[논문]X밴드 이중편파레이더를 활용한 고양 토네이도 발생 사례 분석: 2014년 6월 10일

정종훈; 김연희; 오수빈; 임은하; 주상원

doi:10.14191/atmos.2016.26.1.047

X밴드 이중편파레이더를 활용한 고양 토네이도 발생 사례 분석: 2014년 6월 10일
Investigation of Goyang Tornado Outbreak Using X-band Polarimetric Radar: 10 June 2014 원문보기

대기 = Atmosphere, v.26 no.1, 2016년, pp.47 - 58

정종훈 (기상청 국립기상과학원 수치자료응용과) , 김연희 (기상청 국립기상과학원 응용기상연구과) , 오수빈 (기상청 국립기상과학원 수치자료응용과) , 임은하 (기상청 국립기상과학원 관측기반연구과) , 주상원 (기상청 국립기상과학원 수치자료응용과)

Abstract ▼ AI-Helper

On 10 July 2014, tornado outbreak occurred over Goyang province in Korea. This was the first supercell tornado ever reported or documented in Korea. The characteristics of the supercell tornado were investigated using an X-band polarimetric radar, surface meteorological observation, wind profiler, and operational numerical weather prediction (Regional Data Assimilation and Prediction System, RDAPS). The supercell tornado developed along a preexisting dryline that was contributed to surface wind shear. The radar analyses examined here show that the supercell tornado indicated a hook echo with mesocyclone. The decending reflectivity core as well was detected before tornadogenesis and prior to intensification of supercell. The supercell tornado exhibited characteristics similar to typical supercell tornado over the Great Plains of the United States, such as hook echo, bounded weak echo region, and slower movement speed relative to the mean wind. Compared to the typical supercell tornado over U.S., this tornado showed horizontal scale of the mesocyclone was relatively smaller and left-mover.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

수퍼셀 토네이도의 발생에 관한 중규모 환경장 분석을 위해서 기상청 지역규모모델 자료를 사용하였으며, KICT X밴드 이중편파레이더를 이용하여 수퍼셀 토네이도의 형성, 발달에 관한 상세한 분석을 실시하였다. 또한 국외 수퍼셀 토네이도 사례들과 비교하여 국내 내륙에서 형성된 수퍼셀 토네이도의 특성에 관하여 연구하였다. 관련 연구내용들의 요약은 다음과 같으며, 이를 모식도로 나타내었다(Fig.
KICT의 X밴드 이중편파레이더는 수평관측(Plan Position Indicator; PPI) 및 연직단면관측(Range Height Indicator; RHI) 모드의 활용을 통해 본 토네이도 사례에 대한 고해상도의 입체적 관측자료를 수집하였다. 이에 본 연구에서는 이중편파레이더 및 지상관측자료와 지역규모모델 자료를 이용하여 한반도 내륙에서 발생한 수퍼셀 토네이도의 형성 및 발달에 관한 분석을 수행하였다.

제안 방법

WEH는 훅에코 인근에서 발생되는 토네이도의 강한 저기압성 회전에 의한 원심력으로 형성될 수 있으며, 토네이도 인근 지역에서 발생하기 때문에 토네이도의 이동 및 속도를 산출에 활용 가능하다. 따라서 레이더 시선속도와 WEH를 활용하여 수퍼셀에 동반된 토네이도를 구분하는 기준으로 활용하여 국외에서 발생한 토네이도의 위치 및 강도와 비교하였다.
수상체의 이류는 훅에코의 전면으로 상대적으로 약한 반사도 영역(bounded weak echo region, BWER)에서 발생되는 강한 상승류에 의해 형성되었다. 또한 1032 UTC에 훅에코의 후면으로 약한 반사도가 링 모양으로 형성되는 weak-echo hole(WEH)를 관측하였다(e.g., Wakimoto and Martner, 1992; Wakimoto et al., 2011; Tanamachi et al., 2012). WEH는 훅에코 인근에서 발생되는 토네이도의 강한 저기압성 회전에 의한 원심력으로 형성될 수 있으며, 토네이도 인근 지역에서 발생하기 때문에 토네이도의 이동 및 속도를 산출에 활용 가능하다.
수직측풍장비는 토네이도를 유발한 수퍼셀과 강수시스템 발달에 관한 대기경계층내의 수평바람 분석에 활용하였다. 또한 수퍼셀 토네이도 발생지점 인근의 지상관측자료(Fig. 1, 원)를 활용하여 수퍼셀 형성에 관한 지상 바람, 습도 분석에 활용하였다.
레이더 수평 및 연직 관측자료는 Cressman 가중함수를 활용하여 0.1 km 간격으로 내 · 외삽한 격자자료로 변환하였고, 영향반경은 0.15 km로 설정하였다.
레이더 시선속도 자료의 velocity couplet과 WEH의 자료를 활용하여 토네이도의 위치 및 강도를 분석한결과, 형성된 토네이도는 18분 동안(1027~1045 UTC)KICT 레이더에서 관측되었다(Figs. 5 and 9). 토네이도는 고양시 일산에서 발생하여 약 1.
Figure 6은 KICT 레이더의 1분 간격의 5^o , 6^o 고도각의 수평관측 반사도와 시선속도를 시계열로 나타낸 그림이다. 반사도와 시선 속도의 증가에 따라 다음과 같은 단계들로 구분하였고(Fig. 6), 각각의 단계에서 나타나는 관측특성을 다음과 같이 분석하였다.
)이다. 본 연구에서는 레이더 자료의 품질관리를 위하여 이중편파로부터 레이더 총 수신 전력비로 계산되는 NCP(Normalized Coherent Power) 0.6 이하, 신호대잡음비(Signal to Noise-Ratio; SNR) 5 dB 이하의 자료를 제거하였다. 또한 강수시스템 분석에 활용되는 Z_H, V_D는 ρ_HV 0.
수직 측풍장비는 토네이도 발생 지점으로부터 약 20 km 북쪽에 설치되어 있으며, Low mode의 연직 5 km까지 수평 풍향, 수평 풍속, 연직바람, 신호대잡음비 등의 변수들을 연직고도 70~80 m 간격으로 매 10분마다 제공한다. 수직측풍장비는 토네이도를 유발한 수퍼셀과 강수시스템 발달에 관한 대기경계층내의 수평바람 분석에 활용하였다. 또한 수퍼셀 토네이도 발생지점 인근의 지상관측자료(Fig.
2014년 6월 10일 고양시 일산에서 수퍼셀에 동반된 토네이도가 발생하여 많은 재산 피해를 유발하였다. 수퍼셀 토네이도의 발생에 관한 중규모 환경장 분석을 위해서 기상청 지역규모모델 자료를 사용하였으며, KICT X밴드 이중편파레이더를 이용하여 수퍼셀 토네이도의 형성, 발달에 관한 상세한 분석을 실시하였다. 또한 국외 수퍼셀 토네이도 사례들과 비교하여 국내 내륙에서 형성된 수퍼셀 토네이도의 특성에 관하여 연구하였다.
수퍼셀 토네이도의 종관 환경을 분석하기 위해서 COMS 적외영상과 지상 관측 자료를 병합한 일기도를 사용하였다(Fig. 2). 수퍼셀 토네이도의 형성 1시간 이전인 0900 UTC에 한반도 서쪽에 위치한 저기압의 영향으로 서해안 지역으로는 서풍, 남서풍이 지배적이며, 북동쪽에 위치한 고기압의 영향으로 내륙지역으로는 동풍, 북동풍의 지상 바람이 지배적이다.
수퍼셀은 KICT 레이더로부터 3 km 떨어진 곳에서 형성되었으며, 15분 이내에 최대 반사도 60.2 dBZ을 관측하였다. 형성된 수퍼셀은 환경 바람의 낮은 풍속의 영향으로 상대적으로 느린 이동속도(< 2 m s⁻¹ )로북서쪽으로 이동한 것으로 판단되며, 그러한 원인은 파주 수직측풍장비의 관측자료에서 분석한 환경 바람의 낮은 풍속의 영향으로 판단된다.
Figure 1은 KICT 레이더의 위치(별표)와 관측 반경을 나타내었다. 토네이도 분석에 활용 된 KICT 레이더의 주사모드는 매 1분마다 5^o , 6^o 수평관측(Plan Position Indicator; PPI)을 실시하며, 매 10분마다 연직단면관측(Range Height Indicator; RHI)을 18^o도 간격으로 20개(17^o, 35^o, 53^o , 71^o, 89^o , 107^o , 125^o ,143^o , 161^o , 179^o , 197^o , 215^o , 233^o , 251^o , 267^o , 287^o ,305^o , 323^o, 341^o , 359^o ) 방위각 방향에서 수행한다. RHI 관측은 고도각을 0~180^o 회전하여 관측하며, 5분 간격의 3차원 볼륨관측자료를 생산한다(KICT, 2014).
훅에코의 형성은 사전연구에서 수퍼셀이 발생되는 강한 강수의 이류에 의한 형성(Fujita, 1958)과 강한 대류의 주변에서 발생되는 회전성 흐름에 의해 발생 함을 제시하였으며(Fulks, 1962), 본 연구 사례에서의 훅에코 형성은 최대 반사도(> 60 dBZ)가 발생하는 지역에서의 시선속도 자료에서 8 m s−1 이상의 북동풍이 강화되어, 수상체의 이류에 의한 효과가 클 것으로 판단된다(Fig. 9b).

대상 데이터

2014년 6월 10일 발생한 수퍼셀에 동반된 토네이도의 발달 환경 및 특성을 분석하기 위해 정지궤도 천리안 통신해양기상위성(Communication, Ocean, and Meteorological Satellite; COMS)의 적외 영상을 사용하였다. 토네이도와 수퍼셀의 시 · 공간 고해상도의 분석을 위하여, KICT에서 운영되는 X밴드 이중편파 레이더(위도: 37.
2014년 6월 10일 한반도의 내륙에 위치한 경기도 고양시 일산에서 수퍼셀에 동반된 토네이도가 이례적으로 발생하였고, 화훼농가와 비닐하우스 40여 동을 파손하여 소방방재청 추산 약 15억원의 재산 및 인명피해를 유발하였다. 고양에서 발생한 토네이도는 이전의 용오름 사례와는 달리 지상관측자료의 활용이 가능하며, 특히 형성에서 소멸까지 약 18분 정도 지속되는 동안 건설기술연구원(Korea Institute of Civil engineering and building Technology; KICT)에서 운영하는 X밴드 이중편파레이더에서 관측되었다(KICT, 2014).
수퍼셀에 동반된 토네이도의 이동, 강도, 크기 등에 관한 특성을 분석하기 위하여 KICT의 X밴드 이중편파레이더를 활용하였다. KICT 레이더는 형성된 수퍼셀 토네이도 발생 지점으로부터 남동쪽으로 약 5.3 km 떨어진 곳에 위치하고 있으며(Fig. 5), 수평 및 연직 레이더 관측을 통하여 수퍼셀의 형성 및 발달에서부터 토네이도의 형성, 발달, 소멸에 관한 자료를 획득하였다. 토네이도의 위치는 1분 간격의 PPI 관측자료에서 레이더 관측 시선속도가 양, 음의 값으로 반복 관측(Doppler velocity couplet, Ryzhkov et al.
고양에서 발생한 토네이도는 이전의 용오름 사례와는 달리 지상관측자료의 활용이 가능하며, 특히 형성에서 소멸까지 약 18분 정도 지속되는 동안 건설기술연구원(Korea Institute of Civil engineering and building Technology; KICT)에서 운영하는 X밴드 이중편파레이더에서 관측되었다(KICT, 2014). KICT의 X밴드 이중편파레이더는 수평관측(Plan Position Indicator; PPI) 및 연직단면관측(Range Height Indicator; RHI) 모드의 활용을 통해 본 토네이도 사례에 대한 고해상도의 입체적 관측자료를 수집하였다. 이에 본 연구에서는 이중편파레이더 및 지상관측자료와 지역규모모델 자료를 이용하여 한반도 내륙에서 발생한 수퍼셀 토네이도의 형성 및 발달에 관한 분석을 수행하였다.
구름무리 형성에 관한 중규모 분석을 위하여 지역 규모모델(Regional Data Assimilation and Prediction System; RDAPS) 950 hPa에서의 지위고도, 포화상당 온위(θe), 수평바람을 사용하였다(Fig. 3).
, 2014; Snyder and Bluestein, 2014). 또한 중국(Meng and Yao, 2014)과 일본(Suzuki et al., 2000)의 일부 평원지역에서 토네이도가 관측 되었고, 관측 자료를 활용한 사례 분석이 진행되었다.
수퍼셀에 동반된 토네이도의 이동, 강도, 크기 등에 관한 특성을 분석하기 위하여 KICT의 X밴드 이중편파레이더를 활용하였다. KICT 레이더는 형성된 수퍼셀 토네이도 발생 지점으로부터 남동쪽으로 약 5.
연구에 활용된 X밴드 이중편파레이더는 9.41GHz로 수평 및 수직 편파를 연속적으로 송 · 수신하며, 약 60 m 간격으로 40 km의 반경을 관측한다.
토네이도 발생에 관한 환경 바람장 분석을 위하여 파주에 설치된 수직측풍장비(위도: 37.89^oN, 경도:126.77^oE) 자료를 사용하였다(Fig. 1, 삼각형). 수직 측풍장비는 토네이도 발생 지점으로부터 약 20 km 북쪽에 설치되어 있으며, Low mode의 연직 5 km까지 수평 풍향, 수평 풍속, 연직바람, 신호대잡음비 등의 변수들을 연직고도 70~80 m 간격으로 매 10분마다 제공한다.
토네이도와 수퍼셀의 시 · 공간 고해상도의 분석을 위하여, KICT에서 운영되는 X밴드 이중편파 레이더(위도: 37.67oN, 경도: 126.74oE)를 사용하였다.

성능/효과

KICT 레이더로부터 수퍼셀은 훅에코, 수퍼셀에서 관측된 상대적으로 약한 반사도 지역(BWER), 훅에코의 후면의 링 모양의 약한 반사도 지역(WEH)의 형태학적 특성을 관측하였으며, 또한 레이더 연직 관측자료에서 DRC가 수퍼셀 토네이도의 후면에서 하층으로 하강함으로써 훅에코의 형성과 저층의 회전을 강화함으로써 중규모저기압의 형성에 큰 역할을 함을 보였다.
8b), 이후에 훅에코, 중규모저기압을 형성하였다. 따라서 DRC는 사전연구 결과와 비교하여 강도는 상대적으로 낮게 발생하였지만, 본 사례의 수퍼셀 토네이도 형성 및 발달에 중요한 역할을 한 것으로 판단된다.
따라서 구름무리는 고기압, 저기압의 경계에서 상대적으로 강한 수평 윈드쉬어(> 5 m s−1 , Fig. 3, 점선)에 평행하게 발달하였고, 이는 수퍼셀 토네이도 후면을 포함하여, 서쪽 해안선을 따라 중부지방에서부터 남부지방으로 길게 형성되었다.
본 연구에서는 KICT X밴드 이중편파레이더를 활용하여 수퍼셀 토네이도의 형태학적 특성에 관하여 상세히 기술하였지만, 형성 원인에 관한 연구가 추가적으로 필요하다. 또한 토네이도는 국외 사례와의 비교를 통해 왼쪽으로 이동하는 특성을 보였다. 따라서 향후 수치모델을 이용한 모의실험을 통하여 토네이도의 형성 원인 및 이동에 관한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
또한 한반도 서해안의 저기압은 서풍, 남서풍에 의해 저위도에서부터의 온난, 습윤한 공기를 한반도 지역으로 공급하며, 특히 불안정한 공기의 유입으로 서해안 지역에 330 K 이상의 상대적으로 높은 포화상당 온위 분포가 나타났다. 반면에 한반도 내륙지역으로 동풍, 북동풍에 의해 상대적으로 건조한 공기가 이류되었다.
수퍼셀 강수시스템이 형성되는 시기인 1017 UTC에서의 PPI 관측자료에서 15 dBZ 이하의 낮은 반사도를 관측하였지만, 강수시스템의 후면 훅에코(hook echo) 발달 지역의 연직 RHI 관측 자료에서 6~9 km에서 반사도(> 35 dBZ) 이상의 상대적으로 강한 영역이 관측되었다(Fig. 8a).
지상바람은 평균 5 m s−1 이하의 북풍, 북동풍이 지배적이며, 건조선이 형성된 지역으로 약한 수렴을 나타내었다.

후속연구

또한 토네이도는 국외 사례와의 비교를 통해 왼쪽으로 이동하는 특성을 보였다. 따라서 향후 수치모델을 이용한 모의실험을 통하여 토네이도의 형성 원인 및 이동에 관한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 KICT X밴드 이중편파레이더를 활용하여 수퍼셀 토네이도의 형태학적 특성에 관하여 상세히 기술하였지만, 형성 원인에 관한 연구가 추가적으로 필요하다. 또한 토네이도는 국외 사례와의 비교를 통해 왼쪽으로 이동하는 특성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수퍼셀의 특징은 무엇인가?	수퍼셀(supercell)은 강한 회전성의 연직 상승 바람을 동반하는 독립된 뇌우구름으로, 돌풍, 우박, 집중 호우 등을 동반하며 평균 15분 이상 지속된다(Brown and Lemon, 1976). 이러한 수퍼셀에 동반된 토네이도(tornado)는 강한 회전성의 공기 기둥으로, 50 m s−1에달하는 강한 바람을 발생시켜 많은 인명 및 재산피해를 유발한다(Fujita, 1981).
	토네이도 형성에 있어 필수적인 요소는 무엇인가?	이러한 수퍼셀에 동반된 토네이도(tornado)는 강한 회전성의 공기 기둥으로, 50 m s−1에달하는 강한 바람을 발생시켜 많은 인명 및 재산피해를 유발한다(Fujita, 1981). 토네이도의 형성을 위해서는 일반적으로 강한 윈드쉬어(wind shear)와 대기불안정(instability)이 필수적이라고 알려져 있으며(Barber and Mahrt, 1981; Doswell, 2001), 그러한 원인으로 대부분의 토네이도는 주로 평원지역에서 관측되었다. 미국의 경우, 서부 대평원을 중심으로 토네이도가 빈번히 발생하여, 관측자료와 수치모델을 활용한 토네이도의 구조 및 형성에 관한 연구가 오래 전부터 수행되어 왔으며(Davies-Jones et al.
	X밴드 이중편파 레이더가 S, C밴드 레이더에 비해 가지는 장점은 무엇인가?	74oE)를 사용하였다. X밴드 레이더는 S, C밴드 레이더에 비해 시간 및 공간적으로 고해상도 관측하므로 강수시스템 분석에 더용이하다. 연구에 활용된 X밴드 이중편파레이더는 9.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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