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문제 정의
- 하지만, 경기도 양동 근처의 1157 m 높이의 용문산과 780 m 높이의 금물산은 3 km 해상도의 상세 격자에서 250 m 정도의 높이로 평활되었다. FLAT 실험은 CNTL 실험의 지형으로부터 한반도 영역에 해당되는 위도 34.2~39˚N, 경도 124.7~129.5˚E 영역 내의 지형 고도를 0으로 하여 편평한 지형으로 하여서 산악 지형이 강수에 미치는 영향을 보고자 하였다. 또한 이 영역 내의 육지를 바다로 바꾸어 설정한 것을 NOLAND 실험으로 하였으며, 이 실험을 통해 바다와 육지의 마찰력 차이 및 수증기 공급량 차이가 강수에 주는 영향을 보고자 하였다.
- 5˚E 영역 내의 지형 고도를 0으로 하여 편평한 지형으로 하여서 산악 지형이 강수에 미치는 영향을 보고자 하였다. 또한 이 영역 내의 육지를 바다로 바꾸어 설정한 것을 NOLAND 실험으로 하였으며, 이 실험을 통해 바다와 육지의 마찰력 차이 및 수증기 공급량 차이가 강수에 주는 영향을 보고자 하였다. CNTL, FLAT, NOLAND 실험을 통해 지형에 관한 민감도 실험을 수행하였으며, 이들 실험의 둥지 격자 (nested grid)는 양방 상호작용 (2-way interaction) 하도록 하는 양방형 격자계로 구성하였다.
- 본 연구에서는 2005년 6월 26일과 27일에 한반도 중부지방에 발생한 강수에 대한 지형의 영향을 알아보기 위하여 WRF 모형을 이용하여 규준 실험 및 지형에 따른 민감도 실험을 수행하였다. 규준 실험은 지형 정를 포함하며, 지형에 대한 민감도 실험은 한반도의 지형 고도를 0으로 한 실험, 한반도의 육지를 바다로 바꾸어 설정한 실험으로 구성하였다.
- 해당 지역은 산자락에 위치하고 있기 때문에, 지형의 영향을 받아서 큰 강수량이 나타났을 것으로 판단된다. 이 연구에서는 중규모 수치모형인 WRF(Weather Research and Forecasting model) Version 2.1.2 (Skamarock et al., 2005)을 이용하여 최다강수지역을 중심으로 고해상도 격자망 (수평격자간격 3 km)을 구성하여 최다 강수량 및 최다 강수지역의 예측 가능성을 타진해 보고, 지형을 수정하여 한반도의 복잡한 산악 지형이 집중호우에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 규준 실험이 사례의 강수를 잘 재현한다면, 지형과 관련된 민감도 실험과의 차이를 분석함으로써 강수모의에 미치는 지형의 영향을 정량적으로 판단할 수 있다고 본다.
- 이 연구에서는 한반도의 복잡한 산악 지형이 집중호우에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 선택된 사례는 2005년 6월 26일부터 27일까지 경기도 양동 지방에 376 mm 의 강수를 기록한 사례이다.
제안 방법
- 또한 이 영역 내의 육지를 바다로 바꾸어 설정한 것을 NOLAND 실험으로 하였으며, 이 실험을 통해 바다와 육지의 마찰력 차이 및 수증기 공급량 차이가 강수에 주는 영향을 보고자 하였다. CNTL, FLAT, NOLAND 실험을 통해 지형에 관한 민감도 실험을 수행하였으며, 이들 실험의 둥지 격자 (nested grid)는 양방 상호작용 (2-way interaction) 하도록 하는 양방형 격자계로 구성하였다.
- 본 연구에서는 2005년 6월 26일과 27일에 한반도 중부지방에 발생한 강수에 대한 지형의 영향을 알아보기 위하여 WRF 모형을 이용하여 규준 실험 및 지형에 따른 민감도 실험을 수행하였다. 규준 실험은 지형 정를 포함하며, 지형에 대한 민감도 실험은 한반도의 지형 고도를 0으로 한 실험, 한반도의 육지를 바다로 바꾸어 설정한 실험으로 구성하였다. 최다 누적 강수량을 보인 경기도 양동 지역을 중심으로 27, 9, 3 km 격자간격의 세 개의 모델영역을 설정하였으며, 적분기간은 6월 25일 12 UTC에서 6월 27일 12 UTC까지 48시간 동안이다.
- 규준 실험은 화남 지방의 저기압이 서해상을 지나며 발달하여 동진한 후 한반도 북서쪽에 정체하며 강수를 발생시킨 사례 저기압의 발달 및 이동과 한반도에서의 강수패턴 및 한반도 중부지방에 집중된 강수 등을 잘 모의하였다. 누적 강수량에 있어서는 고해상도 격자를 이용할수록 최다 누적 강수량을 관측 값에 가깝게 모의하였다.
- 한편, 적운 모수화는 대기를 너무 안정화시켜 호우 계의 발달을 억제하는 경향을 보일 수 있다 (박영연, 2002; 박세영과 이태영, 2003). 따라서 본 연구에서는 9 km와 3 km 격자에 대하여 적운 대류 모수화 과정을 사용하지 않도록 설정하였다.
- 수치계는 3차 RungeKutta split-explicit 시간적분을 사용하며 이류항에 대해서는 6차 중심 차분법을 도입한다. 또한 플럭스 형태의 진단 방정식을 사용하여 질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라양을 보존한다.
- 각 도메인의 연직 층 수는 31층으로 구성되었으며 모형 상한은 50 hPa로 설정하였다. 수평 격자 수는 각각 141 (동서)×141 (남북), 76(동서)×76 (남북), 88 (동서)×88 (남북)으로 구성하였고, 격자 간격은 각각 27, 9, 3 km 의 양방형 둥지 격자(two way nested grid)로 구성하였다 (Fig. 5a). 초기자료와 경계 자료는 격자 간격 2.
- 모형 수행 결과, CNTL 실험은 사례의 강수를 비교적 잘 모의하였으며, 민감도 실험은 조건에 따라 강수량에 상당한 차이를 보였다. 지상 저기압과 종관 배경장의 모의 성능 검증을 위하여 27 km 해상도의 성긴격자모형의 결과를 분석하여 기상청의 일기도와 비교하였으며, 강우강도 및 강수량은 한반도 중부 지역을 세밀하게 표현한 3 km 해상도의 상세격자모형 결과로 분석하였다.
- 지형에 대한 민감도 실험을 위해서 규준 실험인 CNTL 실험, FLAT 실험, NOLAND 실험을 구성하였다. CNTL 실험의 지형 자료는 위, 경도 30초 해상도의 USGS (United States Geological Survey) 지형 자료를 사용하여 모형 격자로 내삽하였다.
- 해상도에 따른 민감도를 살펴보기 위해서 CNTL 실험의 27, 9, 3 km 격자에서 각각 모형 수행 시간 동안 얻어진 누적 강수량을 비교하였다. 지형에 따른 민감도 실험에서는 CNTL, FLAT, NOLAND 실험의 상세격자모형 결과를 서로 비교하였다. 4.
- 규준 실험은 지형 정를 포함하며, 지형에 대한 민감도 실험은 한반도의 지형 고도를 0으로 한 실험, 한반도의 육지를 바다로 바꾸어 설정한 실험으로 구성하였다. 최다 누적 강수량을 보인 경기도 양동 지역을 중심으로 27, 9, 3 km 격자간격의 세 개의 모델영역을 설정하였으며, 적분기간은 6월 25일 12 UTC에서 6월 27일 12 UTC까지 48시간 동안이다.
- 강수 검증을 위해서는 기상청 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)에서 관측된 2005년 6월 25일 12 UTC부터 6월 27일 12 UTC까지 48시간 동안의 강우강도 및 강수량 자료를 사용하였다. 해상도에 따른 민감도를 살펴보기 위해서 CNTL 실험의 27, 9, 3 km 격자에서 각각 모형 수행 시간 동안 얻어진 누적 강수량을 비교하였다. 지형에 따른 민감도 실험에서는 CNTL, FLAT, NOLAND 실험의 상세격자모형 결과를 서로 비교하였다.
대상 데이터
- 2005년 6월 26일부터 27일까지 이틀 동안 내린 비는 경기도 양평군 양동면의 강수량은 376 mm로, 인근지역과 100 mm 이상의 강수량 차이를 보일 만큼 좁은 지역에 많은 비가 내렸으며 (Fig. 1a), 경기 중부 및 강원 중부지방 등 한반도 중부지방에 걸쳐 150 mm 이상의 강수를 기록하였고, 충청도 전반에 걸쳐서 50~60 mm, 전라도 및 경상도 등 한반도 남부 지역에는 10 mm 안팎의 비가 내렸다. 이 강수와 함께 본격적인 장마가 시작되었다.
- 지형에 대한 민감도 실험을 위해서 규준 실험인 CNTL 실험, FLAT 실험, NOLAND 실험을 구성하였다. CNTL 실험의 지형 자료는 위, 경도 30초 해상도의 USGS (United States Geological Survey) 지형 자료를 사용하여 모형 격자로 내삽하였다. 규준 실험의 3km 격자에 내삽된 한반도 지형을 보면 (Fig.
- 최다강수지역인 경기도 양평군 양동면을 중심으로 3개의 도메인을 설정하였다. 각 도메인의 연직 층 수는 31층으로 구성되었으며 모형 상한은 50 hPa로 설정하였다. 수평 격자 수는 각각 141 (동서)×141 (남북), 76(동서)×76 (남북), 88 (동서)×88 (남북)으로 구성하였고, 격자 간격은 각각 27, 9, 3 km 의 양방형 둥지 격자(two way nested grid)로 구성하였다 (Fig.
- 강수 검증을 위해서는 기상청 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)에서 관측된 2005년 6월 25일 12 UTC부터 6월 27일 12 UTC까지 48시간 동안의 강우강도 및 강수량 자료를 사용하였다. 해상도에 따른 민감도를 살펴보기 위해서 CNTL 실험의 27, 9, 3 km 격자에서 각각 모형 수행 시간 동안 얻어진 누적 강수량을 비교하였다.
- 이 연구에서는 한반도의 복잡한 산악 지형이 집중호우에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 선택된 사례는 2005년 6월 26일부터 27일까지 경기도 양동 지방에 376 mm 의 강수를 기록한 사례이다. 사례 기간 동안 최다 누적 강수지역은 매우 좁게 나타났으며 인접지역과의 누적 강수량 차이도 100 mm 이상으로 나타났다.
- 5a). 초기자료와 경계 자료는 격자 간격 2.5˚×2.5˚인 NCEP/DOE (National Centers for Environmental Prediction/Department of Energy) 재분석 자료 (Kanamitsu et al., 2002)가 사용되었고, 해수면 온도 자료는 1˚×1˚ 해상도의 OISST (Optimum Interpolation Sea Surface Temperature) version 2 (Reynolds et al., 2002)가 사용되었다. 적분 시간은 2005년 6월 25일 12 UTC부터 6월 27일 12 UTC까지 48시간이다.
- 최다강수지역인 경기도 양평군 양동면을 중심으로 3개의 도메인을 설정하였다. 각 도메인의 연직 층 수는 31층으로 구성되었으며 모형 상한은 50 hPa로 설정하였다.
이론/모형
- 모든 실험에서 사용된 물리과정은 다음과 같다. 구름물리 과정 (MPS; MicroPhysics Scheme)은 WSM6(WRF Single-Moment-6-Class-Microphysics scheme)(Hong and Lim, 2006) 이며, 아격자 규모의 적운에 의한 강수를 계산하기 위한 적운 대류 모수화 과정(CPS; Convective Parameterization Scheme)은 new Kain-Fritsch (Kain, 2004)이 27 km 격자에서만 사용되었다. 행성 경계층 (PBL; Planetary Boundary Layer) 모수화 방법은 YSUPBL (YonSei University PBL) (Hong et al.
- , 2005)로, 완전 압축성 비정수계(Fully compressible non-hydrostatic) 모형으로 수평격자는 Arakawa-C 격자 체계를 사용하며, 연직 격자로는 Eulerian 질량 좌표계 (mass-based terrain following coordinate)를 사용한다. 수치계는 3차 RungeKutta split-explicit 시간적분을 사용하며 이류항에 대해서는 6차 중심 차분법을 도입한다. 또한 플럭스 형태의 진단 방정식을 사용하여 질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라양을 보존한다.
- 이 실험에서 사용된 수치모형은 WRF (Weather Research and Forecasting model) Version 2.1.2(Skamarock et al., 2005)로, 완전 압축성 비정수계(Fully compressible non-hydrostatic) 모형으로 수평격자는 Arakawa-C 격자 체계를 사용하며, 연직 격자로는 Eulerian 질량 좌표계 (mass-based terrain following coordinate)를 사용한다. 수치계는 3차 RungeKutta split-explicit 시간적분을 사용하며 이류항에 대해서는 6차 중심 차분법을 도입한다.
- 구름물리 과정 (MPS; MicroPhysics Scheme)은 WSM6(WRF Single-Moment-6-Class-Microphysics scheme)(Hong and Lim, 2006) 이며, 아격자 규모의 적운에 의한 강수를 계산하기 위한 적운 대류 모수화 과정(CPS; Convective Parameterization Scheme)은 new Kain-Fritsch (Kain, 2004)이 27 km 격자에서만 사용되었다. 행성 경계층 (PBL; Planetary Boundary Layer) 모수화 방법은 YSUPBL (YonSei University PBL) (Hong et al., 2006; Noh et al., 2003) 방안이며, 복사모수화 방안으로는 장파복사(LW_RAD)에 대해서는 RRTM (Rapid Radiation Transfer Model) (Mlawer et al., 1997)을, 단파복사 (SW_RAD)에 대해서는 simple shortwave radiation 방안 (Dudhia, 1989)을 사용하였다.
성능/효과
- 누적 강수량에 있어서는 고해상도 격자를 이용할수록 최다 누적 강수량을 관측 값에 가깝게 모의하였다. 그러나 최다강수지역을 포함한 강수밴드가 전체적으로 동쪽으로 치우침을 보이며, 최다 누적 강수지역인 양동 지역에서의 세 차례에 걸쳐 나타난 시간 강수최대치 (peak)는 모형에서는 큰 한 번의 최대치 (peak)와 작은 한 두번의 최대치 (peak)로 나타났다.
- 2b), 한반도 중부를 가로지르는 밴드 형태의 강수 에코가 보이며 강우 강도 50 mm h-1의 강한 에코가 양동 지역이 위치한 경기도의 남동쪽에 나타나고 있다. 두 번째 강수 최대치를 보인 기간 중인 26일 18 UTC의 레이더 영상을 보면 (Fig. 2c), 서해상에서부터 경기도 남동부를 지나 강원도 북부로 뻗은 강수 밴드가 보이며 강우 강도 30 mm h-1의 강수 에코가 경기도 남동쪽에 나타난다. 세 번째 강수 최대치를 보인 기간 중인 27일 03 UTC의 레이더 영상을 보면 (Fig.
- 지형으로 인한 상승류의 증가는 응결하는 수증기량을 증가시키기 때문에 강수의 증가로 이어진다. 따라서 지형에 대한 민감도 실험의 결과는 산악 지형으로 인해 강수가 증가되었음을 보이며, 육지 그 자체로 인해서도 강수가 증가함을 나타낸다. 이 사례에서 산악 지형의 영향과 육지 그 자체로 인한 영향은 각각 평균 누적 강수량의 약 10%씩을 차지한다고 볼 수 있다.
- 3˚N)에 대한 최다 누적 강수량 (Table 1)은 CNTL에 대해서 FLAT 실험에서는 82%, NOLAND실험에서는 64%의 값을 보이며, 고해상도 격자일수록 더 큰 감소를 보인다. 또한, 모든 해상도의 격자에서 한반도 중부 지역에 대해서 영역 평균한 강수량 (Table 2)은 FLAT 실험에서 CNTL의 89%, NOLAND 실험에서는 79%로 나타났다. 영역 평균 강수량의 CNTL 대비 감소량은 각 실험에서 격자 해상도에 따라서 큰 차이를 보이지 않았다.
- 먼저, 3 km 격자에서의 한반도 중부 지역 (126.1~128.8˚E, 36.2~38.3˚N)에 대한 최다 누적 강수량 (Table 1)은 CNTL에 대해서 FLAT 실험에서는 82%, NOLAND실험에서는 64%의 값을 보이며, 고해상도 격자일수록 더 큰 감소를 보인다. 또한, 모든 해상도의 격자에서 한반도 중부 지역에 대해서 영역 평균한 강수량 (Table 2)은 FLAT 실험에서 CNTL의 89%, NOLAND 실험에서는 79%로 나타났다.
- 모든 해상도의 격자에서, FLAT 실험과 NOLAND 실험은 CNTL 실험에 비해 뚜렷한 강수의 감소 경향을 보였으며, 특히 한반도의 특성상 산악 지형이 밀집되어 있는 동쪽에서 더 큰 감소 경향을 보였다 (Fig. 8과 Fig. 13).
- 모형 수행 결과, CNTL 실험은 사례의 강수를 비교적 잘 모의하였으며, 민감도 실험은 조건에 따라 강수량에 상당한 차이를 보였다. 지상 저기압과 종관 배경장의 모의 성능 검증을 위하여 27 km 해상도의 성긴격자모형의 결과를 분석하여 기상청의 일기도와 비교하였으며, 강우강도 및 강수량은 한반도 중부 지역을 세밀하게 표현한 3 km 해상도의 상세격자모형 결과로 분석하였다.
- 영역 평균 강수량의 CNTL 대비 감소량은 각 실험에서 격자 해상도에 따라서 큰 차이를 보이지 않았다. 본 연구에서 선택된 사례가 이동성 저기압에 동반된 강수 사례인 점과 실험에서 모의된 강수대가 전반적으로 비슷한 분포를 보임을 감안해 볼 때, 전반적인 강수 패턴 및 강수량은 격자로 유입되는 수증기 플럭스 양의 영향을 받으므로 평균적 강수량은 종관 규모의 수증기에 의존하기 때문에, 감소율은 해상도에 따라 크게 달라지지 않음을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 FLAT 실험과 NOLAND 실험에서 강수량은 CNTL에 비해서 감소함을 보이고 있다.
- 이 강수와 함께 본격적인 장마가 시작되었다. 사례 기간 동안 최다 강수량을 보인 경기도 양동에서 관측된 강수 강도 시계열을 살펴보면, 강수는 세 차례의 최대치 (peak)를 보였으며 (Fig. 1b), 각각 26일 09-12 UTC 동안 강우강도 50.0 mm h-1, 19-21 UTC 동안 35.5 mm h-1, 그리고 27일 04-05 UTC 동안 33.0 mm h-1의 강우 강도 최대치를 보였다.
- 선택된 사례는 2005년 6월 26일부터 27일까지 경기도 양동 지방에 376 mm 의 강수를 기록한 사례이다. 사례 기간 동안 최다 누적 강수지역은 매우 좁게 나타났으며 인접지역과의 누적 강수량 차이도 100 mm 이상으로 나타났다. 해당 지역은 산자락에 위치하고 있기 때문에, 지형의 영향을 받아서 큰 강수량이 나타났을 것으로 판단된다.
- 사례 기간 동안 한반도 중부 지방에 대한 영역 평균강우 강도를 보면 (Fig. 10), 강수가 관측된 시간대는 26일 06 UTC 부터 27일 12 UTC 까지 오랫동안 5 mm h-1 이하로 비교적 고른 분포를 보이나, CNTL 실험에서는 강수 시간대가 26일 06 UTC 부터 27일 12UTC 까지의 강수 중 26일 18 UTC 에 강우 강도 15 mm h-1 의 최대치를 보인다.
- 사례에서 모의된 누적 강수량은 3 km 격자에서 관측과 유사한 패턴을 가지며 관측에 가까운 최다 누적강수량을 보이지만 (Fig. 8과 Table 1), 한반도 중부 지방에 대하여 영역 평균한 누적 강수량은 관측에 비해 50 mm 정도 더 큰 값을 나타낸다 (Table 2). 이렇게 나타난 오차는 모형 오차뿐만이 아니라 관측의 부족으로 인한 영향도 있는 것으로 판단된다.
- 2c), 서해상에서부터 경기도 남동부를 지나 강원도 북부로 뻗은 강수 밴드가 보이며 강우 강도 30 mm h-1의 강수 에코가 경기도 남동쪽에 나타난다. 세 번째 강수 최대치를 보인 기간 중인 27일 03 UTC의 레이더 영상을 보면 (Fig. 2d), 한반도 중부 지역을 가로지르는 강수 밴드가 보이며 강우 강도 25 mm h-1의 강수 에코가 경기도 남동쪽에 나타난다.
- 반면 CNTL 실험은 각각 26일 09-12 UTC 동안 10 mm h-1, 12-15 UTC 동안 20 mm h-1, 그리고 19-21 UTC동안 70 mm h-1의 강우 강도로 최대치를 보였다. 실험 결과는 관측과 같이 세 번의 최대치를 보였으나, 강수 시간과 강우강도에는 차이를 보였으며, 마지막 강우강도 최대치가 처음 두 번의 최대치보다 월등히 큰 값을 보였다.
- 이 연구 사례에서는 관측된 최다강수지역이 좁고 인접 지역과 100 mm 이상의 강수 차이를 보였기 때문에 고해상도 격자를 이용할수록 잘 모의된 것으로 판단된다. 이러한 결과로 미루어 볼 때, WRF 모형으로 고해상도 격자를 이용하면 실제 지형에 가까운 지형이 모형 내에서 모의되며 작은 규모의 현상들을 세밀하게 모사할 수 있으므로 집중 호우의 예측 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
- 또한 NOLAND 실험이 FLAT 실험보다 더 적은 강수량을 보이는 것으로 볼 때, 해수면보다 지면이 대기와 마찰이 더 크므로 수렴장을 보다 잘 발생시키기 때문인 것으로 판단된다. 이번 사례에 대한 연구를 통해 지형과 육지의 영향이 영역 평균 누적 강수량을 각각 10%씩 증가시킴을 보였다. 그러나 종관 규모의 강수대 경향은 지형에 따라 큰 영향을 받지 않았다.
- 지형에 대한 민감도 실험에서 모의된 누적 강수량은 CNTL, FLAT, NOLAND 순으로 나타났으며 산악지형은 수렴장 및 상승장을 발생시켜서 강수량을 증가시키는 것으로 판단할 수 있다. 또한 NOLAND 실험이 FLAT 실험보다 더 적은 강수량을 보이는 것으로 볼 때, 해수면보다 지면이 대기와 마찰이 더 크므로 수렴장을 보다 잘 발생시키기 때문인 것으로 판단된다.
- 그럼에도 불구하고 FLAT 실험과 NOLAND 실험에서 강수량은 CNTL에 비해서 감소함을 보이고 있다. 최다 누적강수량은 FLAT 실험과 NOLAND 실험에서 CNTL에 비해 감소하고, 고해상도 격자일수록 감소율이 크다. 또한 850 hPa 높이에서 시간 평균된 상승 속도를 한반도 중부 지방에 대해서 영역 평균한 값을 보면 (Table 3), 상승 속도가 CNTL, FLAT, NOLAND 순으로 작아지고 있다.
후속연구
- 이 연구 사례에서는 관측된 최다강수지역이 좁고 인접 지역과 100 mm 이상의 강수 차이를 보였기 때문에 고해상도 격자를 이용할수록 잘 모의된 것으로 판단된다. 이러한 결과로 미루어 볼 때, WRF 모형으로 고해상도 격자를 이용하면 실제 지형에 가까운 지형이 모형 내에서 모의되며 작은 규모의 현상들을 세밀하게 모사할 수 있으므로 집중 호우의 예측 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
- 또한 WRF 모형은 양방 상호작용하는 격자에 대해서 상세 격자 가장자리 부분의 지형 고도에 가중치를 주어, 상세 격자의 경계에서의 지형 고도가 성긴 격자와 일치하도록 한다. 이를 통해 한반도의 복잡한 지형 효과가 성긴 격자에도 잘 전달되어, 강수 모의에 미치는 지형의 영향 연구에 유리할 것으로 판단된다.
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