1. 국지성 집중호우의 발생 증가 18
1.2. 재해 관련 사회문제 해결 필요 19
1.3. 기존 강우 관측기술의 한계 19
1.4. 연구의 필요성 20
2. 연구 목표 20
2.1. 연구목표 20
제2장 강우의 공간적 분포 분석 22
1. 분석 목적 및 개요 22
2. 분석 내용 23
3. 분석 결과 24
제3장 전자파 우량계 센서 개발 27
1. 개발 내용 27
2. 성능 목표 28
3. 주파수 변조 연속파 기법의 개요 29
4. 개발 결과 30
4.1. 전자파 센서 본체 30
4.2. 로거 및 휴대용 시스템 32
4.3. 전자파 우량계 S/W 34
5. 시제품의 성능 시험 35
5.1. 주파수 및 대역폭 36
5.2. 감지범위 36
5.3. 거리 분해능 37
5.4. 빔 폭(Beam width) 38
5.5. 센서 출력 38
5.6. 파워 최소 감지 39
5.7. 종합 검토 40
제4장 강우량 분석 기술 개발 41
1. 개요 41
2. 관측기기 및 자료 41
2.1. 2차원 광학 우적계(2DVD) 41
2.2. 연직지향레이더(VertiX) 43
2.3. 개발 우량계 및 인공강우 실험 44
3. 이론 및 방법론 45
3.1. 이론적 배경 45
3.2. 분석방법 50
4. 결과 52
4.1. 우적계를 이용한 강우 추정 결과 52
4.2. 연직지향레이더를 이용한 강우강도 추정 결과 54
4.3. 개발 우량계를 이용한 분석 결과 58
5. 요약 및 결론 68
제5장 전자파 우량계 성능 검증 70
1. 개요 70
2. 인공강우 실험장 벤치마킹 70
2.1. 일본 국립방재과학기술연구소(NIED) 70
2.2. 교토대 방재연구소(DPRI) 74
3. 인공강우 실험장 설계 및 시공 75
3.1. 개념 설계 75
3.2. 상세 설계 77
3.3. 시공 80
3.4. 강우 실험장 81
4. 우량 분포 실험 82
4.1. 실험 조건 82
4.2. 실험 결과 82
4.3. 요약 85
5. 전자파 센서 검증 실험 86
5.1. 실험 개요 86
5.2. 실험 결과 88
제6장 요약 및 결론 92
1. 연구 내용 요약 92
2. 결론 및 차년도 계획 93
참고문헌 94
판권기 98
표 1. 2000년 이후 대표적인 집중호우 피해 사례 18
표 2. 개발 단계별 추진 업무 28
표 3. 전자파 우량계 센서 H/W 성능 목표 28
표 4. 목표 및 성적 사양 40
표 5. 우적계(2DVD)의 특성 43
표 6. 연직지향레이더(VertiX)의 특성 44
표 7. 인공강우실험내용 45
표 8. NIED 강우실험장 제원 71
표 9. DPRI 강우실험장 제원 74
표 10. 하부배관, 분기관에 따른 분사 유량 오차 78
표 11. 강우강도별 토출유량 오차 79
표 12. 주요 배관 및 설비 규격 80
표 13. KICT 강우실험장 제원 81
표 14. 우량분포 실험 조건 82
표 15. 0.2*0.2m 실험 결과 85
표 16. 전자파 우량계 센서 검증 실험 조건 88
그림 1/그림 6. 연도별 집중호우일수와 인명/ 재산피해 추세 19
그림 2/그림 7. 연구의 최종목표 21
그림 3/그림 8. 현장 위치와 실험우량계 배치 형태 23
그림 4. 우량계별 일강우량과 누적강우량 24
그림 5. 일평균우량과 일평균편차율 비교 25
그림 6. 강우관측 실험 결과 25
그림 7. 우량범위별 평균편차율 비교 26
그림 8. FMCW 송수신 신호(상)와 차 신호(하) 29
그림 9. 전자파 우량계 센서(전, 후면, 장착 상태) 30
그림 10. 전자파 우량계 레이더, Front-End 구조도 31
그림 11. 전자파 우량계 레이더, Back-End 구조도 32
그림 12. 전자파 우량 센서 로깅 시스템 32
그림 13. 강우 자료 로깅 PC 33
그림 14. 로깅 시스템 33
그림 15. HD 카메라 33
그림 16. H/W 구성도 34
그림 17. 전자파 우량계 레이더 S/W 전체 구성도 34
그림 18. 로깅 S/W 동작 흐름 35
그림 19. 로깅 시스템 메인 화면 35
그림 20. 주파수 대역 시험 결과 36
그림 21. 최소, 최대 감지 범위 시험 37
그림 22. 거리 분해능 실험 결과: 50m 거리에 C/R를 60cm거리 차에 위치 시키고, 측정한 FFT magnitude 결과 값 37
그림 23. 수평 Beam Width 측정 값 38
그림 24. 수직 Beam Width 측정 값 38
그림 25. CW Mode 측정 결과 39
그림 26. 시간대 별, FFT magnitude 평균 값 (0~60m) 39
그림 27. 시간대 별, FFT magnitude 평균 값, 확대 영역 (24~48m) 40
그림 28. 시간대 별, 주파수 성분의 STD (0~60m) 40
그림 29. 2DVD의 작동원리(Kruger and Krajewski, 2002). 42
그림 30. 우적계에서 관측된 강우강도 시계열. 42
그림 31. 보성표준기상관측소에 설치한 2차원 광학우적계. 43
그림 32. 보성 표준 기상관측소의 VertiX 43
그림 33. 연직지향레이더로 관측한 2013년 9월 6일 반사도(위), 도플러속도(아래)의 시간-고도 프로파일. 좌측은 각 변수 별 고도에 따른 평균 연직 프로파일임. 44
그림 34. 도플러 스펙트럼 모식도 45
그림 35. Marshall and Palmer(1948)에 의해 주어진 강우강도에 따른 우적크기분포. 49
그림 36. 우적계 측정 강우강도(붉은 파선)와 우적크기분포에서 계산된 반사도(검은 실선), 도플러속도(붉은 점선)의 시계열 53
그림 37. R=αz(좌)와 R=czυD-(3-β)/β(우)에서 추정한 강우강도와 우적계에서 관측된 강우강도의 산포도. 54
그림 38. 보정에 사용된 반사도(검은 실선)와 도플러속도(붉은 점선) 시계열. 붉은 파선은 우적계에서 측정된 강우강도임 54
그림 39. 시간지연 값을 적용시키기 전(좌, 562.1m)과 후(우, 517.2m)의 도플러속도 산포도. x축은 우적계에서 계산된 도플러속도, y축은 연직지향레이더에서 관측된 도플러속도임. 55
그림 40. 시간지연 값을 적용시키기 전(좌, 562.1 m)과 후(우, 517.2m)의 반사도 산포도. x축은 우적계에서 계산된 반사도, y축은 연직지향레이더에서 관측된 반사도임. 56
그림 41. 보정된 반사도로 계산한 강우강도 관계식 별 강우강도 시계열. 실선은 M-P분포를 이용하여 추정한 강우강도, 파선은 도플러 적률을 이용하여 추정한 강우강도 57
그림 42. 우적계의 강우강도와 연직지향레이더를 이용하여 추정한 강우강도 산포도. 우측은 R=αZb, 좌측은 R=cZυD-3-β/β로 추정한 강우강도임 57
그림 43. 2014년 10월 13일 비살수 실험. x축은 거리, y축은 시간. 붉은 선은 노즐의 위치 58
그림 44. 2014년 10월 13일 살수 실험. x축은 거리, y축은 시간. 붉은 선은 노즐의 위치. 59
그림 45. 2014년 10월 27일 실험. 좌측은 3m 수평장착 비살수(상), 살수(하) 시 파워 분포. 우측은 3m 수직장착 시 비살수(상), 살수(하) 시 파워 분포. 60
그림 46. 2014년 11월 5일 실험 파워 분포. 비살수(상), 약한 강수(중), 강한 강수(하). 61
그림 47. 2014년 10월 13일 SNR 분포. x축은 거리, y축은 시간. 붉은 선은 노즐의 위치 및 반사체(20m) 위치. 62
그림 48. 2014년 10월 27일 실험. 좌측은 3m 수평장착 SNR(상) 분포 및 평균 SNR과 비살수 파워 시계열(하). 우측은 3m 수직장착 시 SNR(상) 분포 및 평균 SNR과 비살수 파워 시계열(하). 63
그림 49. 2014년 11월 5일 실험. 좌측은 약한 강우강도일 때 SNR 분포(위)와 평균 SNR 및 비살수 파워(아래). 우측은 강한 강우강도일 때 SNR 분포(위)와 평균 SNR 및 비살수 파워(아래). 64
그림 50. 2014년 10월 13일 평균 SNR과 비살수 파워 시계열. 64
그림 51. 각 인공강우 실험에 대한 비살수 파워분포. 실선은 10월 13일, 파선은 10월 27일, 점선은 11월 5일 실험을 의미함. 65
그림 52. 살수 실험에 대한 파워 평균. 실선은 10월 13일, 파선은 10월 27일, 점선은 11월 5일 약한 강우(32.7 mmh-1), 파점선은 11월 5일 강한 강우(79.7 mmh-1) 실험임. 66
그림 53. 각 인공강우실험에 대한 SNR 평균. 실선은 10월 13일, 파선은 10월 27일, 점선은 11월 5일 약한 강우(32.7 mmh-1), 파점선은 11월 5일 강한 강우 실험(79.7 mmh-1)임. 66
그림 54. 2 m 공간평균한 SNR(2014년 10월 13일). 붉은색 영역이 종합분석에 사용한 자료. 67
그림 55. 강우강도에 따른 SNR 분포. x축은 SNR. y축은 각 실험을 의미함. 68
그림 56. 외부 전경 71
그림 57. 내부 전경 71
그림 58. 천장 구조(배관/보도) 72
그림 59. 배관 분기 72
그림 60. 실험관측실 72
그림 61. 실험 통제실 72
그림 62. 실험구조물을 받치는 대차 72
그림 63. 전후 트러스 지지구조물 72
그림 64. 외부 배관 및 환수로 72
그림 65. 스프링클러 살포 73
그림 66. 노즐배열 73
그림 67. 현재(좌)/기존(우) 노즐 73
그림 68. 지상 강우측정 장비 73
그림 69. 이케우치사의 풀콘 노즐 73
그림 70. 유량공급관 및 유량계 75
그림 71. 안정화를 위한 배관 75
그림 72. 인공강우실험장 배관 75
그림 73. 인공강우 실험장 개념도 75
그림 74. 전자파 빔 전개를 고려한 강우실험장 평면 계획 76
그림 75. 인공강우 실험장 측면 계획 76
그림 76. 옥외수리실험장 공간 검토 77
그림 77. 평면 철골 구조 설계(안) 77
그림 78. 측면 설계 77
그림 79. 강우 분사 반경 1m 인 노즐 배열도 78
그림 80. 강우실험장 유량 공급 3차원 수치해석 79
그림 81. 평면도 설계안 79
그림 82. 측면도(배관 부분) 설계안 79
그림 83. 기초 공사 80
그림 84. 철골 구조물 설치 현황 80
그림 85. 상부 배관 설치 공사 81
그림 86. 배관 설치 공사 81
그림 87. 강우 실험장 81
그림 88. 압력 탱크 및 수직 배관 82
그림 89. 노즐 배열 82
그림 90. 노즐 및 우량계 배열(1*1, 0.2*0.2) 83
그림 91. 1*1m 우량계(버킷) 배열 모습 83
그림 92. P02-2의 강우 분포 84
그림 93. P03-1의 강우 분포 84
그림 94. P04-1의 강우 분포 85
그림 95. P05-1의 강우 분포 85
그림 96. 전자파 센서 검증 실험 개념도 87
그림 97. 센서를 리프트에 장착한 모습 87
그림 98. 전자파 우량계 센서 검증 실험 87
그림 99. 센서 및 노즐, 우량계 배치 88
그림 100. 무강우 신호 89
그림 101. 강우 신호 89
그림 102. 강우-무강우 신호 차 90
그림 103. 강우강도 32.7 mm/hr 조건 90
그림 104. 강우강도 79.7 mm/hr 조건 90
그림 105. 강우강도 79.7 mm/hr 조건 90
그림 106. 6개 실험 조건에서 SNR qusghk 91
그림 107. SNR과 강우강도 비교 91