부산대학교 도서관

대류중력파(Convective gravity wave, 이하 CGW)는 구름 위 청천 대기에서발생하는 구름 주변 난류(Near-cloud turbulence, 이하 NCT)의 주요한 원인 중하나이다. 현재의 항공난류 예측 시스템들은 상층 제트와 전선 과정으로발생한 난류(Clear-air turbulence, 이하 CAT) 지수를 이용하여 난류의 발생을진단하고 NCT 를 진단할 수 있는 난류 지수는 포함하고 있지 않은 실정이다.이에 따라, 본 연구에서는 Chun and Baik (1998)에서 개발한 대류중력파항력(CGW drag, 이하 CGWD) 모수화 방안을 이용하여 NCT 지수를개발하였다. NCT 지수는 CGWD 와 CGW 의 효과를 포함한 최소 리차드슨 수를기반으로 개발되었다. 본 연구에서 개발한 NCT 지수는 2006 년 3 월 9-10 일에미국과 2007 년 9 월 2 일에 일본에서 발생한 NCT 관측 사례에 대한 다중 규모수치 실험 결과를 통해 그 효용성이 평가되었다. 2006 년 3 월 9 일에 미국중부에서 얕은 대류 위에서 중강도 이상의 난류가 보고되었고, 2007 년 9 월2 일에 일본에서 깊은 대류에서 소멸기에 접어든 대류 위에서 강강도의난류가 보고되었다. 위의 두 사례에 대한 NCT 지수의 효용성 평가 결과, 두사례 모두 0 이 아닌 NCT 지수를 보인 영역이 실제 난류 보고 지점과 상당히높은 합치도를 보였으며, CGWD 를 기반으로 한 NCT 지수가 최소 리차드슨수를 기반으로 한 NCT 지수에 비해 높은 효용성을 보였다. 다음으로, NCT지수를 항공 난류 예보에 활용하기 위하여, 1 년(2016 년 12 월-2017 년 11 월)기간의 기상청 전지구 예보모델(Global data assimilation and prediction system, 이하GDAPS) 자료와 전지구 항공난류 관측 자료를 이용하여 NCT 지수의예측성을 검증하였다. 보다 많은 전지구 항공난류 관측 자료의 확보를 위하여항공기 기상 관측(Aircraft meteorological data relay) 자료에 포함된 유도된 등가돌풍 속도(Derived equivalent vertical gust, DEVG)를 표준 난류 지표인 에디소산률(Eddy dissipation rate, 이하 EDR)로 변환하였으며, 변환된 자료는 미국의EDR 관측 자료와 함께 NCT 지수 예측성 검증에 사용되었다. NCT 지수계산에 필수적이나 GDAPS 에서 제공하지 않는 대류 가열률은 수증기 혼합비,대기 온도, 연직 속도를 이용하여 후처리 과정으로 추정되었다. NCT지수(CGWD 와 CGWD 를 기반으로 도출된 EDR)의 예측성 검증에는 검출확률(Probability of detection, 이하 POD) 방법을 기반으로 계산된 상대 조작특성 곡선 아래의 면적(Area under the curve, 이하 AUC)이 기술 점수로사용되었다. 1 년 기간의 예측성 검증 결과, NCT 지수는 68% 이상의 예측성을보였으며, 계절별 예측성 검증 결과, 여름철과 가을철에 NCT 지수가 높은예측성을 보였다. 마지막으로, AUC, POD, 평균 제곱근 오차(root mean squareerror, 이하 RMSE)를 이용하여 현재의 전지구 현업 예측 시스템(11 개의 CAT지수)에 NCT 지수를 포함시켰을 때의 효과가 평가되었다. AUC 분석 결과,NCT 지수를 11 개 CAT 지수와 평균하여 결합한 난류 예보값이 CAT 지수만을 이용한 난류 예보값에 비해 높은 예측성을 보였으며, 중강도 이상의난류에 대한 POD 와 RMSE 분석 결과, CAT 와 NCT 지수 간의 최대값으로계산된 난류 예보 값은 기존의 난류 예보 자료를 보완 및 개선함을확인하였다. 본 연구에서 개발한 NCT 지수는 향후 항공난류 예보에 활용되어기존의 항공난류 예보를 개선할 것으로 기대된다.
Convective gravity wave (CGW) is one of the main causes of near-cloud turbulence (NCT) which can occur in clear air above deep convection. Current operational forecasting systems of aviation turbulence do not include turbulence diagnostics related to NCT. In this regard, the NCT diagnostics are developed here using the parameterization scheme of CGW drag (CGWD) proposed by Chun and Baik (1998). The NCT diagnostics are developed using (i) CGWD and (ii) minimum Richardson number (Rimin) including the effects of CGWs. The feasibility of NCT diagnostics is evaluated using multiscale numerical simulation results of observed turbulence cases related to a breaking of CGWs, which occurred over the southwestern Illinois and eastern Missouri in the United States (US) of 9-10 March 2006, and near Fukuoka, Japan of 2 September 2007. On 9-10 March 2006, several cases of moderate-or-greater (MOG)-level turbulence were reported above active, but shallow convection over the central US, while on 2 September 2007, severe-level turbulence was encountered above dissipated convection near Fukuoka, Japan. The results of the multiscale numerical simulation for both turbulence cases show that the CGWs and their breaking provide a favorable environment for turbulence generation. For two simulated turbulence cases, nonzero NCT diagnostics are reasonably well matched with real turbulence cases. It is found that the CGWD-based NCT diagnostics are more robust than the Rimin-based NCT diagnostics. The forecasting performance of the NCT diagnostics is evaluated for general use in aviation turbulence forecasting, using the global in situ flight data and outputs from the operational global weather forecasting model of the Korea Meteorological Administration, Global Data Assimilation and Prediction System (GDAPS), for one year (from December 2016 to November 2017). For more reliable and consistent global observations of aviation turbulence, the derived equivalent vertical gust (DEVG) included in the Aircraft Meteorological Data Relay (AMDAR) data is converted to the cube root of the eddy dissipation rate (EDR) which is the International Civil Aviation Organization standard turbulence reporting metric. The DEVG-derived EDR data are used as turbulence observations together with in situ EDR data reported by the US-operated carriers. The convective heating rate, which is required for a calculation of NCT diagnostics but is not provided from GDAPS, is estimated through a postprocess which uses water vapor mixing ratio, air temperature, and vertical velocity. The forecasting performance evaluated by a skill score [defined as the area under the curve (AUC) based on a probability of detection (POD) statistics] of the individual NCT diagnostics (CGWD and EDRCGWD) is examined. It is found that the NCT diagnostics have the AUC more than 0.68 for one year. In seasonal forecasting evaluations, the NCT diagnostics show better forecasting performance in summer and autumn than in spring and winter. Finally, the effects of including the NCT diagnostics in a current global operational turbulence forecasting system are examined based on the AUC, POD, and root mean square error (RMSE). In analyses based on the AUC, it is found that the turbulence forecasting is improved when the NCT diagnostics are combined with the eleven clear air turbulence diagnostics that have been used in the current turbulence forecasting systems through an ensemble mean. In analyses based on the POD and RMSE for the MOG-level turbulence, it is found that the turbulence forecasting skill is improved when the maximum fields between CAT and NCT diagnostics are used as turbulence forecasts. The current results imply that developed NCT diagnostics can be valuable additions to current turbulence forecasting.