계장기술(PROCON)

기획특집 라디오존데 기술개발 동향 및 국제비교 관측

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 96회 작성일 20-01-16 13:14

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WMO 주관 라디오존데 국제 비교 참여를 위한 듀얼 온도센서 라디오존데(DTR) 개발

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개 요

라디오존데(Radiosonde)란 상층대기(지상에서 고도 약 35km)의 기압, 기온, 습도, 풍향, 풍속을 실제 위치에서 측정하는 기상 장비로써, 기구에 매달려 상승하면서 센서에서 측정된 고도별 관측값을 UHF 무선 송신기를 통해 지상으로 송신한다.

실제 관측 자료는 일기예보를 위한 중요한 기초자료로 사용된다. 기구 파열 등에 의해 더 이상 비양할 수 없게 되면 기구와 함께 매달았던 낙하산이 펴지면서 지상으로 떨어지며, 1회 관측하는 소모품으로 재사용이 불가능하다.

전 세계적으로 1300개소의 관측소가 있고, 이중 2/3의 관측소에서 00UTC, 12UTC마다 하루에 두 번 관측을 하며, 100~200개소에서는 하루에 한 번 관측을 수행한다. 또한, 해상에서는 15개 정도의 관측선에서 관측을 수행한다.

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간접적으로 관측하는 고층기상 관측 장비로는 레이더를 이용한 라이다, 운고계, 윈드프로파일러, 라디오미터 등이 있다.

근대 고층기상 관측의 대표적인 장비인 라디오존데의 측정의 기술 및 정확도를 점차적으로 상승시키기 위한 국제비교 관측시험은 2010년 중국에서 8번째로 진행되었으며, 한국이 처음으로 참가하여 국제적으로 라디오존데 기술을 인정받게 되었다. 하지만 이전까지의 국제 비교는 측정 기술의 한계로 인해 고층대기 상황에 따른 측정의 정확도 검증에 많은 어려움이 있었다.

한국표준과학연구원에서는 정확한 고층대기 모사를 위해 고층기상 모사시스템(UAS, Upper Air Simulator)을 세계 최초로 자체 개발하였고, 동시적으로 온도(-70℃ ~60℃), 습도, 기압, 풍속, 일사량의 조건을 설정하여 실제 고층대기와 유사한 실내시험을 가능하게 하였다.

또한, 기존 라디오존데의 경우 온도 감지부의 일사 영향으로 인한 보정은 위경도에 따른 태양고도각과 기압 등을 통해 작성한 경험적인 표를 이용하여 보정하였다. 하지만 당사와 한국표준과학연구원이 공동개발 중인 이중온도센서 라디오존데(DTR)의 경우 흑색과 백색의 온도센서(Thermistor)를 장착하여, 두 센서가 가지는 복사흡수율 차로 실시간으로 일사의 영향에 따른 온도 보정이 가능하다.

고층대기 관측의 정확성이 요구되고 있는 현시점에 실시간 일사보정 기술이 적용된 라디오존데를 사용하여 관측할 경우, 기존의 경험적 테이블로 만들어 사용하던 일사보정 방법에 비해 위도의 변화, 일출, 일몰, 야간, 주간 등 시간에 상관없이 일사의 영향을 상쇄하여 관측이 가능하다. 당사는 이 측정 신기술을 사용하여 제9차 라디오존데 국제비교 관측 시험에 참가할 예정이다.

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제9차 라디오존데 국제비교 관측시험 요약

1) 개최 목적
2010년 중국 Yangjiang에서 개최된 비교시험을 기준으로 각국 정부 및 수요처에서 라디오존데를 구매하고 있는데, 새로운 평가를 시행하여 라디오존데 선택 기준을 제시하려 한다.
WMO는 시스템 성능에 대한 권장 사항을 제공하고, 측정 방법 및 관측 방법을 개선하고, WMO 회원 및 계측기 제조업체에 적합한 참조를 제공함으로써 고층 관측 시스템의 품질 및 비용 효율성 향상에 기여한다. 또한, 일부 제조업체는 출시한 새로운 라디오존데 모델에 대한 평도 시행된다.

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2) 참가 자격
현업에 운영 중인 라디오존데
GTS에 보고되고 있는 라디오존데
시험용 모델은 참가할 수 없으나, 아직 현업에 운영 중이지 않은 라디오존데 중 평가를 통해서 참가 자격을 부여한다.

3) 기 간
실험실 시험은 2021년 1/4분기
현장시험은 2021년 8월~9월

4) 장 소
독일 린덴버그 관측소(Meteorological Observatory Lindenberg in German)

5) 주 최
독일과 스위치 기상청 공동 개최

6) 비교관측 시험 방법
① 실험실 시험
약 일주일간 -80°C and 20°C 범위에서 온도와 습도센서를 교정
저온에서의 습도센서의 Time lag를 측정
온도센서의 Radiation-induced error를 측정
② 현장 시험
최소 30번의 비양시험을 낮과 밤을 구분하여 실시한다. 각 비양은 다른 타입의 라디오존데를 2개 이상 장착하여 시험하고, 재연성(Reproductivity)을 평가한다.
현장시험 목표는
라디오존데 제조사들과 다른 지역의 라디오존데를 혼합하고,
각각의 라디오존데 재연성을 확인하고, 각종 측정 파라미터들의 불확도 등을 특측정한다.
각각의 라디오존데를 기준기[(International Organizing Committee(IOC)에서 결정]와 비교한다.

7) DTR 라디오존데 구성
당사에서 개발한 라디오존데의 구성은 그림 6과 같다.
풍선에 달려 관측을 수행하는 라디오존데, 관측 종료 후 추락 시 충격을 줄이기 위한 낙하산 등으로 구성되며, 지상은 UHF 수신 안테나와 수신기, 자료 처리용 PC 등으로 구성되고, 관측 후 한국기상청을 거쳐 WMO에 측정 자료가 보고된다.

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8) DTR 라디오존데 외형 및 전개도
외부에 노출되는 센서붐에는 온도센서와 습도센서가 위치되었고, GPS 및 기압센서는 측정 회로 보호를 위한 스치로폼 케이스 내부에 위치한다. 고층 관측 시 측정온도가 약 -80도까지 하강하기 때문에 스치로폼 케이스를 사용하여 측정 회로 및 배터리는 -40도 이하로 내려가지 않도록 한다. 또한 측정 회로 및 CPU가 저온에서는 측정오차가 증가하고, 작동에 오류가 생길 수 있어서 섬세한 회로 설계와 많은 실험을 통한 오차값 보정 알고리즘 개발이 요구된다. 당사는 개발을 대부분 완료하여 관측시험을 실시하였다.


온도 관측시험 및 결과

2019년 여름에 수행한 자체 관측시험은 UAS를 이용하여 DTR을 전수 교정한 후 실외 비양시험을 진행하였다. 실외 비양시험은 대관령에서 RS41을 대조군으로 WxR-301D(DTR)와 총 28회 비교비양시험을 진행하였으며, 주로 일사의 영향이 가장 큰 13시~15시에 비양하였고, 일몰 30분 전과 야간을 포함하여 진행하였다. 본 시험을 통해 일사 영향을 통한 온도의 차이를 확인하였으며, 야간의 경우 복사냉각으로 인한 온도차의 역전 현상도 확인이 가능하였다. DTR은 실시간으로 주간 일사가열 및 야간 복사냉각에 의한 온도 측정오차를 최소화시킬 수 있는 라디오존데임을 확인하였다.

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맺음말

라디오존데 국제비교 관측시험은 1984년부터 1993년까지는 측정 전자회로의 발전과 센서 에러에 대한 이해 등을 하는 시기였고, 5차에서는 습도측정 기술이 Carbon hygristor, Goldbeater가 Thin film capacitive humidity sensor로 바뀌였고, 6차 브라질 개최 때 처음으로 GPS를 사용하는 고도 측정을 하는 라디오존데가 등장하였고, 7차 모르셔스에서 GPS과 기압센서를 완전히 대체하고, 상대습도를 큰 오류 없이 대류권 상층에서 측정 가능하게 되었다. 8차에서는 라디오존데에 등급을 부여해서 입찰의 기준으로 사용되게 하였고, 기후변화의 정도를 측정하기 위한 정밀도 높은 라디오존데를 요구하게 되었다.

제9차 라디오존데 비교시험은 대류권 및 성층권에서의 보다 정확한 관측 데이터를 요구하고, 라디오존데의 등급을 보다 세분화해서 사용자가 용도에 따라 선택할 수 있는 기준이 제시될 것으로 예상된다. 또한, 전 세계 15개의 라디오존데 제조사가 비교관측시험 참가를 신청하였기 때문에 어떤 새로운 기술을 가지고 나올지 기대된다.
sgyang@weathex.co.kr