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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.40 No.6 pp.572-583
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2019.40.6.572

A Study of the Characteristics of Heavy Rainfall in Seoul with the Classification of Atmospheric Vertical Structures

Hyoung-Gu Nam1, Jianping Guo2, Hyun-Uk Kim1, Jonghyeok Jeong1, Baek-Jo Kim1*, Jae-Kwan Shim1, Byung-Gon Kim3
1High Impact Weather Research Center, Observation and Forecast Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Gangneung-si 25457, Gangwon-do, Korea
2State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
3Department of Atmospheric Environmental Sciences, Gangneung-Wonju National University, Gangneung-si 25457, Gangwon-do, Korea
Corresponding author: swanykim@korea.kr Tel: +82-33-913-1050
December 4, 2019 December 29, 2019 December 30, 2019

Abstract


In this study, the atmospheric vertical structure (AVS) associated with summertime (June, July, and August) heavy rainfall in Seoul was classified into three patterns (Loaded Gun: L, Inverted V: IV, and Thin Tube: TT) using rawinsonde soundings launched at Osan from 2009 to 2018. The characteristics of classified AVS and precipitation property were analyzed. Occurrence frequencies in each type were 34.7% (TT-type), 20.4% (IV-type), 20.4% (LG-type), and 24.5% (Other-type), respectively. The mean value of Convective Available Potential Energy (1131.1 J kg−1) for LGtypes and Storm Relative Helicity (357.6 m2 s−2) for TT-types was about 2 times higher than that of other types, which seems to be the difference in the mechanism of convection at the low level atmosphere. The composited synoptic fields in all cases showed a pattern that warm and humid southwesterly wind flows into the Korean Peninsula. In the cases of TT-type, the low pressure center (at 850 hPa) was followed by the trough in upper-level (at 500 hPa) as the typical pattern of a low pressure deepening. The TT-type was strongly influenced by the low level jet (at 850 hPa), showing a pattern of connecting the upper- and low-level jets. The result of analysis indicated that precipitation was intensified in the first half of all types. IV-type precipitation induced by thermal instability tended to last for a short term period with strong precipitation intensity, while TT-type by mechanical instability showed weak precipitation over a long term period.



대기연직구조 분류에 따른 서울지역 강한 강수 특성 연구

남 형구1, Jianping Guo2, 김 현욱1, 정 종혁1, 김 백조1*, 심 재관1, 김 병곤3
1국립기상과학원 관측예보연구과 재해기상연구센터, 25457, 강원도 강릉시 죽헌길 7
2State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, 46, Zhong-Guan-Cun South Avenue, Haidian District, Beijing 100081
3강릉원주대학교 대기환경과학과, 25457, 강원도 강릉시 죽헌길 7

초록


본 연구는 서울에서 강한 강수와 관련된 대기연직구조를 객관적으로 분류하고 대표 종관장과 강수 특성을 제시 하고자 하였다. 이를 위해 2009년부터 2018년까지 여름철 (6~8월) 서울에서 강한 강수(>15 mm hr−1) 시 오산에서 비양 된 레윈존데 자료에 객관적 방법을 적용하여 대기연직구조를 분류하였다. 그 결과 대기 전체가 습윤한 형태인 Thin Tube (TT) 형이 34.7% (17회), 건조한 하층 위로 습윤한 층이 존재하는 Inverted V (IV) 형이 20.4% (10회), 습윤한 하층 위로 건조한 공기가 침투하는 Loaded Gun (LG)이 20.4% (10회)로 분석되었다. TT형의 경우 SRH 값이 357.6 J kg−1으로 역학적 불안정이 큰 반면, LG와 IV형의 경우 1000 hPa부터 600 hPa까지 열적 불안정이 큰 특징을 보 였다. NCEP/FNL 자료를 사용한 합성장 분석에서 TT형의 경우 기압골 전면(500 hPa)인 서해상에 저기압이 위치하여 (850 hPa) 저기압이 강화될 수 있는 종관 패턴이 형성되었다. IV와 LG형의 경우 북만주와 중국의 북동에 강한 저기압 이 위치하는 종관 패턴을 보이며, 기압경도에 의한 남서기류의 유입이 상대적으로 약하였다. 강수 전반부에 강수가 집 중되는 형태가 모든 유형에서 나타났으며, 특히 IV형의 경우 강수 전반 높은 강도로 강수가 집중되어 내린다. TT형의 경우 가장 많은 강수량(123.9 mm)을 보였지만 다른 유형과 비교하였을 때, 강수가 전·후반 고르게 오랜 시간 지속되 는 특징을 보였다. 본 연구 결과는 서울에서 강수와 관련된 고층관측자료의 이해도를 높이는 동시에 강수 예보기술 발 전에 기여할 수 있을 것이다.



    Korea Meteorological Administration
    1365003083

    1. 서 론

    최근(2004~2013년) 한반도에서 호우 때문에 재산 피해 약 4조 3천억원과 이재민 17만명이 발생하였다 (National Emergency Management Agency, 2014). 돌발홍수, 산사태를 유발하는 강한 강수는 발생빈도 가 꾸준히 증가하고 있기 때문에 호우 발생원인 규 명을 위한 연구가 필요하다(Jung et al., 2015). 특히, 적극적인 호우방재 노력에도 불구하고 서울은 인구 밀도 증가와 건물의 복잡화 등을 이유로 피해가 증 가하고 있다(Choi, 2016;Kim et al, 2012). 따라서 서울의 호우발생 메커니즘 이해를 통한 강수예측기술 고도화가 요구된다.

    선행 연구를 통해 수도권 호우는 종관 기상장 배 치, 열역학적 불안정, 그리고 지형효과에 기인한 대 류활동과 관련 있다고 알려져 있다(Jung et al, 2014;KMA, 2012). 특히 한반도 집중호우는 여름철 북태 평양고기압 영향으로 따뜻하고 습한 남서류의 지속적 인 유입, 차고 건조한 공기가 중층으로 침투, 그리고 불안정한 상태의 공기가 상층 제트기류의 발산구역에 위치하는 패턴이 특징적이다(Kim and Lee, 2012;Kim et al, 2009b;Jung et al, 2015;Kim et al, 2009;Kwon et al, 2013;Choi and Lee, 2016).

    강한 강수와 관련된 종관장을 분류하기 위해 다양 한 시도들이 이루어 졌다. Jeong and Ryu (2008)은 한반도에서 발생한 집중호우 사례 유형을 종관적으로 분류하였다. 지상, 850, 700, 500 hPa면의 일기도를 참고하여 일 강수량이 150 mm 이상인 사례의 종관 장을 분류하여 하층제트에 기인한 역학적 불안정이 강수에 큰 영향을 준다고 보고하였다. Jo et al. (2019) 는 30년(1981~2010년) ERA-I (ECMWF ReAnalysis-Interim)자료에 K-평균 군집분석을 적용해 동아시아 대표 날씨 유형을 30개로 분류하고 이중 위험 강수 (>110 mm day−1 )와 관련된 대표종관장을 제시하였다. Jung et al. (2015)는 최근 17년(1997~2013년)의 레윈 존데 자료를 활용하여 집중호우를 유발하는 연직 대 기환경을 크게 종관 역학장에 기인하는 유형, 이동성 저기압 또는 기압골에 의해 발생하는 유형, 고기압 가장자리의 영향을 받는 유형으로 나누고 대기 불안 정 지수인 대류잠재에너지(Convective Available Potential Energy; CAPE)와 폭풍지수(Storm Relative Helicity; SRH)를 분석하였다. 그 결과 유형에 따라 열역학적 불안정도에 차이가 있으며 한반도에 적합한 대기 불 안정 지수 개발이 필요하다고 하였다. Kim et al. (2009a)은 레윈존데 자료와 ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 자료를 이용 하여 2007년 장마기간 동안 한반도 강수의 대기 연 직구조를 분석하였다. 그 결과 장마기간 강수의 주요 원인은 열적 불안정보다 역학적 불안정이 주요한 원 인이며, 400 hPa 이하 전 층에서 상당온위가 증가하 는 결과를 제시하였다. 국외에 Yan et al. (2018)은 레윈존데 자료를 이용해 베이징에서 강한 강수 발생 과 관련된 연직 대기구조를 세가지 구조(Loaded gun, Inverted V, Thin Tube)로 분류하였으며, 이에 따라 강수 강도, 불안정도, 그리고 종관패턴을 분석 하였다. 그 결과 대기 전 층이 습윤한 Thin Tube형 이 그 발생 빈도, 평균강수량, 그리고 가강수량 값이 높다는 것과 CAPE 및 지상온도 값이 세가지 유형 중 가장 낮음을 보고하였다.

    위와 같은 국내외 선행연구들은 연직 온도, 습도에 기인한 열역학적 불안정에 따라 강수 강도가 다름을 보고하고 있다. 본 연구는 연직 온습도 분포에 따라 대기구조를 객관적으로 분류하고 대표 종관기상장과 그에 따른 강수 특성을 제시하고자 하였다. 특히, 기 존 연구에서 언급되지 않은 대기연직구조 패턴에 따 른 강수형태와 강도를 분석한 결과를 제시하였다. 이 를 위해 기상청에서 운영되고 있는 서울지역 자동기 상관측장비(지점번호: 108)의 시간강수자료를 이용해 강한 강수 발생시간을 선별하였으며, 서울 인근 오산 에서 비양된 레윈존데 자료를 활용하여 연직대기를 분류하였다. 수치모델 합성장(지위고도, 온도, 바람)을 이용해 대기연직구조에 따른 대표 종관장을 제시하였 으며 강수 특성을 분석하였다. 이 논문의 2장에서는 서울에서 강한 강수 사례 선별과 연직대기를 분류한 방법을 기술하였으며, 3장에서는 분류된 연직 대기구 조의 특징, 관련된 강수의 특성, 그리고 불안정 지수 들을 정량적으로 분석하였다. 마지막으로 4장에서 결 과를 요약하고 토의하였다.

    2. 자료 및 분석방법

    2.1. 강한 강수 시간의 선정

    강한 강수시간을 선정하기 위해 기상청에서 운영되 고 있는 자동기상관측장비(지점번호: 108) 시간 강수 자료를 분석하였다(Fig. 1). 분석 기간은 2009년부터 2018년까지의 여름철(6~8월) 자료를 이용하였다. 세 계적으로 지역에 따라 강한 강수를 규정하는 방법은 다양하게 적용되고 있다(Yan et al., 2018). 현재 기상 청에서 강수 강도에 따라 강수를 약한 비(<3mmhr−1 ), 비(≥3mmhr−1 , <15 mm hr−1 ), 강한 비(≥15 mm hr−1 ), 그리고 매우 강한 비(≥30 mm hr−1 )로 분류하고 있다 (Korea Meteorological Administration: Forecast Glossary. http://www.weather.go.kr/HELP/html/help_fct008.jsp). 본 연구에서 기상청에서 사용하고 있는 강한 비의 기준(≥15 mm hr−1 )을 강한 강수로 선정하여 분석하였 다. 강한 강수가 발생한 기간은 총 128건이었으며 6 월, 7월, 그리고 8월이 각각 9회, 83회, 그리고 36회 로 7월에 가장 높은 빈도를 보였다. 선별된 강한 강 수는 15.5~67.0 mm hr−1의 분포하였으며 그 평균은 24.5 mm hr−1이었다. 6~8월의 강수평균은 각각 19.4, 25.6, 23.2 mm hr−1였으며, 강수범위는 15.5~33.5, 15.5~67.0, 15.5~45 mm hr−1이었다.

    2.2. 대기연직구조 분류와 대기불안정 지수 산출

    서울에서 강한 강수와 관련된 대기연직구조 분류와 불안정지수를 산출하기 위해 레윈존데 자료를 사용하 고자 하였다. 서울에서 가장 인접한 레윈존데 비양 지점은 대한민국 공군에서 운영하는 오산(OS: 47122) 지점으로써 서울과 약 50 km 떨어진 지점에 위치하 고 있으며, 하루 네 번(00, 06, 12, 18 UTC) 레윈존 데가 비양되고 있다(Fig. 1). 강수 시 대기는 빠르게 변화하기 때문에 강한 강수가 나타난 시간에 비양된 존데자료를 분석에 사용하고자 하였다. 한편, 서로 다른 관측자료를 사용할 경우 관측자료의 시공간 일 치가 중요하다. 비양 후 레윈존데는 시간이 지남에 따라 비양지점에서 연직·수평으로 멀어져, 관측자료 의 시공간 일치성이 떨어지게 된다. 기존 연구자들은 이러한 문제점을 보완하기 위해 레윈존데의 시공간 관측기준을 제시하였다(Eom and Suh 2010, Jung et al., 2015). 본 연구에서 Eom and Suh (2010)이 제시 한 기준을 참고하여 레윈존데 비양 전 2시간에서 비 양 후 1시간까지 AWS에서 강한 비의 기준(≥15 mm hr−1 )이 관측되었을 때, 이를 강한 강수와 관련된 대기 구조로 판단하였다.

    Yan et al. (2018)은 극한 날씨와 관련된 대기연직 구조를 분석한 연구들(Beebe, 1955;Miller, 1972; Schaefer, 1986)을 참고하여 강한 강수와 관련된 대기 를 보편적으로 구분할 수 있는 방법을 제시하였다 (Fig. 2). 본 연구에서는 Yan et al. (2018)이 제시한 방법을 레윈존데 자료에 적용하여 강한 강수와 관련 된 대기구조를 분석하였다. 대기구조는 습윤한 하층 위로 건조한 공기가 침투하는 Loaded Gun (LG)형, 대기 전층이 습윤한 Thin Tube (TT)형, 그리고 건조 한 하층대기 위로 습윤한 대기가 위치하는 Inverted V (IV)형으로 나누어진다. 분류방법의 흐름도 및 유 형에 따른 대표적 대기연직구조는 Fig. 2에 제시되었 다. 대기의 열역학적 불안정도를 분석하기 위해 식 (1)~(6)의 방법으로 대기불안정 지수들을 산출하였다. 총강수량(Total Precipitable Water; TPW)은 대기의 비습을 연직 적분한 값으로 대기의 습윤도를 나타내 는 지수이다. 대류잠재에너지(Convective Available Potential Energy; CAPE)는 대류고도(LFC)에서 평형 고도(EL)까지의 양의 부력을 적분한 값이며, 대류억 제도(Convective Inhibition; CIN)는 지면(sfc)에서 자 유대류고도(LFC)까지의 음의 부력을 적분한 값으로 CAPE와 대비되는 성질을 가지고 있다. 폭풍지수 (Storm Relative Helicity; SRH)는 스톰의 진행방향에 따른 지상에서 3 km 고도까지 풍계의 변화를 적분한 값으로 역학적인 불안정을 의미하는 대표적인 지수이 다(Jung et al., 2015). K-Index (KI)는 여름철 해양성 열대기단의 영향을 받을 때 나타나는 호우와 뇌우를 진단하기 위해 개발되었으며, Total-Totals Index (TTI)는 중ㆍ하층 대기의 불안정 판단으로 뇌우의 범 위와 강도를 예측하기 위해 개발된 지수이다. 각 지 수들은 아래의 식에 따라 산출되었다.

    T P W = 1 g s f c t o p w d p
    (1)

    C A P E = g L F C E L θ ( z ) θ ¯ ( z ) θ ¯ ( z ) d z
    (2)

    C I N = g s f c L F C θ ( z ) θ ¯ ( z ) θ ¯ ( z ) d z
    (3)

    S R H = 0 km 3 km ( × V H ) ( V H V C ) d z
    (4)

    K I = ( T 850 T 500 ) + T d 850 ( T 700 T d 700 )
    (5)

    T T I = ( T 850 T 500 ) + ( T d 850 T 500 )
    (6)

    여기서, g는 중력가속도, w는 혼합비, θ(z)는 특정 공기덩이의 가온도, θ(z) 는 공기덩이 주변의 가온도, V H 는 수평속도벡터, V C 는 스톰 운동벡터, V 3 km V s f c 는 3 km와 지면에서의 바람, 그리고 TTd는 각 등압면의 온도와 노점온도이다.

    2.3. 종관기상 특성과 강수 유형 분석

    대기연직구조 패턴에 따른 종관기상 특성을 분석하 기 위하여 NCEP/FNL (National Centers for Environmental Prediction/Final Analysis)자료를 사용하였다. NCEP/ FNL은 전지구 영역을 대상으로 1×1의 수평해상도를 가지고 연직으로 1,000 hPa에서 10 hPa까지 26개 층 으로 이루어져 있다. 또한 1999년 7월 30일부터 현 재까지 자료가 있으며 매일 6시간 간격(00, 06, 12, 18 UTC)으로 업데이트가 이루어지고, 많은 변수를 포함하는 동시에 빠르고 쉽게 자료에 접근할 수 있 다(Jo et al., 2017). 분석을 위해 NCEP/FNL의 850, 500 hPa, 그리고 200 hPa의 지위고도, 온도, 바람의 격자 별(20~60 º N, 100~140 º E) 평균을 사용하였다.

    또한, 선별된 대기연직구조에 따라 강수 특성을 분 석하고자 하였다. 강수 사례는 선별된 레윈존데가 비 양된 시간 전후로 강수가 지속되는 사례를 선정하였 다. 강수가 집중되는 시점을 전기와 후기로 나누어 그 특징을 제시하였으며, 강수강도를 정량적으로 분 석하고자 아래와 같은 방법을 고안하였다(Fig. 3). 방 법으로 강수 유형 지수(Rainfall type Index; RI)와 식 (7)로 강수 집중 지수(Rainfall Concentration Index; RCI)를 산출하였다. Fig. 3에서 Dur은 강수지속시간 이며 강수가 2시간 이상 지속되지 않은 경우를 하나 의 사례로 판단하였다. t1은 강수가 기록된 첫 번째 시간, tc 총 강수 시간의 가운데 시점, tend는 강수가 종료된 시간이다. TR (Total Rainfall amount)은 사례 기간 내린 총 강수량이며, FHR (First Half Rainfall amount)은 강수 전반기에 내린 강수량과 SHR (Second Half Rainfall amount)은 후반기에 내린 강 수량이다. RI는 값이 클수록 강수 전반기에 많은 강 수가 있다는 것을 의미한다. 또한, 강수 집중도를 분 석하기 위해 고안된 RCI는 총 강수량, 지속시간, 그 리고 시간 최고 강수량을 사용하여 식 (7)와 같이 산 출하였다. 시간 최대 강수량과 총 강수량의 비를 강 수강도에 가중치로 곱해주어 값을 산출하였으며, 값 이 클수록 강수 집중도가 큰 것을 의미한다. 아래에 서 max는 강수 값이 가장 큰 시점에 강수량이다.

    R C I = ( T R / D u r ) × ( m a x / T R ) = m a x / D u r
    (7)

    RI와 RCI 평가방법의 예를 Fig. 4에 제시하였다. Fig. 4a와 Fig. 4b의 총 강수량(TR)은 27 mm로 같다. 하지만 Fig. 4a가 전반부에 강수가 집중(RI=1.5)되는 반면 Fig. 4b의 경우 후반에 강수가 집중(RI=0.5)된 다. Fig. 4c와 Fig. 4d의 경우 강수량과 강수강도는 30mm와 10 mm hr−1로 같다. 강수강도만을 계산(총강 수량/강수지속시간)하면 각 사례의 강수 특성을 구별 할 수 없다. 하지만 RCI의 값은 각각 5.0, 3.3으로 Fig. 4c의 경우 강수 집중도가 큰 것으로 분석된다.

    3. 결 과

    3.1. 강한 강수와 관련된 대기연직구조

    서울에서 강한 강수와 관련된 대기연직구조의 특성 을 파악하기 위해 선정된 49개의 레윈존데 프로파일 을 분류하였다. 그 결과 대기 전체가 습윤한 형태인 Thin Tube (TT) 형이 34.7% (17회)로 가장 높은 빈 도를 보였다. 건조한 하층위로 습윤한 층이 존재하는 Inverted V (IV) 형과 습윤한 하층위로 건조한 공기 가 침투하는 Loaded Gun (LG)이 20.4% (10회)로 같 은 비율로 나타났다. Other형의 경우 24.5%로 분석 되었으며, Other형의 다수는 TT가 변형된 형태를 보 였다.

    분류된 대기 유형에 따라 연직기상요소의 특성을 분석하기 위해 연직 혼합비(Fig. 5a), 풍속(Fig. 5b), 그리고 상당온위(Fig. 5c)의 평균값과 편차를 각각 제 시하였다(Table 1). 하층(1000~900 hPa)에서 세가지 형태의 연직 대기는 모두 16 g kg−1 이상의 혼합비 값 이 나타나며 각 형태에 따른 특징이 뚜렷하게 나타 나지 않았다. 900 hPa 이상의 고도부터 TT형은 다른 형태와 비교해 대기중상층(300 hPa)까지 가장 높은 혼합비와 TPW값을 보였으며(65.1 mm), LG형의 혼 합비는 900 hPa 이상의 고도부터 IV형보다 높은 값 의 분포를 보였다(LG: 0.0~15.2 g kg−1 , IV: 0.0~ 14.8 g kg−1 ). 이 결과는 900 hPa 이상의 고도에서 분 류된 대기의 각 특징(대기 전 층이 습윤한 TT형, 습 윤한 하층대기 위로 건조한 대기가 침투하는 LG형, 건조한 대기위로 습윤한 층이 존재하는 IV형)을 잘 보여주고 있다. 고도에 따른 풍속 분석결과(Fig. 5b) 분류된 유형에 따라 대기 하층(1000~850 hPa)과 상층 (850 hPa 이상) 평균 풍속에서 특징적인 차이가 나타 난다. TT형의 경우 지표인근(1000 hPa)에서 850 hPa 고도까지 풍속의 증가가 16.3 m s−1로 가장 컸다. 850 hPa에서 풍속은 20.4 m s−1로 하층제트의 영향을 강하 게 받고 있는 것으로 판단된다(KMA 2012). 이때 TT형의 SRH는 357.6 J Kg−1로 다른 유형의 비해 2배 이상 높은 값을 보여 역학적 불안정이 우세한 것으 로 판단된다(Table 2). 이는 Kim et al. (2009a)이 레 윈존데와 ECMWF (European Center for Medium- Range Weather Forecasts) 분석자료를 활용하여 한반 도의 장마기간을 분석한 결과 역학적 불안정이 강수 의 주요 메커니즘이라고 보고한 결과와 유사하다. 상 당온위 분석에서 대기하층이 안정 혹은 중립 유형을 보인 TT형과 달리, LG와 IV형의 경우 1000 hPa부터 600hPa까지 각각 339.3~345.8K ( d θ e d p = -0.02K hPa-1), 332.2~343.0K ( d θ e d p = -0.03K hPa-1) 값을 보여 대 기 하층에서 중층까지(950~500 hPa) 열적으로 불안정 함이 나타난다. 이때 LG와 IV형의 CAPE는 각각 1131.1, 797.4 J Kg−1로 TT형에 비해 높은 값을 보였 다. 반면 TT유형의 경우 대기 하층(1000~900 hPa)에 서 열적으로 안정함을( d θ e d z >0) 보인다.

    종관 기압배치의 특징을 분석하기 위해 기압, 바람, 온도의 합성장을 분석하였다(Figs. 6, 7, and 8). 500 hPa의 5880 gpm으로 북태평양고기압의 가장자리를 판단하였다. 모든 유형에서 북태평양고기압의 가장자 리를 따라 따뜻하고 습한 남서기류가 한반도로 유입 되는 특징이 공통적으로 나타났다. 각 종관장은 850 hPa에서 저기압의 위치와 북태평양고기압의 확장 범 위에 특징적인 차이를 보였다. 북태평양고기압의 범 위는 LG형 경우 한반도 중부 지역, TT형은 한반도 남해상까지였다. IV형에 경우 그 범위가 일본 남부지 역까지로 상대적으로 작았다. LG형과 IV형의 경우 500 hPa까지 발달한 저기압이 중국 북동지역과 만주 에 각각 위치하고 있으며, 기압경도에 의한 하층풍속 은 TT형에 비해 높지 않았다. TT형의 경우 상층 기 압골 전면인 서해상에 저기압이 위치하고 있어 하층 저기압을 강화하는 종관적 환경이 조성되었다. 또한 850 hPa고도에서 강한 하층제트가 존재하고 상층(200 hPa) 제트입구 우측에 서울이 위치하고 있어 강한 강 수가 내릴 수 있는 종관환경이 조성되었다(KMA, 2012).

    3.2. 열역학적 불안정도와 강수 특성

    강수를 유발하는 구름 발달에 주요한 열역학적 불 안정도를 분석하기 위해 2.2절 방법으로 불안정 지수 를 산출하였다. 또한 여름철 강한 강수 및 불안정을 평가하기 위해 활용되는 K-Index (KI)와 TT Index (TTI)를 함께 평가하였다. Table 2는 분류된 대기 유 형별 불안정 지수의 평균값이다. 대기연직구조 패턴 별 강수강도(RIT; Rainfall Intensity by the Type) IV 형이 가장 높은 29.5 mm hr−1였으며 총가강수량 (TPW; Total Precipitable Water)은 대기 전층이 습윤 한 TT형이 가장 높은 값(65.1 mm)을 보였다. LG형은 다른 유형에 비해 가장 큰 CAPE 값(1131.1 J kg−1 )을 보인 반면, TT형의 SRH 경우 그 값이 357.6 J kg−1로 LG와 IV형에 비해 약 2배 높은 값을 보였다. 이는 3.1절에서 언급한 대로 분류된 연직 대기에 따라 강 수 발생메커니즘(열역학적) 차이가 뚜렷한 것이 원인 으로 판단된다(Fig. 8). KI와 TTI의 경우 TT형과 IV 형이 각각 37.7과 44.9로 가장 높은 값을 보였다.

    LG, IV, 그리고 TT형의 평균 강수량은 각각 77.0, 60.8, 그리고 123.9 mm로 TT형에서 가장 높은 강수 량을 보였으며 강수 지속시간은 평균 10.4, 5.9, 그리 고 17.7시간이였다(Table 3). 총 강수 강도분석에서 IV형이 시간당 가장 많은 강수(10.3 mm hr−1 )가 내리 는 것으로 분석되었다. 대기유형에 따른 강수 특성을 파악하기 위하여 강수 유형 지수(RI; Rainfall type Index)와 강수 집중 지수(RCI; Rainfall Concentration Index)를 산출하였다. 그 결과 LG, IV, TT의 RI는 각 각 3.4, 3.1, 1.4으로 산출되어 모든 유형이 강수 전 반에 각각 3.4, 3.1, 그리고 1.4배 더 많은 강수가 내 렸음을 알 수 있다. 이를 총 강수량에 적용하여 정량 적으로 분석하면 LG형, IV형, 그리고 TT형은 각각 강수 전반에 59.5, 46.0, 72.2 mm와 강수 후반에 17.5, 14.8, 51.6 mm가 내리는 것으로 분석되었다. LG, IV, TT형의 RCI는 각각 0.8, 2.4, 1.0로 산출되 어 IV형이 다른 유형에 비해 강수가 강하게 집중되 어 내리는 것으로 판단된다. 위의 내용을 정리하면, 분류된 모든 대기유형은 강수가 시작되고 전반부에 많은 강수가 내리다 후반부에 약해지는 경향을 보이 며, 세가지 유형 중 IV형은 짧은 시간에 집중되어 강 수가 내리는 형태로 평가 된다. 또한 세가지 유형 중 TT형은 가장 높은 강수량을 보였지만 강수의 집중도 는 크지 않았으며 강수 전·후반부의 강수량 차이가 상대적으로 크지 않았음을 파악할 수 있었다.

    4. 요약 및 결론

    본 연구는 서울에서 강한 강수와 관련된 연직 대 기구조를 객관적으로 분류하고 대표 종관 기상장과 강수 특성을 제시하고자 하였다. 이를 위해 2009~2018 년 여름철 (6~8월) 서울에서 강한 강수(>15 mm hr−1 ) 시 오산에서 비양된 레윈존데 자료에 Yan et al. (2018)의 방법을 적용하여 대기연직구조를 분류하였 다. 대기연직구조에 따른 대표적 종관 특성을 제시하 기 위해 존데가 비양된 시간의 NCEP/FNL (National Centers for Environmental Prediction/Final Analysis) 합성장을 분석하였다. 또한 강수 유형과 강수 집중도 분석을 위해 RI와 RCI를 고안하였다. 그 결과 대기 전체가 습윤한 형태인 Thin Tube (TT) 형이 34.7% (17회), 건조한 하층위로 습윤한 층이 존재하는 Inverted V (IV) 형이 20.4% (10회), 습윤한 하층위 로 건조한 공기가 침투하는 Loaded Gun (LG)이 20.4% (10회)로 서울에서 강한 강수는 34.7% TT형 과 관련이 있었다. 레윈존데로 관측된 고도 별 풍속 에서 TT형의 경우 400 hPa 이하 고도에서 세 유형 중 가장 높은 풍속 값(4.1~20.1 m s−1 )을 보였으나, 연 직 풍속의 증가는 세가지 유형 중 가장 낮았다. 특히 850 hPa에서 풍속은 20.4 m s−1로 하층제트의 영향을 세가지 유형 중 가장 강하게 받고 있으며 SRH 값이 357.6 J kg−1으로 역학적 불안정이 컸다. 한편, 상당온 위 분석에서 대기하층이 안정 혹은 중립을 보인 TT 형과 달리 LG와 IV형의 경우 1000 hPa부터 600 hPa 까지 각각 339.3~345.8K ( d θ e d p = -0.02K hPa-1), 332.2~343.0K ( d θ e d p -0.03K hPa-1) 값을 보여 TT 유형에 비해 하층에서 열적 불안정이 큰 특징을 보 였다. 이는 분류된 대기유형에 따라 강수를 유발하는 열·역학적 메커니즘이 다른 것으로 해석할 수 있었 다. 또한, NCEP/FNL 자료를 사용한 합성장 분석에 서 세 유형 모두 850 hPa에서 북태평양고기압의 영 향으로 따뜻하고 습한 남서풍이 한반도로 유입되었다. TT형의 경우 기압골 전면(500 hPa)인 서해상에 저기 압이 위치하여(850 hPa) 저기압이 강화될 수 있는 종 관 패턴이 형성되었다. 북태평양고기압의 확장으로 850 hPa에서 강한 남서기류의 유입이 나타나며, 특히 200 hPa 제트입구의 우측에 서울이 위치하여 따뜻하 고 습윤한 하층 제트와 상층 제트의 결합으로 인해 강수 구름이 발달했을 것으로 판단된다. 이때 TT형 의 SRH값은 357.6 J kg−1로 다른 유형에 비해 약 2배 큰 값을 보여 역학적 불안정이 강수에 주요한 인자 로 판단된다. IV와 LG형의 경우 북만주와 중국의 북 동에 강한 저기압이 위치하는 종관 패턴을 보이며, 기압경도에 의한 남서기류의 유입이 상대적으로 약하 였다(Fig. 8). 강수특성에서 모든 유형이 강수 전반부 에 강수가 집중되는 형태를 보였으며, 특히 IV형의 경우 강수 전반 높은 강도로 강수가 집중되어 내린 다. TT형의 경우 가장 많은 강수량(123.9 mm)을 보 였지만 다른 유형과 비교하였을 때, 강수가 전반에 집중되는 다른 형태와 달리 전·후반 고른 강수량이 오랜 시간 지속되는 특징을 보였다.

    본 연구에서는 고층관측 자료를 활용하여 강한 강 수와 관련된 종관 특성 및 강수 패턴을 분석하였다. 연구 결과는 강수와 관련된 고층관측자료의 직관적 이해도를 높이는 동시에 강수 예보기술 발전에 기여 할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에서 연 직대기 분류 기법이 완전하게 객관화 되지 못한 점 과 강수와 직접적으로 관련된 구름 성장에 대한 연 구가 이루어지지 못한 점은 한계로 남아있다. 연구 결과를 예보기술에 적용하기 위해서는 구름의 성장에 주요한 요소를 상세히 분석하는 것이 필요하다. 향후 레이더의 반사도 자료를 활용한 구름 내부 수상체 연직 분포와 위성을 활용한 구름의 운정 온도, 형태, 그리고 공간적 분포를 함께 분석한다면 예보기술 발 전에 기여할 것으로 사료된다.

    사 사

    이 연구는 기상청 국립기상과학원 재해기상감시 ㆍ분석ㆍ예측기술 개발 및 활용연구(1365003083)의 지원으로 수행되었습니다.

    Figure

    JKESS-40-6-572_F1.gif

    The location of meteorological station in Seoul (red dot) and rawinsonde observation site in Osan (empty red circle).

    JKESS-40-6-572_F2.gif

    Flowchart showing the criteria for identifying the “LG”, “TT”, and “IV” soundings from radiosonde measurement. (a-c) Three severe weather sounding samples referred from the website (https://www.meted.ucar.edu/mesoprim/skewt/index.htm). This figure is from Yan et al., 2018.

    JKESS-40-6-572_F3.gif

    Flowchart showing procedure for calculating Rainfall type Index (RI).

    JKESS-40-6-572_F4.gif

    Examples for the interpretation of Rainfall type Index (RI, a and b) and Rainfall Concentration Index (RCI, c and d).

    JKESS-40-6-572_F5.gif

    Mean vertical profiles of mixing ratio (a), wind speed (b), and equivalent potential temperature (c) estimated from rawinsondes. The bold lines and shaded areas indicate mean value and standard deviation in each vertical structure, respectively.

    JKESS-40-6-572_F6.gif

    Composited geopotentail height fields (white solid line) of Loaded Gun-type for the heavy rain fall events at (a) 200 hPa, (b) 500 hPa, and (c) 850 hPa. The arrows are wind vector. Color scale denotes temperature. And the blue solid line at 500 hPa is contour line of 5880 gpm.

    JKESS-40-6-572_F7.gif

    Same as Fig. 6, but for Inverted TT-type.

    JKESS-40-6-572_F8.gif

    Same as Fig. 6, but for Inverted V-type.

    Table

    The mean values of MR, WS, and θe from sounding

    The mean values of sounding parameters by classified atmospheric vertical structures

    The mean values of rainfall properties by classified atmospheric vertical structures

    It is explanation and a summary of the meaning of each index

    A summary of main features of AVS in terms of heavy rainfall

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