현업자료동화에서...

현업 자료동화에서레이더 자료의 활용

이미선, 원덕진

기상청 수치예보과

제 6 회 기상레이더워크샵 (부경대) 2

레이더 자료

도플러 레이더 : 시선속도와 반사도

수백 미터, 매 3-10분 자료

스톰 규모의 4차원 구조를 파악하는데 매우 유익

단시간 예보, 악기상 예보에 매우 유용

2002-2003 년 NCAR 공동연구 : 전처리, 3DVAR

2004년 시험운영 2005년 1월 현업


현 황

레이더 자료동화 : RDAPS-10km 시스템

3시간 연속 사이클 시스템

3DVAR 이용, 초기화 과정 포함

시선속도와 반사도 직접 동화 수행

활용 레이더 사이트S-Band : 군산(RV+RF), 평택 (RV+RF)

광덕산(RF), 진도(RF) : 현업C-Band : 백령도, 군산, 제주, 면봉산, 동해 : 실험


RDAPS (지역예보시스템)

00UTC12UTC 18UTC +12 +24 +36 +48

G-T426

+6hHybrid-Sigma 40L

Height Coordinate 33

G3VRG3VRG3VRG3VR

Nudging 12hr BC

30km +48 hR-30km

R-10km 10km

3hr BC

5km +24 h

+24 h

1hr BC

R3VRR3VR+3h

21UTC

IAU

22.5 UTC

R-5km


RDAPS – 10KM

BC

Vr, DBZ전처리

분석

3DVAR

모델

Xb (+3h 예보)•격자점자료로 내삽

•품질검사

•노이즈자료 제거

•자료 필터링, OBS (yo)

)]()()()[(21)( 11 yyRyyxxBxxxJ o

To

Tb

Tb −−+−−= −−

분석증분

초기화 (-1.5h)

)()(21

21)( ''1'''1'' oo yyRyyxBxxJ −−+= −−

'Ixxx ba +=관측자료전처리

• 일반 QC

• 관측오차


좌표변환좌표변환 ((내삽내삽))

Vr, dBz(range, azimuth, elevation)

합성도합성도 작성작성 • 반사도: 최대값• 시선속도: 군산 → 평택

품질품질 검사검사

속도속도 펼침펼침• 3시간 예보 바람장

•Bi-linear 내삽•위도, 경도, 높이•(2km X 2km X 0.5km)

레이더자료 전처리 과정

격자점 자료로 내삽

노이즈 제거

자료공백 메우고, 필터링, 매핑

• dBZ >= 10• 연직으로 5개 층 이상 자료존재

솎아솎아 내기내기 33dVardVar• 12개 마다 1개씩 선택• ( 24 km X 24km X 0.5km)• 오차결정 (5dBZ, 2m/s)


레이더 전처리 (예. Vr. 진도)

Vr before and after noise removal



2 km unfilled data 5 km unfilled data



5 km data with filling•2D linear, local squares method with the constraints

•어떤 격자점에서 자료가 없으면, 격자 간격을 훌트면서2D로 linear, least squres fit을 위한 계수를 누적.

•3 constraints : 공백자료가자료를 찾기 위한 격자점 수지점.

•Good 자료 값이 있을 최소한의 4사분면 지정.

•정의된 서치 반경에서의 최소한의 자료수


레이더 전처리 (예. Vr)

Folding

Unfolding

Reference velocity from 3hr forecasted value 2.5km

V : Real Wind speed

Vm : measured radial velocity

Vn : nyquist velocity(31m/s)

Ue : reference velocity


R3DVAR (3차원 변분법)

)()(21

21)( ''1'''1'' oo yyRyyxBxxJ −−+= −−)]()()()[(

21)( 11 yyRyyxxBxxxJ o

To

Tb

Tb −−+−−= −−

Reflectivity(dBZ)Reflectivity(dBZ)

Radial Velocity (Vr)Radial Velocity (Vr) u, v, w

Water Vapor (qr))log(5.171.43)( rqdBZZ ρ+=

rxxw

rxxv

rxxuV mdl

r000 −

+−

+−

=

Observation ModelObservation Operator (H)

Sun and Crook (1997)

)'()'(21

21)( 1 HUvyRHUvyvvvJ oo

T −−+= −

비용함수'Ixxx ba +=

bHxy =


Radial Velocity

i

iTibibTb r

zzvwyyvxxuV ))(()()( −−+−+−=

x,y,z : 레이더의 위치

xi.yi,zi : 관측자료의 위치

ri : 레이더로부터 각 관측자료까지의 거리

VT : mass weighted terminal velocity (Sun and Crook, 1998)

125.04.5 rT qaV •= qr : background rainwater (관측고도에서)

4.0)(ppa s= 보정계수, Ps : 배경지상기압,

P: 참고대기의 기압

W : Richardson 방정식 (모델의 바람, 기압, 밀도 이용)


Reflectivity

)log(5.171.43)( brb qdBZZ ρ+=75.14 )(1004.2 rqXZ ρ= Reflectivity ( )

36 −mmm

Z-qr 관계 : by Marshal-Palmer distribution of raindrop size

)(log10 10 zdbz =

3DVAR 조절변수 : qt (총수분량) qr (for Z-qr 관계)

qt= qv + qc + qr (warm rain 강수 물리과정, 응결,병합, 침착)


No Radar S-band

군산(RV+RF)평택 (RV+RF)광덕산(RF)진도(RF)

9th April 2005


제주

면봉산

동해

광덕산

백령도

진도

평택

군산

백령도

군산

제주

동해면봉산

C 밴드 레이더


C 밴드 레이더 반사도 동화

00UTC 03 06 09 12 15 18

C+S 146 281 346 387 407 385 279

S밴드 - 242 301 325 311 267 213

2005082412C 밴드 추가(407개)

2005082412S 밴드(311개)

백령도

동해

군산

고산

면봉산


현업C밴드추가

2005082412+09hr MSLP& 3hr Accumulated Rain Fall경기북부, 영서지경 강수 강화

동해안 강수 보정


입력된 레이더 반사 자료 수 (9월 21일)

18 19 20

12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00

58

-

03 06 09 12 15 18

79

-

44

99

- -

168

-

217

-

301

230

C

+

S

17

15

7 26

173

217

152

82

34

22

33

10

S - - - - - 192

138

- - - - -

C밴드추가 현업

2005. 9. 20. 18UTC


2005092018+06hr

C밴드추가 현업Stream Line&Wind Vector(850hPa)

현업의경우서해남부해상으로빠르게실험의경우보다북쪽으로하층수렴형성


C밴드추가 현업

3시간누적강수비교2005092018+15hr

중부내륙강

수강화됨


요약

3DVAR를 통한 레이더 반사도와 시선속도동화

모델에 의한 악기상 예측 능력 향상 기대

3DVAR 튜닝 필요

관측오차 (사이트별?)

전처리 (합성 자료 생성)

솎아내기 해상도 (현재 수평 24km 해상도)

이슈 (레이더 자료의 품질)

사이트별 불연속

강도의 차이


C밴드와 S밴드

레이더 반사도 차이

백령도 C밴드와광덕산S밴드와의반사도 강도 차 존재

군산 NEXRAD 군산 C-Band

비슷한 위치의미공군 NEXRAD와군산 레이더를 보면강도차이와Data missing.


S-band (진도)의 레이더 에코


미공군군산 기상청군산S-band 진도 S-Band 광덕산

레이더 간 에코 강도의 차


진도레이더 시선속도 잡음


광덕산 레이더 (잡음)


광덕산에나타난강한에코면봉산에도약하게나타남

레이더 자료의 기본 품질향상 기대


Derivation “H” for reflectivity• Assume MP distribution of rain drops

ND/N0: total number of concentration, intercept parameter in the MPD: diameter of rain drop

DD eNN Λ−= 0

• Reflectivity factor

∫∞

Λ−

Λ==

0706

0 720 NdDDeNZ D

Reflectivity factor depends on two parameters of the drop size distribution

• MP slope factor4/1

0⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=Λ

r

w

qNρρπ waterofdensitygmw :10 36 −=ρ

40 08.0 −= cmN

• Reflectivity

[ ][ ]3

3

::

−

−

gmcontentwaterrainqkgmdensityair

r

ρ( )rqZdBZ ρ1010 log5.171.43log10 +==


Convert dBZ into qr• Calculate density of air [kg/m3]

γγ dRg

TzTpp ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

0

00

- Assume standard atmosphere (use formular in MM5)

)1(

0

0

0

01)(−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=−=

γγρdRg

d TzT

RTp

dzpd

gz

hPap 10000 =

KT 3000 =

kkgJRd //04.287=KKgJCp //1004=

pCg

=γ

DENSITY (kg/m3)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2H

EIG

HT

(km

)0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0


RAINWATER MIXING RATIO (g/Kg)

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

RE

FLEC

TIV

ITY

(dB

Z)

10

20

30

40

50

60

70

z=0.5km z=5.0km z=10.0km

( )rqZdBZ ρ1010 log5.171.43log10 +==

dBZ(max) = 47.4 at 0.19 (2002061012)


Representation error for qr( )rqdBZ ρ10log5.171.43 +=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

= 5.171.43

101 dBZ

rqρ

dBZqdBZ

r δρ

δ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

= 5.171.43

105.1710ln

Reflectivity (dBZ)0 10 20 30 40 50 60

qr_e

rr (g

/kg)

0

2

4

6

8

10dBZ_err=1.0 dBZ_err=3.0 dBZ_err=5.0 dBZ_err=8.0

- qr error depends on dBZ and dBZ error- The qr error increase exponentially when dBZ > 60

현업자료동화에서...

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