2010년 여름철 수도권 집중관측기간 강수 사례들에서 나타나는 도시화 효과 Effect of Urbanization on Rainfall Events during the 2010 Summer Intensive Observation Period over Seoul Metropolitan Area원문보기
도시화 효과가 여름 강수에 미치는 영향을 분석하기 위해 2010년 8월 13일부터 9월 3일까지 수도권 집중관측(ProbeX-2010)을 수행하였다. 분석 결과, 다음의 두 가지 현상들이 발견되었다. 첫째, 관측 기간 동안 약한 강수(${\leq}1\;mm\;hr^{-1}$)가 다른 지역보다 서울 풍하측 지역에서 더 자주 발생하였으며, 이는 최근 5년(2006-2010) 자료에서도 확인되었다. 약한 강수는 주로 서울 풍하측 산악 지역에서 야간에 더 자주 발생하였기 때문에 이는 도시지형 뿐만 아니라 산악 지형의 복합적인 효과로 여겨진다. 둘째, 간헐적으로 대류 시스템이 서울 풍하측에서 급격하게 발달해 호우를 야기했다. 이는 특히 8월 27일 1300-1500 KST의 일련의 레이더 영상에서 뚜렷하게 확인되었다. 본 연구에서는 이 강수 사례에 대한 종관 국지적 날씨 특성과 고층 대기 특성을 자세히 분석하였다. 그 결과 도시지형과 연관된 지표 현열 증가뿐만 아니라 조건부 불안정 대기 상태(특히 대기 하층)와 대기 하층의 습기 유입이 도시화 효과와 연관된 대류성 호우를 야기하는 중요한 요소로 제시되었다.
도시화 효과가 여름 강수에 미치는 영향을 분석하기 위해 2010년 8월 13일부터 9월 3일까지 수도권 집중관측(ProbeX-2010)을 수행하였다. 분석 결과, 다음의 두 가지 현상들이 발견되었다. 첫째, 관측 기간 동안 약한 강수(${\leq}1\;mm\;hr^{-1}$)가 다른 지역보다 서울 풍하측 지역에서 더 자주 발생하였으며, 이는 최근 5년(2006-2010) 자료에서도 확인되었다. 약한 강수는 주로 서울 풍하측 산악 지역에서 야간에 더 자주 발생하였기 때문에 이는 도시지형 뿐만 아니라 산악 지형의 복합적인 효과로 여겨진다. 둘째, 간헐적으로 대류 시스템이 서울 풍하측에서 급격하게 발달해 호우를 야기했다. 이는 특히 8월 27일 1300-1500 KST의 일련의 레이더 영상에서 뚜렷하게 확인되었다. 본 연구에서는 이 강수 사례에 대한 종관 국지적 날씨 특성과 고층 대기 특성을 자세히 분석하였다. 그 결과 도시지형과 연관된 지표 현열 증가뿐만 아니라 조건부 불안정 대기 상태(특히 대기 하층)와 대기 하층의 습기 유입이 도시화 효과와 연관된 대류성 호우를 야기하는 중요한 요소로 제시되었다.
The intensive observation (ProbeX-2010) was performed to investigate an urban effect on summer rainfall over the Seoul metropolitan area from 13 August to 3 September 2010. Two kinds of urban effect were detected. First, weak rainfall (${\leq}1\;mm\;hr^{-1}$) was observed more frequently ...
The intensive observation (ProbeX-2010) was performed to investigate an urban effect on summer rainfall over the Seoul metropolitan area from 13 August to 3 September 2010. Two kinds of urban effect were detected. First, weak rainfall (${\leq}1\;mm\;hr^{-1}$) was observed more frequently in the downwind area of Seoul than any other area of the country. The high frequency of weak rainfall in the downwind area was also confirmed from the recent five years of observational data (2006-2010). Because the high frequency was more apparent in mountainous regions during nighttime, the weak rainfall seems to be caused by a combined effect of urbanization and topography. Second, sporadically, a convective system was developed rapidly in the downwind area of Seoul, causing heavy rainfall (${\geq}10\;mm\;hr^{-1}$). It can be most clearly seen in series of radar images around 1300-1500 KST 27 August 2010. We investigated in detail the synoptic and local weather and upper air conditions. As a result, not only urban-induced high sensible heat but also conditionally unstable atmosphere (especially unstable in low level) and low level moisture were pointed out as important factors that contributed to urban-induced heavy rainfall.
The intensive observation (ProbeX-2010) was performed to investigate an urban effect on summer rainfall over the Seoul metropolitan area from 13 August to 3 September 2010. Two kinds of urban effect were detected. First, weak rainfall (${\leq}1\;mm\;hr^{-1}$) was observed more frequently in the downwind area of Seoul than any other area of the country. The high frequency of weak rainfall in the downwind area was also confirmed from the recent five years of observational data (2006-2010). Because the high frequency was more apparent in mountainous regions during nighttime, the weak rainfall seems to be caused by a combined effect of urbanization and topography. Second, sporadically, a convective system was developed rapidly in the downwind area of Seoul, causing heavy rainfall (${\geq}10\;mm\;hr^{-1}$). It can be most clearly seen in series of radar images around 1300-1500 KST 27 August 2010. We investigated in detail the synoptic and local weather and upper air conditions. As a result, not only urban-induced high sensible heat but also conditionally unstable atmosphere (especially unstable in low level) and low level moisture were pointed out as important factors that contributed to urban-induced heavy rainfall.
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문제 정의
서론에서 소개되었듯이 도시지형 효과가 초래하는 가장 대표적인 강우 현상의 변화는 열섬 순환과 관계되어 도시와 도시의 풍하측에서 대류성 강수 시스템이 강화되는 것이다. 따라서 이 장에서는 ProbeX-2010 동안 열섬 현상이 나타나는 날 서울 혹은 서울 풍하측에서 강수 에코가 생성되거나 급격히 발달한 사례를 조사하였다. 그 결과, 8월 27일 14시경 강수 사례가 이에 해당되었으며, 이 강수 사례의 발달 과정에서 이전 연구들(김연희 외, 2005; Bornstein and Lin, 2000)이 제시한 열섬효과에 의한 강수 발생 특징들이 잘 나타남을 확인하였다.
본 연구는 수도권 집중관측(8월 14일-9월 3일) 결과를 이용하여 도시지형 효과가 여름 강수에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, 서울의 풍하측에 약한 강수가 빈번하게 발생했음을 발견하였으며, 간헐적으로 풍하측에서 대류 시스템이 급격히 발달해 호우가 발생하였음도 확인하였다.
본 연구에서는 ProbeX-2010 기간 강수 사례들 중 도시 열섬 효과의 영향을 직·간접적으로 받은 사례들을 조사하였으며, ProbeX-2010 고층 관측 자료뿐만 아니라 수도권 및 전국에 조밀하게 분포되어 있는 Automatic Weather System (AWS) 관측망 자료를 이용하여 그 영향을 통계 및 역학적으로 분석하였다.
제안 방법
ProbeX-2010은 2010년 8월 14일 09시(KST)부터 9월 4일 09시(총 21일)까지 수행되었으며, 주요 관측지점은 동두천 기상대, 인천공항, 양평 관측소이다. 3지점에서 일 4회(0300, 0900, 1500, 2100 KST) 라디오존데 고층 관측이 수행되었다. 이들 지점들은 서울로부터 각각 동·서·북쪽 약 30-40 km 떨어진 곳에 위치하며, 공군에서 라디오존데 상시관측을 수행하고 있는 오산지점을 포함하면 관측기간 동안에는 수도권 도시화 효과에 의한 강수사례들의 풍하측과 풍상측의 고층기상환경을 동시에 살펴볼 수 있다.
또한, 평년 대비 강수 편차를 계산하기 위해 최근 30년(1981-2010)의 전국 60개 지점 일 강수량 자료가 사용되었다. 도시화 효과에 의한 강수 사례의 종관규모 기상환경을 살펴보기 위해 지상 일기도와 위성적외영상을 사용하였으며, 강수 시스템의 발달 과정을 분석하기 위해 50분 간격의 1.5 km Constant Altitude Plan Position Indicator(CAPPI) 레이더 영상을 이용하였다. 그밖에 우리나라 지역의 상승기류 분포를 살펴보기 위해 5 km 해상도 Korea Local Analysis and Prediction System(KLAPS) 분석자료를 사용하였다.
서울 남쪽에서 메조 감마 스케일의 대류셀이 생성되어 북상하였으며, 서울을 거쳐 서울의 북쪽 풍하측에 도달함과 동시에 급격히 발달해 15분당 13 mm 이상의 소낙성 강수를 발생시켰다. 비록 한 사례이지만, 강수 발달 과정에 따른 온도, 풍향, 풍속, 기류 수렴, 연직 대기 구조 및 불안정도를 상세히 분석함으로써 대류성 강우에 미치는 도시지형 영향의 가능성을 확인하였다. 이에 대한 심층적인 메커니즘 이해를 위해서는 이후 더 많은 강우 사례들에 대한 통계적 연구뿐만 아니라 사례들에 대한 수치모의 실험을 통한 역학적 연구가 요구된다.
특히 18-01시에는 신뢰구간 99%에서 유의한 차이를 보였다. 이러한 차이가 ProbeX-2010 기간에 한정된 현상인지를 확인하기 위해 같은 방법으로 최근 5년(2006-2010) 8월 AWS 자료를 분석하였다(Fig. 4b). 풍하측에서 약한 강수 빈도가 높음이 더 뚜렷하게 확인된다.
이상의 연구들은 주로 장기간 자료에서 나타나는 도시 지역의 강수 기후 변화를 통계적으로 분석하였다. 이를 위해서 30년 이상 기간이 가용하나 공간해상도가 낮은 전국 약 60개 유인관측소 자료가 사용되었다.
대상 데이터
1/424 순위). 1 순위는 강원도 태백산맥 동쪽 해안에 위치하는 72 m 해발고도의 양양 공항이다. 한편 4 순위와 5 순위는 서울에서 동남동쪽으로 약 15 km 떨어진 지월(47442)과 퇴촌(47458)이며, 이들도 서울 풍하측 영역에 위치한다.
이러한 강한 열섬효과는 다음날 열섬효과를 강화시키는 역할을 할 수 있으며(Kim and Baik, 2004), 따라서 27일 13시경에 서울 부근에서 전국 최고 기온이 관측되었다. Fig. 12a에 8월 27일 13시에 관측된 수도권 AWS 지상 기온 분포를 제시하였다. 서울과 그 인근 지역에서는 31.
이들 지점들은 서울로부터 각각 동·서·북쪽 약 30-40 km 떨어진 곳에 위치하며, 공군에서 라디오존데 상시관측을 수행하고 있는 오산지점을 포함하면 관측기간 동안에는 수도권 도시화 효과에 의한 강수사례들의 풍하측과 풍상측의 고층기상환경을 동시에 살펴볼 수 있다. ProbeX-2010 기간 동안 1시간 강수량 자료가 가용한 전국 610개 AWS 자료를 이용하였다. 전체 자료 중 결측 자료의 비율은 1.
ProbeX-2010은 2010년 8월 14일 09시(KST)부터 9월 4일 09시(총 21일)까지 수행되었으며, 주요 관측지점은 동두천 기상대, 인천공항, 양평 관측소이다. 3지점에서 일 4회(0300, 0900, 1500, 2100 KST) 라디오존데 고층 관측이 수행되었다.
5 km Constant Altitude Plan Position Indicator(CAPPI) 레이더 영상을 이용하였다. 그밖에 우리나라 지역의 상승기류 분포를 살펴보기 위해 5 km 해상도 Korea Local Analysis and Prediction System(KLAPS) 분석자료를 사용하였다.
5%이다. 또한, 평년 대비 강수 편차를 계산하기 위해 최근 30년(1981-2010)의 전국 60개 지점 일 강수량 자료가 사용되었다. 도시화 효과에 의한 강수 사례의 종관규모 기상환경을 살펴보기 위해 지상 일기도와 위성적외영상을 사용하였으며, 강수 시스템의 발달 과정을 분석하기 위해 50분 간격의 1.
8b). 서울에서 북쪽으로 약 25 km 떨어진 동두천에서 관측된 라디오존데 자료를 바탕으로 8월 27일 열역학선도를 작성하였다(Fig. 10). 27일은 남풍이 지배적이었으므로, 이날 동두천 지점은 서울 풍하측 영역에 속한다.
8%이다. 열섬 효과에 의해 대류시스템이 강화된 사례인 8월 27일 14시 전후로는 수도권 내 114개 AWS 지점의 10분 평균 기온, 풍향, 풍속, 그리고 15분 강수량 자료가 사용되었다. 추가적으로 ProbeX-2010 기간의 분석 결과 신뢰성을 확인하기 위해 전국 591개 AWS의 최근 5년(2006-2010) 시간 강수량 자료를 사용하였다.
이상의 연구들은 주로 장기간 자료에서 나타나는 도시 지역의 강수 기후 변화를 통계적으로 분석하였다. 이를 위해서 30년 이상 기간이 가용하나 공간해상도가 낮은 전국 약 60개 유인관측소 자료가 사용되었다. 하지만 도시지형이 강수에 미치는 영향을 좀 더 역학적으로 분석하기 위해서는 더 높은 공간해상도를 가지는 관측 자료를 이용하여 기후 규모가 아닌 날씨 규모의 강수 사례에 초점을 맞추어 분석할 필요가 있다.
열섬 효과에 의해 대류시스템이 강화된 사례인 8월 27일 14시 전후로는 수도권 내 114개 AWS 지점의 10분 평균 기온, 풍향, 풍속, 그리고 15분 강수량 자료가 사용되었다. 추가적으로 ProbeX-2010 기간의 분석 결과 신뢰성을 확인하기 위해 전국 591개 AWS의 최근 5년(2006-2010) 시간 강수량 자료를 사용하였다. 전체 자료 중 결측의 비율은 1.
성능/효과
풍하측에서 약한 강수 빈도가 높음이 더 뚜렷하게 확인된다. 14-17시를 제외한 모든 시간대에서 95% 신뢰수준에서 유의한 빈도 차이를 보이며, 특히 18-01시의 빈도 차는 99% 신뢰수준에서 유의하다.
ProbeX-2010 기간 동안 양평, 동두천, 인천공항에서 라디오존데에 의해 관측된 850 hPa 풍향 분포를 보면(Fig. 3), 관측 기간 동안 주풍향이 약 180-270°에 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
14시 40분에는 대류셀이 고온역과 그에 따른 기류 수렴이 나타났던 서울의 북쪽 풍하측에 도달하였으며, 동시에 수평규모가 약 50 km 이상으로 확장되었다. 결과적으로 최고 15분당 13 mm 이상의 강한 강수가 발생하였다.
따라서 이 장에서는 ProbeX-2010 동안 열섬 현상이 나타나는 날 서울 혹은 서울 풍하측에서 강수 에코가 생성되거나 급격히 발달한 사례를 조사하였다. 그 결과, 8월 27일 14시경 강수 사례가 이에 해당되었으며, 이 강수 사례의 발달 과정에서 이전 연구들(김연희 외, 2005; Bornstein and Lin, 2000)이 제시한 열섬효과에 의한 강수 발생 특징들이 잘 나타남을 확인하였다.
본 연구는 수도권 집중관측(8월 14일-9월 3일) 결과를 이용하여 도시지형 효과가 여름 강수에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, 서울의 풍하측에 약한 강수가 빈번하게 발생했음을 발견하였으며, 간헐적으로 풍하측에서 대류 시스템이 급격히 발달해 호우가 발생하였음도 확인하였다.
이에 따라 서울 풍하측 고온역을 중심으로 국지적인 열섬 순환이 형성되었다. 대기 상태는 조건부 불안정하였으며, 특히 하층 대기의 강한 가열로 인해 대기 중하층에서 급격한 기온 감률을 보였다. 서울 남쪽에서 메조 감마 스케일의 대류셀이 생성되어 북상하였으며, 서울을 거쳐 서울의 북쪽 풍하측에 도달함과 동시에 급격히 발달해 15분당 13 mm 이상의 소낙성 강수를 발생시켰다.
대기 중하층의 남풍계열 바람이 8월 27일 뿐만 아니라 8월 24일 09시부터 29일 03시까지 지속되었음을 확인 할 수 있다(평균 풍향: 190°).
그들은 강수 발생에 있어 열섬 효과도 중요하지만 그보다도 충분한 하층 습기가 더 중요한 역할을 함을 제시하였다. 또한 열섬 효과에 의한 강수 발생일 동안에는 대기 상태가 비강수일 동안보다는 불안정하지만 대규모 대류 현상이 일어날 정도까지는 불안정하지 않은, 즉 약하게 불안정한 경향이 있음을 보였다. 한국의 경우, 김연희 외(2005)는 2004년 8월 4일에 서울 중심의 풍하측에서 열섬효과에 의해 유도된 상승류가 국지적 강우를 발생시켰음을 보인 바 있다.
영국의 주요 도시 Bristol, Cardiff, Newcastle-upon-Tyne, Norwich에서는 열섬효과는 뚜렷하게 나타나나, 강수량에는 유의한 변화가 나타나지 않았다(Hughes, 2006). 또한 이들 지역에서는 이전 연구들과는 반대로 비도시 지역에 비해 도시 지역에서 강한 강수 빈도는 줄고, 약한 강수 빈도는 증가하는 경향을 보였다.
추가적으로, 591개 지점 야간 약한 강수 빈도 분포를 그림 내 박스그래프로 나타내었다. 박스그래프에서 풍하측 6개 AWS들의 야간 약한 강수 빈도가 전체 데이터의 상위 25% 수준 이상으로 높으며, 특히 신곡 지점을 제외한 5개 지점의 빈도는 90 백분위수(upper fence) 이상의 아주 높은 수준임이 확인된다. 야간 약한 강수 빈도와 평균 강수량 사이에는 선형적인 관계가 존재하지만, R2 값이 0.
전국에서 강수량이 가장 적었던 영남 동해안 지역에서 약한 강수 빈도가 15 시간 이하로 역시 가장 낮게 나타났다. 반면 전국에서 가장 높은 빈도는 총 강수량이 가장 많았던 소백산맥, 태안반도, 경기 북부가 아닌 경기 중부에서 나타났으며, 특히 서울의 동쪽 지역에서 45시간 이상으로 최고치를 보였다. 수도권을 확대한 Fig.
여러 종류의 불안정도 지수를 계산한 결과, 하층대기의 습윤량에 특히 민감한 K-index만이 36.4의 높은 값을 가져 강한 불안정을 나타냈으며, 나머지 지수들(Life Index: −3.7, Showalter Index: −0.29, Total Totals Index:43)은 다소 불안정함만을 나타내었다.
후속연구
춘천, 원주, 홍천은 서울 풍하측 영역에서 30년 이상 자료가 가용한 지점들 중 서울과 가장 가까운 지점들이다. 따라서 이후 서울 풍하측의 약한 강수 증가에 대한 통계적 유의성이나 메커니즘을 연구할 때는 춘천, 원주, 홍천뿐만 아니라 본 연구에서 제시된 서울로부터 30 km 이내 풍하측 지역에도 관심을 가질 필요가 있다.
하지만 이는 단일사례에 대한 단지 두 종류(거칠기 10배 증가와 열원 10배 증가)의 민감도 실험의 결과물이다. 따라서 향후 더 많은 사례에 대한 다양한 민감도 실험이 행해질 필요가 있다.
뿐만 아니라 도시와 그 풍하측 지역에 대한 지속적인 관측 자료를 생성할 필요가 있다. 본 연구의 결과는 향후 연구들의 유용한 근거자료로써 사용될 수 있다.
하지만 본 연구 결과, 약한 강수 빈도가 주로 상승응결 고도가 낮아지는 야간동안 도시 풍하측 산악지역에서 뚜렷함이 확인하였으며, 따라서 향후 연구들에서는도시지역의 열원, 거칠기 뿐만 아니라 풍하측 지역의 지형 효과도 고려돼야 할 것이다. 본 연구의 초점은 ProbeX-2010 기간에 관측된 강수사례에 대한 것이므로, 약한 강수 빈도 증가 메커니즘에 대한 심층적인 분석은 이후 연구에서 다루어질 계획이다.
비록 한 사례이지만, 강수 발달 과정에 따른 온도, 풍향, 풍속, 기류 수렴, 연직 대기 구조 및 불안정도를 상세히 분석함으로써 대류성 강우에 미치는 도시지형 영향의 가능성을 확인하였다. 이에 대한 심층적인 메커니즘 이해를 위해서는 이후 더 많은 강우 사례들에 대한 통계적 연구뿐만 아니라 사례들에 대한 수치모의 실험을 통한 역학적 연구가 요구된다. 뿐만 아니라 도시와 그 풍하측 지역에 대한 지속적인 관측 자료를 생성할 필요가 있다.
한반도는 국토의 대부분이 산악지형으로 구성되어 있어 도시화 효과와 산악 지형 효과가 강수에 미치는 영향을 구분하여 분석하기에는 어려움이 있다. 하지만 본 연구 결과, 약한 강수 빈도가 주로 상승응결 고도가 낮아지는 야간동안 도시 풍하측 산악지역에서 뚜렷함이 확인하였으며, 따라서 향후 연구들에서는도시지역의 열원, 거칠기 뿐만 아니라 풍하측 지역의 지형 효과도 고려돼야 할 것이다. 본 연구의 초점은 ProbeX-2010 기간에 관측된 강수사례에 대한 것이므로, 약한 강수 빈도 증가 메커니즘에 대한 심층적인 분석은 이후 연구에서 다루어질 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수도권은 어느 지역을 포함하는가?
서울, 인천, 경기를 포함하는 수도권의 면적은 전체 국토의 11.8%임에도 2011년 현재 전체 인구의 48%가 거주하고 있으며, 이에 따라 수도권 내 도시권은 계속 거대화되고 있다.
서울의 열섬 효과는 어떻게 되는가?
, 김연희 외, 2011). 서울의 열섬 효과는 세계 다른 거대 도시들과 유사하게 여름보다 겨울에 더 강하며, 풍속이 강하거나 맑은 구름 상태에서 약해진다(Kim and Baik, 2002). 일 년 평균 열섬 강도는 약 2.
도시화 효과가 여름 강수에 미치는 영향을 분석 결과 반결된 현상은?
분석 결과, 다음의 두 가지 현상들이 발견되었다. 첫째, 관측 기간 동안 약한 강수(${\leq}1\;mm\;hr^{-1}$)가 다른 지역보다 서울 풍하측 지역에서 더 자주 발생하였으며, 이는 최근 5년(2006-2010) 자료에서도 확인되었다. 약한 강수는 주로 서울 풍하측 산악 지역에서 야간에 더 자주 발생하였기 때문에 이는 도시지형 뿐만 아니라 산악 지형의 복합적인 효과로 여겨진다. 둘째, 간헐적으로 대류 시스템이 서울 풍하측에서 급격하게 발달해 호우를 야기했다. 이는 특히 8월 27일 1300-1500 KST의 일련의 레이더 영상에서 뚜렷하게 확인되었다. 본 연구에서는 이 강수 사례에 대한 종관 국지적 날씨 특성과 고층 대기 특성을 자세히 분석하였다.
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