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문제 정의
- 본 연구에서는 민재식 등 (2011)에서 유형화한 세 청천난류 발생메커니즘을 대표하는 사례를 각각 하나씩 선택하여 3차원 수치실험을 수행하고, 그 발생 메커니즘을 고해상도 모형에서 보다 정확하게 이해함으로써, 30 km 해상도의 재분석자료를 이용한 청천난류 유형화의 타당성을 조사하고자 하였다. 2장에서는 사용한 중규모 수치모델과 그 수치실험설계에 대해 설명하고, 3장에서는 수행한 3차원 수치실험에 대한 결과들을 설명하며, 요약 및 결론은 4장에 기술하였다.
- 본 연구에서는 선행연구들에서 제안된 3가지 청천 난류 발생 메커니즘의 특성을 보다 정확하게 이해하기 위하여, 각 메커니즘 별 사례를 하나씩 선정하여 WRF 모델을 이용한 3차원 고해상도 수치실험을 실시하였다. 수치실험 결과를 이용하여 사례별 난류 발생 메커니즘을 조사한 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- M1과 M2 사례에 대한 수치실험은 수평격자 간격이 30 km인 도메인 1 (191 × 171; 이하 D1)에 수평격자 간격이 각각 10 km, 3.3 km, 1.1 km인 세 개의 도메인들 [도메인 2(145 × 148; 이하 D2), 도메인 3 (154 × 154; 이하 D3), 도메인 4 (166 × 166; 이하 D4)]로 구성하였다.
- RDAPS 재분석장 및 WRF 모델 실험 결과, 두 개의 대기흐름이 합류하는 지역 중 고기압성 곡률을 가지는 아열대 제트의 고기압성 수평시어 영역에서 국지적으로 고기압성 시어흐름이 강화되어 절대 와도가 0보다 작은 관성 불안정 지역이 나타났으며, 이 지역이 SGS TKE 및 관측된 난류 지점과 일치하였다. M3 사례는 2003년 2월 16일 0450 UTC에 군위 지역 약 6 km 상공에서 발생한 사례로, 한반도에서의 복잡한 산악 지형에 의해 발생 되는 산악파를 보다 현실적으로 모의하기 위하여 0.37 km의 수평 해상도를 가지는 D5에서의 수치실험을 추가적으로 수행하였다. 종관규모 일기도에서는 시베리아 고기압의 확장으로 인해 한반도의 지표 근처에서는 북풍 계열의 바람이 우세하였고, 상층에서는 기압골에 의한 서풍 계열의 바람이 지배적이었다.
- 1 버전이다. 본 연구에서는 민재식 등 (2011)에서 구분한 세 청천난류 발생 메커니즘들 중 2003년 6월 18일 0127 UTC에 평창에서 발생한 M1 사례, 2006년 11월 22일 2330 UTC에 목포에서 발생한 M2 사례, 2003년 2월 16일 0450 UTC에 군위에서 발생한 M3 사례에 대해 각각 수치실험을 실시하였다. M1과 M2 사례에 대한 수치실험은 수평격자 간격이 30 km인 도메인 1 (191 × 171; 이하 D1)에 수평격자 간격이 각각 10 km, 3.
- 산악파와 관련된 M3 사례의 경우에는 파동파괴와 관련한 고해상도 수치실험이 추가적으로 필요하여 (Kim and Chun, 2010), M1과 M2 사례들의 수치실험에서와 같은 4개의 도메인에 수평격자 간격이 0.37 km 인 도메인 5 (187 × 187; 이하 D5)을 추가하였다.
- 본 연구에 사용한 물리과정 중, 미시구름물리 모수화는 WSM 6 (WRF Single Momentum 6-class) scheme (Hong and Lim, 2006), 행성경계층 모수화는 MellorYamada-Janjic scheme (Janjic, 2002), 적운 모수화는 Kain-Fritsch scheme (Kain 2004)을 사용하였다. 적운모수화는 D1과 D2에만 사용되었으며, 상층경계조건은 중력파가 모델 상층경계에서 반사되는 것을 방지하기 위해 모델 상단에서 5 km 아래로 Rayleigh damping을 이용한 스펀지 층을 설정하였고, 모든 실험에 대해 2-way nesting 방식을 택하였다. 모델 초기 입력자료는 NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Centers for Atmospheric Research) GDAS (Global Data Assimilation System)에서 제공하는 6시간 간격의 1.
대상 데이터
- 먼저, M1 사례는 2003년 6월 18일 0127 UTC에 평창 지역의 약 10 km 상공에서 발생한 청천난류로써, 이 시기 종관 규모의 상층 대기는 태평양 고기압 가장자리로부터 유입되는 남서 기류와 요동 반도에서 남동진하는 북서 기류가 한반도에서 만나면서 남북 온도 경도가 강화되고 있었다. 이로 인해 한반도에서 연직 시어가 증가하여 제트가 발달하였으며, 이 제트 코어를 중심으로 한 2차 순환이 제트의 저기압성 회전 지역으로 대류권계면 접힘을 야기하여 상층 전선의 발달을 도왔다.
- 모델 초기 입력자료는 NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Centers for Atmospheric Research) GDAS (Global Data Assimilation System)에서 제공하는 6시간 간격의 1.0º × 1.0º 수평 해상도를 가지는 재분석 자료 (Derber et al., 1991)를 사용하였다.
- , 1991)를 사용하였다. 지형자료는 실제지형에 가깝도록 하기 위하여 USGS (U. S. Geological Survey) DEM (Digital Elevation Model) 30초 (약 0.925 km) 전구 자료를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에 사용한 물리과정 중, 미시구름물리 모수화는 WSM 6 (WRF Single Momentum 6-class) scheme (Hong and Lim, 2006), 행성경계층 모수화는 MellorYamada-Janjic scheme (Janjic, 2002), 적운 모수화는 Kain-Fritsch scheme (Kain 2004)을 사용하였다. 적운모수화는 D1과 D2에만 사용되었으며, 상층경계조건은 중력파가 모델 상층경계에서 반사되는 것을 방지하기 위해 모델 상단에서 5 km 아래로 Rayleigh damping을 이용한 스펀지 층을 설정하였고, 모든 실험에 대해 2-way nesting 방식을 택하였다.
- 본 연구에서 사용한 수치모델은 미국립기상연구소(National Centers for Atmospheric Research; 이하 NCAR)에서 개발한 중규모 수치모델인 Advanced Research Weather Research and Forecasting (WRFARW; 이하 WRF) (Skamarock et al., 2008) 모델 3.1 버전이다. 본 연구에서는 민재식 등 (2011)에서 구분한 세 청천난류 발생 메커니즘들 중 2003년 6월 18일 0127 UTC에 평창에서 발생한 M1 사례, 2006년 11월 22일 2330 UTC에 목포에서 발생한 M2 사례, 2003년 2월 16일 0450 UTC에 군위에서 발생한 M3 사례에 대해 각각 수치실험을 실시하였다.
성능/효과
- 5 km 상공에서 발생한 사례로써, 이 시기 상층 종관 규모 대기는 만주지역에서 북해도쪽으로 향하는 한대 제트와 동중국해에서 일본 열도로 향하는 아열대 제트 사이에 한반도가 위치하고 있었다. RDAPS 재분석장 및 WRF 모델 실험 결과, 두 개의 대기흐름이 합류하는 지역 중 고기압성 곡률을 가지는 아열대 제트의 고기압성 수평시어 영역에서 국지적으로 고기압성 시어흐름이 강화되어 절대 와도가 0보다 작은 관성 불안정 지역이 나타났으며, 이 지역이 SGS TKE 및 관측된 난류 지점과 일치하였다. M3 사례는 2003년 2월 16일 0450 UTC에 군위 지역 약 6 km 상공에서 발생한 사례로, 한반도에서의 복잡한 산악 지형에 의해 발생 되는 산악파를 보다 현실적으로 모의하기 위하여 0.
- 그 결과 제트 코어 하부인 상층 전선에서의 연직시어 값이 약 0.013 s−1 정도로 나타났으며, 이는 상층 제트 및 전선의 강도 변화에 따라 1930 UTC (Fig.
- 그 후, 관측된 난류 위치로부터 수평 50 km, 연직 3,000 ft 이내에서 산악중력파 항력이 존재하면 (iii)의 메커니즘으로 분류하였다 (Kim and Chun 2010; 2011). 그 결과, 제트 상부 또는 하부의 상층 전선에서 시어불안정에 의해 발생한 사례 (이하 M1)가 103개로 가장 많았고, 관성불안정에 의한 사례(이하 M2)가 73개, 산악파의 파동파괴에 의한 사례(이하 M3)가 25개로 나타났다. M1과 M2의 조건을 동시에 만족하는 사례는 32개, M1와 M3를 동시에 만족하는 사례는 6개, M2와 M3를 만족하는 사례는 3개, M1, M2, M3를 모두 만족하는 사례는 4개였으며, 위의 세 가지 발생 메커니즘 중 어디에도 속하지 않는 것은 88개였다.
- 4(d))에는 최대풍속이 55 m s−1를 초과하였으며, 결과적으 로 연직시어 증가로 인해 발생된 SGS TKE가 관측된 청천난류지점과 일치함을 보인다. 따라서, 2003년 6월 18일 0127 UTC에 평창근처 약 10 km 상공에서 발생한 청천난류는 남북 기온경도 증가로 인해 발달된 상층 제트 코어 하부에서의 연직시어 및 상층 전선 강화로 인한 시어 불안정이 주요 원인임을 알 수 있었다.
- 이러한 지역 중 관측된 난류 지점 주변에서 SGS TKE가 나타났다. 따라서, 2006년 11월 22일 2330 UTC에 발생한 청천난류 사례는 고기압성 곡률을 가지는 아열대 제트의 고기압성 수평시어 지역에서 국지적으로 강한 고기압성 시어흐름이 발생하고, 절대 와도가 0보다 작은 관성 불안정 지역에서 청천난류가 발생하였음을 확인하였다.
- 하지만, 본 연구의 주요 목적이 대만 동쪽 태풍의 현실적인 재현이 아니며, 청천난류가 발생한 지역의 상층 바람은 이 태풍과 직접적으로 관련되지 않은 것으로 분석된다. 따라서, 본 연구에서 수행된 실험 결과는 관측된 청천난류의 발생메커니즘을 분석하는데 적절함을 확인하였다.
- 25)이 발생되어 난류(SGS TKE > 0)가 발생 하였다. 모의된 난류지역은 실제 발생지역과는 다소 거리가 존재하는 것으로 나타났지만, 이는 PIREP 자료의 관측 위치에 대한 불명확성을 감안할 때, 충분히 타당한 것으로 판단되었다.
- 선행연구에서 유형화된 각기 다른 난류발생 메커니즘에서의 사례들을 선정하고, 이들에 대한 수치실험을 통하여 정확한 메커니즘을 살펴 봄으로써, 선행 연구 유형화에 대한 검증과 자세한 난류발생 시나리오를 확인할 수 있었다. 이러한 고해상도 실험을 통한 다양한 난류 사례에 대한 분석은 더욱 정확하고 개선된 난류발생 메커니즘에 따른 유형화 연구에 도움을 줄 것이며, 일기예보 모델을 통한 통합난류예측시스템 예측자료의 원인 분석 및 사후 분석에 유용할 것이다.
- 이로 인해 한반도에서 연직 시어가 증가하여 제트가 발달하였으며, 이 제트 코어를 중심으로 한 2차 순환이 제트의 저기압성 회전 지역으로 대류권계면 접힘을 야기하여 상층 전선의 발달을 도왔다. 최종적으로, 이렇게 발달된 상층 전선상에서의 시어 불안정이 SGS TKE를 유발시켜 난류가 발생한 것으로 분석되었다. M2 사례는 2006년 11월 22일 2330 UTC때에 목포 지역의 약 8.
후속연구
- 이러한 고해상도 실험을 통한 다양한 난류 사례에 대한 분석은 더욱 정확하고 개선된 난류발생 메커니즘에 따른 유형화 연구에 도움을 줄 것이며, 일기예보 모델을 통한 통합난류예측시스템 예측자료의 원인 분석 및 사후 분석에 유용할 것이다. 이는 궁극적으로 한국에서의 청천난류 예측성을 향상시켜 청천난류로 인한 다양한 인적, 물적 피해를 최소화하는데 도움을 줄 것이다.
- 선행연구에서 유형화된 각기 다른 난류발생 메커니즘에서의 사례들을 선정하고, 이들에 대한 수치실험을 통하여 정확한 메커니즘을 살펴 봄으로써, 선행 연구 유형화에 대한 검증과 자세한 난류발생 시나리오를 확인할 수 있었다. 이러한 고해상도 실험을 통한 다양한 난류 사례에 대한 분석은 더욱 정확하고 개선된 난류발생 메커니즘에 따른 유형화 연구에 도움을 줄 것이며, 일기예보 모델을 통한 통합난류예측시스템 예측자료의 원인 분석 및 사후 분석에 유용할 것이다. 이는 궁극적으로 한국에서의 청천난류 예측성을 향상시켜 청천난류로 인한 다양한 인적, 물적 피해를 최소화하는데 도움을 줄 것이다.
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