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문제 정의
- 앞서 하천의 증발은 안개를 지속하게 하는 원인으로 판단하였고, 하천 주변의 지형적 특성은 증발이 발생하기 쉬운 환경을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 증발량의 정량적 분석을 위해 안개 발생일과 비발생일의 증발량을 추정해보고자 하였다. 안개 사례는 가을에 집중적으로 나타나기 때문에 2013년-2015년 동안 9월과 10월을 대상으로 선정하였다.
제안 방법
- 2) 이러한 현상의 기상인자의 물리적 특징을 알아 보고자 안개 발생 전후의 기상과 난류에너지 특징을 비교분석하였다. 안개 발생 후 기온, 풍속, 난류운동 에너지는 증가하고, 이러한 원인은 증발로 인해 대기에 증발잠열이 방출되어 난류운동을 증가하기 때문이다.
- 본 연구는 PM법과 Bulk법의 증발량 추정식을 이용하여 낙동강 구미지역에서 발생한 증발량을 추정하였고 안개 발생일과 비발생일의 증발량 차이를 분석하였다. 또한, 이를 통해 하천 지역에서 발생하는 안개의 물리적 매커니즘 특성을 알아보고자 지형 특성에 따른 기상 인자와 난류을 분석하였다.
- 본 연구는 PM법과 Bulk법의 증발량 추정식을 이용하여 낙동강 구미지역에서 발생한 증발량을 추정하였고 안개 발생일과 비발생일의 증발량 차이를 분석하였다. 또한, 이를 통해 하천 지역에서 발생하는 안개의 물리적 매커니즘 특성을 알아보고자 지형 특성에 따른 기상 인자와 난류을 분석하였다.
- 본 연구에서는 2013년부터 2015년까지 구미보 인근에서 발생한 안개 발생 전후의 기상특징과 증발량을 추정하여 안개 지속에 대한 물리적 매커니즘 분석을 수행하였고, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 안개 발생 후 기온, 풍속, 난류운동 에너지는 증가하고, 이러한 원인은 증발로 인해 대기에 증발잠열이 방출되어 난류운동을 증가하기 때문이다. 안개 내부의 난류는 난류운동에너지를 이용하여 확인할 수 있으며 9월과 11월 안개 사례를 통해 난류운동에너지와 풍속을 살펴보았다. 난류운동에너지가 0.
- 이러한 결과를 바탕으로 안개 비발생일과 발생일은 Bulk법으로 추정한 증발량을 시간별로 비교하였다(Fig. 4). 안개 발생일의 증발량은 시간이 지날수록 점차 증가하다가 해뜨기 직전인 06 LST와 07 LST에서 최대 증발량을 보이고 이후 점차 증발량이 줄어드는 경향이 나타났다.
- 안개 발생 후 풍속 증가의 원인은 안개 내부에서 난류가 발달되었기 때문에 나타난 현상으로 판단되며 여러 난류 인자들 중 난류 운동 에너지(TKE: Turbulent Kinetic Energy)를 이용하여 난류 강도를 확인 할 수 있다. 이를 위해 2013년부터 2015년 사이 발생한 안개 사례 중에서 결측 기간이 없는 2013년 9월 20일과 2014년 11월 23일의 안개 사례를 통해 안개 내부에 발생한 난류에너지를 살펴보았다(Fig. 7). 9월 20일 사례에서는 02 LST부터 09 LST까지 7시간 동안 안개가 지속되었으며 11월 23일 사례는 0330 LST에서 시작되어 1030 LST까지 안개가 유지되었다.
- PM법을 이용한 증발량을 계산하기 위해서는 여러 기상요소들 중에 순복사 변수가 필요하다. 이를 충족하는 지점은 플럭스 타워가 설치된 G4와 G7 지점이었고, 두 지점의 기상요소는 풍향을 제외한 나머지 기상인자의 상관관계가 0.8-0.9로 높게 나타났기 때문에 하천에서 가장 가까운 G4 지점을 대표 지점으로 선택하여 연구를 수행하였다.
대상 데이터
- 1. Observation sites near Gumi at the Nakdong river.
- , 2006). 본 연구에서는 높이 4m에 설치된 시정계로 직접 관측 방법을 사용하였으며, 수평시야 1 km 미만으로 플럭스 타워 G4, G7에서 동시에 발생한 경우를 안개 사례로 선정하였다.
- 이러한 증발량의 정량적 분석을 위해 안개 발생일과 비발생일의 증발량을 추정해보고자 하였다. 안개 사례는 가을에 집중적으로 나타나기 때문에 2013년-2015년 동안 9월과 10월을 대상으로 선정하였다. 총 183일 동안 안개일은 49일이었으며, 비안개일은 134일로 분류되었다.
- 연구 대상 지역은 약 300-500 m의 강폭과 6 m 이상의 수심으로 이루어진 낙동강 중류 지역으로 2조의 플럭스 타워와 10조의 AWS (Automatic Weather system)가 운용되었으며, 구미보에서 북쪽으로 1 km 떨어진 36o14'N, 128o20'E 부근에 위치하고 있다(Fig. 1).
이론/모형
- 본 연구에서는 증발량 추정에 많이 사용하는 PM법과 Bulk법을 선택하여 증발량을 추정하였다. 먼저, 수표면의 증발량을 계산하는 Penman-Monteith (PM)추정방법은 수문과 기상에서 광범위하게 사용하고 있다.
- 안개 발생 시각은 주로 새벽에 시작하여 해뜬 후 몇 시간이 지난 오전 9시 전후에 소멸되었다. 안개 분류는 기온, 풍속, 이슬점온도, 지표온도와 같은 기상인자를 이용하여 이전 연구인 낙동강 강정지역에서 사용한 안개 분류법을 사용하였다(Park et al., 2015; Tardif and Rasmussen, 2007). 복사안개 판별은 지표 복사의 유무가 가장 중요하게 작용하고, 증기안개는 차가운 대기와 따뜻한 지표에서 이슬점온도와 기온이 일치하는 경우와 이슬점온도 상승률이 기온상승률보다 큰 경우가 해당된다.
- 앞서 언급한 증발량 추정 방법 중 PM법을 적용한 시간단위 증발량은 주야간을 구분할 수 있는 Irmak et al. (2005)가 제시한 PM식 (1)으로 계산하였으며, Allen et al. (1998)이 제시한 작물계수 Kc를 사용하여 증발량을 보정하였다.
- 하지만 안개 발생에 영향을 주는 하천 증발량을 추정하기 위해서는 시간단위로 계산해야 할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 세계식량기구에서 제시한 PM식에 주야간 구분인자를 추가하여 시간단위로 계산할 수 있도록 개량한 PM식을 사용하였다(Irmak et al., 2005).
성능/효과
- 1) 수변지역에서 발생한 안개는 내륙에서 발생한 다른 안개들 보다 지속시간이 길게 나타났고 이는 증발이 발생하기 쉬운 연직 온도층이 형성되는 국지지형 특징이 나타났기 때문이다. 안개 지속에 영향을 주는 증발량의 정도를 알아보고자 PM법과 Bulk법을 이용하여 중발량을 추정한 결과, 주간에는 같은 양의 값들이 나타났으나 야간에는 PM법이 음의 증발량, Bulk법이 양의 증발량으로 나타났다.
- 2013년부터 2015년까지 30분 이상 지속된 안개 발생 횟수는 총 74회였으며, 대기와 수면 온도차이가 가장 크게 나타나는 가을과 겨울에 주로 발생하였다(Fig. 2). 안개 발생 시각은 주로 새벽에 시작하여 해뜬 후 몇 시간이 지난 오전 9시 전후에 소멸되었다.
- 이처럼 PM법으로 추정한 증발량은 태양 복사가 결정적인 기상인자로 작용하기 때문에 태양 복사 경향과 유사하게 나타났다. Bulk법은 풍속과 수증기압이 증발량 추정에 결정적인 역할을 하며, 주간에는 PM법보다 작은 양의 값을 가지지만 야간에는 PM법과 다르게 양의 값이 나타났다. 이처럼 2가지 방법으로 추정한 증발량은 서로 다른 경향으로 나타나는데 과거 용담댐에서 관측한 실제 증발량과 비교한 결과, 야간에도 0.
- 3과 같이 나타났다. PM법 증발량은 야간에 음의 값이 나타났고 태양복사가 최대가 되는 12 LST에 최대 증발량이 나타났다. 이에 반해, Bulk법은 야간에 PM법과 다르게 양의 값으로 추정되었고 주간에는 13 LST-16 LST사이에 최대 증발량이 나타났다.
- 두 사례에서 안개 시작 시 풍속은 1ms−1 내외였으나 안개 생성 후에는 2-4 ms−1까지 풍속이 증가하였다.
- 2 mm 내외의 양의 값이 나타나는 Bulk법과 유사한 경향을 보였다(Lee et al, 2014). 따라서 수면에서 가장 적합한 증발량 추정법은 PM법보다 Bulk법이 더욱 적합함을 확인할 수 있다.
- 이처럼 낙동강 구미보 지역은 내륙임에도 불구하고 증기안개 발생 비율이 높게 나타나는데, 이는 증발에 필요한 수체가 4계절 동안 계속 존재하기 때문이다. 또한, 가을과 겨울철에는 따뜻한 수온과 찬 대기의 연직 온도층이 형성되어 증기안개가 발생하기 쉬운 국지적 기상 특징이 나타났다. 흔히 증기안개의 지속시간은 1-2시간 내외로 나타나지만 본 연구에서는 2시간을 초과하여 나타나는 경우가 빈번하게 발생하였다.
- (2015)는 안개를 형성, 발전, 성숙, 소멸 4 단계의 발달과정으로 분류하였고 이러한 발달 단계에서 여러 역학적 과정 중 난류의 공간 규모가 가장 크게 작용한다고 언급하였다. 또한, 안개 내부의 수적 밀도와 크기는 내부 난류강도에 따라 달라져 안개 성숙 단계에서 최대로 나타나고, 안개 발생 후 안개 내부 수적의 흡착과 증발을 이용하여 난류 발달 정도를 짐작할 수 있음을 밝혀냈다. 이때 난류 강도는 난류운동에너지, 마찰속도 등의 인자를 이용하여 간접적으로 짐작할 수 있다.
- 복사안개 판별은 지표 복사의 유무가 가장 중요하게 작용하고, 증기안개는 차가운 대기와 따뜻한 지표에서 이슬점온도와 기온이 일치하는 경우와 이슬점온도 상승률이 기온상승률보다 큰 경우가 해당된다. 본 연구에서 증기안개는 가을과 겨울에 전체 발생 빈도 중 약 80%가 나타나며, 3년 동안 9월과 10월에 전체의 약 18%, 약 36%로 10월이 9월보다 발생률이 약 2배 높게 나타났다. 이처럼 낙동강 구미보 지역은 내륙임에도 불구하고 증기안개 발생 비율이 높게 나타나는데, 이는 증발에 필요한 수체가 4계절 동안 계속 존재하기 때문이다.
- 5과 같이 나타나며, 안개 발생 전에는 점차 증가하다가 안개 발생 후 편차가 줄어드는 경향을 보였다. 수온과 지표 온도는 안개 전후 일정하게 유지되었으며, 기온은 안개 발생 전 하강하다 안개 발생 후 점차 상승하여 연직온도 편차에는 기온이 더 큰 영향을 미쳤다. 안개 생성 후 기온이 상승하는 원인은 따뜻한 수면에서 증발된 수증기에 의해 대기에서 잠열이 방출되는 경우와 해 뜬 직후 순복사의 증가로 수면이 가열되는 경우 두 가지로 구분할 수 있다.
- 안개 발생 6시간 전부터 안개 시작까지 시간별 평균 풍속은 약 0.7 ms−1로 일정하게 유지되었고, 안개 발생 후 약 1ms−1로 증가하였다(Fig. 6).
- 4). 안개 발생일의 증발량은 시간이 지날수록 점차 증가하다가 해뜨기 직전인 06 LST와 07 LST에서 최대 증발량을 보이고 이후 점차 증발량이 줄어드는 경향이 나타났다. 최대 증발량이 나타난 06 LST와 07 LST는 안개 비발생일보다 약 1.
- 1) 수변지역에서 발생한 안개는 내륙에서 발생한 다른 안개들 보다 지속시간이 길게 나타났고 이는 증발이 발생하기 쉬운 연직 온도층이 형성되는 국지지형 특징이 나타났기 때문이다. 안개 지속에 영향을 주는 증발량의 정도를 알아보고자 PM법과 Bulk법을 이용하여 중발량을 추정한 결과, 주간에는 같은 양의 값들이 나타났으나 야간에는 PM법이 음의 증발량, Bulk법이 양의 증발량으로 나타났다. 이 중 Bulk법이 실제 증발량과 비슷한 경향으로 나타났고, 06 LST, 07 LST에서 안개 비발생일 보다 안개 발생일의 증발량이 약 1.
- 연구를 통해서 안개 종류에 따라 지형과 기상특징이 안개 지속시간에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 따라서, 안개를 정확하게 모의예측하기 위해서는 이러한 다양한 지형의 기상학적 물리적 특징을 연구하는 노력이 필요하다.
- 안개 지속에 영향을 주는 증발량의 정도를 알아보고자 PM법과 Bulk법을 이용하여 중발량을 추정한 결과, 주간에는 같은 양의 값들이 나타났으나 야간에는 PM법이 음의 증발량, Bulk법이 양의 증발량으로 나타났다. 이 중 Bulk법이 실제 증발량과 비슷한 경향으로 나타났고, 06 LST, 07 LST에서 안개 비발생일 보다 안개 발생일의 증발량이 약 1.1%, 19.15% 높게 나타났다. 이러한 결과로 증발로 인해 대기 잠열이 증가되어 안개가 지속되는 에너지원으로 작용하였음을 확인할 수 있었다.
- 15% 높게 나타났다. 이러한 결과로 증발로 인해 대기 잠열이 증가되어 안개가 지속되는 에너지원으로 작용하였음을 확인할 수 있었다.
- PM법 증발량은 야간에 음의 값이 나타났고 태양복사가 최대가 되는 12 LST에 최대 증발량이 나타났다. 이에 반해, Bulk법은 야간에 PM법과 다르게 양의 값으로 추정되었고 주간에는 13 LST-16 LST사이에 최대 증발량이 나타났다. 이처럼 PM법으로 추정한 증발량은 태양 복사가 결정적인 기상인자로 작용하기 때문에 태양 복사 경향과 유사하게 나타났다.
- 안개 발생일의 증발량은 시간이 지날수록 점차 증가하다가 해뜨기 직전인 06 LST와 07 LST에서 최대 증발량을 보이고 이후 점차 증발량이 줄어드는 경향이 나타났다. 최대 증발량이 나타난 06 LST와 07 LST는 안개 비발생일보다 약 1.1% (+0.002 mm), 19.15% (+0.041 mm)로 증발이 많이 발생하였고, 07 LST이후에는 점차 안개 비발생일의 증발량이 더 높게 나타나기 시작하였다. 보통 9월과 10월의 안개 발생일에는 06-07 LST에 해 뜬 직후 점차 안개가 소멸되어야 하지만 오히려 이때 가장 많은 증발량이 나타났고 이는 대기 잠열 증가로 인해 안개가 지속되는 에너지원으로 작용하였음을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 연구를 통해서 안개 종류에 따라 지형과 기상특징이 안개 지속시간에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 따라서, 안개를 정확하게 모의예측하기 위해서는 이러한 다양한 지형의 기상학적 물리적 특징을 연구하는 노력이 필요하다.
- 그리고 안개 발생일 비 발생일 모두 03 LST에 증발이 갑자기 줄어들다가 이후 다시 증발이 증가하는 경향이 나타나는데 이는 오전 03-04 LST에서 종관적인 기온 하강으로 인해 대기 수증기가 응결되어 이슬이 발생한 것으로 판단된다. 용담댐에서 관측한 실제 증발량에서도 이와 같은 현상이 나타났으며, 추후 추가적인 연구가 필요한 부분이다(Lee et al, 2014).
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