○ 전자기파에서 전기장의 진동 방향으로 편파(polarimetry)를 결정함.
○ 기상레이더가 처음으로 등장한 이후로 1세대와 2세대 레이더는 수평으로 전기장이 진동하는 수평 편파를 사용해 왔음.
○ 기상청은 전자기파를 수평편파된 전자기파와 수직으로 편파된 전자기파를 동시에 송· 수신하는 3세대 레이더인 이중편파레이더를 사용함
○ 이중편파레이더를 사용하면 강수입자의 수평크기, 수직크기, 수평과 수직크기의 비율(크기와 모양)를 동시에 얻을 수 있음
○ 수평과 수직 편파 각각의 수신신호와 둘 간 차이를 이용하여 등을 산출할 수 있음



이중편파 도플러 기상 레이더는 기본적으로 다음과 같은 ①반사도(reflectivity), ②시선속도(radial velocity), ③스펙트럼 폭(spectrum width), ④차등반사도(differential reflectivity), ⑤차등위상(differential phase), ⑥비차등위상(specific differential phase), ⑦교차상관계수(cross-correlation coefficient) 등 7종류의 원시 자료를 생산한다.

1. 레이더 반사도(DZ or CZ: reflectivity, ZH)

(1) 지형 에코가 제거되지 않은 반사도(DZ)
레이더가 관측한 모든 반사도 자료를 저장한 것을 DZ로 표시한다. 이 자료에는 기상에코 이외에 지형에코(ground clutter), 파랑에코(sea clutter), 채프에코(chaff echo) 등도 함께 포함하고 있다.

(2) 잡음 에코가 제거된 반사도(CZ)
DZ에 지형에코 필터를 적용하여 지형 에코를 제외한 반사도 말하며 CZ(Corrected Reflectivity)로 표시한다. [그림 1]는 관악산 레이더에서 관측한 청천사례와 강수사례의 DZ와 CZ 영상 자료이다.

2. 시선속도(VR: Radial Velocity, Vr)
시선속도는 레이더로부터 멀어지거나 다가오는 물체의 속도 성분이며, 특히 레이더로 관측한 시선 속도는 물체의 실제 이동속도를 나타내는 것이 아니라는 사실에 주의해야 한다.

3. 스펙트럼 폭(SW: Spectrum Width)
레이더의 샘플 부피 속에 포함된 강수입자들의 운동 속도의 분산 정도(산란 또는 이산)를 나타내는 값이다.

4. 차등반사도(DR: Differential Reflectivity, ZDR)
수직편파의 반사도(ZV)에 대한 수평편파의 반사도(ZH)의 차이로 단위는 dB로 나타나며 수식은 다음과 같다.

수평으로 긴 형태의 입자는 양(+)의 차등반사도 값, 구형의 입자는 수평과 수직편파 반사도 값이 비슷하므로 0dB에 가까운 차등반사도 값, 세로로 긴 형태의 입자는 음(-)의 값을 가진다.



차등반사도는 강수입자들의 평균적인 형태를 나타내는 값이다. 일반적으로 강우시 물방울 크기의 중간값과 관련이 있고 강우입자의 수농도에는 독립적이며, 강우입자의 모양, 크기, 정렬된 방향과 관련되어 있으며 레이더 송신기의 파워의 변화에 영향을 거의 받지 않는다.



그림 3(a).의 강설사례에서는 강우에 비해 상대적으로 큰 강설입자로 인해 큰 차등반사도(>3.0dB)의 값이 나타나며 강설입자의 바람을 따라 정렬 방향을 달리하여 일부 음(-)의 차등반사도 영역들이 같이 나타나게 된다. 그림 3(b)의 대류성 강수사례에서는 전체적으로 양(+)의 차등반사도 값을 가지며 강한 반사도 영역에서 큰 차등반사도 값(>1.5dB)이 나타난다. 그림 3(c)와 같은 비기상에코에서는 반사도 대비 비정상적으로 큰 차등반사도 값(>4.0dB)이 나타난다.

5. 차등위상(PH: Differential Phase, ΦDP)
레이더 전자기파가 강수입자를 통과하면서 발생한 수평편파와 수직편파 간 위상차이의 시선방향 누적값으로 단위는 °로 나타낸다. 수식은 다음과 같다.

빗방울의 경우 보통 수평으로 눌려 있으므로, 수평방향 길이가 연직방향 길이 보다 길어 레이더파가 빗방울을 통과하는 경로가 수평이 더 길기 때문에 수평편파의 위상이 수직편파의 위상보다 더 느려져 차등위상은 양(+)의 값을 나타낸다.
차등위상은 송신기의 출력변화와 같은 시스템 오차, 강우에 의한 감쇠, 빔 차폐의 영향을 거의 받지 않아 레이더 반사도의 시스템 오차(systematic bias)의 보정에 활용할 수 있다. 시스템오차, 빔차폐, 감쇠의 영향이 없고 강한 강우가 발생하는 지점에서 차등위상이 급격히 증가하므로 집중호우 감시에 유용하지만 시선방향 방향의 누적값으로 레이더로부터 거리에 따라 증가하는 특징이 있어 직접적으로 활용하는데 한계가 있어 비차등위상으로 전환하여 사용한다.

6. 비차등위상(KD: Specific Differential Phase, KDP)
시선방향을 따라 단위 거리당 차등위상의 변화율로 단위는 °/km로 나타내며, 수식은 다음과 같다.

여기서 r1과 r2는 각각 시선방향을 따라 레이더로부터 가까운 레이더 빈과 먼 레이더 빈까지의 거리를 나타내며, 분모의 2는 레이더 전자기파가 주어진 레이더 빈까지의 왕복 경로에 따른 차등위상의 증가를 고려한 상수이다.
차등위상은 시선방향 누적값으로 해석이 어려운 반면, 차등위상은 단위 거리로 정규화된 값으로 차등위상이 증가하는 지점을 정확히 나타냄으로써 활용에 용이하다. 단, 구형의 등방형 입자는 수평편파와 수직편파의 위상차이가 거의 없어 비차등위상의 산출이 어려우므로 작은 구형의 입자로 구성된 이슬비에 비차등위상으로 강수를 추정할 경우 오차가 증가하는 단점이 있다.

비차등위상은 차등위상과 같이 송신기의 출력변화와 같은 시스템 오차, 강우에 의한 감쇠, 빔 차폐의 영향을 거의 받지 않으며, 강수 입자의 수농도, 크기, 모양, 유전율 및 강수량과 거의 선형적인 관계를 가진다. 따라서 강한 강수나 비와 우박이 혼재된 경우의 강우량 추정에 효율적으로 이용될 수 있다.

7. 교차상관계수(RH, Cross-Correlation Coefficient, ρhv)
레이더 펄스간 수평편파와 수직편파 신호의 상관관계로 0∼1 범위의 무차원의 수이며, 수식은 다음과 같다.

강수입자가 바람 등의 영향으로 시간에 따라 정렬을 달리하거나 눈, 비 등 서로 다른 성질의 입자가 공존하거나 녹고 있는 강설입자처럼 시간에 따라 그 모양이 바뀌는 경우, 시간에 따른 수평과 수직편파 사이의 후방산란 에너지의 펄스 간 상관성이 낮아지며 낮은 교차상관계수 값이 나타난다.


그림 5(a)의 균질한 강설사례에서는 단일 입자로 구성되어 높은 상관계수(>0.95) 값을 보이며, 일부 모서리에서 0.80∼0.85의 다소 낮은 값을 보인다. 그림 5(b)의 비기상에코와 강수에코가 혼재된 사례를 보면, 지형 및 파랑에코는 0.8이하의 낮은 상관계수값을 나타내며 동해상의 기상에코는 0.95이상의 높은 값을 나타낸다. 그림 5(c)에서 비기상에코 사례에서는 전체적으로 0.8이하의 상관계수를 나타낸다.