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문제 정의
- 동풍 또는 북풍이 발생한 후 7-10시간 후에 강수가 시작되었고, 이러한 바람이 소멸되기 1-2시간을 전후로 강수가 종료됨을 확인하였다. 이는 동해안 영역의 강수 예보에서 동풍 계열 바람의 중요성을 시사하는 바이다. 대기의 불안정을 나타내는 CAPE와 SRH를 비교해 본 결과, 강수 기간 동안 두 불안정도 모두 증가하는 것을 볼 수 있었다.
제안 방법
- 강수의 특성을 이해하고자 일기도를 이용한 종관 특성을 살펴보았다(Fig. 5). CASE-1에서는 일본 오키 나와 주변을 중심으로 기압골이 850 hPa까지 북쪽(한반도)으로 기울어져 있어, 시베리아 고기압은 한반도로 접근하지 못하고 중국 화남지방으로 확장하였다.
- 겨울철 동해안 강수 사례 시 대기의 불안정도를 판단하고자, 열역학적 불안정을 표현하는 상당온위, TPW 및 대류가용잠재에너지(Convective Available Potential Energy, CAPE, Moncrieff and Miller, 1976) 지수와, 역학적 불안정을 나타내는 바람 자료와 연직 바람쉬어(Storm Relative Helicity, SRH, Davies-Jones et al., 1990) 지수를 분석하였다. 또한 종관규모의 바람 패턴은 동해안 지역의 지리적 특성에 의해 야기되는 대기의 역학적·열역학적 흐름을 변화시킬 수 있기 때문에 수평 및 연직 바람의 분포를 살펴보는 것은 강수 메커니즘을 이해하는데 필수적이다.
- 두 장비 모두 현재까지 다양한 분야에서 예보와 연구 목적으로 사용되고 있으며 World Meteorological Organization (WMO)에서 수행하는 공동관측에 참여하여 우수평가를 받았다(WMO, 2011). 그러나 두 지점 간 사용된 장비가 다르므로, 특별관측 수행에 앞서 비교 관측을 통하여 기기 간 차이를 비교하였다 (Fig. 2). 그 결과 장비간의 뚜렷한 계통오차는 나타나지 않았고 온도의 경우 약 ±0.
- 일까지 북강릉과 울진에서 라디오존데를 활용한 고층 관측을 수행하였고 이를 통해 동해안영역의 고해상도 3차원 자료를 확보 할 수 있었다. 또한 다른 기상관측기기를 활용해 추가적인 분석을 수행함으로써 역학적 및 열역학적 변화를 확인하였다. 향후 정기적으로 수행될 특별관측으로 누적될 고해상도의 3차원 자료는 동해안의 중규모 기상현상의 분석과 수치모델의 예측능력 향상에 기여할 수 있을 것이라고 기대한다.
- 본 연구에서는 라디오존데와 기타 기상관측장비를 활용하여 특별관측 기간(2012년 1월 5일-2월 29일) 동안의 동해안 대기 특성의 변화와 동해안에 강수가 집중된 두 사례(CASE-1과 CASE-3)에 대하여 분석을 실시하였다. CASE-2의 경우 지상저기압의 통과로 짧은 시간동안 한반도 전역에 강수가 발생하였기 때문에 동해안 강수 사례로 보기 힘들어 분석대상에서 제외하였다.
- 라디오존데를 활용한 특별관측을 수행하여 동해안 영역의 고층 대기 관측 자료를 확보함으로써 동해안 강수 특성 분석 및 수치모델의 자료동화를 통하여 동해안영역 예보 정확도 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 특별관측 기간 동안에 나타난 동해안 대기의 특성 변화를 살펴본 후 동해안에서 발생한 세 차례의 강수 사례 중 동해안에 집중적으로 발생한 두 사례에 초점을 맞추어 강수 발생 전후에 나타나는 열역학 불안정(상당온위, CAPE, TPW)과 역학적(SRH, 바람, TPWFLUX) 불안정의 변화를 분석하여 겨울철 동해안 강수의 주요 원인을 분석하였다.
- 11, 12). 북강릉 수직측풍장비의 1004.29 m 고도의 바람을 북풍(360o ), 북동풍(45o ) 그리고 동풍 (90o )으로 나누어서 각 풍향으로 유입되는 풍속(V)을 계산하여, 북강릉의 1시간 간격 TPWFLUX를 계산하였다(Fig. 14). 그리고 GNSS를 통해 얻어진 TPW와 대관령기상대의 1시간 강수량의 시계열 분포를 나타내었다.
- 지상저기압의 통과로 전국적인 강수가 발생한 CASE-2와는 달리 CASE-1과 CASE-3은 동해안에 강수(강우 또는 강설)가 집중되어 발생한 사례이다. 이에 본 연구에서는 CASE-1과 CASE-3의 강수 특성과 차이를 분석하였다.
- , 2013). 이에 좀 더 명확한 분석을 위하여 북강릉과 울진의 라디오존데, 라디오미터, 그리고 GNSS를 활용한 TPW의 시계열 분포를 살펴보았다(Fig. 13). 그 결과 강수가 나타났던 CASE-1과 2, 그리고 3에서 TPW가 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 좀 더 조밀한 시간 간격의 변화를 확인하기 위하여 북강릉과 울진의 수직측풍장비를 통해 수평바람의 연직 시계열 분포를 살펴보았다(Fig. 11, 12). 시계열 분포는 강수가 발생한 시간을 기준으로 선택하였고 초록색 실선은 강수 시각을 의미하고, 빨간색 실선은 동풍 계열(혹은 북풍 계열) 바람을 나타낸다.
- 관측 지점은 북강릉(강원지방기상청)과 울진(기상대) 이고, 관측 기간은 2012년 1월 5일 0900 KST부터 2월 29일 2100 KST까지이며, 고층 대기 관측 주기의 경우 평상시 일 2회 12시간 간격(0900, 2100 KST), 강수 예보가 있을 시 일 4회 6시간 간격(0300, 0900, 1500, 2100 KST)이다. 특별관측 기간 동안 강수 사례는 총 3회였으며, 첫 번째 사례는 1월 19일 0900 KST 부터 1월 21일 0900 KST까지이고, 두 번째 사례는 1월 31일 0900 KST에서 2월 1일 0900 KST까지이다. 마지막 사례는 2월 25일 0900 KST부터 2월 27일 0900 KST까지이다.
-
특별관측 기간에 나타난 대기 안정도의 특성
특별관측 기간 동안 대기의 특성 변화를 분석하기 위해 북강릉과 울진에서 라디오존데를 통해 확보한 자료를 이용하여 1000 hPa부터 500 hPa까지의 상당 온위와 상대습도(HUM) 80% 이상, 그리고 남북 방향 바람 성분(VND)과 동서 방향 바람 성분(UND), 6시간 누적 강수량(PCN)의 시계열 분포를 제시하였다(Fig. 6). Fig.
대상 데이터
- 고층 대기 관측에 사용된 장비는 북강릉은 독일 GRAW사의 DFM-06 라디오존데이고, 울진에서는 미국 InterMet사의 iMet-1 라디오존데가 사용되었다. 두 장비 모두 현재까지 다양한 분야에서 예보와 연구 목적으로 사용되고 있으며 World Meteorological Organization (WMO)에서 수행하는 공동관측에 참여하여 우수평가를 받았다(WMO, 2011).
- 국립기상연구소 재해기상연구센터에서는 겨울철 동해안 강수 메커니즘 규명을 위해 기상청 고층 기상관측소인 속초와 포항기상대간의 고층 관측 공백지역에서 라디오존데를 활용한 특별관측을 실시하였다. 관측 지점은 북강릉(강원지방기상청)과 울진(기상대) 이고, 관측 기간은 2012년 1월 5일 0900 KST부터 2월 29일 2100 KST까지이며, 고층 대기 관측 주기의 경우 평상시 일 2회 12시간 간격(0900, 2100 KST), 강수 예보가 있을 시 일 4회 6시간 간격(0300, 0900, 1500, 2100 KST)이다. 특별관측 기간 동안 강수 사례는 총 3회였으며, 첫 번째 사례는 1월 19일 0900 KST 부터 1월 21일 0900 KST까지이고, 두 번째 사례는 1월 31일 0900 KST에서 2월 1일 0900 KST까지이다.
- 또한 특별관측 기간 동안의 라디오존데 관측 자료뿐만 아니라, 기상청 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)의 시간 및 누적강수량, 라디오미터(Micro Wave Radiometer, MWR)와 Global Navigation Satellite System (GNSS)의 가강수량 (Total Precipitable Water, TPW, Yoo et al., 2004; Lim et al., 2013), 수직측풍장비의 바람 자료를 활용하였다.
- 본 연구는 동해안 강수 메커니즘 규명을 위한 특별관측 사업의 일환으로 2012년 1월 5일부터 2월 29일까지 북강릉과 울진에서 라디오존데를 활용한 고층 관측을 수행하였고 이를 통해 동해안영역의 고해상도 3차원 자료를 확보 할 수 있었다. 또한 다른 기상관측기기를 활용해 추가적인 분석을 수행함으로써 역학적 및 열역학적 변화를 확인하였다.
- 특별관측 기간 동안 총 241회의 고층 관측이 수행되었다. 평균적으로 라디오존데는 75분간 27,100 m까지 관측하였고, 최대로는 108분간 33,800 m를 보였다.
- 국립기상연구소 재해기상연구센터에서는 동해안 강수 메커니즘 규명을 위한 정기적인 특별관측 프로그램을 계획하고 있으며, 그 첫 번째 시도로서 2012년 1월 5일부터 2월 29일까지 겨울철 동해안 특별관측을 수행하였다. 특별관측은 강원지방기상청(북강릉)과 울진기상대에서 라디오존데를 활용한 고층 대기 관측으로 이루어졌다(Fig. 1). 라디오존데를 활용한 특별관측을 수행하여 동해안 영역의 고층 대기 관측 자료를 확보함으로써 동해안 강수 특성 분석 및 수치모델의 자료동화를 통하여 동해안영역 예보 정확도 향상을 기대할 수 있다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 수직측풍장비를 이용하여 연직적·시간적 풍계의 변화량을 분석하였고, Paul et al. (2013)이 적용한 누적수증기량플럭스(Integrated Water Vapor FLUX, IWVFLUX) 산정 방식을 이용하여 가강수량플럭스(Total Precipitable Water FLUX, TPWFLUX)를 계산하였다.
성능/효과
- CASE-1은 중상층까지 풍계의 변화가 일어난 반면 CASE-3은 하층에서만 나타났는데, 이는 동해상으로부터 유입된 기류의 차이에 의한 것으로 판단된다. CASE-1은 하층에서 북풍과 동풍이 지배적으로 나타났으며 시간이 지남에 따라 동풍이 약화되는 것을 볼 수 있었고 상하층간의 풍계의 대립이 뚜렷하였다. CASE-3은 전반적으로 북풍과 서풍이 나타났지만, 하층에서는 남풍과 동풍이 발생하기도 하였다.
- 또한 TPWFLUX의 발생과 소멸이 강수 시점과 상당부분 일치하였다. CASE-3에서 북풍과 북동풍에 의한 TPWFLUX와 강수량의 상관계수는 각각 0.66과 0.50으로 높게 나타났지만 동풍과는 0.28로 연관성이 떨어지는 것 볼 수 있었다. 특히 강수가 TPW의 감소시점에 발생한 것을 고려한다면 북동풍이 강수의 중요한 요소라고 해석된다.
- CASE-3은 하층에서 6ms−1 이하의 동풍과 서풍이 번갈아 발생하였고, 상층에서는 서풍이 우세하게 나타났다.
- 그러나 각각의 기상변수가 강수를 유발 할 수 있는 수준에는 도달하지 못하였고 SRH 가 CAPE 보다 강수량과 유사한 증감을 보였다. TPW는 강수 기간 동안 증가하는 것을 확인 할 수 있었지만 강수 기간 외에도 두 차례의 증가가 나타났고, 이는 TPW가 강수 기간 동안 증가하지만 TPW 만으로 강수의 발생을 판단하기에 무리가 있음을 알 수 있었다. 또 TPWFLUX를 통해 주요한 풍향을 판단해본결과 CASE-1과 CASE-3가 각각 동풍(R=0.
- 특별관측 기간(1월 5일-2월 29일) 동안 총 세 차례의 강수 현상이 나타났고, 각 사례별 지속 기간은 1월 19-21일(CASE-1), 1월 31일-2월 1일(CASE-2), 그리고 2월 25일-26일(CASE-3)이다(Table 1). 강수는 CASE-1 사례에서 가장 오래 지속되었고 다른 사례에 비해 가장 많은 강수량(42mm)을 보였다. 사례별 강수 분포의 특이점을 살펴보면, CASE-1과 CASE-2는 전국적인 강수가 발생한 반면, CASE-3은 태백산맥 동쪽의 영동지역에서만 국지적으로 나타났다.
- 13). 그 결과 강수가 나타났던 CASE-1과 2, 그리고 3에서 TPW가 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한 강수가 발생한 기간 외에도 증가 패턴을 보인 2월 6일과 2월 13일에는 동해안 영역에 강수 예보가 발효되었지만 강수가 발생하지 않았다.
- 그 결과 장비간의 뚜렷한 계통오차는 나타나지 않았고 온도의 경우 약 ±0.5° C, 노점온도는 약 ±1.0° C 범위에서 차이를 나타내었다.
- 대기의 불안정을 나타내는 CAPE와 SRH를 비교해 본 결과, 강수 기간 동안 두 불안정도 모두 증가하는 것을 볼 수 있었다. 그러나 각각의 기상변수가 강수를 유발 할 수 있는 수준에는 도달하지 못하였고 SRH 가 CAPE 보다 강수량과 유사한 증감을 보였다. TPW는 강수 기간 동안 증가하는 것을 확인 할 수 있었지만 강수 기간 외에도 두 차례의 증가가 나타났고, 이는 TPW가 강수 기간 동안 증가하지만 TPW 만으로 강수의 발생을 판단하기에 무리가 있음을 알 수 있었다.
- 이는 하층의 상당온위와 습윤한 영역이 북풍 계열 바람에 영향을 받은 것을 의미한다. 다음으로 동서바람을 살펴보면 CASE-1에서는 약 750 hPa을 기준으로 하층은 동풍, 상층은 서풍이 지배하는 구조가 뚜렷하고, 풍속은 남북바람과 같이 울진에서 크게 관측되었다(Fig. 10). CASE-3은 하층에서 6ms−1 이하의 동풍과 서풍이 번갈아 발생하였고, 상층에서는 서풍이 우세하게 나타났다.
- 이는 동해안 영역의 강수 예보에서 동풍 계열 바람의 중요성을 시사하는 바이다. 대기의 불안정을 나타내는 CAPE와 SRH를 비교해 본 결과, 강수 기간 동안 두 불안정도 모두 증가하는 것을 볼 수 있었다. 그러나 각각의 기상변수가 강수를 유발 할 수 있는 수준에는 도달하지 못하였고 SRH 가 CAPE 보다 강수량과 유사한 증감을 보였다.
- 바람의 경우 전반적으로 서풍과 남풍이 우세하였지만, 강수 기간을 전후로 중하층의 풍계가 동풍과 북풍으로 전향하였다. 동풍 또는 북풍이 발생한 후 7-10시간 후에 강수가 시작되었고, 이러한 바람이 소멸되기 1-2시간을 전후로 강수가 종료됨을 확인하였다. 이는 동해안 영역의 강수 예보에서 동풍 계열 바람의 중요성을 시사하는 바이다.
- 또한 강수가 발생한 기간 외에도 증가 패턴을 보인 2월 6일과 2월 13일에는 동해안 영역에 강수 예보가 발효되었지만 강수가 발생하지 않았다. 두 사례를 확인해본 결과 동해상에 저기압이 위치하였지만 세력이 약하여 빠르게 소멸되었으며, 수직측풍장비를 통해 동풍 계열의 바람이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다 (이 논문에 제시하지 않음). 즉, TPW가 강수가 나타나는 기간에는 뚜렷이 증가함에도 불구하고 강수 현상이 나타나지 않는 것은 수증기 공급 외에 다른 요소(바람장의 변화)가 동해안 영역의 강수 발생에 주요한 요소임을 나타낸다.
- 0° C 범위에서 차이를 나타내었다. 따라서 북강릉과 울진의 다른 기종의 라디오존데 관측 장비를 이용한 분석 결과는 본 연구 목적에 크게 무리가 없는 것으로 판단하였다.
- TPW는 강수 기간 동안 증가하는 것을 확인 할 수 있었지만 강수 기간 외에도 두 차례의 증가가 나타났고, 이는 TPW가 강수 기간 동안 증가하지만 TPW 만으로 강수의 발생을 판단하기에 무리가 있음을 알 수 있었다. 또 TPWFLUX를 통해 주요한 풍향을 판단해본결과 CASE-1과 CASE-3가 각각 동풍(R=0.79)과 북동풍(R=0.66)이 강수 현상과 관계성이 높게 나타났다.
- CASE-1의 경우 동해상에 위치한 저기압의 영향으로 강우가 발생하였고, CASE-3은 동해상으로 확장한 시베리아 고기압에 의해 강설이 나타났다. 라디오존데를 활용하여 고층 대기의 변화를 살펴본 결과 강수 기간 동안 중하층의 상당온위가 상승하여 연직으로 중립적인(또는 안정한) 대기를 형성하는 것을 확인 할 수 있었다. 바람의 경우 전반적으로 서풍과 남풍이 우세하였지만, 강수 기간을 전후로 중하층의 풍계가 동풍과 북풍으로 전향하였다.
- 강수는 CASE-1 사례에서 가장 오래 지속되었고 다른 사례에 비해 가장 많은 강수량(42mm)을 보였다. 사례별 강수 분포의 특이점을 살펴보면, CASE-1과 CASE-2는 전국적인 강수가 발생한 반면, CASE-3은 태백산맥 동쪽의 영동지역에서만 국지적으로 나타났다. 또한 CASE-1에서는 강수가 태백산맥을 경계로 동쪽에 집중되는 반면, CASE-2에서는 태백 및 소백산맥을 경계로 서쪽에서 나타나는 차이를 보였다(Fig.
- 수평바람장의 변화를 통해 동풍과 북풍이 동해안 영역의 강수와 관계가 있는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 11, 12). 북강릉 수직측풍장비의 1004.
- 이는 CASE-1의 경우 상층까지 잘 발달된 따뜻하고 습윤한 대기를 의미하고, CASE-3은 차가운 수증기가 하층에 집중된 대기로 해석된다. 이러한 대기 조성의 차이로 인하여 두 사례에서 다른 유형의 강수(CASE1: 강우, CASE-3: 강설)가 발생한 것으로 판단되고, 이로 인해 CASE-1에서의 강수량과 CAPE가 CASE3보다 높게 나타났다(Fig. 8).
- 그러나 CASE-1에서는 1000 hPa에서 약 750 hPa까지 동풍 계열로 전향하였고, CASE-3의 경우는 강수 시간을 전후로 1000 hPa에서 850 hPa까지의 동풍이 발생하였다. 종합해보면, CASE-1은 상층의 남풍과 하층의 동풍에 의해서 상당온위의 증가가 나타났고, CASE-3는 하층의 북동풍에 의해서 상당온위가 상승한 것으로 판단되며, 이를 확인하기 위하여 다음 절에 CASE1과 CASE-3에 나타난 특성을 자세히 기술하였다.
- 79로 가장 높게 나타났다. 특히 TPW는 강수 발생 전에 증가하여 일정하게 유지된 반면 동풍에 의한 TPWFLUX는 증가와 감소를 나타내었고, 이는 대관령 강수량의 변화와 유사한 것을 확인 할 수 있었다. 또한 TPWFLUX의 발생과 소멸이 강수 시점과 상당부분 일치하였다.
- 특별관측 기간 동안 총 241회의 고층 관측이 수행되었다. 평균적으로 라디오존데는 75분간 27,100 m까지 관측하였고, 최대로는 108분간 33,800 m를 보였다. 그리고 전체의 5-95% 구간에서 60-90분 동안 19,000-31,000 m로 나타났다(Fig.
후속연구
- 1). 라디오존데를 활용한 특별관측을 수행하여 동해안 영역의 고층 대기 관측 자료를 확보함으로써 동해안 강수 특성 분석 및 수치모델의 자료동화를 통하여 동해안영역 예보 정확도 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 특별관측 기간 동안에 나타난 동해안 대기의 특성 변화를 살펴본 후 동해안에서 발생한 세 차례의 강수 사례 중 동해안에 집중적으로 발생한 두 사례에 초점을 맞추어 강수 발생 전후에 나타나는 열역학 불안정(상당온위, CAPE, TPW)과 역학적(SRH, 바람, TPWFLUX) 불안정의 변화를 분석하여 겨울철 동해안 강수의 주요 원인을 분석하였다.
- 또한 다른 기상관측기기를 활용해 추가적인 분석을 수행함으로써 역학적 및 열역학적 변화를 확인하였다. 향후 정기적으로 수행될 특별관측으로 누적될 고해상도의 3차원 자료는 동해안의 중규모 기상현상의 분석과 수치모델의 예측능력 향상에 기여할 수 있을 것이라고 기대한다.
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