기상 레이더

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 대한민국
3. 작동 원리
4. 종류
5. 데이터 유형
6. 데이터 표시 방법
7. 한계 및 인공물
8. 응용 분야
9. 나라별 관측소
- 9.1. 대한민국
  - 9.1.1. 기상청
  - 9.1.2. 추가 정보
10. 일본의 기상 레이더
참조

1. 개요

기상 레이더는 마이크로파를 이용하여 대기 중의 강수 현상을 관측하는 장비이다. 제2차 세계 대전 중 군사적 목적으로 개발되었으며, 이후 민간 분야로 확대되어 강수량, 속도, 강수 유형 등을 측정하는 데 사용된다. 기상 레이더는 반사도, 속도, 편광 등의 데이터를 생성하며, 이중 편광 레이더는 강수 입자의 형태와 유형에 대한 추가 정보를 제공한다. 이러한 데이터는 기상 예보, 수문학, 항공, 조류 이동, 운석 낙하 감지 등 다양한 분야에 활용된다. 기상 레이더의 작동 원리는 마이크로파 방사선을 펄스 형태로 발사하여 강수 입자로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하는 것이다. 대한민국에서는 기상청, 환경부, 과학기술정보통신부 등에서 31개의 기상 레이더를 운영하고 있으며, 일본에서도 기상청, 국토교통성, 방위성 등에서 기상 레이더를 운영하고 있다.

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기상 레이더 - PS-05/A
PS-05/A는 에릭슨 사가 개발하고 페란티 사의 기술 협력으로 제작된 항공기 탑재용 펄스 도플러 레이더로, 사브 39 그리펜에 탑재하기 위해 개발되었으며 다양한 작동 모드를 지원하고 AESA 안테나를 채용한 Mark 5는 탐지 거리가 향상되었다.
기상 계측기 - 라이다
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기상 레이더
지도 정보
기본 정보
종류	레이더
사용 분야	기상학, 항공기상학, 수문학
탐지 대상	강수, 바람, 구름 등
기술 정보
작동 원리	전자기파 반사
측정 방식	도플러 효과 이용
주요 부품	안테나 송신기 수신기 신호 처리 장치
사용 주파수	마이크로파 대역
활용
기상 예측	강수량 예측, 태풍 추적
항공 안전	난기류 탐지, 우박 경보
수문 관리	홍수 예측, 댐 관리
기후 연구	강수 패턴 분석, 구름 특성 연구
역사
개발 시기	제2차 세계 대전 이후
초기 형태	군사 레이더 기술 기반
발전 과정	도플러 레이더 및 편파 레이더 기술 개발
추가 정보
기타	다양한 디자인과 크기 존재
레이더망	국가 및 지역별 레이더망 운영
참고 자료
참고 서적	A Dictionary of Aviation

2. 역사

기상 레이더는 제2차 세계 대전 중 군사적 목적으로 개발된 레이더 기술에서 비롯되었다. 당시 군사 레이더 운용자들은 비, 눈, 진눈깨비와 같은 강수 현상으로 인해 레이더 반사파에 잡음이 발생하는 것을 발견했다.^[1] 전쟁이 끝난 후, 군 과학자들은 민간으로 돌아오거나 군에 남아 이러한 현상을 활용하는 연구를 이어갔다.

1944년 12월, 선박 레이더 화면에 나타난 코브라 태풍(Typhoon Cobra)

미국에서는 데이비드 아틀라스(David Atlas)가 미 공군과 MIT에서 최초의 운용 가능한 기상 레이더를 개발했다.^[1] 캐나다에서는 J.S. 마셜과 R.H. 더글러스가 "폭풍우 기상 그룹(Stormy Weather Group)"을 결성하여 강우 강도 분포에 대한 연구를 통해 Z-R 관계를 확립했다.^[2]^[3] 영국에서는 레이더 에코 패턴과 기상 요소 간의 관계, 다양한 파장의 잠재력을 평가하는 연구가 진행되었다. 1950년에는 영국 회사 EKCO가 항공기용 '구름 및 충돌 경고 탐색 레이더 장비'를 선보이기도 했다.^[4]

1960년대 레이더 기술은 토네이도를 발생시키는 슈퍼셀(supercell)을 미니애폴리스-세인트폴(Minneapolis-Saint Paul) 대도시 지역 상공에서 탐지했다.

1950년대부터 1980년대까지 전 세계 기상청은 강수의 위치와 강도를 측정하는 반사도 레이더를 도입했다. 1953년, 도널드 스태그스는 토네이도와 관련된 "후크 에코(hook echo)"를 최초로 관측했다.^[5] 1961년에는 칼라 허리케인(Hurricane Carla) 당시 댄 레이더 기자가 레이더 영상을 텔레비전에 처음 사용하여 대규모 대피를 이끌어내 인명 피해를 줄이는 데 기여했다.^[6]

1970년대에는 레이더가 표준화되고 네트워크로 구성되면서 레이더 이미지를 포착하는 기술이 개발되었다. 알버타 우박 프로젝트(Alberta Hail Project)와 미국의 NSSL을 중심으로 뇌우 구조에 대한 연구가 활발히 진행되었다. NSSL은 도플러 효과(Doppler effect)를 이용한 실험을 통해 토네이도의 전 생애 주기를 관측하고, 토네이도 소용돌이 신호(tornadic vortex signature)를 발견했다.^[7] 1974년 슈퍼 아웃브레이크는 도플러 레이더 개발에 대한 추가적인 자금 확보에 영향을 주었다.

1980년대부터 2000년대에는 공기 중 입자의 상대 속도를 추적할 수 있는 도플러 레이더가 도입되었다. 미국에서는 1988년 NEXRAD 네트워크 건설이 시작되었고,^[7]^[8] 캐나다에서는 1985년 킹시티 기지가 건설되었다.^[9] 1998년부터 2004년까지 캐나다 도플러 네트워크가 구축되었다.^[10] 프랑스 등 유럽 국가들도 2000년대 초까지 도플러 네트워크로 전환했다.

2000년대 이후에는 강수 유형에 대한 정보량을 늘린 이중 편광 기술이 도입되었다. 미국, 프랑스,^[11] 캐나다 등에서는 2010년대 초반까지 이중 편광 기술이 널리 보급되었다. 2013년에는 미국의 모든 국립기상청(National Weather Service) NEXRAD가 이중 편광화되었다.^[32]

2003년부터 미국 국립해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration)은 위상 배열 레이더(phased-array radar)를 실험하여 대기 관측의 시간 분해능을 높이고자 했다. 같은 해, 국립과학재단(National Science Foundation)은 CASA를 설립하여 하층 대류권 관측을 위한 연구를 수행하고 있다.

2023년, 미국의 민간 기업 투모로우.아이오(Tomorrow.io)는 기상 관측 및 예보를 위한 Ka 대역(Ka-band) 우주 기반 레이더(space-based radar)를 출시했다.^[12]^[13]

2. 1. 대한민국

기상청, 환경부, 과학기술정보통신부 등에서 총 31개의 기상 레이다를 운영하고 있다.^[94] 도플러 기상 레이더는 이러한 위상차(펄스 쌍 차이)를 이용하여 강수의 이동을 계산한다. 약간 이동한 표적이 있는 동일하게 스캔된 부피에서 연속적으로 되돌아오는 펄스의 강도는 다음과 같다.^[14]

:

I = I_0 \sin \left(\frac{4\pi (x_0 + v \Delta t)}{\lambda}\right) = I_0 \sin \left(\Theta_0 + \Delta\Theta\right) \quad \begin{cases} x = \text{레이더에서 표적까지의 거리} \\ \lambda = \text{레이더 파장} \\ \Delta t = \text{두 펄스 사이의 시간} \end{cases}

따라서

\Delta\Theta = \frac{4\pi v \Delta t}{\lambda}

,

:''v'' = 표적 속도 =

\frac{\lambda\Delta\Theta}{4\pi \Delta t}

.

이 속도는 레이더와 표적 사이의 시간에 따른 거리 변화의 방사형 변화만을 나타내므로 방사형 도플러 속도라고 한다. 실제 속도와 운동 방향은 아래에 설명된 과정을 통해 추출해야 한다.

3. 작동 원리

기상 레이더는 마이크로파 방사선의 방향성 펄스를 보내고, 비나 눈, 우박 등의 강수 입자로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 작동한다. 사용되는 파장은 1~10cm 범위인데, 이는 강수 입자의 지름보다 약 10배 커서 레일리 산란이 발생하기 때문이다. 레일리 산란 덕분에 레이더는 강수 입자를 효과적으로 탐지할 수 있다.^[14]

레이더파는 레이더 기지국에서 멀어질수록 퍼져 나가 점점 더 넓은 부피를 차지한다.

레이더 펄스는 레이더 기지국에서 멀어질수록 퍼져나가기 때문에, 펄스가 통과하는 공기 부피는 거리에 따라 증가한다. 즉, 가까운 거리보다 먼 거리에서 분해능이 낮아진다. 150~200km 탐지 범위 끝에서는 단일 펄스로 스캔되는 공기 부피가 약 1세제곱킬로미터에 달할 수 있다. 이를 ''펄스 부피''라고 한다.^[15]

특정 시점에 펄스가 차지하는 부피(v)는 다음 공식으로 근사할 수 있다.^[14]

:

\, {v = h r^2 \theta^2}

여기서 h는 펄스 폭(미터), r은 레이더로부터의 거리(미터),

\,\theta

는 빔 폭(라디안)이다.

각 펄스 사이에 레이더 기지는 수신기 역할을 하며 공기 중 입자로부터 되돌아오는 신호를 받는다. "수신" 주기는 밀리초 단위로, 펄스 지속 시간보다 훨씬 길다. 이 시간을 통해 레이더는 목표물까지의 거리를 계산할 수 있다.

:

\text{거리} = c \frac{\Delta t}{2n},

여기서 ''c''는 km/s인 광속이고, ''n'' ≈ 는 공기의 굴절률이다.^[16] 펄스를 너무 자주 방출하면 거리 계산이 잘못될 수 있으므로 주의해야 한다.

지구는 둥글기 때문에 진공 상태에서 레이더 빔은 지구 곡률에 따라 상승한다. 그러나 대기의 굴절률 때문에 빔은 지면 쪽으로 약간 휘어진다. 표준 대기에서는 빔 곡률이 지구 실제 곡률의 4/3이라고 가정한다. 안테나 고각 등을 고려하여 지상에서 표적 높이(H)는 다음 공식으로 계산할 수 있다.^[17]

:

H = \sqrt{r^2+(k_ea_e)^2+2rk_{e}a_{e}\sin(\theta_e)} - k_{e}a_{e} + h_{a},

여기서 ''r''은 레이더-표적 거리, ''k''_e = 4/3, ''a''_e는 지구 반지름, ''θ''_e는 고각(레이더 수평선 위), ''h''_a는 지상 위 피드혼 높이이다.

기상 레이더 네트워크는 필요에 따라 설정된 일련의 각도를 사용한다. 각 스캔 후 안테나 고각을 변경하여 여러 각도에서 반복 스캔함으로써 최대 범위 내 전체 공기 부피를 스캔한다. 지구 곡률과 굴절률 변화로 인해 레이더는 최소 각도 아래나 최대 각도보다 가까운 곳은 "볼 수 없다".^[18]

각 체적 내 표적이 고유하지 않으므로, 레이더 방정식은 기본 방정식 이상으로 확장되어야 한다.

G_t=A_r (\mathrm{or} \, G_r) =G

인 단일 주파수 레이더를 가정하면:^[14]^[19]

:

P_r = P_t \propto \frac {\sigma} {R^4}

여기서

\scriptstyle P_r

은 수신 전력,

\scriptstyle P_t

는 송신 전력,

\scriptstyle G

는 송수신 안테나의 이득,

\scriptstyle \lambda

는 레이더 파장,

\scriptstyle \sigma

는 표적의 레이더 반사 단면적,

\scriptstyle R

은 송신기에서 표적까지의 거리이다.

모든 표적의 반사 단면적을 합산하면 다음과 같다:^[20]

:

\sigma = \bar \sigma = V \sum \sigma_{j} = V \eta

::

\begin{cases} V\quad= \mathrm{주사 체적} \\  \qquad= \mathrm{펄스 길이} \times \mathrm{빔폭} \\ \qquad=  \frac {c\tau}{2}\frac {\pi R^2 \theta^2}{4}  \end{cases}

여기서

\,c

는 광속,

\,\tau

는 펄스의 시간 지속 기간,

\,\theta

는 라디안으로 표시한 빔폭이다.

두 방정식을 결합하면 다음과 같다:

:

P_r = P_t \frac {c\tau}{2} \frac {\pi R^2 \theta^2}{4} \eta = P_t \tau G^2 \lambda^2 \theta^2  \frac {c}{512(\pi^2)} \frac {\eta} {R^2}

이는 다음과 같은 결과를 가져온다.

:

P_r \propto \frac {\eta} {R^2}

반환값은 '''

\, R^4

''' 대신 '''

\,R^2

'''에 반비례한다. 따라서 레이더로부터 다른 거리에서 나오는 데이터를 비교하려면 이 비율로 정규화해야 한다.

기상 레이더는 전자파를 방사하고, 비 또는 눈·우박 등 반경 1mm 정도의 대기 중 입자에 의해 산란되어 되돌아오는 전자파를 분석함으로써, 비와 눈의 위치와 밀도를 관측한다. 회전하는 안테나에서 파장 3~10cm의 펄스형 센티미터파를 발사하고, 강수 입자에 의한 레이리 산란으로 되돌아오는 전파를 수신한다. 방사한 전자파가 돌아오는 데 걸리는 시간 차와 안테나의 방향으로부터 공간 분포를, 강도로부터 강수의 강도를, 파장의 변화로부터 강수 입자의 움직임을 관측한다.^[88] 탐지 가능 거리는 수십~수백 km 정도이다. 기상청의 표준적인 값으로는 탐지 범위는 300km 정도이며, 파장 5.7cm, 펄스폭 2μs가 사용된다.

장애물이 있으면 그 그림자가 되는 부분은 관측이 어렵기 때문에, 높은 산 정상 등에 설치되는 경우가 많다.

레이리 산란의 산란 강도는 입자 지름의 6승에 비례하기 때문에 작은 입자는 포착하기 어렵고, 지름 0.5mm 미만의 이슬비는 마이크로파 레이더에 나타나지 않는 경우가 있다.^[89]

4. 종류

기상 레이더는 사용하는 전자파의 종류와 측정 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

'''마이크로파 레이더:''' 비나 눈, 우박 등 강수 입자를 탐지하는 데 사용되며, 파장은 3~10cm이다.^[88] 강수 입자에 의한 레일리 산란으로 되돌아오는 전파를 수신하여 강수의 위치와 강도를 관측한다. 탐지 가능 거리는 수십~수백 km 정도이다.^[88] 기상청의 표준적인 값으로는 탐지 범위는 300km 정도이며, 파장 5.7cm, 펄스폭 2μs의 것이 이용되고 있다. 후지산 레이더(富士山レーダー)는 최대로 800km까지 관측이 가능하여, 태풍 관측 등에 큰 역할을 했다.^[88] 그러나 0.5mm 미만의 이슬비는 마이크로파 레이더에 나타나지 않는 경우가 있다.^[89]

'''밀리미터파 레이더:''' 마이크로파 레이더보다 작은 물체인 안개 입자나 구름입자를 관측하는 데 적합하다. 파장은 1mm~10mm 정도로 마이크로파보다 짧다.

'''도플러 레이더:''' 도플러 효과를 이용하여 강수 입자의 이동 속도와 방향을 측정한다. 전자파를 방출하여 대기 중의 비나 눈에 반사되어 되돌아오는 전자파의 주파수 편이를 관측함으로써 풍속과 풍향을 추정할 수 있다. 난류로 이어지는 윈드시어와 다운버스트, 토네이도 등으로 이어지는 상공의 기류 흐름을 관측하는 데 사용된다.

'''편파 레이더:''' 수직 및 수평 편광 펄스를 사용하여 강수 입자의 형태와 유형을 파악한다.
'''이중편파레이더:''' 수직편파와 수평편파의 두 종류의 전파를 발사하여, 빗방울의 형태를 이용해 두 종류의 전파 반사율 차이로부터 강수 강도를 구한다.
'''코히어런트 이중편파레이더:''' 수직편파와 수평편파의 두 종류의 전파를 발사하여, 두 종류의 전파 위상 차이로부터 강수 강도를 구한다.

5. 데이터 유형

기상 레이더를 통해 얻을 수 있는 주요 데이터는 다음과 같다.

반사도(Reflectivity): 강수 강도를 나타내는 값으로, dBZ 단위로 표현된다.
속도(Velocity): 도플러 효과를 이용하여 강수 입자의 이동 속도와 방향을 측정한다.
편광(Polarization): 이중 편광 레이더에서 얻을 수 있으며, 강수 입자의 형태와 유형에 대한 정보를 제공한다.

6. 데이터 표시 방법

레이더 에코 영상은 강우 구름의 위치와 강우량 등의 분포를 나타낸다. 에코 영상으로부터 어떠한 기상 현상인지를 추정할 수 있는데, 기상위성의 가시광선·적외선 구름영상에서는 일부만 파악하거나 상층운에 가려 보이지 않는 기상 현상도 레이더 에코 영상을 통해 관측할 수 있다.^[92]

에코 영상에서는 강수 강도(강수량)를 색깔로 구분하여 표시하는 경우가 많다. 이 강도 분포로부터 강우 패턴을 추정할 수 있다. 강수 강도가 어느 지점에서나 비슷한 분포로 거의 같은 색깔이 넓게 나타나는 경우, 온난전선이나 그다지 강하지 않은 저기압의 통과에 따라 층운이나 난층운 등으로부터 그다지 강하지 않은 비가 촉촉이 내리는 경우가 많다. 반면, 강수 강도가 지점에 따라 크게 다르고 영상상에 다양한 색깔이 드문드문 분포하는 경우, 한랭전선이나 발달한 저기압의 통과, 또는 대기가 불안정해짐에 따라 난층운이나 적운·적란운 등으로부터 강도 변화가 심한 다소 강한 비가 억수같이 내리는 경우가 많다.

에코 영상의 시간 변화로부터도 기상 현상의 특징을 파악할 수 있다. 에코 영상에서 색깔이 칠해진 부분을 '''강수역'''(강우대라고도 함)이라고 하는데, 이 강수역의 이동이나 소멸의 모습으로부터 강우의 근원이 되는 기상 현상의 패턴을 추정할 수 있다. 강수역이 크게 모여서 같은 방향으로 계속 이동하는 경우, 강우의 원인은 전선성 대류 또는 대기의 불안정 중 하나인 경우가 많다. 전선성 대류에서는 전선의 이동에 따라 강우 구름이 마찬가지로 이동해 간다. 대기가 불안정할 때는 다수의 강우 구름이 떨어져서 산발적으로 분포하고 있지만, 대규모의 대기 흐름에 의해 마찬가지로 이동해 간다. 또한, 수십 분~수 시간 정도의 국지적인 강한 강수역이 몇 군데 나타나고, 그곳에서는 폭우가 내린다. 강수역이 회전하면서 이동하는 경우, 저기압성 대류인 경우가 많다. 저기압 주변에서는 반시계 방향(북반구의 경우)으로 회전하면서 대기가 모여들고 있기 때문에, 강우 구름도 마찬가지로 이동한다. 열대저기압이나 태풍 등의 경우에는 회전 속도가 빠르고, 중심에는 태풍의 눈에 해당하는 공백이 생긴다.

도플러 레이더에서는 마이크로파 레이더의 강수 강도에 해당하는 것으로 풍속, 시간 변화에 해당하는 것으로 풍향을 파악할 수 있으며, 이것들로부터도 기상 현상의 특징을 파악할 수 있다.

에코 영상에서는 레이더의 성질에 따라 특징적인 영상이 보이는 경우가 있다.

라인 에코 (선상 에코): 강한 강수량을 보이는 부분이 선(line) 모양으로 분포하는 것을 말한다. 한랭전선이나 시어라인(shear line) 상에서 자주 나타난다. 단시간에 강한 대류에 의해 만들어지는 강한 비구름의 발달을 나타낸다. 선을 사이에 두고 양쪽에서 수증기가 공급되어 비구름이 오래 지속되고 에코도 남는다. 선의 폭이 좁을수록, 강수 강도가 강할수록, 비구름 주변의 비바람이 강하다. 테이퍼링 클라우드(テーパリングクラウド)라고 불리는 가늘고 길게 발달한 적란운이 발생할 때는 거의 항상 관측되는 에코이다.
보우에코 (궁형 에코): 강한 강수 강도를 가진 부분이 활(弓) 모양으로 분포하는 것을 말한다. 여러 개의 적란운(강수셀)이 근접하여 발생하는 경우, 그것들이 모여 메소사이클론이라고 불리는 순환을 시작하는 경우가 있는데, 이때 보이는 에코이다. 도플러 레이더로 관측한 경우에도 마찬가지로 보이며, 강수셀 내부의 기류 분포를 분석함으로써, 셀 내부의 순환 상태나 강수 정도 등을 추정할 수 있다. 미국에서는 발달한 보우에코를 데레초(derecho)라고 부른다. 데레초는 지속 시간이 길 뿐만 아니라 격렬한 기상 현상을 일으켜 재해를 일으키는 경우가 많다. 다수의 보우에코가 직선적으로 나란히 늘어선 것을 시리얼 데레초, 지속 시간이 길고 매우 긴 거리를 이동하는 보우에코를 프로그레시브 데레초, 양쪽 성질을 가진 보우에코를 하이브리드 데레초라고 부른다.
후크 에코 (갈고리 모양 에코, 낚싯바늘 모양 에코, 크로와상 에코): 강한 강수량을 보이는 부분이 갈고리(후크) 또는 낚싯바늘 모양으로 분포하는 것을 말한다. 후크 에코의 규모는 수km~수십km로 작기 때문에, 이 규모에 맞춰 관측해야 한다. 후크 에코는 토네이도의 전조로 여겨지는 에코이다. 토네이도의 원인은, 발달한 적란운 속에서 메소사이클론이라 불리는 순환이 국지적으로 강해져서, 컴팩트하게 뭉친 소용돌이가 발생하는 것이다. 레이더가 포착하는 빗방울은 바람의 영향을 강하게 받기 때문에, 토네이도 발생 시나 그 전후에 토네이도 주변에서 강한 기류의 빨아들이는 현상이 발생하면 빗방울이 끌려들어와 밀도가 높아져 강수량이 강해진 것처럼 보인다. 이것은 토네이도의 모구름인 적란운의 강수 지역에서 토네이도 방향으로 갈고리 모양으로 뻗어나간다.

7. 한계 및 인공물

레이더 에코 영상은 강수 구름의 위치와 강수량 등의 분포를 보여준다. 이러한 에코 영상을 통해 어떤 기상 현상이 일어나고 있는지 추정할 수 있다. 기상위성의 가시광선·적외선 구름영상에서는 일부만 파악되거나 상층운에 가려 보이지 않는 기상 현상도 레이더 에코 영상을 통해 관측할 수 있다.^[92]

에코 영상에서는 강수 강도(강수량)를 색깔로 구분하여 표시하는 경우가 많다. 이 강도 분포를 통해 강우 패턴을 추정할 수 있다.

강수 강도 분포에 따른 패턴:
균일한 분포: 온난전선이나 약한 저기압 통과 시 층운, 난층운 등에서 약한 비가 내리는 경우
불균일한 분포: 한랭전선이나 발달한 저기압 통과, 대기 불안정에 따른 난층운, 적운, 적란운 등에서 강한 비가 내리는 경우

에코 영상의 시간 변화를 통해서도 기상 현상의 특징을 파악할 수 있다. 에코 영상에서 색깔이 칠해진 부분을 '''강수역'''(강우대)이라고 하는데, 이 강수역의 이동이나 소멸 모습으로부터 강우의 근원이 되는 기상 현상의 패턴을 추정할 수 있다.

강수역의 이동 및 소멸에 따른 패턴:
같은 방향으로 이동: 전선성 대류 또는 대기 불안정에 의한 강우
회전하면서 이동: 저기압성 대류에 의한 강우 (예: 열대저기압, 태풍)

도플러 레이더에서는 마이크로파 레이더의 강수 강도에 해당하는 것으로 풍속, 시간 변화에 해당하는 것으로 풍향을 파악할 수 있으며, 이를 통해 기상 현상의 특징을 파악할 수 있다.

에코 영상에서는 레이더의 성질에 따라 특징적인 영상이 보이는 경우가 있다.^[92]

라인 에코 (선상 에코): 강한 강수량을 보이는 부분이 선 모양으로 분포하는 것이다. 한랭전선이나 시어라인(shear line) 상에서 자주 나타나며, 단시간에 강한 대류에 의해 만들어지는 강한 비구름의 발달을 나타낸다. 선의 폭이 좁을수록, 강수 강도가 강할수록, 비구름 주변의 비바람이 강하다. 테이퍼링 클라우드라고 불리는 가늘고 길게 발달한 적란운이 발생할 때는 거의 항상 관측된다.

보우 에코 (궁형 에코): 강한 강수 강도를 가진 부분이 활 모양으로 분포하는 것이다. 여러 개의 적란운(강수셀)이 근접하여 발생하는 경우, 그것들이 모여 메소사이클론이라고 불리는 순환을 시작할 때 보이는 에코이다. 도플러 레이더로 관측한 경우에도 마찬가지로 보이며, 강수셀 내부의 기류 분포를 분석함으로써, 셀 내부의 순환 상태나 강수 정도 등을 추정할 수 있다. 미국에서는 발달한 보우 에코를 데레초(derecho)라고 부른다.

후크 에코 (갈고리 모양 에코, 낚싯바늘 모양 에코, 크로와상 에코): 강한 강수량을 보이는 부분이 갈고리(후크) 또는 낚싯바늘 모양으로 분포하는 것이다. 후크 에코의 규모는 수 km ~ 수십 km로 작기 때문에, 이 규모에 맞춰 관측해야 한다. 후크 에코는 토네이도의 전조로 여겨지는 에코이다.

브라이트밴드, 캐나다 동부, 2001년 11월 29일. 상공의 눈이 지상으로 내려오는 동안 녹아 비가 되는 모습을 잘 보여준다.

브라이트밴드: 눈(고체)이 녹기 시작하여 비(액체)로 변화하는 과정에 있는 입자를 관측했을 때 나타나는 에코이다.^[92] 수평 방향에서는 원형(도넛 모양)으로 나타나며, 그 중심에 레이더 설치 장소가 있음을 나타낸다.

엔젤 에코: 비나 바람 등 이외의 원인으로 발생하는 에코를 말한다. 곤충이나 조류에 반사되는 것, 기온이나 습도의 변화로 전파의 굴절률이 변화하여 반사되는 것 등이 있다. 지면에 반사된 것이 비치는 그라운드 에코,^[92] 건물이나 산 등의 장애물이 비치는 것 등이 있다. 채프에 의한 에코로 판단되는 경우도 있다.^[90] 해상의 파도나 파도 물보라에 의해 발생하는 에코는 '''시 클러터'''(sea clutter)^[91]라고 불린다.

기상 레이더도 무선통신 등과 마찬가지로 이상 전파가 발생하는 경우가 있다.^[92]

8. 응용 분야

기상 레이더는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

기상 예보: 기상 레이더는 강수, 뇌우, 토네이도 등 위험 기상을 탐지하고 예측하는 데 중요한 역할을 한다.
수문학: 강수량 자료는 홍수 제어, 하수 관리, 댐 건설 등에 활용된다.
항공: 항공기 운항 안전을 위해 기상 레이더 정보를 활용한다. 특히, 일본 국내 9곳의 공항(신치토세, 나리타, 하네다, 주부, 오사카, 간사이, 후쿠오카, 가고시마, 나하)에서는 항공기 이착륙에 영향을 미치는 저층 윈드시어 검출을 위해 공항 기상 도플러 레이더를 설치·운영하고 있다.
조류 이동: 도플러 레이더는 철새 이동 경로, 고도, 시기 등을 파악하는 데 사용된다.
운석 낙하 감지: 기상 레이더는 낙하하는 운석을 탐지하는 데 사용될 수 있다.
기타: 번개를 관측할 경우에는 번개만을 관측하기 위한 레이더를 따로 설치하는 경우가 있다.

일본 기상청에서는 토네이도를 비롯한 돌풍을 초래하는 현상을 감시하기 위해 기상 레이더를 도플러 레이더로 교체하였다.
일본 기상청 도플러 레이더 설치 현황

연도	설치 지역
2005	도쿄
2006	니가타, 센다이, 나고야
2007	쿠시로, 하코다테, 마쓰에, 후쿠오카, 타네가시마, 오키나와, 무로토미사키
2008	삿포로, 후쿠이, 오사카, 히로시마, 이시가키지마
2011	아키타
2012	나가노, 시즈오카, 나세

도플러 레이더의 풍속 데이터를 메소스케일 수치 예보 모델에 통합할 수 있기 때문에, 현재보다 짧은 시간 간격으로 더욱 세밀한 범위의 바람 상황을 파악함으로써 집중호우 등의 예측 정확도 향상에 기여할 것으로 기대되고 있다.

또한 국토교통성에서는 심산 레이더 강우계(오사카부토요노군노세정)에 도플러 레이더가 병설되어 있다.

9. 나라별 관측소

떨어지는 물방울은 공기 항력계수 때문에 수평축이 더 큰 경향이 있어, 레이더 빔은 주로 수평으로 편광된다. 이중 편파 레이더는 수직 및 수평으로 두 개의 펄스를 동시에 보내 강수입자 모양, 강수 유형, 강우 강도 등의 정보를 얻는다. 이를 통해 토네이도를 더 쉽게 찾을 수 있다.^[28]

미국에서는 NCAR와 NSSL이 이 분야를 선도하고 있으며,^[26]^[31] NOAA은 2013년 4월에 모든 NEXRAD 레이더에 이중 편광을 장착했다.^[32] 캐나다 몬트리올의 맥길대학교 J. S. 마샬 레이더 관측소는 1999년에 장비를 개조했고,^[33] 캐나다 환경부에서 운영상으로 사용하다가 2018년에 폐쇄되었다.^[34]^[35] 토론토 북쪽 킹시티에 있는 또 다른 캐나다 환경부 레이더는 2005년에 이중 편광화되었다.^[36] 프랑스 기상청도 자체 네트워크에 이중 편광 도플러 레이더를 도입할 계획이다.^[39]

일본에서는 마이크로파 레이더가 널리 사용되어 기상 레이더라고 불리는 경우가 많다. 기상청은 2023년 3월 현재 20곳의 기상 레이더를 운영하고 있으며,^[92] 10분(2009년 7월부터 5분)마다 강수량과 구름 정상 고도를 작성한다.

지역	위치
삿포로	홋카이도 오타루시 게무나산
쿠시로	홋카이도 쿠시로군 쿠시로정 콤부모리
하코다테	홋카이도 카메타군 시치헨정 요코즈가케
아키타	아키타현 아키타시 아키타 제2합동청사 옥상
센다이	미야기현 센다이시 미야기노구 센다이관구기상대(센다이 제3합동청사 옥상)
니가타	니가타현 니가타시 니시가마구 타호산
나가노	나가노현 카야노시 키리가미네(쿠루마야마) - 쿠루마야마 기상레이더 관측소
도쿄	지바현 카시와시 기상대학교 구내 - 도쿄 레이더
시즈오카	시즈오카현 키쿠카와시 마키노하라다이지(마키노하라) - 마키노하라 기상레이더 관측소
나고야	아이치현 나고야시 치쿠사구 나고야지방기상대 청사 옥상
후쿠이	후쿠이현 사카이시 동진보
오사카	오사카부 야오시 타카야스야마 - 타카야스야마 기상레이더 관측소
마쓰에	시마네현 마쓰에시 미사카야마
히로시마	히로시마현 쿠레시 하이가미네
무로토미사키	고치현 무로토시 무로토미사키 특별지역기상관측소 구내
후쿠오카	사가현 칸자키시 세키부리야마
다네가시마	가고시마현 쿠마게군 나카타네정 다네가시마 합동청사 옥상
나세	가고시마현 아마미시 나세 혼차토게
오키나와	오키나와현 나하시 이토스
이시가키	오키나와현 이시가키시 오모토다케

국토교통성은 하천, 호수, 댐 관리를 위해 26곳의 기상 레이더를 운영하며, 방위성도 독자적인 기상 레이더를 보유하고 있다.

9. 1. 대한민국

기상청, 환경부, 과학기술정보통신부 등에서 총 31개의 기상 레이더를 운영하고 있다.^[94] 관악산에 기상 레이더 관측소가 있다.

9. 1. 1. 기상청

기상청은 다음 지역에서 기상 레이더를 운영하고 있다.^[94]

위치
경기도 과천시 관악산 기상 관측소
인천광역시 옹진군 백령도 백령도 기상대
강원특별자치도 화천군 광덕산 기상 레이더 관측소
강원특별자치도 강릉시 강릉 기상 레이더
전북특별자치도 군산시 오성산 기상 레이더
경상북도 청송군 면봉산 기상 레이더 관측소
전북특별자치도 진도군 진도 기상대
부산광역시 서구 구덕산 기상 관측소
제주특별자치도 제주시 고산 기상 레이더 관측소
제주특별자치도 서귀포시 성산 기상대

9. 1. 2. 추가 정보

일본 기상청에서 운영하는 기상 레이더는 2023년 3월 현재 다음 20곳이다.^[92]

지역	위치
삿포로	홋카이도 오타루시 게무나산
쿠시로	홋카이도 쿠시로군 쿠시로정 콤부모리
하코다테	홋카이도 카메타군 시치헨정 요코즈가케
아키타	아키타현 아키타시 아키타 제2합동청사 옥상
센다이	미야기현 센다이시 미야기노구 센다이관구기상대(센다이 제3합동청사 옥상)
니가타	니가타현 니가타시 니시가마구 타호산
나가노	나가노현 카야노시 키리가미네(쿠루마야마) - 쿠루마야마 기상레이더 관측소
도쿄	지바현 카시와시 기상대학교 구내 - 도쿄 레이더
시즈오카	시즈오카현 키쿠카와시 마키노하라다이지(마키노하라) - 마키노하라 기상레이더 관측소
나고야	아이치현 나고야시 치쿠사구 나고야지방기상대 청사 옥상
후쿠이	후쿠이현 사카이시 동진보
오사카	오사카부 야오시 타카야스야마 - 타카야스야마 기상레이더 관측소
마쓰에	시마네현 마쓰에시 미사카야마
히로시마	히로시마현 쿠레시 하이가미네
무로토미사키	고치현 무로토시 무로토미사키 특별지역기상관측소 구내
후쿠오카	사가현 칸자키시 세키부리야마
다네가시마	가고시마현 쿠마게군 나카타네정 다네가시마 합동청사 옥상
나세	가고시마현 아마미시 나세 혼차토게
오키나와	오키나와현 나하시 이토스
이시가키	오키나와현 이시가키시 오모토다케

위 20곳의 레이더 관측을 통해 오가사와라 제도 및 북방영토 일부 등을 제외한 일본 열도 거의 전역 및 연안 해역을 관측하고 있다. 기상청은 10분마다 1km²의 강수량과 2.5km²의 구름 정상 고도를 작성하고 있으며, 2009년 7월부터는 5분 간격으로 관측하고 있다.

이 외에도 각지의 항공지방기상대·항공측후소 등에 공항 기상 레이더가 설치되어 있다.

국토교통성은 하천, 호수, 댐을 운영·관리하기 위해 기상청과는 별도로 전국에 26곳의 기상 레이더를 설치하여 운영하고 있다. 레이더 운영·관리는 지역의 하천사무소, 댐 관리소 및 지방정비국이 담당하는 경우가 많다. 과거에는 기상청 레이더만을 이용하여 분석 강우량을 산출했지만, 현재는 국토교통성 레이더의 관측 자료도 포함하고 있다.

방위성은 독자적으로 기상 레이더를 설치하여 운영하고 있으며, 비행장에 설치된 고정식 외에도 트럭에 탑재할 수 있는 이동식도 보유하고 있다. 육상자위대 중앙관제기상대 및 항공자위대의 항공기상군 등이 운영을 담당하고 있다.

10. 일본의 기상 레이더

일본에서는 기상청, 국토교통성, 방위성 등에서 기상 레이더를 운영하고 있다.

기상청은 20곳에 레이더를 설치하여 관측 자료를 합성함으로써, 오가사와라 제도 및 북방영토 일부 등을 제외한 일본 열도 거의 전역 및 연안 해역을 커버하고 있다.^[92] 10분마다 1km²의 강수량과 2.5km²의 구름 정상 고도를 작성하며, 2009년 7월부터는 5분 간격으로 관측한다. 기상청에서 운영하는 기상레이더는 다음과 같다.^[92]

위치	비고
삿포로 (홋카이도 오타루시 게무나산)
쿠시로 (홋카이도 쿠시로군 쿠시로정 콤부모리)
하코다테 (홋카이도 카메타군 시치헨정 요코즈가케)
아키타 (아키타현 아키타시 아키타 제2합동청사 옥상)
센다이 (미야기현 센다이시 미야기노구 센다이관구기상대(센다이 제3합동청사 옥상))
니가타 (니가타현 니가타시 니시가마구 타호산)
나가노 (나가노현 카야노시 키리가미네(쿠루마야마))	쿠루마야마 기상레이더 관측소
도쿄 (지바현 카시와시 기상대학교 구내)	도쿄 레이더
시즈오카 (시즈오카현 키쿠카와시 마키노하라다이지(마키노하라))	마키노하라 기상레이더 관측소
나고야 (아이치현 나고야시 치쿠사구 나고야지방기상대 청사 옥상)
후쿠이 (후쿠이현 사카이시 동진보)
오사카 (오사카부 야오시 타카야스야마)	타카야스야마 기상레이더 관측소
마쓰에 (시마네현 마쓰에시 미사카야마)
히로시마 (히로시마현 쿠레시 하이가미네)
무로토미사키 (고치현 무로토시 무로토미사키 특별지역기상관측소 구내)
후쿠오카 (사가현 칸자키시 세키부리야마)
다네가시마 (가고시마현 쿠마게군 나카타네정 다네가시마 합동청사 옥상)
나세 (가고시마현 아마미시 나세 혼차토게)
오키나와 (오키나와현 나하시 이토스)
이시가키 (오키나와현 이시가키시 오모토다케)

각지의 항공지방기상대·항공측후소 등에는 공항 기상레이더가 설치되어 있다.

국토교통성은 하천, 호수, 댐 운영·관리를 위해 기상청과는 별도로 독자적으로 기상레이더를 설치하고 있다. 전국에 총 26곳이 설치되어 있으며, 레이더 운영·관리는 지역의 하천사무소, 댐 관리소 및 지방정비국이 담당하는 경우가 많다. 국토교통성 분석강우량은 과거에는 기상청 레이더만을 이용했지만, 현재는 국토교통성 레이더의 관측을 포함하고 있다.

방위성은 독자적으로 기상레이더를 설치하고 있으며, 비행장에 설치된 고정식 외에도 트럭에 탑재할 수 있는 이동식도 보유하고 있다. 육상자위대 중앙관제기상대 및 항공자위대의 항공기상군 등이 운영을 담당하고 있다.

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