겨울철 대관령지역 지형성 구름에 대한 지상기반 구름씨뿌리기 영향 사례연구 A Case Study on the Impact of Ground-based Glaciogenic Seeding on Winter Orographic Clouds at Daegwallyeong원문보기
본 연구에서는 겨울철 대관령지역의 지형성 구름에 대해 인공증설을 위한 구름씨뿌리기(이하 시딩) 영향을 알아보기 위해서 2013년 3월 13일 실험사례를 분석하였다. 지상연소기를 이용하여 기온 $-4^{\circ}C$ 이하, 풍향 $45-130^{\circ}$, 풍속 $5ms^{-1}$ 이하일 때 AgI 입자를 시딩 하였으며 대관령지역에서 적절한 시딩량을 알아보기 위해 $38gh^{-1}$ (SR1)과 $113gh^{-1}$ (SR2)에 대해 실험을 수행하였다. AgI point-source 모듈을 추가한 WRF (Weather Research and Forecast) 수치모의실험을 통해 시딩 물질의 확산장을 알아보았다. 수치모의 결과 과냉각수적이 충분히 존재한 상태에서 실험이 실시되었으며 시딩 물질은 주풍에 따라 이동하는 경향을 보였다. 시딩 효과를 알아보기 위해 안개입자측정기, 강수입자측정기와 광학우적계에서 관측된 자료를 분석하였다. 본 연구사례에서는 빙정핵 시딩에 의해 1 mm 이하 크기의 강수입자 수농도의 증가가 나타났으며 대관령지역에는 SR1 시딩이 더 적절하다고 판단된다.
본 연구에서는 겨울철 대관령지역의 지형성 구름에 대해 인공증설을 위한 구름씨뿌리기(이하 시딩) 영향을 알아보기 위해서 2013년 3월 13일 실험사례를 분석하였다. 지상연소기를 이용하여 기온 $-4^{\circ}C$ 이하, 풍향 $45-130^{\circ}$, 풍속 $5ms^{-1}$ 이하일 때 AgI 입자를 시딩 하였으며 대관령지역에서 적절한 시딩량을 알아보기 위해 $38gh^{-1}$ (SR1)과 $113gh^{-1}$ (SR2)에 대해 실험을 수행하였다. AgI point-source 모듈을 추가한 WRF (Weather Research and Forecast) 수치모의실험을 통해 시딩 물질의 확산장을 알아보았다. 수치모의 결과 과냉각수적이 충분히 존재한 상태에서 실험이 실시되었으며 시딩 물질은 주풍에 따라 이동하는 경향을 보였다. 시딩 효과를 알아보기 위해 안개입자측정기, 강수입자측정기와 광학우적계에서 관측된 자료를 분석하였다. 본 연구사례에서는 빙정핵 시딩에 의해 1 mm 이하 크기의 강수입자 수농도의 증가가 나타났으며 대관령지역에는 SR1 시딩이 더 적절하다고 판단된다.
The purpose of this study was to investigate the impact of ground-based glaciogenic seeding on orographic clouds in the Daegwallyeong area on 13 March, 2013. The experiments was conducted by releasing silver iodide (AgI) under following conditions: surface temperature below $-4^{\circ}C$,...
The purpose of this study was to investigate the impact of ground-based glaciogenic seeding on orographic clouds in the Daegwallyeong area on 13 March, 2013. The experiments was conducted by releasing silver iodide (AgI) under following conditions: surface temperature below $-4^{\circ}C$, wind direction between 45 and $130^{\circ}$, and wind speed less than $5ms^{-1}$. Two seeding rates, $38gh^{-1}$ (SR1) and $113gh^{-1}$ (SR2), were tested to obtain an appropriate AgI ratio for snowfall enhancement in the Daegwallyeong area. Numerical simulations were carried out by using the WRF (Weather Research and Forecast) model with AgI point-source module which predicted dispersion fields of AgI particles. The results indicated that the target orographic clouds contained adequate amount of supercooled liquid water and that the dispersion of AgI particles tended to move along the prevailing wind direction. To validate the seeding effects, the observation data from FM-120 and MPS as well as PARSIVEL disdrometer were analyzed. In this case study, glaciogenic seeding significantly increased the concentration of small ice particles below 1 mm in diameter. The observation results suggest that SR1 seeding be reasonable to use the ground-based seeding in the Daegwallyeong area.
The purpose of this study was to investigate the impact of ground-based glaciogenic seeding on orographic clouds in the Daegwallyeong area on 13 March, 2013. The experiments was conducted by releasing silver iodide (AgI) under following conditions: surface temperature below $-4^{\circ}C$, wind direction between 45 and $130^{\circ}$, and wind speed less than $5ms^{-1}$. Two seeding rates, $38gh^{-1}$ (SR1) and $113gh^{-1}$ (SR2), were tested to obtain an appropriate AgI ratio for snowfall enhancement in the Daegwallyeong area. Numerical simulations were carried out by using the WRF (Weather Research and Forecast) model with AgI point-source module which predicted dispersion fields of AgI particles. The results indicated that the target orographic clouds contained adequate amount of supercooled liquid water and that the dispersion of AgI particles tended to move along the prevailing wind direction. To validate the seeding effects, the observation data from FM-120 and MPS as well as PARSIVEL disdrometer were analyzed. In this case study, glaciogenic seeding significantly increased the concentration of small ice particles below 1 mm in diameter. The observation results suggest that SR1 seeding be reasonable to use the ground-based seeding in the Daegwallyeong area.
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문제 정의
위 연구에서는 관측장비의 부재로 실험지역을 소규모 구름챔버(cloud chamber)로 가정하여 실험지역 내의 적설변화만을 분석하였다. 그러므로 본 연구에서는 2013년 3월 13일에 수행된 인공증설 지상실험 사례를 대상으로 시딩에 의한 강수입자 크기 및 수농도 등 구름미세물리 변화에 초점을 맞추어 분석하였고 수치모의를 통해 시딩 물질의 확산 및 영향 범위에 대해 시공간적으로 살펴보았다.
제안 방법
Finnegan and Pitter (1988)는 시딩 후 지상연소기에서 30 m (10초 이동거리) 떨어진 지점에서 손전등을 비추었을 때 많은 수의 매우 작은 빙정(ice crystal)을 눈으로 확인하였으며 시딩 후 30분 동안 50-100 m 거리에서 산발적인 빙정플룸(ice plume)을 추적하였다. 그러므로 본 연구에서는 지상연소기에서 약 40 m 떨어진 곳에 설치된 안개입자측정기(Fog Monitor, FM-120), 강우입자측정기(Meteorological Particle Spectrometer, MPS)와 약 18 m 떨어진 광학 우적계(Particle size and velocity disdrometer, PARSIVEL)에서 관측된 강수입자 수농도 변화를 분석하였다. 또한 시딩 지점에서 약 9 km 떨어진 YP의 PARSIVEL에서 관측된 강수입자 크기 및 수농도 분석을 통해 시딩 효과에 대해 살펴보았다.
본 연구에서는 대관령지역에 적절한 시딩량을 알아보기 위해 38 g h−1(seeding rate 1, SR1)과 113 g h−1(seeding rate 2, SR2)로 나누어 실험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 인공증설을 위한 구름씨뿌리기 영향을 알아보기 위해 대관령지역 지형성 구름에 대하여 2013년 3월 13일에 수행한 지상실험 사례를 분석하였다. WRF 수치모의 결과 과냉각수적이 풍부한 상태에서 실험이 실시되었으며, AgI 시딩 후 약 20-30분 이후에 YP 지점까지 확산되며 시딩이 끝난 30분 이후 까지 영향을 미칠 것으로 모의되었다.
빙정핵 시딩에 의한 대상구름의 미세물리적인 변화를 알아보기 위해 입자크기별 수농도(particle number concentration) 변화를 분석하였다. Fig.
9oE)의수직측풍기(wind profiler)에서 관측된 기상실황과 연직바람장을 참고하였다. 지상연소기를 이용한 시딩은 대관령 구름물리선도센터(cloud physics observatory, CPO; 37.7oN, 128.7oE)에서 수행하였으며, 시딩에 의한 효과를 알아보기 위해 CPO 및 용평사이트(Yongpyong, YP; 37.6oN, 128.7oE)의 관측자료를 분석하였다.
대상 데이터
Fig. 1은 인공증설 지상실험을 수행하고 있는 대관령 지역의 지형도와 수치모의에 따른 도메인 영역 및 강릉과 실험지역인 대관령, 용평까지 연직 단면도이다. 실험 전 기상상황을 알아보기 위해 강원지방기상청(Bukgangneung, BGN; 37.
미세한 AgI 입자를 생성하기 위해서 Vonnegut(1950)가 제안한 아세톤 연소기가 사용되었으며, 작동원리는 AgI를 기화시킨 다음 냉각시켜 평균 직경1 µm 미만의 에어러솔 입자들을 만드는 것이다. 분말 형태의 AgI는 아세톤에 녹지 않기 때문에 본 연구에서는 촉매제로 요오드화암모늄(NH4I)를 사용하였다. AgI-NH4I-아세톤 용액은 연소되면서 미세한 AgI 입자와 수증기를 공기 중에 내보내는데 연소로 방출되는 수증기로 인해 일시적으로 과포화상태가 된다.
1은 인공증설 지상실험을 수행하고 있는 대관령 지역의 지형도와 수치모의에 따른 도메인 영역 및 강릉과 실험지역인 대관령, 용평까지 연직 단면도이다. 실험 전 기상상황을 알아보기 위해 강원지방기상청(Bukgangneung, BGN; 37.8oN, 128.8oE)의 자동 기상관측장비(automated synoptic observing system, ASOS)와 강릉(Gangneung, GN; 37.7oN, 128.9oE)의수직측풍기(wind profiler)에서 관측된 기상실황과 연직바람장을 참고하였다. 지상연소기를 이용한 시딩은 대관령 구름물리선도센터(cloud physics observatory, CPO; 37.
지상실험 사례일의 연직 바람장을 알아보기 위해 GN의 수직측풍기 관측 자료를 사용하였다. 수직측풍기는 연직으로 높은 해상도와 함께 매 10분마다 관측을 실시하여 경계층 및 하층 대기의 흐름을 상세하게 관측하는 장비로 관측 원리는 Imai et al.
데이터처리
그러므로 본 연구에서는 지상연소기에서 약 40 m 떨어진 곳에 설치된 안개입자측정기(Fog Monitor, FM-120), 강우입자측정기(Meteorological Particle Spectrometer, MPS)와 약 18 m 떨어진 광학 우적계(Particle size and velocity disdrometer, PARSIVEL)에서 관측된 강수입자 수농도 변화를 분석하였다. 또한 시딩 지점에서 약 9 km 떨어진 YP의 PARSIVEL에서 관측된 강수입자 크기 및 수농도 분석을 통해 시딩 효과에 대해 살펴보았다.
이론/모형
미세한 AgI 입자를 생성하기 위해서 Vonnegut(1950)가 제안한 아세톤 연소기가 사용되었으며, 작동원리는 AgI를 기화시킨 다음 냉각시켜 평균 직경1 µm 미만의 에어러솔 입자들을 만드는 것이다. 분말 형태의 AgI는 아세톤에 녹지 않기 때문에 본 연구에서는 촉매제로 요오드화암모늄(NH4I)를 사용하였다.
1 참조). 분석도메인 D2영역을 상세모의하기 위해 1 way-nesting기법을 적용하였다. 연직층은 지형을 따르는 시그마 면상에서 39개의 층으로 설정하였으며, 경계층(boundary layer)에서 최상단 기압은 50 hPa이다.
, 2008). 시딩 물질의 확산 및 영향범위를 살펴보기 위해서 Morrison 구름미세물리 방안(Morrison et al., 2009)에 AgI point-source 모듈을 추가하여 AgI의 수농도를 예단하였다. 행성경계층은 PBL (Planetary Boundary Layer) 꼭대기에 entrainment layer를 취급하는 YSU 방안(Yonsei University scheme)을 사용하였다(Hong et al.
이 사례 연구를 위하여 미국 대기연구소에서 개발한 중규모 기상모델인 WRF (Weather Research and Forecasting) V3.4를 이용하였다(Skamarock et al., 2008). 시딩 물질의 확산 및 영향범위를 살펴보기 위해서 Morrison 구름미세물리 방안(Morrison et al.
, 2006). 장파복사 과정은 RRTM(Rapid Radiative Transfer Model; Malwer et al., 1997)을, 단파복사과정은 Goddard shortwave radiation(Chou and Suarez, 1994) 기법을 선택하였다(Table 1).
, 2009)에 AgI point-source 모듈을 추가하여 AgI의 수농도를 예단하였다. 행성경계층은 PBL (Planetary Boundary Layer) 꼭대기에 entrainment layer를 취급하는 YSU 방안(Yonsei University scheme)을 사용하였다(Hong et al., 2006). 장파복사 과정은 RRTM(Rapid Radiative Transfer Model; Malwer et al.
성능/효과
WRF 수치모의 결과 과냉각수적이 풍부한 상태에서 실험이 실시되었으며, AgI 시딩 후 약 20-30분 이후에 YP 지점까지 확산되며 시딩이 끝난 30분 이후 까지 영향을 미칠 것으로 모의되었다. FM-120, MPS, PARSIVEL를 이용한 관측 결과 시딩 기간에 1 mm 이하 크기 입자의 수농도 증가를 보여 시딩에 의한 효과를 확인하였다.
3 mm 보다 큰 입자의 수농도가 감소하여 과다시딩(over seeding)으로 판단되며 SR1이 더 효과적임을 알 수 있다. YP의 PARSIVEL에서 관측한 수농도와 평균 입자크기 변화를 보면 시딩 전에 비해 수농도가 증가하고 평균 입자크기가 커져 시딩에 의한 증설 가능성을 확인하였다. 본 연구는 2013년 3월 13일에 대한 결과이므로 추가 실험 사례를 분석할 것이며, 향후 실험에서는 2015년 4월에 YP에 설치된 레이저 적설계관측 자료를 사용하여 정량적인 분석도 이루어질 것이다.
) 시딩 실험을 수행하였다. 그 결과 SR2는 시딩이 끝난 후 10 µm 이하의 작은 입자의 수농도가 증가하는 반면 0.3 mm 보다 큰 입자의 수농도가 감소하여 과다시딩(over seeding)으로 판단되며 SR1이 더 효과적임을 알 수 있다. YP의 PARSIVEL에서 관측한 수농도와 평균 입자크기 변화를 보면 시딩 전에 비해 수농도가 증가하고 평균 입자크기가 커져 시딩에 의한 증설 가능성을 확인하였다.
후속연구
이때 수농도 감소의 원인이 상대적으로 강한 풍속에 의해 생성된 빙정입자들이 이류하여 관측이 되지 않은 것인지 또는 전 실험인 Exp. 2의 과다시딩(overseeding)에 의한 영향인지는 판단이 어려워 이를 검증하기 위한 추가 실험이 필요하다.
YP의 PARSIVEL에서 관측한 수농도와 평균 입자크기 변화를 보면 시딩 전에 비해 수농도가 증가하고 평균 입자크기가 커져 시딩에 의한 증설 가능성을 확인하였다. 본 연구는 2013년 3월 13일에 대한 결과이므로 추가 실험 사례를 분석할 것이며, 향후 실험에서는 2015년 4월에 YP에 설치된 레이저 적설계관측 자료를 사용하여 정량적인 분석도 이루어질 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공증우(설) 관련 최초의 기상조절실험은 무엇인가?
인공증우(설)은 구름층은 형성되어 있으나 대기 중에 구름씨 역할을 하는 빙정핵(ice nuclei, IN) 또는 구름응결핵(cloud condensation nuclei, CCN)이 적어 구름방울이 빗방울로 성장하지 못할 때 인공의 구름씨뿌리기(seeding, 이하 시딩)를 통해 구름발달과 강수응결을 활성화시켜 더 많은 강수를 내리게 하거나 다른 지역에 강수를 미리 내리게 하는 기술이다. 최초의 기상조절실험은 Schaefer (1946)에 의해 수행되었는데 항공기를 이용하여 과냉각된 층적운 구름에 드라이아이스(dry ice)를 뿌려 과냉각된 물방울을 빙정으로 성장시키는 것이 가능하다는 사실을 밝혀냈다. 인공증우(설)는 구름온도에 따른 강수 형성과정에 따라 차가운 구름(0oC 이하)에는 요오드화은(silver iodide, AgI)이나 드라이아이스 같은 빙정핵을 살포하여 구름 속 과냉각 물 입자를 얼음으로 바꿔 빙정을 생산하거나 강화시켜 강수를 유발한다.
인공증우(설)란 무엇인가?
인공증우(설)은 구름층은 형성되어 있으나 대기 중에 구름씨 역할을 하는 빙정핵(ice nuclei, IN) 또는 구름응결핵(cloud condensation nuclei, CCN)이 적어 구름방울이 빗방울로 성장하지 못할 때 인공의 구름씨뿌리기(seeding, 이하 시딩)를 통해 구름발달과 강수응결을 활성화시켜 더 많은 강수를 내리게 하거나 다른 지역에 강수를 미리 내리게 하는 기술이다. 최초의 기상조절실험은 Schaefer (1946)에 의해 수행되었는데 항공기를 이용하여 과냉각된 층적운 구름에 드라이아이스(dry ice)를 뿌려 과냉각된 물방울을 빙정으로 성장시키는 것이 가능하다는 사실을 밝혀냈다.
대체수자원 확보의 방안에는 어떤 것들이 있는가?
, 2011). 자연으로부터의 수자원이 제한되어 있는 상황에서 대체수자원 확보의 방안으로 댐 건설, 강변여과수, 해수담수화, 해양심층수, 인공증우(설) 등이 있다. 이 중 인공증우(설)는 개발에 따른 환경문제를 최소화하며 비교적 적은 비용으로 수자원을 확보하고 가뭄 피해를 줄이는 방안이 될 수 있다(Korea Water Resources Corporation, 1998).
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