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문제 정의
- 본 연구에서는 종관적으로 기압 경도가 거의 균일한 대기 조건어]서, 풍상측인 영서 지역(원주)보다 풍 하측인 영동 지역(강릉)에서 바람이 보다 강한 경우의 사례를 선정하여 분석하고 또한, 간단한 종 모양의 산악 형태 대신에 태백산맥을 포함한 실제 의지형 조건을 적용하여 수치모의 함으로써 태백산맥의 지형에 의한 강릉 지역의 강풍 현상을 이해하고자 한다.
제안 방법
- 대기 경계층의 깊이는 예단되는데 안정한 경계층에 대해서는 Nieuwstadt and Tennekes⑶의 혼합고 성장 방정식으로, 불안정한 경계층에 대해서는 Gryning and Batchvarova"'의 혼합고 성장 방정식을 사용하였다. 구름 미시물리과정은 빙정 미세물리⑸를 적용하였다.
- 큰 시간 간격(6초) 적분은 등넘기 (Leap-Frog) 시간 차분법을 이용하였으며, 작은 시간 간격으로 적분하는 경우, 안정한 Crank-Nicolson ⑹방법을 사용하였다. 그리고 모든 이류 계산에 4승 차수(fourth order)의 공간 차분을 적용하였다.
- 난류혼합 과정은 L5차 마감법蝕山을 사용하였고, 표면 물리 과정 중에서 표면 플럭스는 안정도에 따라서 변하는 표면 항력 계수, 예측된 표면 온도 및 수분 함유량으로부터 계산된다. 지표 물리과정은 수정된 Businger 공식⑵을 이용하였다.
- 3ms I)이 있음을 알 수 있는데 이렇게 급변하는 양상은 앞에서 언급한 물뜀 현상과 관련이 있다고보여진다. 여기서 그 관련성을 근사적으로 알아보기 위하여, 산 정상에서 풍상측으로 약 220 km 정도 떨어진 지점의 상공과 산 정상 부근의 대관령 상공 그리고 풍하측으로 약 230 km 정도 떨어진 지점의 상공에서의 Fr 값을 근사적으로 각각 계산하였다. 여기서 Fr값을 구하는 식은 Hoinka⑼의 방법을 따랐다.
- 영동지역의 강풍 현상을 모의하기 위하여 태백산맥의 실제 지형을 하층 경계로 하여 모델에 반영한 3차원 모의를 하였다. 수평 격자는 동서, 남북 모두 4 km 간격으로 동서 및 남북 방향으로 각각 179개이다.
- 이 모델은 3차원, 비정역학 모델로서, 수 이에서 수 백 km의 규모에 이르는 다양한 대기 현상을 나타내는데 적합한 모델이다. 이 모델의 지배 방정식은 직각 속도 성분, 섭동 온위, 섭동 기압, 수증기 혼합비, 구름물 혼합비, 빗물 혼합비, 구름 빙정 혼합비, 눈 혼합비, 우박혼합비 그리고 아격자 규모의 난류운동 에너지에 대한 예단 방정식들과 습윤 공기에 대한 상태 방정식으로 구성되어 있다. 그 외에 지면 온도, 심토 온도 (deep soil temperature), 지면 수분량, 심토 수분량에 대한 예단 방정식으로 구성되어 있다.
- 5)를 이용하였으며, 14시간 적분하였다. 측면 경계 조건은 Orlanski”, 의 복사 경계 조건을 사용하였으며 상부와 하부 경계 조건은 딱딱한 벽(rigid wall) 조건을 선택하였으며, 중력파가 모델 상부 경계에서 반사되는 것을 완화하기 위하여 고도 11 km로부터 상부 경계인 15 km 까지의 4km를 레일레이 완화 층 (Rayleigh damping layer)으로 설정하였다.
- 현상을 잘 모의하였다. 풍상측 태백산맥 경사면을 따라 공기가 상승 운동을 하였으며, 그리고 산맥 정상과 풍하측 산경사면을 따라서는 공기가 빠른 속도로 산아래 쪽으로 하강 운동을 하였고, 그 후 해안선을 벗어나면서 바로 상승 운동을 하였다. 이러한 형태의 움직임은 물뜀의 전형적인 형태이다.
- 한편, 보다 간단하게 태백산맥에 의한 강풍 현상을 모의하기 위하여 한 지점(오산)의 연직 탐측자료를 이용하여 연직 방향으로 내삽하였고, 모델의 수평 영역에 대해서도 열역학 및 운동량 변수가 수평적으로 균일하게 입력되도록 하였다. 참고로, 한 지점의 자료 대신에 영역의 초기 및 경계 자료를 사용하여 모의할 수 있으나, 이 경우 시간에 따른 또 다른 외부 강제력에 의하여 순수한 지형적인 효과가 약화될 가능성이 많아, 여기서는 오산의 연직 탐측자료를 이용하였으며, 또한, 이 논문에 이어 계속해서, 대기 성층의 온도 구조에 따른 바람의 강도 변화를연구하기 위한 수치 실험을 염두에 두었기 때문에 한 지점의 연직 탐측자료를 이용하게 되었다.
대상 데이터
- 최하층의 고도는 10 m이며 점차 상층으로 갈수록 쌍곡선 탄젠트 (Hyperbolic tan- gent)함수에 의해 격자 간격이 늘어나도록 하였다. 모델 영역의 중심은 129.0 E, 39.3 N으로 하였고 계산 영역은 동서로 716 km, 남북으로 716 km 그리고 연직으로 15 km이다. 영역내의 지형 자료는 CAPS에서 제공한 30초 간격(약 1 km)의 자료를 사용하였다.
- 사례 선정을 위하여 강릉의 바람이 8ms 1 이상의 서풍 계열이면서 3시간 이상 지속적으로 발생한 날을 조사(1993년 1월~98년 5월 기상청 자료한 결과, 이 조건을 만족한 날이 20일 정도이었으며, 그중에서도 종관적인 기압 배치가 전형적인 남고 북저형을 보인 사례는 1996년 2월 11일과 1997년 12월 19일이었다. 이 두 人!.
- 수평 격자는 동서, 남북 모두 4 km 간격으로 동서 및 남북 방향으로 각각 179개이다. 연직 격자는 30개이며 기본적인 연직 격자의 간격은 50B m이다. 최하층의 고도는 10 m이며 점차 상층으로 갈수록 쌍곡선 탄젠트 (Hyperbolic tan- gent)함수에 의해 격자 간격이 늘어나도록 하였다.
- 3 N으로 하였고 계산 영역은 동서로 716 km, 남북으로 716 km 그리고 연직으로 15 km이다. 영역내의 지형 자료는 CAPS에서 제공한 30초 간격(약 1 km)의 자료를 사용하였다.
- 균일하게 입력되도록 하였다. 참고로, 한 지점의 자료 대신에 영역의 초기 및 경계 자료를 사용하여 모의할 수 있으나, 이 경우 시간에 따른 또 다른 외부 강제력에 의하여 순수한 지형적인 효과가 약화될 가능성이 많아, 여기서는 오산의 연직 탐측자료를 이용하였으며, 또한, 이 논문에 이어 계속해서, 대기 성층의 온도 구조에 따른 바람의 강도 변화를연구하기 위한 수치 실험을 염두에 두었기 때문에 한 지점의 연직 탐측자료를 이용하게 되었다. 초기기본 장으로 1996년 2월 11일 0000 UTC의 오산 상공의 바람 및 온도 자료(Fig.
- 참고로, 한 지점의 자료 대신에 영역의 초기 및 경계 자료를 사용하여 모의할 수 있으나, 이 경우 시간에 따른 또 다른 외부 강제력에 의하여 순수한 지형적인 효과가 약화될 가능성이 많아, 여기서는 오산의 연직 탐측자료를 이용하였으며, 또한, 이 논문에 이어 계속해서, 대기 성층의 온도 구조에 따른 바람의 강도 변화를연구하기 위한 수치 실험을 염두에 두었기 때문에 한 지점의 연직 탐측자료를 이용하게 되었다. 초기기본 장으로 1996년 2월 11일 0000 UTC의 오산 상공의 바람 및 온도 자료(Fig. 5)를 이용하였으며, 14시간 적분하였다. 측면 경계 조건은 Orlanski”, 의 복사 경계 조건을 사용하였으며 상부와 하부 경계 조건은 딱딱한 벽(rigid wall) 조건을 선택하였으며, 중력파가 모델 상부 경계에서 반사되는 것을 완화하기 위하여 고도 11 km로부터 상부 경계인 15 km 까지의 4km를 레일레이 완화 층 (Rayleigh damping layer)으로 설정하였다.
- 례의 경우에서, ]3시간 이상에 걸쳐 원주와 강릉의 풍속차가 평균 약 8ms'내외이었다. 최종적으로 종관 기압계의 변화가 상대적으로 적어 보다 순수하게 지형 효과를 볼 수 있는 1996년 2월 11일의 강풍 사례를 연구 대상으로 선정하였다.
이론/모형
- 지표 물리과정은 수정된 Businger 공식⑵을 이용하였다. 대기 경계층의 깊이는 예단되는데 안정한 경계층에 대해서는 Nieuwstadt and Tennekes⑶의 혼합고 성장 방정식으로, 불안정한 경계층에 대해서는 Gryning and Batchvarova"'의 혼합고 성장 방정식을 사용하였다. 구름 미시물리과정은 빙정 미세물리⑸를 적용하였다.
- 모델은 u, V, w 그리고 질량 변수가 차 격자 상에 표현되는 Arakawa-C 격자상에서의 유한 차분 법을 사용하였으며, 이 모델에서는 압축성 대기의 방정식이 사용되므로 변수들의 시간 경향 항 중 이동 속력이 큰 음파와 관련된 항은 작은 시간 간격(3초)으로적분하는 시간 분할 방법(Time-spliting method)을사용하였다. 큰 시간 간격(6초) 적분은 등넘기 (Leap-Frog) 시간 차분법을 이용하였으며, 작은 시간 간격으로 적분하는 경우, 안정한 Crank-Nicolson ⑹방법을 사용하였다.
- 여기서 그 관련성을 근사적으로 알아보기 위하여, 산 정상에서 풍상측으로 약 220 km 정도 떨어진 지점의 상공과 산 정상 부근의 대관령 상공 그리고 풍하측으로 약 230 km 정도 떨어진 지점의 상공에서의 Fr 값을 근사적으로 각각 계산하였다. 여기서 Fr값을 구하는 식은 Hoinka⑼의 방법을 따랐다.
- 이 연구를 위하여 사용한 모델은 CAPS(Center for Analysis and Prediction of Storms, University of Oklahoma)에서 개발한 ARPS8'(Advanced Re gional Prediction System)이다. 이 모델은 3차원, 비정역학 모델로서, 수 이에서 수 백 km의 규모에 이르는 다양한 대기 현상을 나타내는데 적합한 모델이다.
- 함유량으로부터 계산된다. 지표 물리과정은 수정된 Businger 공식⑵을 이용하였다. 대기 경계층의 깊이는 예단되는데 안정한 경계층에 대해서는 Nieuwstadt and Tennekes⑶의 혼합고 성장 방정식으로, 불안정한 경계층에 대해서는 Gryning and Batchvarova"'의 혼합고 성장 방정식을 사용하였다.
- 큰 시간 간격(6초) 적분은 등넘기 (Leap-Frog) 시간 차분법을 이용하였으며, 작은 시간 간격으로 적분하는 경우, 안정한 Crank-Nicolson ⑹방법을 사용하였다. 그리고 모든 이류 계산에 4승 차수(fourth order)의 공간 차분을 적용하였다.
성능/효과
- 3. 역류와 파동 파괴는 없지만, (산맥의 고도가 높고, 산맥을 가로지르는 고도부근에서 안정도가 높고(역전층의 존재), 그리고 그 고도 위로는 안정도가 다소 낮으며, 후진 또는 약한 전진 층 밀림이 있어) 뚜렷하게 파가 깊어진 경우에 발생한다고 하였다.
- 즉, 체계 I은 파동 파괴와 풍상 측 저지가 모두 존재하지 않는 경우이며, 체계 II는 파동 파괴는 존재하지만 풍상즉 저지는 존재하지 않는 경우이고, 체계 UI은 파동 파괴와 풍상 측 저지가 모두 존재하는 경우이다. 결론적으로 풍상 측 저지 현상이 일어나기 위하여 항상 파동 파괴 현상이 선행되어야 한다고 하였다.
- 평균온위이다. 계산을 한 결과, 산 정상에서 풍상측으로 약 220 km 정도 떨어진 지점의 상공에서의 Fr 값은 약 0.4, 산 정상 부근의 대관령 상공에서는 약 1.0 그리고 풍하측으로 약 230 km 정도 떨어진 지점의 상공에서는 약 0.6 정도이어서 기류가 물 뜀(hydraulic jump)적인 성격을 갖고 있음을 추정할 수 있다. 즉, Holton51 S] 설명처럼, 연직으로 전파하는 산악파의 권계면에서의 부분적인 반사에 의한 국지 강풍으로 보기보다는 풍상측에 멀리 떨어진 지점에서의 임계이하적(subcritical) 흐름(Fr r 0.
- 해안선 근처에서는 초기시각에 약 3ms"로 시작하였던 풍속이 8시간 후에는 약 12ms'로 4배 정도로 증가되 었다. 관측에 의하면, 이 시간대의 대관령의 평균 풍속값들이 14~ 17ms 그리고 강릉에서는 10ms 1 내외이어서 수치 모의와 관측값이 어느 정도 잘 일치함을 알 수 있어, 수치 모델이 전반적으로 강풍현상을 잘 모의한 것으로 보인다.
- 박순태'7'의 수치 모의 실험에 의하면 풍상측에 비하여 풍하측의 풍속이 2배 이상 될 때 양측에서의 기압 차이가 크게 나타났다. 본 사례의 경우, 강풍 발생 전일에는 강릉과 원주의 해면 기압차이가 평균 3.9 hPa정도 강릉이 낮았으나, 강풍 발생 당일에는 강릉이 원주보다 평균 6.3 hPa정도 더 낮게 나타났다.
- 사례 분석에서 본 바와 같이, 종관 일기도 상에서 영서와 영동 지역의 남북 방향의 기압 경도가 거의 균일한 상황하에서, 강풍이 발생한 시간 동안에 풍 하측인 강릉 지역에서의 평균 풍속은 10ms, 내외이었으며, 풍상측인 홍천과 원주 지역에서는 평균 풍속이 약 1〜2ms'정도이었다. 즉, 풍상측과 풍 하측의 풍속차가 8〜9ms'로 풍하측의 풍속이 풍상 측보다 3〜4배 강하였다.
- 이러한 형태의 움직임은 물뜀의 전형적인 형태이다. 정량적으로 확인하기 위하여 Fr 값을 계산하였는데, 산 정상 부근의 대관령 상공에서의 Fr값은 약 1.0 정도, 그리고 산 정상에서 풍상측으로 약 220 km 정도 떨어진 지점의 상공, 그리고 풍하측으로 약 230 km 정도 떨어진 지점의 상공에서의 Fr 값은 각각 약 0.4와 0.6 정도이어서, 풍하측에서의 강풍 현상은 풍상측에서의 임계이하적 흐름이 풍 하측에서의 임계초과적 흐름으로 바뀌어 나타나는 물뜀 현상과 관련이 깊음을 알 수 있었다.
- 정리하면, 이 사례의 경우, 종관 규모의 기압 경도가 거의 균일한 상황에서 태백산맥을 사이에 두고 풍하측인 강릉 지역에서 풍상측인 원주 지역에 비하여 3〜4배 정도 풍속이 컸으며, 대류권 하층에서 기온 역전층이 존재하였다. 한편, 풍상측에서 뚜렷한 강수 현상이 나타나지 않아, 풍하측에서의 고온 현상은 전형적인 푄 현상으로 해석되기보다는, 풍상측의 보다 높은 고도에 위치한 건조 공기가 하강하면서 단열 압축되어 기온이 상승한 것으로 해석되었다.
- 그런데 이 시간대를 선택한 이유는 이 시간 동안에 강풍 현상이 활발하였고, 또한 이 시간대를 전후로 주요 기상변수들의 패턴에 큰 변화가 없었기 때문이다. 참고로 이 연구에서는 강풍 현상이 발생하는 과정에 중점을 두었기 때문에 물 뜀 현상이 소멸되는 상황은 모의하지 않았으며, 14 시간의 적분으로 강풍현상이 발생하는 과정을 잘 볼 수 있었다. Fig.
- 풍상 측의 산 경사면을 따라 공기가 상승 운동을 하며, 산 정상 상공과 풍하측 산 경사면을 따라 강한 하강 운동을 하고 있다. 특히 고도 2 km에서 산 정상 부근 사이에서 특히 강한 하강운동이 있음을 알 수 있으며, 이 영역에서의 최대 하강속도는 약 Ims' 정도이었다. 이러한 하강 운동역의 존재는 상층의 운동량이 급격히 하층으로 운반되어짐을 보여준다고 할 수 있다.
- 기온 역전층이 존재하였다. 한편, 풍상측에서 뚜렷한 강수 현상이 나타나지 않아, 풍하측에서의 고온 현상은 전형적인 푄 현상으로 해석되기보다는, 풍상측의 보다 높은 고도에 위치한 건조 공기가 하강하면서 단열 압축되어 기온이 상승한 것으로 해석되었다.
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