토네이도 규모의 신호

이로 인하여 TS/TVS로 발달한다. 또한 TS/TVS는 아무것도 없는 곳에서 갑자기 나타나기도 한다. 토네이도의 발생위치가 레이더로 부터 멀리 떨어 진 경우에는 이러한 죄어짐 과정이 존재하기 전에 나타나는 시어를 레이더 로는 관측하기 어렵다. 이러한 신호의 관측 유무와 관계없이 TS/TVS의 출 현은 강한 상승기류와 하층 순환의 증가와 관계가 있다. 이 절에서는 감시 알고리즘이 아닌 관측자에 의한 TS/TVS 관측을 기술한다.

TS/TVS 카테고리를 만족하는 순환의 종류들은 시어, 연직 확장 정도, 지 속성에 대한 기준 이상인 토네이도성 회전과 연관이 있다. TVS/TS는 큰 중규모저기압에 중첩된 토네이도성 속도프로파일로 기술할 수 있다. 그러 나 큰 근원 순환이 반드시 필요한 것은 아니며 때때로 TVS/TS 자체가 중

TVS는 토네이도 규모 순환의 중심 지름이 레이더 유효빔폭보다 작을 때 발생한다(그림 1.158a). TVS는 최대(V_r,max)와 최소(V_r,min) 시선속도가 이 웃하는 방위각에서 나타난다. 모든 소용돌이 중심이 하나의 레이더 빔에 들어가지 않아야 한다. 이 경우 최대 시선속도와 최소 시선속도가 서로 상 쇄되어 거의 영의 시선속도에 가깝게 나타나고 최대/최소 시선속도의 변이 를 관측할 수 없다. 그림 1.159는 0.5° 고도각에서 관측된 TVS의 예를 보 여준다. 최대 시선속도는 35kt이다. 이 TVS는 유효빔폭이 너무 넓어 내부 핵을 관측하지 못하기 때문에 란킨조합소용돌이(Rankine Combined Vortex) 구조를 나타내지 않는다. 대신 도플러레이더 관측자료에서는 소 용돌이도의 중심에 가까워질수록 속도값이 증가하여 최대/최소 시선속도 에 도달하고 최대와 최소시선속도가 이웃하는 방위각에서 나타난다. 최대 시선속도(V_r,max)가 나타난 지역의 남쪽에 보다 큰 V_r,max이 존재하고 이는 후미측면하강기류(Rear-flank Downdraft)와 연관되어 있을 것이다.

[그림 1.158] A) 토네이도성 소용돌이 신호(Tornadic Vortex Signature: TVS)와 B) 토네이도 신호(Tornado Signature: TS)의 모식도. 소용돌이의 중심 직경은 붉은색

원으로 표시됨. 유효빔폭은 TVS의 직경보다 크고 TS의 직경 이하임

토네이도 규모 소용돌이의 중심 직경이 유효빔폭 이상일 경우에 관측된 신 호를 TS라 부른다(그림 1.158b). 최소한 하나의 빔이 소용돌이 중심을 관 측할 경우 최대/최소 시선속도가 항상 하나 이상의 방위각으로 분해되어 나타난다. 그림 1.160은 TS의 예이다. 최대/최소 시선속도가 4개의 유효 [그림 1.159] 토네이도성 소용돌이 신호(TVS)의 예시. 왼쪽(오른쪽) 패널은 0.5° 고도각

에서 반사도(시스템 상대 시선속도)를 나타냄. 레이더에서 TVS까지의 거리는 약 51km임

나타난다. 그림 1.160은 TS의 예이다. 최대/최소 시선속도가 4개의 유효 빔폭 또는 1.85km로 분해되어 나타난다. 최대 접근속도는 124kt이다. 주 어진 이 그림들과 지상에서 보고된 바에 의하면 이 TS는 거대한 토네이도 를 나타내었다.

그림 1.159와 1.160은 같은 확대비율이며 두 소용돌이는 레이더에서 51km에 위치하고 있으므로 두 토네이도의 크기 차이를 쉽게 알 수 있다.

비록 두 토네이도가 크기나 강도 면에서 매우 다르지만 두 소용돌이는 속 도의 고립된 중심과 이로 인한 뚜렷한 최대/최소 시선속도와 접선 시계방 향의 최대 시선속도 경도를 잘 나타낸다. 따라서 이 경우 TS와 TVS의 속 도 구조는 거의 순수회전에 해당한다.

TS가 존재한다고 하여 반드시 토네이도 폭을 결정할 수 있는 것은 아니다.

TS의 겉보기 중심 직경은 실제 직경이 일정할지라도 거리에 따라 증가한 다. 그림 1.161은 1° 빔폭의 레이더로 참 직경 0.8km의 토네이도를 관측하 였을 경우 레이더로 추정한 거리에 따른 겉보기 직경의 크기를 나타낸다.

그림에서 TS에서 TVS 지역으로 전이에도 불구하고 직경 추정값이 거리에 따라 급격히 증가함을 볼 수 있다. 그림 1.160과 같은 거대한 토네이도의 겉보기 중심의 직경은 참 직경과 좀 더 가까울 것이다. 그러나 이 경우에도 더 과대 추정할 수 있다.

[그림 1.161] 빔폭 1°의 레이더로 0.8km 참 직경을 가지는 토네이도를 관측 하였을 때 추정된 겉보기 직경의 증가. 거리가 증가함에 따라 겉보기 직경은

레이더 유효빔폭에 근접함(Brown et al., 1978)

관측된 순환이 진짜 TVS 또는 TS인지를 판단하기 위하여 몇 가지 기준이 필요하다. 다음의 세 가지 기준이 사용된다:

-최소 시어 : 객관적 알고리즘에 사용된 것과 같이 이 기준에 대한 명확 한 최소 기준치는 없다. 예보관이 정의할 최소 시어는 레이더로부터의 거리, 예보관이 결정한 소용돌이의 크기, 뇌우 주변의 환경, 과거 경험 등에 의존한다.

-연직 확장성 : 최소한의 연직 연속성이 TS나 TVS에 존재하여야 한다.

그래서 순환 내에 상승기류가 존재할 확률이 높아야 한다. 대부분의 경 우 깊이가 최소한 1500m가 되어야 한다. 키가 작은 거대세포는 토네이 도성 일지라도 심층 TS/TVS를 나타내지 않는다. 이러한 거대세포에서 는 단지 최저 고도각에서만 게이트와 게이트 사이의 회전 신호가 나타 난다. 때때로 샘플링과 소용돌이 신호의 모호성 때문에 TS와 TVS가 이 웃하는 고도각에서 이러한 신호가 나타날 수 있다.

-지속성 : 우연히 연직으로 연결되는 순환의 가능성을 줄이기 위해 TS/TVS는 최소한 5분 이상 지속되어야 한다. 그러나 때때로 몇몇 TS/TVS는 최소한 5분 이상 지속되어야 한다. 그러나 때때로 몇몇 TS/TVS는 5분 이하의 짧은 기간 내에 토네이도 형으로 발전한다. 만약 강한 상승기류 신호 주변에서 TS/TVS 신호가 관측된다면 지속성을 고 려하지 않고 TS/TVS로 분류할 수 있다.

TS/TVS에서 최대 방위각 시어를 찾는 것이 강도를 결정하는데 가장 최적 의 방법일 것이다. 그러나 예보관들은 기본 자료로 빠르게 찾을 수 있는 방 법이 필요하다. 가장 빠른 방법은 소용돌이 중심 주위의 최대시선속도(그 림 1.159와 1.160에서 V_r,max 와 V_r,min)의 차이를 계산하는 것이다. 속도차

최대시선속도와 최소시선속도의 부호가 같을 수 있기 때문에 접근/후퇴속 도를 사용하지 않는다. 레이더로부터의 거리가 멀어질수록 최대 시선속도 와 최소시선속도 사이의 거리가 멀어지기 때문에 ∆V는 시어와 같지 않다.

그러나 과정을 간단하게 하기 위하여 여전이 ∆V를 사용하고 해상도가 떨 어지면서 ∆V와 시어 사이의 관계가 어떻게 영향을 받는지 계산한다. ∆V의 계산에는 두 가지 방법이 사용된다:

-저층 ∆V(Low-level ∆V) : 가장 낮은 고도각에서 ∆V를 계산.

-최대 ∆V : 모든 고도각 중에서 가장 큰 ∆V값을 취함.

뇌우의 종류, 주변 환경, 레이더에서의 거리 등 다양한 변수에 따라 최적의 TVS/TS 관측을 위한 저층 ∆V와 최대 ∆V의 임계값이 변할 수 있다. 따라 서 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 미국의 경우 다양한 검증에 의하 면 저층 ∆V=20ms^-1, 최대 ∆V=30ms^-1일 때 최적의 적중 정확도를 보였으 며 자동알고리즘에서는 저층 ∆V=25ms^-1, 최대 ∆V=36ms^-1을 사용하고 있다. 국내에서는 이러한 연구가 없어 임계치를 제시하기는 어렵다.

TS/TVS 관측은 거리에 따른 레이더 관측 분해능의 저하로 인하여 한계를 지닌다. 그러나 토네이도 관측을 위한 거리에 따른 TV/TVS 감지의 통계 적인 결과를 보면 레이더로 부터 150km이내에서는 별다른 거리저하가 일 어나지 않았다. 이 결과는 적어도 150km 안에서는 레이더 거리 저하 보다 다른 효과들이 더 중요함을 나타낸다.

그림 1.162에서 고해상도 이동용도플러레이더(Doppler on Wheels: DOW) 와 현업용 레이더로 관측한 도플러시선속도 영상이다. 이동용도플러레이 더에서 나타난 토네이도의 최대풍속 직경을 이동용레이더 및 현업용 레이 더 자료에 흰색 실선으로 모두에 중첩하였다. 현업용 레이더에서는 실제 토네이도 보다 훨씬 큰 순환을 보인다. 저층에서 TS/TVS는 대부분 후미측 면 하 강 기 류 (Rear-flank Downdraft: RFD) 내 에 서 중 규 모 저 기 압 (Mesocyclone)이 강화되는 부분을 나타낸다(그림 1.163). RFD 축은 주로 갈고리에코(Hook Echo)의 축 가까이에 정렬된다. 갈고리에코 및 RFD 내 부의 저층 공기흐름은 순환의 중심으로 갈수록 서서히 증가한다.

원 거리에서 TS/TVS는 아마 비발산 중층 중규모저기압으로 부르는 것이 더 적절하다. 비발산 중규모저기압은 빈번하게 발생하기 때문에 이들은 원 거리에서 TVS로 자주 나타난다. 따라서 TS/TVS 관측 거리를 레이더로부 터 150km로 제한한다. 그리고 약간의 드문 경우로 소용돌이 중심이 네 개 이상의 유효빔폭일 경우 현업용레이더는 토네이도를 구분할 수 있다. 이러 한 토네이도는 토네이도에 근접할 정도로 강해진 저층 중규모저기압이다.

이런 현상들은 그들 스스로가 TS로 관측되고 그 안에 TVS로 관측되는 부 소용돌이가 있을 수 있다.

[그림 1.162] 이동용 도플러레이더(DOW)와 현업용 레이더(KLTX, KCLX)로 관 측한 도플러 시선속도. DOW 영상에서 최대 바람을 가지는 토네이도의 직경을 흰

[그림 1.163] TVS와 연관된 레이더 관측 영상 및 지상에서 북쪽으로 촬영한 사진.

사진에 나타난 숫자와 레이더 반사도 및 시선속도 영상의 숫자는 상응함

기본적으로 토네이도는 대류구름 하부로 수렴 및 상승하는 흐름 내의 강한 수직 소용돌이를 필요로 한다. 따라서 수직 소용돌이의 기원에 대한 이해 가 필요하다. 수직소용돌이는 이미 수렴선에 포함되어 있고 이를 강화하기 위한 국지적인 강한 상승기류에 의해 발생한다. 이러한 형태의 토네이도를 육지용오름(Landspout)이라 부르며 중규모저기압이 없는 토네이도이다.

이에 대한 모식도는 그림 1.164a에 있다. 이러한 토네이도는 상승기류에 의해 생성된 단세포뇌우에서 발생할 수 있는 유일한 종류이다.

두 번째 종류의 토네이도(그림 1.164b)는 뇌우발달 전 단계에서 수직 소용 돌이가 없는 환경에서 발생한다. 토네이도가 발생하기 위해서는 하강기류 에 의하여 지면에서 소용돌이가 연직으로 기울어져야 한다. 상승기류만으 로 이러한 상황을 만들지 못하며 하강기류가 존재하여야 한다. 많은 토네 이도에서 소용돌이는 이들 두 가지 방법 모두로부터 생성된다. 또한 스콜 라인 토네이도의 소용돌이에 대한 기원은 명확하지 않다.