서해 조석현상에 의한 조간대의 시·공간적 물리환경변화가 기상에 미치는 영향 Analysis of the meteorological impacts of the time-and space-varying physical environment in the intertidal zone due to the tidal effects in west sea of Korea원문보기
조간대는 해안에서 밀물에 의해 해수가 가장 높게 들어온 고조선과 썰물에 의해 가장 낮게 빠진 저조선 사이를 차지하는 지대로, 만조 때에는 수중에 잠기고 간조 때에는 수면 밖으로 모습을 드러내는 곳을 의미한다. 조석효과로 인한 조간대의 지표면상태와 해안선형태의 변화는 지표면의 열적 및 역학적인 영향을 직접적으로 받는 대기경계층 내에서 기상변화를 야기하게 된다. 특히, 조간대 지표면변화의 영향을 받는 대표적인 기상현상 중 하나는 안개로, 만조시 조간대가 바다로 변하면서 지면온도와 ...
조간대는 해안에서 밀물에 의해 해수가 가장 높게 들어온 고조선과 썰물에 의해 가장 낮게 빠진 저조선 사이를 차지하는 지대로, 만조 때에는 수중에 잠기고 간조 때에는 수면 밖으로 모습을 드러내는 곳을 의미한다. 조석효과로 인한 조간대의 지표면상태와 해안선형태의 변화는 지표면의 열적 및 역학적인 영향을 직접적으로 받는 대기경계층 내에서 기상변화를 야기하게 된다. 특히, 조간대 지표면변화의 영향을 받는 대표적인 기상현상 중 하나는 안개로, 만조시 조간대가 바다로 변하면서 지면온도와 증발량 등이 변함에 따라 안개가 강화되고 지속될 수 있다. 조수간만의 차가 큰 서해안에서의 정확한 기상을 예측하기 위해서는 단순히 기상학적인 요인만이 아닌, 주변지형과 해안선 형태를 복합적으로 고려할 필요가 있다. 조간대의 지표면변화가 기상에 미치는 영향에 대한 선행연구는 미기상학적 연구로 관측연구가 주로 이루어져왔다. 이는 조간대에서의 직접적인 기상영향을 확인할 수 있으나, 수평 및 연직적인 기상영향 범위는 확인하기 어렵고 갯벌에서의 관측장비 설치의 어려움으로 인해 관측연구 수행의 한계가 존재했다. 모델링연구는 조간대에 초점을 맞춘 기상모델링 실험이 소수 존재했으나, 기존의 기상모델에서 토지피복은 고정된 값이 적용되어 매시간 변하는 조간대의 지표면상태가 수평 및 연직적으로 어느 정도 기상변화를 야기하는지에 대한 연구는 아직까지 이루어지지 않았다. 본 논문의 대상지역은 서해 중부해역에 위치한 경기만으로, 경기만의 갯벌은 서해안 갯벌의 42%를 차지하고 있다. 경기만 인근 내륙에는 인천, 서울과 같은 대도시와 인천국제공항, 경인공업지대 등이 위치하고 있어 경기만 지역은 국내 산업 및 경제활동이 밀집되어 있는 곳으로 볼 수 있다. 연구사례일은 강수현상이 존재하지 않은 여름(2016년 6월 1일~3일)과 겨울의 안개발생일(2015년 2월 9일~11일)로 선정했다. 본 논문에서는 ROMS 해양모델과 Landsat-7 ETM+ 위성자료를 이용해 조간대 지면의 시․공간적인 변화를 도출 및 분석했고, 이를 WRF 기상모델에 적용하기 위해 WRF 모델 내 3DVAR cycling mode 기법을 이용했다. 실험은 조간대 지면의 시간변화를 고려하지 않은 일반적인 WRF 모델링기법을 이용하여 고정된 지표면 경계조건을 적용한 실험(CNTL, 조간대영역에 고정된 연안습지 토지피복도 적용)과 새로운 모델링기법을 이용해 해양모델과 위성자료를 통해 생성한 시간별 지표면 경계조건을 매시간 마다 적용한 실험(TIDE, 조간대영역에 시간별 달라지는 물/연안습지의 토지피복도 적용)으로 구성하였다. TIDE 실험에서 산출된 간조시 조간대에서의 연안습지 면적은 전체 영역의 약 8.7%였고, CNTL 실험에 적용된 연안습지의 면적은 약 8.2%였다. 전반적으로 TIDE 실험의 결과는 CNTL 실험보다 높은 예측정확도를 보여주었고, 특히 연안지역의 기상예측 연구에 매우 유용하게 적용될 수 있음을 확인했다. 여름사례의 경우 야간 만조시(03 LST) TIDE 실험은 조간대가 물로 덮임에 따라 육풍의 침투 범위가 좁아졌고, 조간대에서 기온과 수증기량을 CNTL 실험보다 높게(평균기온 0.8 ℃, 최대기온 3.1 ℃, 평균 수증기 혼합비 0.7 g kg-1, 최대 수증기 혼합비 4.0 g kg-1) 모의했다. 주간 만조시(15 LST)에는 TIDE 실험에서 고도 1.5 km 이내에서 서풍계열의 풍속 증가로 인해 해풍 강도가 증가했고, 지면(10 m)에서의 풍속은 조간대의 지면온도가 상대적으로 낮은 SST가 적용됨에 따라 역전현상이 나타나 얇은 안정층이 형성되어 작게 모의되었다. TIDE 실험은 조간대에서의 현열플럭스가 CNTL 실험과 달리 음의 값으로 대기에서 지면으로의 열 교환 과정이 발생했고, 이로 인해 기온을 낮게(평균 1.3 ℃, 최대 7.7 ℃) 모의했다. 또한 만조로 인한 조간대영역에서의 활발한 증발작용으로 인하여 수증기량을 높게(평균 0.7 g kg-1, 최대 3.5 g kg-1) 모의하였다. 이러한 조간대에서의 기상변화는 해풍에 의해 조간대의 풍하측에 위치한 내륙지역에까지 영향을 미치게 되었다. 저녁의 간조시(21 LST)에는 서풍이 지속되어 주간 만조동안 감소된 기온이 지속됨에 따라 내륙에서의 기온이 감소되었다(평균 1.5 ℃, 최대 4.7 ℃). 안개사례의 경우 전반적으로 TIDE 실험에서 안개 발달 기간동안 낮은 기온노점차(평균 0.2 ℃, 최대 0.9 ℃)와 높은 상대습도(평균 1%, 최대 4%), 약한 풍속(평균 0.3 m s-1, 최대 1.2 m s-1), 낮은 시정(평균 0.3 km, 최대 2.0 km)을 모의하여 CNTL 실험보다 안개를 모의하는데 개선효과가 나타났다. 안개 발생 이전과 이후에 만조로 인해 박무가 나타난 기간에는 TIDE 실험에서 조간대영역에서의 지면에서 대기로의 현열의 이동과 높은 잠열플럭스를 모의했고, 이로 인해 증발작용이 활발하게 이루어져 수증기 공급으로 안개 발생 및 지속을 모의할 가능성이 높아졌다. 안개 발생 모의를 확인할 수 있는 지표로 90% 이상의 상대습도와 3 m s-1 미만의 풍속 조건이 나타나는 영역, 1 km 미만의 시정이 나타나는 영역, 모델의 최하층에서 0.015 g kg-1 이상의 LWC가 나타나는 영역을 비교해 본 결과, CNTL 실험에서 모의하지 못한 안개 발생 가능영역을 TIDE 실험에서 실제와 유사하게 모의하여 안개발생 지역과 시간을 예측하는데 개선효과를 확인하였다.
조간대는 해안에서 밀물에 의해 해수가 가장 높게 들어온 고조선과 썰물에 의해 가장 낮게 빠진 저조선 사이를 차지하는 지대로, 만조 때에는 수중에 잠기고 간조 때에는 수면 밖으로 모습을 드러내는 곳을 의미한다. 조석효과로 인한 조간대의 지표면상태와 해안선형태의 변화는 지표면의 열적 및 역학적인 영향을 직접적으로 받는 대기경계층 내에서 기상변화를 야기하게 된다. 특히, 조간대 지표면변화의 영향을 받는 대표적인 기상현상 중 하나는 안개로, 만조시 조간대가 바다로 변하면서 지면온도와 증발량 등이 변함에 따라 안개가 강화되고 지속될 수 있다. 조수간만의 차가 큰 서해안에서의 정확한 기상을 예측하기 위해서는 단순히 기상학적인 요인만이 아닌, 주변지형과 해안선 형태를 복합적으로 고려할 필요가 있다. 조간대의 지표면변화가 기상에 미치는 영향에 대한 선행연구는 미기상학적 연구로 관측연구가 주로 이루어져왔다. 이는 조간대에서의 직접적인 기상영향을 확인할 수 있으나, 수평 및 연직적인 기상영향 범위는 확인하기 어렵고 갯벌에서의 관측장비 설치의 어려움으로 인해 관측연구 수행의 한계가 존재했다. 모델링연구는 조간대에 초점을 맞춘 기상모델링 실험이 소수 존재했으나, 기존의 기상모델에서 토지피복은 고정된 값이 적용되어 매시간 변하는 조간대의 지표면상태가 수평 및 연직적으로 어느 정도 기상변화를 야기하는지에 대한 연구는 아직까지 이루어지지 않았다. 본 논문의 대상지역은 서해 중부해역에 위치한 경기만으로, 경기만의 갯벌은 서해안 갯벌의 42%를 차지하고 있다. 경기만 인근 내륙에는 인천, 서울과 같은 대도시와 인천국제공항, 경인공업지대 등이 위치하고 있어 경기만 지역은 국내 산업 및 경제활동이 밀집되어 있는 곳으로 볼 수 있다. 연구사례일은 강수현상이 존재하지 않은 여름(2016년 6월 1일~3일)과 겨울의 안개발생일(2015년 2월 9일~11일)로 선정했다. 본 논문에서는 ROMS 해양모델과 Landsat-7 ETM+ 위성자료를 이용해 조간대 지면의 시․공간적인 변화를 도출 및 분석했고, 이를 WRF 기상모델에 적용하기 위해 WRF 모델 내 3DVAR cycling mode 기법을 이용했다. 실험은 조간대 지면의 시간변화를 고려하지 않은 일반적인 WRF 모델링기법을 이용하여 고정된 지표면 경계조건을 적용한 실험(CNTL, 조간대영역에 고정된 연안습지 토지피복도 적용)과 새로운 모델링기법을 이용해 해양모델과 위성자료를 통해 생성한 시간별 지표면 경계조건을 매시간 마다 적용한 실험(TIDE, 조간대영역에 시간별 달라지는 물/연안습지의 토지피복도 적용)으로 구성하였다. TIDE 실험에서 산출된 간조시 조간대에서의 연안습지 면적은 전체 영역의 약 8.7%였고, CNTL 실험에 적용된 연안습지의 면적은 약 8.2%였다. 전반적으로 TIDE 실험의 결과는 CNTL 실험보다 높은 예측정확도를 보여주었고, 특히 연안지역의 기상예측 연구에 매우 유용하게 적용될 수 있음을 확인했다. 여름사례의 경우 야간 만조시(03 LST) TIDE 실험은 조간대가 물로 덮임에 따라 육풍의 침투 범위가 좁아졌고, 조간대에서 기온과 수증기량을 CNTL 실험보다 높게(평균기온 0.8 ℃, 최대기온 3.1 ℃, 평균 수증기 혼합비 0.7 g kg-1, 최대 수증기 혼합비 4.0 g kg-1) 모의했다. 주간 만조시(15 LST)에는 TIDE 실험에서 고도 1.5 km 이내에서 서풍계열의 풍속 증가로 인해 해풍 강도가 증가했고, 지면(10 m)에서의 풍속은 조간대의 지면온도가 상대적으로 낮은 SST가 적용됨에 따라 역전현상이 나타나 얇은 안정층이 형성되어 작게 모의되었다. TIDE 실험은 조간대에서의 현열플럭스가 CNTL 실험과 달리 음의 값으로 대기에서 지면으로의 열 교환 과정이 발생했고, 이로 인해 기온을 낮게(평균 1.3 ℃, 최대 7.7 ℃) 모의했다. 또한 만조로 인한 조간대영역에서의 활발한 증발작용으로 인하여 수증기량을 높게(평균 0.7 g kg-1, 최대 3.5 g kg-1) 모의하였다. 이러한 조간대에서의 기상변화는 해풍에 의해 조간대의 풍하측에 위치한 내륙지역에까지 영향을 미치게 되었다. 저녁의 간조시(21 LST)에는 서풍이 지속되어 주간 만조동안 감소된 기온이 지속됨에 따라 내륙에서의 기온이 감소되었다(평균 1.5 ℃, 최대 4.7 ℃). 안개사례의 경우 전반적으로 TIDE 실험에서 안개 발달 기간동안 낮은 기온노점차(평균 0.2 ℃, 최대 0.9 ℃)와 높은 상대습도(평균 1%, 최대 4%), 약한 풍속(평균 0.3 m s-1, 최대 1.2 m s-1), 낮은 시정(평균 0.3 km, 최대 2.0 km)을 모의하여 CNTL 실험보다 안개를 모의하는데 개선효과가 나타났다. 안개 발생 이전과 이후에 만조로 인해 박무가 나타난 기간에는 TIDE 실험에서 조간대영역에서의 지면에서 대기로의 현열의 이동과 높은 잠열플럭스를 모의했고, 이로 인해 증발작용이 활발하게 이루어져 수증기 공급으로 안개 발생 및 지속을 모의할 가능성이 높아졌다. 안개 발생 모의를 확인할 수 있는 지표로 90% 이상의 상대습도와 3 m s-1 미만의 풍속 조건이 나타나는 영역, 1 km 미만의 시정이 나타나는 영역, 모델의 최하층에서 0.015 g kg-1 이상의 LWC가 나타나는 영역을 비교해 본 결과, CNTL 실험에서 모의하지 못한 안개 발생 가능영역을 TIDE 실험에서 실제와 유사하게 모의하여 안개발생 지역과 시간을 예측하는데 개선효과를 확인하였다.
An intertidal zone is the area between the shoreline at high tide and at low tide. This area is exposed to air during low tide and covered with seawater during high tide, leading to changes in physical properties at the surface once or twice per day. As a result, the supply of energy and water vapor...
An intertidal zone is the area between the shoreline at high tide and at low tide. This area is exposed to air during low tide and covered with seawater during high tide, leading to changes in physical properties at the surface once or twice per day. As a result, the supply of energy and water vapor released into the atmosphere from the surface of the intertidal zone changes. Fog is one of the meteorological phenomena caused by tidal effects. In the winter, fog can be strengthened and sustained during high tide. Previous studies related to the land cover of the intertidal zone were primarily observational studies of surface characteristics, such as soil temperature and soil thermal properties. Using this format of observational study, it is possible to identify surface characteristics in the intertidal zone and their effect on the meteorology. However, it is not easy to identify their meteorological impacts on the adjacent inland area. Therefore, numerical meteorological modeling is required to identify meteorological impacts of land cover changes in the area around an intertidal zone. In a meteorological model, the land/sea configuration is fixed for the length of the simulation. In reality, however, as the land cover in the intertidal zone changes throughout the day, the physical properties at the surface change over time. There have been no studies on how the time-varying spatial distribution of the intertidal zone affects horizontal and vertical meteorological changes. The study area is located on the Gyeonggi Bay, which is in the middle of the west coast of the Korean Peninsula. The tidal flats in the Gyeonggi Bay are the largest on the west coast of Korea and account for 42% of the total tidal flats on the west coast. The study cases were summer case (19 Local Standard Time (LST) May 31 to 22 LST June 3, 2016) and fog case (2 LST February 9 to 4 LST February 12, 2015). The time-varying variation of the intertidal zone was produced by verifying and modifying the spatial distribution of the intertidal zone using the Regional Ocean Modeling System (ROMS) ocean model and Landsat-7 Enhanced Thermatic Mapper Plus (ETM+) data. In this study, the three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation cycling system was used in the Weather Research and Forecasting (WRF) meteorological model to hourly update the land cover data initially entered into the input data. The meteorological impacts according to land cover variation were simulated using two experiments of the WRF model: a TIDE experiment with time-varying land cover in the intertidal zone, and a CNTL experiment fixed land cover in the intertidal zone. The coastal wetland occupied approximately 8.7% of the total area during low tide periods in the TIDE experiment, and 8.2% of the total area in the CNTL experiment. Overall, the results of the TIDE experiment were in better agreement with the observations, especially during high tides. In the case of summer case, in the TIDE experiment, during the nighttime high tide (03 LST), the temperature (T) and water vapor mixing ratio (Q) increased (average 0.8 ℃, up to 3.1 ℃, and average 0.7 g kg-1, up to 4.0 g kg-1, respectively) in the intertidal zone. The sea area in the intertidal zone increased, reducing the land breeze range and increasing the influence of the sea surface wind. During the daytime high tide (15 LST), the wind speed (WS) from 80 m to 1.5 km increased due to the strong sea wind. This led to an increase in sea breeze intensity, resulting in meteorological changes in inland areas. However, the WS near the surface decreased because the intertidal zone became as sea, and warm air flows above the cold air on the sea surface, forming a local inversion layer. The sensible heat flux (SHF) became negative (downward exchanging process) in the intertidal zone, resulting in a decrease in T (average 1.3 ℃, up to 7.7 ℃) and an increase in Q (average 0.7 g kg-1, up to 3.5 g kg-1) in the intertidal zone and inland areas. During low tide (21 LST), the T decreased (average 1.5 ℃, up to 4.7 ℃) in the inland area because declining temperatures during the high tide continued in the inland area as the west wind continued. In the case of fog case, the TIDE experiment showed an improvement effect in simulating fog by simulating lower dew-point depression (average 0.2 ℃, up to 0.9 ℃), higher relative humidity (RH) (average 1%, up to 4%), weaker WS (average 0.3 m s-1, up to 1.2 m s-1), and lower visibility (VIS) (average 0.3 km, up to 2.0 km) than the CNTL experiment overall during the fog development period. During the mist period before and after the occurrence of fog due to high tide, the TIDE experiment simulated the movement of sensible heat from the surface to the atmosphere in the intertidal zone and high latent heat flux. As a result, the possibility of simulating fog generation and continuity with the supply of water vapor due to active evaporation increased. The area of fog was compared using three indicators that can be used to confirm the fog simulation: (1) an area with a RH of 90% or more and WS less than 3 m s-1, (2) an area with VIS of less than 1 km, and (3) an area with liquid water content in the lowest layer of the model of 0.015 g kg-1 or higher. As a result, in the TIDE experiment, an improvement effect was obtained in predicting the fog by simulating the fog area similar to the observation.
An intertidal zone is the area between the shoreline at high tide and at low tide. This area is exposed to air during low tide and covered with seawater during high tide, leading to changes in physical properties at the surface once or twice per day. As a result, the supply of energy and water vapor released into the atmosphere from the surface of the intertidal zone changes. Fog is one of the meteorological phenomena caused by tidal effects. In the winter, fog can be strengthened and sustained during high tide. Previous studies related to the land cover of the intertidal zone were primarily observational studies of surface characteristics, such as soil temperature and soil thermal properties. Using this format of observational study, it is possible to identify surface characteristics in the intertidal zone and their effect on the meteorology. However, it is not easy to identify their meteorological impacts on the adjacent inland area. Therefore, numerical meteorological modeling is required to identify meteorological impacts of land cover changes in the area around an intertidal zone. In a meteorological model, the land/sea configuration is fixed for the length of the simulation. In reality, however, as the land cover in the intertidal zone changes throughout the day, the physical properties at the surface change over time. There have been no studies on how the time-varying spatial distribution of the intertidal zone affects horizontal and vertical meteorological changes. The study area is located on the Gyeonggi Bay, which is in the middle of the west coast of the Korean Peninsula. The tidal flats in the Gyeonggi Bay are the largest on the west coast of Korea and account for 42% of the total tidal flats on the west coast. The study cases were summer case (19 Local Standard Time (LST) May 31 to 22 LST June 3, 2016) and fog case (2 LST February 9 to 4 LST February 12, 2015). The time-varying variation of the intertidal zone was produced by verifying and modifying the spatial distribution of the intertidal zone using the Regional Ocean Modeling System (ROMS) ocean model and Landsat-7 Enhanced Thermatic Mapper Plus (ETM+) data. In this study, the three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation cycling system was used in the Weather Research and Forecasting (WRF) meteorological model to hourly update the land cover data initially entered into the input data. The meteorological impacts according to land cover variation were simulated using two experiments of the WRF model: a TIDE experiment with time-varying land cover in the intertidal zone, and a CNTL experiment fixed land cover in the intertidal zone. The coastal wetland occupied approximately 8.7% of the total area during low tide periods in the TIDE experiment, and 8.2% of the total area in the CNTL experiment. Overall, the results of the TIDE experiment were in better agreement with the observations, especially during high tides. In the case of summer case, in the TIDE experiment, during the nighttime high tide (03 LST), the temperature (T) and water vapor mixing ratio (Q) increased (average 0.8 ℃, up to 3.1 ℃, and average 0.7 g kg-1, up to 4.0 g kg-1, respectively) in the intertidal zone. The sea area in the intertidal zone increased, reducing the land breeze range and increasing the influence of the sea surface wind. During the daytime high tide (15 LST), the wind speed (WS) from 80 m to 1.5 km increased due to the strong sea wind. This led to an increase in sea breeze intensity, resulting in meteorological changes in inland areas. However, the WS near the surface decreased because the intertidal zone became as sea, and warm air flows above the cold air on the sea surface, forming a local inversion layer. The sensible heat flux (SHF) became negative (downward exchanging process) in the intertidal zone, resulting in a decrease in T (average 1.3 ℃, up to 7.7 ℃) and an increase in Q (average 0.7 g kg-1, up to 3.5 g kg-1) in the intertidal zone and inland areas. During low tide (21 LST), the T decreased (average 1.5 ℃, up to 4.7 ℃) in the inland area because declining temperatures during the high tide continued in the inland area as the west wind continued. In the case of fog case, the TIDE experiment showed an improvement effect in simulating fog by simulating lower dew-point depression (average 0.2 ℃, up to 0.9 ℃), higher relative humidity (RH) (average 1%, up to 4%), weaker WS (average 0.3 m s-1, up to 1.2 m s-1), and lower visibility (VIS) (average 0.3 km, up to 2.0 km) than the CNTL experiment overall during the fog development period. During the mist period before and after the occurrence of fog due to high tide, the TIDE experiment simulated the movement of sensible heat from the surface to the atmosphere in the intertidal zone and high latent heat flux. As a result, the possibility of simulating fog generation and continuity with the supply of water vapor due to active evaporation increased. The area of fog was compared using three indicators that can be used to confirm the fog simulation: (1) an area with a RH of 90% or more and WS less than 3 m s-1, (2) an area with VIS of less than 1 km, and (3) an area with liquid water content in the lowest layer of the model of 0.015 g kg-1 or higher. As a result, in the TIDE experiment, an improvement effect was obtained in predicting the fog by simulating the fog area similar to the observation.
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