드론을 이용한 기상 예측 VIDEO: Drones could be the future of weather forecasting

Drones could be the future of weather forecasting

Tamara Dietrich Contact Reporter

Meteorology professor and drone researcher Phillip Chilson has a vision, and it goes something like this:

A network of 30-foot mesonet towers is stationed throughout the country to sample air pressure, temperature, humidity, wind speed and direction. There’s also a complementary network of ground stations, both autonomous and manned.

 

A CopterSonde begins its ascent to collect pre-storm measurements of the atmosphere as part of a study in drone use in meteorology. (William Doyle / HANDOUT)

드론을 이용한 기상 예측  필립 칠슨(Phillip Chilson) 의 비전     기상학 교수이자 드론 연구가인 필립 칠슨(Phillip Chilson)의 비전은 다음과 같다. 전국에 약 9 m(30 피트) 높이의 측정망을 통해 기압, 온도, 풍속 및 풍향 표본을 확보하는 것이다. 이 측정망과 연동하여 상호 보완하는 유인 및 무인 지상국도 설치된다.   매 한 시간 혹은 두 시간에 한 번씩 지상국은 상공 1.6 km까지 드론을 날려 지구의 활동적이고 매우 복잡하지만 현재 기술로는 쉽게 연구할 수 없는 경계층의 상황을 측정한다. 이 측정은 낮은 고도에서 대기의 수직 특성을 파악하는데 도움을 준다. 수집된 데이터는 지상국으로 전송되어 예보 컴퓨터 모델에 입력된다. 드론이 접근하는 폭풍이나 위협적인 난기류를 탐지하면 더 많은 드론이 출동하여 지능적인 드론 비행군을 형성한 후 계속해서 컴퓨터 모델에 데이터를 전송하면서 대기의 해당 지역을 조사하고 더 많은 데이터를 수집하는 최선의 방법을 위해 서로 위치를 조정한다.  더 작고, 1회용으로 사용할 수 있는 드론을 폭풍 속으로 투하한 후 제어를 통해 비행하면서 결국 기능을 다할 때까지 더 많은 데이터를 수집할 수 있다. 이 모든 측정값들은 연구용 항공기, 기상 관측 기구, 인공위성 등으로 수집한 다른 데이터와 통합되어 기상학자들이 더 풍부하고 더 정확한 위협적인 날씨를 전체적으로 판단하고 그 경로에 있는 사람들에게 최선의 대응책을 제공할 수 있다. 이와 같은 비전이 실현되기까지 얼마나 걸릴까? 오클라호마 대학에서 드론을 기상학에 사용하는 첨단 연구를 수행한 칠슨은 너무 낙관하지 않으면서 신중한 입장으로 아직은 시간이 좀 걸릴 것이라고 말한다. 많은 기회가 있다고 말한 칠슨은 어려운 문제를 어떻게 해결할 것인가를 찾는 일만 남았다고 덧붙였다.  무인항공시스템(unmanned aerial systems, UAS)은 토네이도, 허리케인 및 기타 악천후에 대한 더 많은 것을 탐지하고 예측 및 추적하는 유망한 가능성을 보여준다. 이 기상 데이터는 농작물 관리를 향상시키는데 사용될 수 있고 소방관이 산불의 바람 패턴의 변화를 감지하여 피해를 줄이는 용도로 사용할 수도 있다. 그리고 2시간이 걸리는 장거리 드론 배송을 원할 경우, 지상과 근접한 기후 조건을 아는 것이 중요하다.  미국 항공우주국(NASA) 랭리(Langley) 지부는 자동 기상 측정뿐만 아니라 드론 배송을 도울 수 있는 인구 밀집 지역에서 드론을 안전하게 비행하기 위해 수년간 노력해 왔다. 새롭게 설립된 지능비행기술을 위한 자율 연구소(Autonomy Lab for Intelligent Flight Technology, ALIFT)가 실험 환경을 제공할 것이다. 여기에는 장거리 자율 통합 비행 테스트를 위한 도시 환경(City Environment for Range Testing of Autonomous Integrated Navigation, CERTAIN)도 포함된다. ​ 기상학에서는 드론이 중요한 데이터 격차를 해결해 줄 것이다. 기상 기구에서 라디오존데(Radiosonde) 측정기는 매일 두 번씩 상층 대기를 향해 발사되지만 경계층에 머무는 시간을 1분 정도에 그친다. 인공위성이 바람, 구름 상층부, 폭풍의 위치, 해수면 온도 등의 데이터를 제공하지만 저층 대기의 표본 수집 능력은 크게 떨어진다. 국립과학아카데미(National Academy of Sciences, NAS), 국립연구위원회(National Research Council, NRC), 국립과학재단(National Science Foundation, NSF) 및 국립대기연구센터(National Center for Atmospheric Research, NCAR)는 경계층에 대한 더 좋은 데이터를 요구하고 있다. 하지만 어디서 이런 데이터를 측정할 것인지는 언급하지 않고 있다. 그 데이터를 구하는 방법을 찾는 책임이 우리에게 있다고 칠슨은 말했다. 칠슨은 드론 연구를 시작하기 전까지 지상을 기반으로 하는 레이더와 소더(sodar) 기술을 습득해 왔다. 하지만 여전히 장애물은 남아 있다. 예를 들면, 연방항공국(Federal Aviation Administration, FAA)는 시야를 벗어나는 고도 혹은 인구 밀집 지역 상공에 대한 비행을 금지하고 있다. 그러나 FAA는 연구를 위한 예외를 허용하고 있어 오클라호마 대학과 켄터키, 네브래스카 대학이 협력한 600만 달러가 투입되는 4년짜리 프로젝트를 통해 UAS를 사용하는 기상학 연구를 진행하고 있다.  ndsl.kr

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Every hour or two, stations launch drones that fly up a mile or so to take measurements inside the Earth’s energetic and extremely complex boundary layer — a region not easily studied using current technologies. This helps build a vertical profile of the lower atmosphere.

That data is fed back to the ground stations, then ingested into forecast computer models.

When a drone sniffs out an approaching storm or some threatening disturbance, more vehicles will launch — an intelligent swarm of drones that coordinate with each other on how best to interrogate that region of the atmosphere, gathering more data, still feeding the models.

Smaller, expendable winged drones are dropped into the gathering storm, flying around in a controlled manner to collect even more samples before they’re ultimately destroyed.

And all those measurements, combined with others taken by research aircraft, weather balloons or Earth-observing satellites, give meteorologists a fuller and more accurate picture of a weather threat, and people in its path the information they need to best respond to it.

 

Phillip Chilson of the University of Oklahoma will discuss the future of drones in weather forecasting at the Virginia Air & Space Center.- Original Credit: University of Oklahoma- Original Source: University of Oklahoma (Phillip Chilson / HANDOUT)

How long before this vision could become reality?

“I’m trying to think how to say this without letting myself get too excited and make a false claim,” said Chilson. “It is going to take a while.”

Chilson has been doing cutting-edge research into drone use for meteorology at the University of Oklahoma for years. But unmanned aerial systems, or UAS, show promise in more than detecting, forecasting and tracking tornadoes, hurricanes or other severe weather.

Their atmospheric data could be used by agri-businesses for better crop management, for instance, or to help firefighters detect shifts in the wind patterns of wildfires and keep out of harm’s way.

And, if consumers ever expect to have two-hour drone delivery one day, it’s vital to know weather conditions close to the surface.

“There are a lot of opportunities,” said Chilson. “We just have to figure out how to grab the tiger by the tail and hang on.”

Chilson is set to talk about the potential for drones in meteorology at a free public presentation 7:30 p.m. Tuesday at the Virginia Air & Space Center, 600 Settlers Landing Road, in downtown Hampton.

His appearance is part of the monthly Sigma lecture series sponsored by NASA Langley Research Center.

Melody Avery, a research scientist at NASA Langley, recommended Chilson for the series.

“His pioneering work with UAS represents an important emerging technology for tackling the tough problem of getting enough weather data in the lower-most atmosphere, near the Earth’s surface,” Avery said.

His topic is especially timely, she said, because April is Earth Month.

NASA Langley has been working for years to make drone flight safer, not only for automated weather measurements but over populated areas, which would help enable consumer drone deliveries.

Its new Autonomy Lab for Intelligent Flight Technology, or ALIFT, serves as one test bed, and its test ranges include the City Environment for Range Testing of Autonomous Integrated Navigation, or CERTAIN.

In meteorology, drones would fill an important data gap, said Chilson.

Radiosonde instruments launch on weather balloons into the upper atmosphere twice a day, he said, but spend only about a minute in the boundary layer.

And satellites offer data on winds, cloud tops, the location of storms and sea surface temperatures, but have no great capacity for sampling the lower atmosphere.

The National Academy of Sciences, the National Research Council, the National Science Foundation and the National Center for Atmospheric Research are clamoring for better data of the boundary layer, he said.

“They’re not saying how these measurements should be obtained,” said Chilson. “They just say we definitely need these data, we put the charge to the research community to come up with a technology to get them.”

 

Staff engineer William Doyle and Ph.D. students Antonio Segales and Gustavo Hupsel Britto de Azevedo make late-night repairs to one of the drones in the Oklahoma University UAV fleet.- Original Credit: Tyler Bell- Original Source: Phillip Chilson (Tyler Bell / HANDOUT)

Chilson spent years on ground-based meteorology technologies, from radar to sodar, before landing on drones.

Hurdles still remain — the Federal Aviation Administration is cautious about allowing drones to fly too high or beyond line of sight or over populated areas, for instance.

But the FAA does offer waivers for research, and his university partnered with Oklahoma State University and the universities of Kentucky and Nebraska on a $6 million, four-year project to develop ways for meteorologists to use UAS.

“They’re kind of stretching their wings a little bit and going outside of their comfort zone, but in very regulated airspaces,” Chilson of the FAA.

Oklahoma, Kentucky and New York already have mesonet towers distributed across their states that he says could serve as models for a national network.

“Who knows what might evolve in the next five years,” Chilson said. “But right now I’m hanging a lot of hope on getting much more measurements of our lower atmosphere using this technology. We are very much in the pioneering stages of figuring out how we can take this to the next level.”

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https://www.dailypress.com/news/science/dp-nws-drones-weather-sigma-20190403-story.html

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