[자격증] 기상기사 필기: 1과목 기상관측법 (특수관측)

 정보

• 업무명     : 기상기사 필기: 1과목 기상관측법 (특수 관측)

• 작성자     : 박진만

• 작성일     : 2019-12-06

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 내용

[핵심이론 01] 낙뢰관측

• 낙뢰

  • 뇌전 중 지면으로 떨어지는 구름과 지면 사이의 방전으 로 벼락이라고도 함

  • 우리나라에서 발생하는 낙뢰는 주로 여름철 짧은 시간 동안 발생하는 뇌운에서 낙뢰가 발생하는 경우가 많으 므로 단시간 관리에 주력해야 한다.

• 낙뢰위치 결정

  • TOA(Time-Of-Arrival) 방식 : Lightning이 발생하 여 각각의 센서에 도달한 시간을 이용하여 낙뢰발생의 위ㆍ경도 및 거리를 추정하는 방법으로 Lightning Detection에서 Time Accuracy가 중요하다.

  • MDF(Magnetic Direction Finding) 방식 : Lightning 이 발생한 방향을 이용하여 낙뢰발생 위치를 알아내는 방법으로 진북이 얼마만큼 정확하게 설정되었는가가 중요한 변수로 작용한다.

• 낙뢰관측 현황 기상청은 1987년에 처음으로 낙뢰위치표정시스템을 도입하여 한반도 지역에 발생하는 낙뢰현상을 관측하여 예 보업무에 활용하였으며, 2001년 IMPACT ESP(지면방전 센서)와 LDAR Ⅱ(구름방전 센서)를 도입하고 전국 24곳의 기상대에 설치하여 관측망을 구성하고 있다.

  • IMOACT ESP(IMProved Accuracy from Combined Technology Enhanced Sensitivity and Performance) 센서 : 전자기장을 이용하여 낙뢰를 탐지, 도달시간분 석방식(TOA)의 장점과 방향 탐측(MDF)방식의 정확성 을 결합해 효율과 정확성을 높인 센서, Sun Tracking 으로 진북을 설정

  • LDAR Ⅱ(Lightning Detection and Ranging System) 센서 : 도달시간분석(TOA)방식을 이용하여 방전의 위 치를 결정하는 센서

• 낙뢰의 세기

  • 평균낙뢰의 평균길이는 약 3km, 100,000 J/m

  • 지속시간 약 30us , 평균 100억kW

  • 매년 십억 kWh에 해당하는 전기에너지가 발생(1970 년대의 전 세계 전기에너지 소모량의 약 1/5 에 해당하 는 막대한 양)

 

[핵심이론 02] 해상부이

• 부이

  • 해상에 설치된 관측장비로서 기상(바람, 기압, 기온, 습도)과 해양(수온, 파고, 파주기, 파향)자료를 관측할 수 있는 센서를 장착하여 매 시간 자료를 생산, VHF 와 위성을 이용하여 자료를 송수신하는 장비

  • 1995년부터 최초로 도입하여, 3m 원반형(Discus Buoy) 을 덕적도, 칠발도, 거문도, 거제도, 외연도의 5개 지점과 6m 선박형(NOMAD Buoy)을 마라도, 포항, 울릉도, 동해의 4개 지점에 설치해 총 9대를 운영

• 부이의 기본 구조 원리

  • 해상부이 본체는 선체(Hull), 상부구조물(Mast), 그리고 하부구조물(Bridge 또는 Mooring Yake) 등 3개 부분으로 구성된다.

  • 선체(Hull)

    • 해상부이를 해수면 위에 뜨게 하는 부력을 갖춘 구 조물

    •  형태는 일반적으로 원반형과 선박형으로 구분하며 해양환경에서 부식에 강한 재질로 구성되어 있다.

    • 선체에는 자료수집처리장치(데이터로거), 파고센서, 배터리, 수온센서, 통신설비 등 다양한 전자 및 통신 장치들을 설치할 수 있는 격실로 구분하여 독립된 공간으로 구성되어 있으며, 선체 가장자리에는 고무 방현물(Duty Rubber)을 부착하여 외부 충격을 흡수 하도록 되어 있다.

    • 상부구조물(Mast) 부이 선체 상부에 설치되는 프레임으로 각종 관측센서 와 등명기, 통신장비, 태양전지판, 안테나, 레이더증 폭기, 레이더 반사경 등이 설치되며, 부식에 강한 재질 로 되어 있다.

    • 하부구조물(Bridge 또는 Mooring Yake) ∙부이 선체 하부에 설치되는 프레임으로 계류장치 등 이 연결된다.

    • 하부구조물의 형태는 중심추 역할을 할 수 있도록 부이의 무게중심을 잡을 수 있는 역삼각형으로 되어 있다.

  • 계류장치

    • 설치 해역의 열악한 해양 환경에서도 장기간 사용할 수 있도록 부식에 강하고 견고한 재질로 되어 있으며, 계류선의 길이와 구성은 설치 해역의 해저 지형, 수심 등의 해양환경 여건을 고려하여 제작되어 있다.

    • 계류장치의 인장강도는 부이 부력의 1.5배 이상이 되도록 제작되어 있으며, 모든 계류장치 자재는 한국 선급협회의 장비 성능 보전과 안전도 검사를 만족하 는 제품을 사용하여 제작되었다.

 

[핵심이론 03] 저층난류

• 저층난류관측은 주로 공항의 기상상태를 파악하는 데 이용된다.

  • 저층바람시어경보시스템(LLWAS)

    • LLWAS는 공항활주로를 중심으로 최대 개의 원격 센서를 설치하여 실시간 바람의 변화를 관측하고 종합 적으로 분석하여 저층의 윈드시어 및 마이크로버스트 를 탐지한다.

    • LLWAS가 탐지한 윈드시어와 마이크로버스트는 경보 음과 함께 관제탑에 전송되어 이ㆍ착륙하는 항공기에 게 통보된다. 항공기상청은 인천, 제주, 양양 공항에 LLWAS를 운영하고 있다.

    • 활주로를 중심으로 설치되어 있는 8개의 센서부를 원 격처리장치(Remote Station)라 하고 기상대 전산실에 주처리장치(Master Station)가 설치되어 있다. 주처리장치에서는 각각의 원격처리장치에서 매 10초마다 수집된 바람자료를 분석하여 수직으로는 활주로지면 약 33m 높이까지 수평으로 양쪽 활주로 말단부터 3마일 까지의 윈드쉬어나 마이크로버스트 발생시 경고를 발하고 그에 대한 정보를 화면에 표출한다.

    • 원격처리장치는 공항 주변에 설치된 8개의 초음파 풍향 풍속계(Handar WS425T)에 각각 설치된 장치이며 풍향풍속계는 3개의 초음파 감지기가 고정 축을 중심으 로 120° 각도의 방사상으로 달렸으며, 초음파 풍향풍 속계의 주파수는 100kHz , 측정 범위는 0 ~ 65m/s 이며 풍향 1°, 풍속 0.1 m/s 의 정확도를 가진 측기이다.

    • 3개의 감지기는 서로 초음파를 발사하고 수신하는데 감지기 사이를 스치는 풍속에 따라 감지기 상호 간에 초음파 이동속도가 다른 원리를 이용하여 풍속(Vw)을 다음 식과 같이 산출한다.

    • $$ V_{w}=0.5 \times L \times(1 / t f-1 / t r) $$

      • • L : 두 감지기 간의 거리

        • tf : 전방향 초음파 이동시간

        • tr : 반대방향 초음파 이동시간

    • LLWAS의 자료는 공항기상레이더(TDWR)에 전송되어 TDWR 자료와 조합에 의하여 더욱 신뢰할 수 있는 윈드쉬어 정보를 생산하는데 사용된다.

  • 저층난류측정장치(SODAR)

    • 이ㆍ착륙 항공기의 안전운항에 심각한 영향을 미치는 강한 저층난류(Wind Shear, Microburst)를 탐지하여 실시간으로 경보하는 장치이다.

    • 1,497Hz 음파를 이용하여 저층의 풍향ㆍ풍속을 자동 측정하는 원격조정 장비로 남북, 동서, 연직안테나와 전자패키지, 주자료처리장치 등으로 구성되어 있다.

    • 지상 60~1,000m 까지 고도를 30m 간격으로 풍향풍 속과 상승ㆍ하강기류를 매 분 간격으로 관측하고, 각 고도에서 발생하는 난류를 관측하기 위한 장비이다.

    • 측정 원리

      • SODAR는 짧은 시간(2~60분 : 선택가능) 중의 평균 풍향과 풍속을 측정하는 Remote Sensing 장비이다.

      • 대기 중에 온도차가 존재하면 밀도 차이가 생겨 음 파의 산란현상이 일어나고, 산란된 음파 중에서 발 사된 각의 180° 방향의 Echo만을 다시 받아들여, Frequency의 변화(Shift)와 Return Echo의 강도 에 대한 자료를 얻는다.

      • 남북(N/S)ㆍ동서(E/W) 안테나자료를 벡터 합성 하여 실제 수평바람 크기 및 방향을 구한다.

      • SODAR는 지상 60m가 관측 최저고도이므로, 10m 지상풍향풍속 감지기를 설치하여 그 이하의 바람상 태를 관측하기 위해 설치 운용되고 있다.

    • 측정 요소 : 지상으로부터 고도 1,000m 까지의 동서풍 속(U), 남북풍속(V), 연직풍속(W), 합성풍속(M)을 관측한다.

 

[핵심이론 04] 항공기 관측

• 항공기 관측은 위험기상현상 감시 공백을 최소화 하고 기류의 실시간 추적이 가능하며 구름 내부의 특성과 물리적인 변화를 조사할 수 있다는 장점이 있다. 관측기기가 탑재된 항공기를 이용한 구름의 야외 관측에서는 구름 내부의 습도, 온도, 상승 기류, 입자의 크기, 농도, 구름 액체 수량(Liquid Water Content), 난류 등을 측정한다. 기류의 관측시 기류 전면부에 드롭존데(Dropsonde)를 투하하여 기류의 움직임을 예측하 는 방법 혹은 기류 내를 직접 비행하면서 기상요소를 관측하 는 방법이 있으며 구름 내부를 직접 비행하여 강수 발달에 중요한 요소인 구름 내부의 강수입자 크기와 구름 수함량 및 연직속도 등 관측한다.

  • 기류관측

    • 연직 기류의 흐름은 지상관측소에서 비양한 존데의 관측 자료와 지상의 관측자료들을 수치 모의하여 예측되게 되 는데 존데 비양을 위한 관측소의 설치가 어려운 경우(바 다, 산악)에 항공기를 사용하여 기류 내에 드롭존데를 투 하하여 기류의 움직임을 관측하고 이런 관측데이터는 수 치모델의 입력자료로 사용되어 기류예측의 오차를 줄여 주게 된다.

  • 구름 내부 관측기법

    • 중ㆍ소형 유인 항공기에 측정 장비들(전방산란스펙트 로미터, 레이더 등)을 설치하여 구름 내부로 직접 들어 가서 구름의 종합적인 특성을 파악할 수 있는 장점이 있지만, 지속적인 관측을 할 수 없다는 점과 비용이 많이 든다는 단점을 갖고 있다.

    • 항공관측을 통해 기상요소(온도, 습도, 바람 등) 그리 고 구름의 미세물리 특성과 태양복사 측정을 관측한 다. 최근에는 무인항공기를 이용하여 여러 대를 동시에 비행하면서 여러 고도와 여러 지점을 동시에 관측할 수 있다는 장점을 지니고 있다.

    • 구름 내부를 관측하기 위한 전방산란스펙트로미터 등이 있다. 전방산란스펙트로미터는 광학적 특성을 이용하여 0.5 ~ 47um 범위의 지름을 가진 구름과 에어로졸 입자의 크기 분포를 측정하는 기기이다. 이 장비를 이용 하여 구름미세물리 요소인 입자의 크기별 수농도 분포 와 이로부터 유도되는 수함량과 입자평균지름이 있다. 레이더와 라디오미터를 설치하여 구름관측과 대기 및 구름 수액량을 관측하여 구름의 변화를 살펴본다.

[항공기상관측 디자인 예시]

[핵심이론 05] 대기전기 관측

• 대기전기현상(Electrometeors) 대기 중의 전기현상이란 대기 중에 일어나는 전기적인 현 상을 말한다.

  • 뇌전(Thunderstorm) : 번개와 천둥을 동반하는 급격 한 방전현상으로 뇌전은 발달한 적란운에서 구름과 구 름 사이 또는 구름과 지면 사이의 방전으로 나타나며 소낙성 비를 동반하는 수가 많다.

    • 천둥(Thunder) : 뇌전에 수반되어 일어나는 예리한 소리 또는 ‘우르릉 우르릉’ 울리는 소리

    • 번개(Lightning) : 구름과 구름 사이 또는 구름과 지면 사이의 급격한 방번에 의한 발광현상

  • 세인트엘모의 불(Saint Elmo’s Fire)

    • 지면에서 높이 솟아 있는 물체(피뢰침, 풍향풍속계, 선박의 돛대), 또는 날아가는 비행기(날개 끝, 프로 펠러)에서 다소 연속적으로 일어나는 약한 발광성의 방전현상

    • 지상 물체 가까이에 있는 전기장이 강해질 때 관측되 며, 보라색이나 녹색의 깃털과 같이 보이며 밤에는 더 선명하게 보인다.

  • 극광(Polar Aurora)

    • 북녘 높은 하늘에 나타나는 아치, 띠, 장막의 주름살, 커텐 모양의 발광현상

    • 태양에서 방출되는 대전된 입자가 고층 대기의 희박 가스에 작용하여 발생

    • 이 입자들은 지구 자장에 의해서 운반되어지기 때문 에 자극 부근에서 흔히 관측된다. 극광의 고도는 낮 은 한계가 100km (때로는 60km), 높은 한계가 대략 100~400km(때로는 1000km)이며, 극광의 밝기는 매우 다양하여 만월의 달빛을 받는 구름의 밝기 정도일 때도 있고 어떤 때는 그보다 훨씬 더 밝은 때도 있다. 극광의 색깔은 대체로 초록색을 띤 흰색이나 또는 초록과 노란색을 띤 흰색이다.

• 대기전기현상 관측시 주의 사항

  • 뇌전, 번개, 천둥 현상에 대하여는 시작시각과 지정관 측 시각에는 현상기호, 강도, 방향, 거리, 시각을 기록. 다만 번개나 천둥만 있을 때의 거리를 추정하지 않는 다. 특히 이들 대기전기현상에 대하여는 그 이동 경향 을 파악할 수 있도록 관측 기록해야 한다.

  • 어떤 시각의 강도, 방향, 거리, 이동경향 등은 그 시각으 로부터 10분 내의 대체적인 평균을 뜻하며, 강도, 방 향, 거리 중 변화가 있으면 관측 기록한다. 거리는 km 단위로 표시하며 번개와 천둥의 시간차로 개략적인 계 산을 하든지 산이나 지상물 등으로부터 추정하여 관측 한다. 어떤 거리의 범위 내에서 대기전기현상이 계속 있게 되면 거리를 ex와 같이 기록한다(ex : 거리 5~ 7km로 관측 기록)

  • 대기전기현상이 계속되고 있다는 것은 반드시 뇌전, 번개, 천둥 등이 끊임없이 계속되고 있다는 것이 아니 라 뇌운 안에서 전기적인 활동이 계속 된다는 것을 뜻 한다. 마지막 천둥을 들은 지 10분이 경과되어도 뇌전 이 다시 일어나지 않을 때에는 대기전기현상은 끝난 것으로 하고 끝난 시각은 마지막 대기전기현상이 있는 시각으로 한다. 서로 방향이 다른 별개의 대기전기현 상이 관측될 때에는 따로 관측하고 대기전기현상 기사 도 따로 잡아야 한다.

  • ※ 대기전기현상은 관측시각 전 10분 이내에 뇌전 또는 천둥이 있었을 때에 취하고 번개만 있었을 때는 제외 한다.

• 전기전도도 측정기

  • 전기전도도는 양이온과 음이온의 분리 즉, 강하하거나 약한 전해물질(용존물질)의 존재량에 의해 결정되는 대략적인 값

  • 단위는 비전기전도율로서 전기전도도측정기(Conductivity Meter)의 내부에 1㎠ 의 +, - 두 전극판이 있고, 두 전극판 사이의 거리가 1cm로 두 전극판 사이에 걸리는 전기저항의 역수(= 1/Ω)로 표시하며, 보통 us/cm를 사용한다.

  • 전기전도도 측정기의 측정 시 주의 사항

    • 채수한 후 냉장 보관상태 하에서 최소한 24시간 이 내에 이루어져야 하며, 20°C(또는 25°C)에서 측정한다(수온 1°C에 비전기전도도는 2% 정도 변할 수 있음).

    • 수용액 속에는 각종 물질들이 입자상 및 수용성 상태 로 존재하게 된다. 이들 물질이 수용액 속에 많이 존재하면 전기전도도는 큰 값을 나타나게 되고, 이들 물질들이 수용액 속에 작게 존재하면 전기전도도는 작은 값을 나타나게 된다. 따라서 이 장비는 수용액 속에 포함되어 있는 각종 물질들의 총량을 대략 판단 하는 데 사용되고 있다.

  • 전기전도도 측정기의 구성

    • 본체 : 전기전도도 측정을 하기 위한 장비의 보정 기능 및 전기전도도 값을 디지털화면으로 보여주는 부분이 있다.

    • 감지기 : 수용액의 전기전도도를 직접 측정하는 부분 이다. 이 장비는 이미 알고 있는 표준용액(Calibration Solution)을 이용하여 보정되며, 측정이 끝난 후 감지 기는 초순수(D.I Water)로 ~회 씻어 보관한다.