[그림 1.25] 정지된 목표물은 주파수 편이가 없음
2) 하층 수렴
더 강한 뇌우에서 찬공기영역의 경계가 강하고 깊어짐에 따라 더 강한 하 층 수렴이 발달하기 쉽다. 즉 뇌우의 하층에서 상승기류의 강도를 결정하 는 것은 수렴의 강도뿐만 아니라 깊이 또한 중요하다. 대부분의 악성 다중 세포의 경우, 찬공기영역의 전면부는 약 5km의 두께와 50kt이상의 속도차 를 가질 수 있으며 이는 약 70kt를 초과하는 상승기류를 유도한다.
상대적으로 두꺼운 수렴영역에 대한 예시가 그림 1.110에 있으며 이는 악 성 보우에코(Bow Echo)의 전면부에 나타난다. 돌풍전선은 1km 너비의 경 계에서 시어가 약 20kt이며, 깊이가 적어도 3km인 강한 수렴에 의해 유지 되었다(예, 수렴 > 0.01 ). 이 경우 연속방정식에 의하면 약 30ms-1을 초 과하는 상승기류가 돌풍전선의 최상층에서 나타날 수 있다.
하층 수렴은 레이더 근처에서만 탐지될 수 있다. 이러한 제약은 레이더 수 평선이 거리에 따라 고도가 증가하기 때문이다. 또한 수렴은 대부분 비선 대칭성의 특성을 가지기 때문에 원거리에서 레이더 관측부피가 증가하면 뚜렷한 수렴 신호를 관측하기 어렵다.
[그림 1.110] 레이더로 관측한 악성 스콜선(2003년 6월 10일 23시). 위쪽 두 패 널은 0.05° 고도각의 반사도 및 시선속도를 나타냄. 아래쪽 오른쪽은 고도각 2.4°,
왼쪽은 고도각 4.3°에서 시선속도임
특정한 악기상의 위험도(예, 우박과 바람)를 분석하기 이전에 악성/비악성 에 대한 구별이 가능한 뇌우의 3차원 특성을 분석하는 것이 중요하다. 하층, 중층, 상층에서의 반사도의 3차원 분포를 분석함으로써 악성정도를 파악할 수 있다(Lemon, 1980). 즉 상승기류의 세기가 악기상의 중요한 지배인자 이기 때문에 반사도 코어의 3차원적 형태를 분석하는 것이 중요하다. 다음 의 이론적인 모델은 연직시어 큰 환경에서 비악성모드에서 악성모드로 진 화하는 대류에 대한 것이다.
연직시어가 존재하는 환경에서 약한 상승기류는 풍하측으로 경사져 있고 전형적으로 강수를 공중에 지지할 수 있을 정도로 강하지 않다(그림 1.111a). 하층의 수렴과 상층의 발산은 상대적으로 약하다. 이러한 구조에 서는 위험기상의 발달 가능성 또한 상대적으로 낮다. 이러한 구조를 가지 는 비악성 대류세포의 예가 그림 1.112a에 있다. 하층에서 반사도가 가장 강하고 상층으로 고도가 증가할수록 반사도 값이 급격히 감소한다. 안테나 스캔과 뇌우의 움직임으로 인하여 돌출형태(Overhang)의 코어가 연직단 면에 나타날 수 있지만 실제 존재하지는 않는다.
1.4.2.4 3차원 뇌우 구조를 통한 정성적 상승기류 강도 추정
면에 나타날 수 있지만 실제 존재하지는 않는다.
(a) (b) (c)
상승기류의 강도가 증가함에 따라, 상승기류는 연직으로 나타나고 강수의 강한 코어를 지탱할 수 있어 약에코역(Weak Echo Region: WER)이 형성 된다(그림 1.111b). 이에 대한 예시 그림 1.112b에서 반사도 코어는 명확 하게 WER의 위쪽에서 돌출형태로 나타나고 하층에서 반사도가 약한 지역 은 뇌우의 유입류의 풍상측 방향으로 열려있다. 또한 WER의 내부에서 풍 하측 방향으로 반사도의 강한 기울기가 존재한다. 뇌우의 중간층에 닫힌 약에코역(Bounded WER: BWER)이 나타나기 시작한다. 이러한 뇌우는 악 기상을 만들어 낼 가능성이 높다. 돌출형태의 상당 부분이 융해층 위쪽에 위치할 경우 큰 우박이 발생할 가능성이 높다.
가장 강한 상승기류가 발달하면 기류는 연직으로 향하고 닫힌 약에코역 (BWER)이 나타낸다(그림 1.111c). 이에 대한 예시로 그림 1.112c에서 WER이 연직으로 확장하면서 강해져서 BWER이 발달한다. 이 뇌우는 그림 1.112a와 b에서 보다 상승기류가 더 강하다. WER 지역의 곡률이 더 커지 고 에코의 꼭대기가 BWER 또는 WER의 바로 위에 존재한다. 이러한 뇌우 는 가장 강한 상승기류와 악성 기상을 유발한다.
[그림 1.112] 반사도의 고도에 따른 분포 및 연직 단면도 (a) 비악성 뇌우, (b) 악성 바 람과 우박을 동반하는 거대세포, (c) 토네이도가 발생한 거대세포. 맨 아래 줄의 그림들 은 각각의 뇌우에서 화살표를 따라 생성된 연직단면과 고도각 0.5°에서 반사도 영상. 아 래서 둘째 줄의 그림은 0.5°에서 반사도 영상을 나타냄. 위에서 두 번째 줄은 중층에서
반사도 영상이며 제일 위 그림은 뇌우의 꼭대기에서 반사도 영상을 나타냄
지금까지 논의한 상승기류 신호는 주위 환경에 따라 서로 다른 형태의 악 기상을 야기한다. 다음은 이에 대한 몇 가지 예이다.
- 포화되고 온난한 사운딩(예, 열대 저기압성 회전)에서 BWER이 나타나 는 경우에도 이 고도가 너무 따뜻하기 때문에 큰 우박이 존재하지 않을 수 있다.
- 작은 거대세포의 경우 하층 평형고도가 나타나고 이러한 경우 BWER이 너 무 작 아 원 거 리 에 서 관 측 하 기 어 렵 다 . 여 기 에 서 평 형 고 도 (Equilibrium Level)는 공기덩이가 상승하다가 주변 공기와 온도가 같 아지면서 부력을 상실하는 고도를 말한다.
- 강한 강수를 동반하는 많은 거대세포와 보우에코(Bow Echo)는 주 코 어를 중심으로 대류권에서 계산한 시어벡터의 방향에 대하여 전면에 WER과 BWER가 존재한다.
- 직선이나 시계방향의 곡선 호도그래프 환경에서는 좌측이동 뇌우가 빈 번하다. 이때 상승기류는 뇌우의 이동방향을 바라볼 때 주 코어의 좌측 전면 옆에 나타난다. 이에 대한 상세 설명은 뒤 장에서 기술한다.
단세포 대류세포에서 상승기류의 위치를 판별하는 가장 일반적인 방법은 온도가 –15℃ 보다 낮은 층에서 존재하는 가장 강한 상층 반사도 코어의 위치를 파악하는 것이다. 코어가 더 높은 곳에 위치한다면, 상승기류가 더 강할 수 있다. 상승기류의 기저는 뇌우의 초기단계에서 주로 경계층에서부 터 시작한다. 그러나 시간이 지남에 따라 강한 반사도 코어가 하강기류를 형성하고 상승기류의 기저는 더 상승하게 된다. 뇌우가 소멸단계에 들어섬 에 따라, 상승기류는 모루구름 영역에서만 관측된다.
강한 반사도 코어의 최대 고도는 상대적 상승기류의 세기에 의해 결정된다.
일반적으로 더 높은 고도에서 코어가 형성될수록, 강한 바람 또는 우박과 같은 악기상이 나타날 가능성이 커진다.
1.4.3 요약
뇌우가 지속될 때 반사도 코어와는 다른 반사도에서 나타나는 신호가 중요 하다. 악성 다중세포나 거대세포에서 나타나는 더 강한 상승기류는 상층 에코 코어의 급격한 반사도 경도가 나타나는 영역의 아래와 WER의 위 부 근에서 나타난다. 상승기류가 강화되고 관련된 유입류가 증가하면 급격한 반사도 경도 영역은 오목한 모양을 띄게 된다. WER의 크기와 범위는 상승 기류가 강해짐에 따라 증가한다. BWER은 가장 강한 상승기류에서 형성된 다.
시어 환경(Sheared Environment)에서 강한 상승기류의 위치와 특성 파악 에는 다음의 규칙이 유용하다.
- 에코 코어는 빙결고도 위 –20℃가 나타나는 층에서 강해지고 커진다.
- 에코코어 하층에서 강한 반사도 경도가 발달한다.
- 강한 돌출형태 에코는 오목한 반사도 경도 영역 위로 확장하여 WER를 형성한다.
- 하층 WER 지역 위에 뇌우의 꼭대기가 위치한다.
- WER이 연직으로 확장됨에 따라 강한 상승기류 지역에서 BWER이 형 성된다.
성된다.
- 강한 뇌우에서는 상층 발산이 강해진다.
- 하층의 수렴은 더욱 강해지고 수렴이 나타나는 층의 두께도 깊어진다.
- 하층, 중층에서 중규모 저기압이 형성된다(모든 중규모 저기압에서 강 한 상승기류를 나타내는 것은 아니다).
개개의 뇌우 세포에서의 레이더를 이용하여 다운버스트를 직접 탐지하는 것은 쉽지 않다. 그러나, 주위 대기환경 자료와 레이더 신호가 가지는 대표 특징들을 이용하여 하강기류를 탐지할 수 있다. 이 장에서는 다운버스트 형성, 형성에 필요한 환경, 다운버스트의 종류와 이와 연관된 레이더 신호 에 대해 기술한다. 따라서 본 장의 목표는 건조, 습윤 마이크로버스트를 형 성하는 적절한 환경과 뇌우 신호를 파악한다. 또한 거대세포에서 강풍에 대한 적절한 환경과 레이더 신호를 파악한다.
이번 장에서 다루는 하강기류는 일반적으로 개별 단세포 뇌우 내에서 나타 나는 상승기류와 같은 규모이다. 다운버스트(Downburst)는 뇌우에서 발생 한 하강기류가 지면에 도달하여 수평으로 퍼지면서 불어나오는 유출류를 말한다. 유출류가 나타나는 영역의 직경 크기에 따라 직경이 4km 이상이 면 매 크 로 버 스 트 (Macroburst), 4km 미 만 이 면 마 이 크 로 버 스 트 (Microburst)로 나눈다. 이러한 유출류의 영역은 종종 상승기류의 직경보 다 큰 값을 가질 수 있다. 따라서 본 장에서 기술하는 다운버스트(매크로버
1.5.1 정의 및 하강기류
다 큰 값을 가질 수 있다. 따라서 본 장에서 기술하는 다운버스트(매크로버 스트, 마이크로버스트), 그리고 하강기류는 단세포 뇌우에서 하강기류와 이에 의한 유출류의 형성과정을 통칭한다.
상승기류가 시작하는 층은 상대적으로 명확하지만, 하강기류의 시작층은 불확실하다. 또한 강우의 증발 냉각은 하강기류의 단열 가열과 완벽하게 대응하지 않는다. 따라서, 하강기류 발생시 기온은 습윤단열선을 따르지 않는다. 그러나 건조공기의 유입이 코어에 도달할 수 없을 정도로 상승기 류 영역이 충분히 크다면 상승기류 영역에서는 온도선이 빈번하게 습윤단 열선을 따른다. 따라서 상승기류의 잠재적 세기를 추정하는 것보다 하강기 류의 잠재적 세기를 추정하는 것이 매우 어렵다(Wakimoto, 2002). 하지만 단세포 뇌우에서 하강기류의 세기에 영향을 미치는 두 가지 주요 발생기작 이 존재하며 이 두 기작을 살펴보고자 한다.
증발냉각(Evaporational Cooling)은 강수나 구름 입자가 증발하면서 주위 공기를 냉각하여 하강기류가 습구온도에 도달하도록 한다. 공기가 더 건조 하거나 건조 공기의 유입이 더 많아진다면, 하강기류의 음의 부력이 커지 게 되고, 악성 다운버스트가 형성될 가능성이 커진다. 다음의 두 방법에 의 하여 건조 공기가 주위 공기의 냉각을 강화한다.
1.5.2.1 증발 냉각
1.5.2 다운버스트 발생기작
건조 공기는 LCL(Lifted Condensation Level) 이상의 고도에서 상승기류 의 측면으로 유입되고, 강수와 상호작용한다. 냉각의 정도는 건조공기의 상당온위(