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SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 연구개발과제의 개요 16
제1절 연구개발의 필요성 16
제2절 연구개발의 목표 및 내용 19
제3절 연구개발의 방법 및 추진계획 21
제2장 국내외 기술개발 현황 23
제3장 GPS 기상학 29
제1절 GPS 신호지연과 기상응용 원리 29
제2절 GPS 자료처리 프로그램 및 기상정보 산출 방법 35
1. GPS 자료처리 프로그램 35
2. 선험적 방법에 의한 GPS 기상정보 산출 방법 36
제4장 GPS 자료처리 38
제1절 GPS 기상정보 정확도 향상 전략 38
1. 주요 오차요인 38
가. 안테나 위상중심 변동량(PCV) 38
나. OTL 지각변동 41
다. 방위각 방향으로의 수증기분포 변화량(GRD) 43
2. 주요 오차요인 보정에 따른 GPS 기상정보 정확도 향상 전략 44
제2절 한반도 최적화 전략 49
1. 한국형 평균온도식 개발 방법 49
2. 한국형 평균온도식 52
가. HP06 52
나. HP 모델 58
다. HPM(이미지참조) 모델 58
라. HPtY와 HPtM 모델(이미지참조) 61
제3절 가강수량 산출 정확도 검증 67
1. 라디오존데 가강수량 산출 67
2. MWR 가강수량 산출 69
3. GPS 가강수량 정밀도 비교 70
가. 라디오존데와 GPS 가강수량 비교 70
나. 라디오존데 건조편향 74
다. MWR과 GPS 가강수량 비교 76
제4절 준실시간 가강수량 모니터링 자동화 시스템 83
1. GPS 궤도력 83
2. 준실시간 GPS 데이터 처리 기법 84
가. GPS-NRT 84
나. GPS-SWT 85
3. 준실시간 가강수량 산출에 따른 주요 오차요인 영향 분석 87
4. 준실시간 가강수량 산출에 따른 이상점 검출 90
가. 관측자료 품질평가 94
나. 궤도력 영향 분석 96
다. 준실시간 이상점 검출 자동화 전략 102
5. 관측데이터 수집 및 가강수량 모니터링 자동화 시스템 구축 103
제5장 준실시간 3차원 수증기 분포도 결정 108
제1절 습윤굴절률 추정 기법 108
1. GPS 토모그래피 108
2. 라디오존데 습윤굴절률 산출 방법 113
제2절 임시관측망 구성 및 준실시간 관측자료 수집 114
1. 제주 임시관측망 114
2. 강원 임시관측망 117
제3절 준실시간 습윤굴절률 산출 119
1. 이상점 검출 119
2. 습윤굴절률 산출 결과 122
3. GPS 기반 준실시간 습윤굴절률 정확도 비교 134
제4절 GPS 토모그래피 준실시간 성능 실험 137
1. 레이어 모델 변형 137
2. 자료처리 소요시간 분석 139
제6장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 142
제7장 연구개발결과의 활용계획 145
제1절 연구활용 계획 145
1. 1단계 연구 수행에 따른 기술 노하우 내역 145
2. 연구 결과 활용 내용 및 계획 145
가. 연구 결과 활용 내용 145
나. 연구 결과 활용 계획 145
3. 기대효과 146
가. 기술적 측면 146
나. 경제·산업적 측면 146
제2절 추가연구의 필요성 147
제8장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 149
제1절 GPS 주요오차요인 관련 정보 수집 149
제2절 지역모델 개발 관련 정보 수집 150
제3절 라디오존데 및 MWR 관측데이터 활용에 관한 정보 수집 150
제4절 준실시간 고정밀 GPS 자료처리 기법 관련 정보 수집 151
제5절 준실시간 기상정보 산출에 따른 이상점 검출 기법 관련 정보 수집 152
제6절 준실시간 3차원 수증기 분포도 결정 방법 관련 정보 수집 152
참고문헌 154
표 1-1. 연구개발 과제의 1단계 연차별 연구개발 목표 및 내용 20
표 2-1. 국내외 GNSS 기상연구 관련 현황 25
표 3-1/3-2. Niell 건조사상함수 계수 34
표 3-2/3-3. Niell 습윤사상함수 계수 34
표 4-1. 오차요인 보정에 따른 시선방향 습윤지연 오차 비교 47
표 4-2. 국내 라디오존데 관측소 50
표 4-3. HP06을 기준으로 산출한 Bevis, WSH, 그리고 SDS의 평균차이와 RMS 55
표 4-4. 2005년 1월 30일의 평균온도식별 PWV 차이와 RMS 57
표 4-5. 2005년 7월 31일의 평균온도식별 PWV 차이와 RMS 57
표 4-6. HPM 모델의 지상기온과 평균온도의 월별 상관관계 분석 결과(Tm = αTs + b )(이미지참조) 59
표 4-7. 평균온도 차에 따른 모델별 누적분포 [%] 65
표 4-8. 대관령 구름물리선도센터의 복원계수 70
표 4-9. 라디오존데 가강수량과 HP계열 평균온도식을 적용한 GPS 가강수량 비교 73
표 4-10. 라디오존데 가강수량과 한국형 모델을 적용한 GPS 가강수량의 월별 비교 74
표 4-11. 그림 4-29에 대한 GPS와 MWR 가강수량 비교 결과 82
표 4-12. GPS 궤도력 및 궤도력 생성 소요시간 83
표 5-1. 제주 임시관측망 좌표 115
표 5-2. 강원 임시관측망 좌표 118
표 5-3. 강원 임시관측망의 준실시간 시선방향 습윤지연량 정확도 비교 122
표 5-4. 라디오존데 습윤굴절률과 GPS 습윤굴절률 비교 131
표 5-5. GPS 습윤굴절률 정확도 및 정밀도 비교 결과 133
표 5-6. YNSL 관측소의 복원된 시선방향 습윤지연량과 실측데이터 비교 결과 136
표 5-7. YNSL 관측소의 복원된 천정방향 습윤지연량과 실측데이터 비교 결과 136
표 6-1. 1차년도 연구 수행 내용 정리 및 분석 142
표 6-2. 2차년도 연구 수행 내용 정리 및 분석 143
표 6-3. 3차년도 연구 수행 내용 정리 및 분석 144
그림 1-1. 연구개발의 추진체계 22
그림 2-1. Radio Occultation 개념도 27
그림 3-1/3-2. 지구 대기에 의한 GPS 신호 굴절 모식도 30
그림 4-1. GPS 안테나 기준점과 위상중심 오프셋 개념도(Mader, 1999) 39
그림 4-2. 고도각에 따른 PCV 변동량(Mader, 1999) 39
그림 4-3. ASH701945E_M의 PCV 보정량 예시 40
그림 4-4. NGS PCV 보정량 파일 형식 40
그림 4-5. OTL 보정에 따른 GPS 상시관측소 수직좌표 변동량과 천정방향 습윤지연량 변동량의 상관관계 (박관동 등, 2007a) 42
그림 4-6. OTL 보정량 예시 43
그림 4-7. 고도각에 따른 대류층 신호 통과 거리 44
그림 4-8. 주요오차요인 보정에 따른 시선방향 습윤지연량 변화 45
그림 4-9. 주요 오차요인 보정에 따른 GPS와 MWR 시선방향 습윤지연량 비교 46
그림 4-10. 주요오차요인 보정에 따른 5개 GPS 위성(PRN 24, 26, 29, 30, 31)의 시선방향 습윤지연량 평균오차와 최대 오차 47
그림 4-11. GPS 천정방향 습윤지연량과 MWR 천정방향 습윤지연량 48
그림 4-12. 2008년 12월 현재까지 구축된 국내 GPS 상시관측소(KASI : 한국천문연구원, KIGAM : 한국지질자원연구원, MLTM : 국토해양부, NGII : 국토지리정보원, NORI : 국립해양조사원) 및 라디오존데 관측소 현황 50
그림 4-13. 라디오존데 관측자료와 AWS 관측자료를 이용한 평균온도와 지상기온과의 선형회귀분석 53
그림 4-14. 지상기온 250K~310K 범위에서의 평균온도식 비교 54
그림 4-15. SKMA 상시관측소의 PWV. 56
그림 4-16. 1998년부터 2005년까지 국내 기상관측데이터를 활용한 지상기온과 평균온도 상관관계 분석 결과 59
그림 4-17. 1998년부터 2005년까지 국내 기상관측데이터를 활용한 월별 지상기온과 평균온도 상관관계 분석 결과 60
그림 4-18. HP, HPM(이미지참조), 그리고 Bevis 모델의 월별 RMS 비교 61
그림 4-19. 1998년부터 2005년까지 국내 기상관측데이터를 활용한 평균온도 시계열과 관측시간(tY(이미지참조))과의 상관관계 분석 결과 62
그림 4-20. 1998년부터 2005년까지 국내 기상관측데이터를 활용한 평균온도 시계열과 관측시간(tM(이미지참조))과의 상관관계 분석 결과 63
그림 4-21. (좌) 1998년부터 2005년까지 관측된 평균온도(검은 실선)와 다섯 개의 평균온도식(위에서부터 Bevis, HP, HPM, HPtY, HPtM)을 적용하여 계산된 평균온도와(빨간 점)와, (우) 관측된 평균온도과, 모델 평균온도와의 차이(이미지참조) 64
그림 4-22. 기상관측에 의한 평균온도와 (a) Bevis, (b) HP, (c) HPM, (d) HPtY, (e) HPtM 모델을 이용하여 산출된 평균온도 사이의 온도차에 따른 오차 분포도(이미지참조) 65
그림 4-23. (좌)속초기상대의 GPS 상시관측소 및 (우)라디오존대 GRS DFM-06의 외형(상) 및 내부(하) 모습으로 원으로 표시한 부분은 온도 및 습도 센서임 71
그림 4-24. (a) 속초기상대의 라디오존데 가강수량 및 HP 모델을 적용한 GPS 가강수량, (b) HP 모델을 적용한 GPS 가강수량과 라디오존데 가강수량 차이, (c) HPM과 HP를 적용한 가강수량 차이, 그리고 (d) HPtY를 적용한 가강수량과 HPtY 및 HPtM을 적용한 가강수량 차이(이미지참조) 72
그림 4-25. 속초기상대의 2006년 8월 18일부터 2007년 12월 31일까지 GPS와 라디오존데 가강수량 차이 75
그림 4-26. 대관령 구름물리선도관측센터에서의 GPS와 MWR 동시관측 76
그림 4-27. (a)2006년 9월 30일부터 10월 20일까지 21일동안 AWS에서 관측된 지상기온과 (b) (a)에 나타낸 지상기온 범위에서 평균온도. 그리고 (c) 평균온도식에 따른 가강수량 비교 78
그림 4-28. GPS 가강수량과 MWR 가강수량 비교 결과(녹색 화살표는 강수량임) 79
그림 4-29. 강수가 발생한 시기의 GPS 가강수량과 MWR 가강수량 비교 81
그림 4-30. SWT의 개념도(Foster et al., 2005) 85
그림 4-31. SWT의 시간창에 따른 가강수량의 정확도 비교 86
그림 4-32. 2008년 1월 1일 IHU1 상시관측소의 준실시간 시선방향 습윤지연량 87
그림 4-33. 주요 오차요인 보정 전후의 준실시간 시선방향 습윤지연량 차이 88
그림 4-34. 주요 오차요인 보정 전후의 준실시간 가강수량 차이 89
그림 4-35. 정밀궤도력과 예측궤도력의 GPS 위성 위치 비교(Kruse et al., 1999) 90
그림 4-36. (a)IHU1 관측소의 2008년 1월의 가강수량 산출 결과와 (b)정밀제도력을 적용한 결과를 기준으로 GPS-SWT12와 GPS-NRT 가강수량 비교 결과 91
그림 4-37. 정밀궤도력과 초신속궤도력(예측궤도력)의 GPS 위성 3차원 오차 비교 92
그림 4-38. 이상점이 발생한 날의 정밀궤도력과 초신속궤도력(예측궤도력) 간 GPS 위성 3차원 오차 비교 92
그림 4-39. (a)예측궤도력 이상점 제거 후 산출한 IHU1관측소의 2008년 1월 가강수량과 (b)정밀궤도력을 적용한 결과를 기준으로 GPS-SWT12와 GPS-NRT 가강수량 비교 결과 93
그림 4-40. IHU1 상시 관측소의 TEQC 품질평가 결과 95
그림 4-41. 2008년 1월 30일 NANU 이메일 서비스 97
그림 4-42. 1월 30일 IGS BRDC 궤도예측 결과와 초신속궤도력(예측궤도력)의 GPS 위성 3차원 좌표차이 비교 98
그림 4-43. 1월 30일 IHU1 관측소의 항법파일을 이용한 궤도 산출 결과와 초신속궤도력(예측궤도력)의 GPS 위성 3차원 좌표차이 비교 99
그림 4-44. 2007년 8월 30일 SKCH 관측소의 GPS 위성별 시선방향 습윤지연량 100
그림 4-45. 8월 30일 SKCH 관측소의 항법파일을 이용한 궤도 산출 결과와 초신속궤도력(예측궤도력)의 GPS 위성 3차원 좌표차이 비교 100
그림 4-46. 8월 30일 SKCH 관측소의 17시 항법파일을 이용한 skyplot 101
그림 4-47. 8월 30일 SKCH 관측소의 17시 PRN 13번 위성의 방위각과 고도각 102
그림 4-48. 인하대학교 GPS 상시관측소 104
그림 4-49. 수도권 지역의 소규모 GNSS 가강수량 관측망 105
그림 4-50. 준실시간 가강수량 모니터링 자동화 시스템 구조도 106
그림 4-51. 준실시간 가강수량 모니터링 자동화 시스템 구동 결과 107
그림 5-1. voxel 기반 GPS 토모그래피 개념도 108
그림 5-2. 레이어 기반 GPS 토모그래피 개념도 109
그림 5-3. GPS 신호경로 교차점 111
그림 5-4. 제주도 임시관측망 115
그림 5-5. 제주 임시관측망 GPS 장비 설치 모습 116
그림 5-6. 강원도 임시관측망 117
그림 5-7. 강원 임시관측망 GPS 장비 설치 모습 118
그림 5-8. 2007년 7월 26일부터 9월 2일까지 강원 임시관측망 자료 품질점검 결과 119
그림 5-9. 2007년 7월 26일부터 9월 2일까지 강원 임시관측망 준실시간 시선방향 습윤지연량 산출 결과 비교 120
그림 5-10. 2007년 7월 26일부터 9월 2일까지 강원 임시관측망 준실시간 이상점 검출 과정 후 산출한 GPS-NRT와 GPS-SWT12 시선방향 습윤지연량 결과 비교 121
그림 5-11. 2007년 8월 14일 00시 강원 임시관측망의 준실시간 시선방향 습윤지연량 분포도 124
그림 5-12. 고도에 따른 관측소 시야각과 신호 교차점 변화 127
그림 5-13. 2007년 8월 14일 00시 강원 임시관측망의 준실시간 고도별 습윤굴절률(습율굴절률) 127
그림 5-14. 위·경도에 따른 습윤굴절률 변화 130
그림 5-15. 2007년 8월 14일 00시 강원 임시관측망의 습윤굴절률 131
그림 5-16. 2007년 7월 26일부터 9월 2일까지 강원 임시관측망 습윤굴절률 산출 결과로 (a)는 3km 상공, (b)는 5km 상공, 그리고 (c)는 8km 상공의 습윤굴절률임 132
그림 5-17. 제주 임시관측망을 이용한 시선방향 습윤지연량 복원 실험 개요 134
그림 5-18. YNSL 관측소의 복원된 시선방향 습윤지연량과 실제 관측된 시선 방향 습윤지연량 135
그림 5-19. 레이어 모델 변형에 따른 제주 임시관측망 습윤굴절률 비교 138
그림 5-20. 관측소 개수에 따른 자료 처리 속도 139
그림 5-21. 관측소 개수에 따른 습윤굴절률 산출 예상소요시간 140
초록보기 더보기
I. 제목
기상현업적용을 위한 GNSS 준실시간 3차원 수증기량 분포도 결정기술개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
수증기는 각종 기후 연구 및 수치일기예보 (Numerical Weather Prediction, NWP) 의 핵심적인 요소임. GNSS (Global Navigation Satellite System) 상시관측소 데이터를 이용하면 연속적인 준-실시간 3차원 모니터링 가능함.
■ 최종 목표
- 위성항법시스템인 GNSS를 이용한 수증기량 결정
- 한반도 실정에 적합한 가강수량 모델을 개발
- 향후 수치예보 현업적용을 위한 GNSS 기반 기술 마련
- 대기 중의 3차원 가강수량 분포파악을 위한 GNSS 준실시간 수증기 분포도 결정기술 확보
- 국내 GNSS 기반 기상연구 분야에 선진국 수준의 기술력을 확보
III. 연구개발의 내용 및 범위
■ 수치예보 현업 적용을 위한 GNSS 기상정보 제공 기술 개발
■ 한반도 내 설치된 GNSS 관측망을 활용한 지역적 가강수량 감시모델 개발
■ 실시간 기상관측을 통한 준실시간 가강수량 분포 결정
■ 준실시간 3차원 GNSS 가강수량 분포 파악 기술 개발
IV. 연구개발결과
■ GNSS 기상정보 제공 기술 개발
- 기상현업적응을 위한 GPS 기반 기상정보 산출
- 인하대학교 GPS 상시관측소 IHU1 설치 및 기상센서 MET3 연동을 통한 데이터 수집
- 고정밀 GNSS 테이터 처리를 통한 고정밀 연직방향 수증기량 결정
■ 지역모델 개발
- 국내 GNSS 관측망 데이터 이용 가강수량 모델 정확도 검증
- 지역적 가강수량 모델 개발 연구
- GPS 기반 가강수량과 기상관측장비인 라디오존데 및 MWR 관측 결과 비교를 통한 GPS 기상정보 정확도 검증
- 한반도에 적합한 지역적 가강수량 모델 정립
■ 준실시간 가강수량 결정 시스템 개발
- 수도권 지역 소규모 GNSS 관측망 구성을 통한 준실시간 기상정보 결정 시스템 구축
- GPS오차 모델 개선을 통한 준실시간 GPS 기상정보 정확도 향상 연구
- 한반도 전국망 규모의 기상변화 감시 기반기술 확보
- 준실시간 가강수량 결정 시스템의 지속적 운영 및 시스템 개선
- 기상정보 DB 구축 및 준실시간 기상정보 제공
■ 3차원 수증기 분포 파악을 위한 기반 기술 연구
- 3차원 수증기 분포도 결정 관련 선진국 연구동향 및 기술 파악
- 3차원 수증기 분포도 결정 기반 기술 확보
■ 한반도에 적합한 국지적 3차원 수증기량 산출 모델 선진화
- 강원도와 제주도에 임시 GPS 관측망 설치 및 운영을 통한 시범데이터 수집
- 한국형 모델 적응을 통한 3차원 수증기 분포도 산출
- 3차원 수증기 분포도 결정관련 최신 모델 분석
■ 준실시간 3차원 수증기 분포도 결정
- 3차원 수증기량 결정 모델 최적화 및 검증
- 준실시간 3차원 가강수량 모니터링 기술 개발
- 고정밀 준실시간 3차원 수증기 분포도 결정 기술 확보
- GPS 기반 3차원 수증기 분포도 결정 관련 기술자립 기반 확보
V. 연구개발결과의 활용계획
■ GNSS 기반으로 산출된 가강수량을 기상현업적용을 위한 관측데이터로 활용
■ 수치예보 및 기상관련 연구 전문가와의 협력연구를 통하여 GNSS 기반 기상기술의 현업적용 및 다양한 기상관련 연구에 활용
■ 기존의 기상관측 자료와 더불어 수치예보 및 각종 기상연구에 활용
■ 소규모 네트워크 구성을 통하여 수도권 주변의 가강수량 변화 모니터링에 활용
■ 향후 광역규모 및 한반도 전체의 가강수량 변화 모니터링에 활용
■ GNSS 기상연구 분야의 선진국 수준의 기술력 확보로 국제공동연구에 참여 기반 마련
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