겨울철 대관령지역 지형성 구름에 대한 지상기반 구름씨뿌리기 영향 사례연구
양하영*·채상희·정진임·서성규·박영산·김백조
국립기상과학원 응용기상연구과, 63568, 제주특별자치도 서귀포시 서호북로 33
A Case Study on the Impact of Ground-based Glaciogenic Seeding on Winter Orographic Clouds at Daegwallyeong
Ha-Young Yang*, Sanghee Chae, Jin-Yim Jeong, Seong-Kyu Seo, Young-San Park, and Baek-Jo Kim
Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteorological Research, Jeju 63568, Korea
Abstract: The purpose of this study was to investigate the impact of ground-based glaciogenic seeding on orographic clouds in the Daegwallyeong area on 13 March, 2013. The experiments was conducted by releasing silver iodide (AgI) under following conditions: surface temperature below −4oC, wind direction between 45 and 130o, and wind speed less than 5 m s−1. Two seeding rates, 38 g h−1 (SR1) and 113 g h−1 (SR2), were tested to obtain an appropriate AgI ratio for snowfall enhancement in the Daegwallyeong area. Numerical simulations were carried out by using the WRF (Weather Research and Forecast) model with AgI point-source module which predicted dispersion fields of AgI particles. The results indicated that the target orographic clouds contained adequate amount of supercooled liquid water and that the dispersion of AgI particles tended to move along the prevailing wind direction. To validate the seeding effects, the observation data from FM-120 and MPS as well as PARSIVEL disdrometer were analyzed. In this case study, glaciogenic seeding significantly increased the concentration of small ice particles below 1 mm in diameter. The observation results suggest that SR1 seeding be reasonable to use the ground-based seeding in the Daegwallyeong area.
Keywords: snow enhancement, glaciogenic seeding effect, silver iodide, supercooled liquid water, Daegwallyeong 요 약: 본 연구에서는 겨울철 대관령지역의 지형성 구름에 대해 인공증설을 위한 구름씨뿌리기(이하 시딩) 영향을 알아보 기 위해서 2013년 3월 13일 실험사례를 분석하였다. 지상연소기를 이용하여 기온 −4oC 이하, 풍향 45-130o, 풍속 5 m s−1 이하일 때 AgI 입자를 시딩 하였으며 대관령지역에서 적절한 시딩량을 알아보기 위해 38 g h−1 (SR1)과 113 g h−1 (SR2)에 대해 실험을 수행하였다. AgI point-source 모듈을 추가한 WRF (Weather Research and Forecast) 수치모의실험을 통해 시 딩 물질의 확산장을 알아보았다. 수치모의 결과 과냉각수적이 충분히 존재한 상태에서 실험이 실시되었으며 시딩 물질은 주풍에 따라 이동하는 경향을 보였다. 시딩 효과를 알아보기 위해 안개입자측정기, 강수입자측정기와 광학우적계에서 관측 된 자료를 분석하였다. 본 연구사례에서는 빙정핵 시딩에 의해 1 mm 이하 크기의 강수입자 수농도의 증가가 나타났으며 대관령지역에는 SR1 시딩이 더 적절하다고 판단된다.
주요어: 인공증설, 빙정핵 시딩 효과, 요오드화은, 과냉각수적, 대관령
1. 서 론
기후변화에 의한 이상기상 현상으로 태풍, 집중호 우, 폭설, 가뭄 등 다양한 기상이변이 전 세계에 발 생하고 있으며 이는 직·간접적으로 물질적, 경제적 손실을 유발한다. 우리나라는 최근 10년(2001-2010) 간 연평균 강수량이 1410.4로 많은 편이지만 연강수
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량의 60% 이상이 여름철에 집중되는 아시아 몬순기 후 지역에 속하기 때문에 강수의 지역적·계절적 편 차가 심하며 가을과 봄철에는 강수량 부족으로 인해 지역적인 가뭄이 발생하고 있어 수자원 확보 및 체 계적인 관리의 필요성이 대두되고 있다(Chang et al., 2011). 자연으로부터의 수자원이 제한되어 있는 상황 에서 대체수자원 확보의 방안으로 댐 건설, 강변여과 수, 해수담수화, 해양심층수, 인공증우(설) 등이 있다.
이 중 인공증우(설)는 개발에 따른 환경문제를 최소 화하며 비교적 적은 비용으로 수자원을 확보하고 가 뭄 피해를 줄이는 방안이 될 수 있다(Korea Water Resources Corporation, 1998).
인공증우(설)은 구름층은 형성되어 있으나 대기 중 에 구름씨 역할을 하는 빙정핵(ice nuclei, IN) 또는 구름응결핵(cloud condensation nuclei, CCN)이 적어 구름방울이 빗방울로 성장하지 못할 때 인공의 구름 씨뿌리기(seeding, 이하 시딩)를 통해 구름발달과 강 수응결을 활성화시켜 더 많은 강수를 내리게 하거나 다른 지역에 강수를 미리 내리게 하는 기술이다. 최 초의 기상조절실험은 Schaefer (1946)에 의해 수행되 었는데 항공기를 이용하여 과냉각된 층적운 구름에 드라이아이스(dry ice)를 뿌려 과냉각된 물방울을 빙 정으로 성장시키는 것이 가능하다는 사실을 밝혀냈 다. 인공증우(설)는 구름온도에 따른 강수 형성과정에 따라 차가운 구름(0oC 이하)에는 요오드화은(silver iodide, AgI)이나 드라이아이스 같은 빙정핵을 살포하 여 구름 속 과냉각 물 입자를 얼음으로 바꿔 빙정을 생산하거나 강화시켜 강수를 유발한다. 따뜻한 구름 (0oC 이상)에는 응결핵 역할을 하는 염화나트륨(NaCl) 이나 염화칼슘(CaCl2) 등의 흡습성물질을 사용, 병합 과정을 촉진하여 강수가 나타나게 한다. 시딩 위치에 따라 항공실험과 지상실험으로 나뉘며 항공실험은 항 공기에 구름씨살포장비를 탑재하여 2-3 km 고도에 위치한 구름에 직접 뿌린다. 지상실험은 지상에 설치 된 연소기(generator)를 이용하는데 1950년경에 미국 서부에서 시작되어 지금까지 여러 나라에서 실시되고 있다(Dennis, 1980).
2010 WMO (World Meteorological Organization) 보고서에 의하면 일반적으로 겨울철 산악지역의 풍상 측에서 활승기류를 이용한 빙정핵 시딩은 인공증설 성공가능성이 가장 높은 방법으로 알려져 있다(WMO, 2010). 이 방법은 겨울철 산악지역의 강설량을 증가 시켜 유입되는 봄철 수자원을 늘리는 것으로 미국
서부의 경우 늦은 봄부터 여름까지 눈이 녹아 생성 되는 수자원이 물 공급량의 70% 이상을 차지한다 (Chang et al., 1987). 겨울철 산악지역에서 빙정핵 시딩에 의한 인공증설의 과학적인 증명을 위해 통계 적 방법(Elliott et al., 1978; Mielke et al., 1981;
Manton and Warren, 2011), 물리적 방법(Hobbs et al., 1981; Super and Boe, 1988; Deshler et al., 1990; Huggins, 2007; Geerts et al., 2010), 수치실험 (Seto et al., 2011; Chu et al., 2014) 등 많은 시도가 있었다. 자연적인 강수량 변동과 시딩에 의한 효과를 구분하는 것은 어렵기 때문에 최근에는 항공 및 지 상관측 레이더 등을 이용한 직접관측을 통해 물리적 인 검증연구를 활발히 진행하고 있다(Pokharel et al., 2014a, 2014b).
국립기상과학원은 가뭄 및 수자원 부족에 대비하기 위하여 2006년부터 산악지역인 대관령에서 인공증설 실험을 통한 강수증가 가능성을 연구하고 있다 (National Institute of Meteorological Research, 2013).
Lee et al. (2009)은 대관령에서 인공증설 실험에 영 향을 미치는 요인에 대해 분석하였으며 강릉의 바람 장과 습도 등 기상조건이 중요함을 언급하였다. 위 연구에서는 관측장비의 부재로 실험지역을 소규모 구 름챔버(cloud chamber)로 가정하여 실험지역 내의 적 설변화만을 분석하였다. 그러므로 본 연구에서는 2013년 3월 13일에 수행된 인공증설 지상실험 사례 를 대상으로 시딩에 의한 강수입자 크기 및 수농도 등 구름미세물리 변화에 초점을 맞추어 분석하였고 수치모의를 통해 시딩 물질의 확산 및 영향 범위에 대해 시공간적으로 살펴보았다.
2. 자료 및 방법
2.1. 지상실험 설계
인공증설 지상실험을 수행하고 있는 대관령은 동쪽 으로 급경사면을 이루고 있고 동해안과 가까운 지리 적 위치 때문에 동해로부터 수증기가 유입되어 하층 운과 안개가 자주 발생하므로 실험에 적합한 지역이 다. 겨울철 한반도의 기상조건이 북고남저형의 기압배 치에서 북동기류에 의해 대관령 지역에 장시간 안개 가 발생하는데 이 안개는 태백산맥의 산사면을 타고 이류활승되어 과냉각(supercooled)된 상태로 대관령에 유입되기 때문에 인공증설 실험에 효과적이다(Kwak and Yoon, 2000; Kim et al., 2005; Jung et al., 2014).
Fig. 1은 인공증설 지상실험을 수행하고 있는 대관 령 지역의 지형도와 수치모의에 따른 도메인 영역 및 강릉과 실험지역인 대관령, 용평까지 연직 단면도 이다. 실험 전 기상상황을 알아보기 위해 강원지방기 상청(Bukgangneung, BGN; 37.8oN, 128.8oE)의 자동 기상관측장비(automated synoptic observing system, ASOS)와 강릉(Gangneung, GN; 37.7oN, 128.9oE)의 수직측풍기(wind profiler)에서 관측된 기상실황과 연 직바람장을 참고하였다. 지상연소기를 이용한 시딩은 대관령 구름물리선도센터(cloud physics observatory, CPO; 37.7oN, 128.7oE)에서 수행하였으며, 시딩에 의 한 효과를 알아보기 위해 CPO 및 용평사이트 (Yongpyong, YP; 37.6oN, 128.7oE)의 관측자료를 분 석하였다.
미세한 AgI 입자를 생성하기 위해서 Vonnegut (1950)가 제안한 아세톤 연소기가 사용되었으며, 작
동원리는 AgI를 기화시킨 다음 냉각시켜 평균 직경 1µm 미만의 에어러솔 입자들을 만드는 것이다. 분말 형태의 AgI는 아세톤에 녹지 않기 때문에 본 연구에 서는 촉매제로 요오드화암모늄(NH4I)를 사용하였다.
AgI-NH4I-아세톤 용액은 연소되면서 미세한 AgI 입 자와 수증기를 공기 중에 내보내는데 연소로 방출되 는 수증기로 인해 일시적으로 과포화상태가 된다. 기 화된 AgI는 과포화된 수증기와 만나 빙정핵으로 작 용하게 된다.
일반적으로 자연 상태의 구름에서 AgI는 −5oC 이 하에서 빙정핵으로 활성화 된다고 알려져 있다. Blair et al. (1973)는 구름챔버-풍동 실험에서 온도에 따른 AgI-NaI, AgI-KI, AgI-NH4I 용액의 연소 결과 AgI- NaI와 AgI-KI는 각각 −6.5, −7.5oC 이하에서 빙정핵 으로 활성화되는 반면 AgI-NH4I는 −4oC 부터 활성 화됨을 확인하였다. Yang et al. (2012)은 2006년부터 Fig. 1. The model domain and topography of the Daegwallyeong in the Taeback Mountains (upper panels). A-B in Domain2 (D2) stands for a horizontal path of cross-section, passing Yongpyong (YP), Cloud physics observatory (CPO), and Gangneung (GN).
2010년까지 CPO에서 관측된 바람장을 분석하였으며 전체 기간에는 3 m s−1 이상의 서풍계가 우세하지만 안개가 발생할 때에는 5 m s−1 이하의 동풍계가 우세 함을 확인하였다. 그러므로 동해로부터 과냉각된 구 름이 유입되며 CPO에서 지상기온이 −4oC 이하, 풍 속 5 m s−1 이하, 실험 전 평균시정 300 m 이하, 동풍 계가 5시간 이상 지속될 때 시딩 실험을 수행하였다.
Fig. 2는 실험모식도를 나타낸 것이다.
본 연구에서는 대관령지역에 적절한 시딩량을 알아 보기 위해 38 g h−1 (seeding rate 1, SR1)과 113 g h−1 (seeding rate 2, SR2)로 나누어 실험을 수행하였다.
Fig. 3은 지상연소기를 이용한 SR1 (Fig. 3a)과 SR2 (Fig. 3b)의 실험수행 모습을 나타낸 것이다.
2.2. 수치모델 및 모의설계
이 사례 연구를 위하여 미국 대기연구소에서 개발 한 중규모 기상모델인 WRF (Weather Research and Forecasting) V3.4를 이용하였다(Skamarock et al., 2008). 시딩 물질의 확산 및 영향범위를 살펴보기 위 해서 Morrison 구름미세물리 방안(Morrison et al., 2009)에 AgI point-source 모듈을 추가하여 AgI의 수 농도를 예단하였다. 행성경계층은 PBL (Planetary Boundary Layer) 꼭대기에 entrainment layer를 취급 하는 YSU 방안(Yonsei University scheme)을 사용하 였다(Hong et al., 2006). 장파복사 과정은 RRTM (Rapid Radiative Transfer Model; Malwer et al., 1997)을, 단파복사과정은 Goddard shortwave radiation
(Chou and Suarez, 1994) 기법을 선택하였다(Table 1).
Fig. 2. Schematic diagram of ground-based glaciogenic seeding experiment.
Fig. 3. Photographs of AgI seeding from ground-based gen- erator. (a) SR1 seeding at 1800 LST 13 March and (b) SR2 seeding at 2000 LST 13 March 2013.
수치실험을 위한 도메인영역은 총 2개로 백두산 부근을 제외한 한반도 영역(D1)과 강원도 지역(D2) 으로 설정하였다(Fig. 1 참조). 분석도메인 D2영역을 상세모의하기 위해 1 way-nesting기법을 적용하였다.
연직층은 지형을 따르는 시그마 면상에서 39개의 층 으로 설정하였으며, 경계층(boundary layer)에서 최상 단 기압은 50 hPa이다. 측면 경계조건은 5개의 층으
로 specified zone이 1개, relaxation zone이 4개의 층 으로 이루어져 있으며, 모델의 초기 입력 자료 및 경 계 자료는 해상도 5×5 km인 KLAPS (Korea Local Analysis and Prediction System) 재분석 자료를 이용 하였다.
2.3. 관측자료
지상실험 사례일의 연직 바람장을 알아보기 위해 GN의 수직측풍기 관측 자료를 사용하였다. 수직측풍 기는 연직으로 높은 해상도와 함께 매 10분마다 관 측을 실시하여 경계층 및 하층 대기의 흐름을 상세 하게 관측하는 장비로 관측 원리는 Imai et al.
(2002)에 자세히 설명되어 있다.
Finnegan and Pitter (1988)는 시딩 후 지상연소기 에서 30 m (10초 이동거리) 떨어진 지점에서 손전등 을 비추었을 때 많은 수의 매우 작은 빙정(ice crystal)을 눈으로 확인하였으며 시딩 후 30분 동안 50-100 m 거리에서 산발적인 빙정플룸(ice plume)을 추적하였다. 그러므로 본 연구에서는 지상연소기에서 약 40 m 떨어진 곳에 설치된 안개입자측정기(Fog Monitor, FM-120), 강우입자측정기(Meteorological Particle Spectrometer, MPS)와 약 18 m 떨어진 광학 우적계(Particle size and velocity disdrometer, PARSIVEL)에서 관측된 강수입자 수농도 변화를 분 석하였다. 또한 시딩 지점에서 약 9 km 떨어진 YP의 PARSIVEL에서 관측된 강수입자 크기 및 수농도 분 석을 통해 시딩 효과에 대해 살펴보았다.
Table 1. WRF domains and physics choices.
WRFV3.4
Domains Domain1 (D1) Domain2 (D2)
Horizontal Spacing 5 km 1 km
Dimension (x,y,z) 170×170×40 121×106×40
Time step (s) 15 5
Vertical layer/
Model top 39 Sigma layers/50 hPa
Grid nesting one-way
Lateral boundary
condition Specified zone=1, Relaxation zone=4 Initial & Boundary
Layer KLAPS (1-hourly, 5×5 km) Microphysics Morrison scheme Planetary Boundary
Layer YSU PBL
Land-Surface Model Thermal diffusion scheme Longwave radiation
scheme Rapid Radiative Transfer Model (RRTM) Shortwave radiation
scheme Goddard shortwave
Table 2. Specifications of the instruments
FM-120 MPS PARSIVEL
size range 2-50 µm 50 µm-3.1 mm liquid: 0.2-5 mm
solid: 0.2-25 mm
laser wavelength 658 nm 685 nm 650 nm
sample area 0.24 mm2 6.2 cm2
(20 cm×3.1 mm)
54 cm2 (180×30) mm
size bins 30 62 32
sampling interval 10s 10s 60s
parameter
particle diameter, number concentration,
liquid water content
particle diameter, number concentration,
liquid water content, rain rate
particle diameter, number concentration,
liquid water content, rain rate
FM-120은 658 nm 파장의 레이저 빔에 의해 미 산 란(Mie scattering)되는 구름이나 에어러솔 입자의 크 기를 30개의 채널별로 측정하는 장비로 공기 흡입기 를 사용하여 입자들이 장비 내부로 유입되도록 유도 한다. 실시간으로 구름입자의 개수농도(particle number concentration), 부피직경(mean volume diameter, MVD), 등가직경(equivalent diameter, ED) 및 수함량(liquid water content, LWC)을 측정하며, 측정범위는 2- 50µm이다(Spiegel et al., 2012).
MPS는 685 nm 파장의 레이저 빔을 통과하는 비나 눈 입자에 의해 생성되는 명암이미지를 이용하여 50 µm-3.1 mm 범위를 62개 채널별로 측정한다. MPS는 입자의 형태, 개수농도, 부피직경, 등가직경, 수함량, 강우강도(rain rate) 등을 실시간으로 측정한다 (Baumgardner et al., 2002).
PARSIVEL은 모든 형태의 강수입자의 크기분포 스펙트럼을 측정하기에 적합한 레이저 기반의 광학기 기로, 650 nm 파장의 레이저 빔에 낙하하는 비나 눈 입자에 의한 빔 차단효과를 전기신호로 변환하여 입 자크기(particle diameter)와 낙하속도(falling velocity) 등을 측정하는 장비이다(Martin and Blahak, 2001).
액체형태의 강수는 0.2-5 mm, 고체형태의 강수는 0.2-25 mm를 32개 채널별로 측정한다. 각 관측 장비 의 특성은 Table 2에 나타내었다.
3. 결과 및 논의
3.1. 실험일 기상상황
본 연구의 실험 사례인 2013년 3월 13일의 지상일 기도(Fig. 4)를 보면 중국 북부 지방에 위치한 대륙고 기압이 남동진하면서 확장하고 남해상으로 온대저기 압이 통과하였다. 찬 공기가 상대적으로 따뜻한 동해 상을 지나면서 대기가 불안정해서 눈구름을 만들었고
이 눈구름이 동풍을 타고 동해안으로 들어오면서 태 백산맥에 부딪쳐 발달하여 강설이 발생한 사례로 3 월 13일 0000 LST부터 3월 14일 0600 LST까지 약 한 눈과 함께 동풍이 지속되었다.
GN에서 관측된 수직측풍기의 연직바람 시계열도 (Fig. 5)를 보면 지상실험이 시작되기 전 시간대에 불 었던 북풍계열의 바람은 북동계열의 바람으로 바뀌어 2013년 3월 13일 1800 LST부터 2300 LST까지 약 5 시간 이상 지속적으로 유입되었다. 2 km 고도 이상에 서는 북서 계열의 바람이 불고 있어 이 사례의 기상 현상은 종관규모의 저기압에 동반된 기상현상에 비해 연직방향의 규모가 작음을 알 수 있다. 수직측풍기의 신호대잡음비(signal noise ratio, SNR)는 시스템의 잡 음강도에 대한 반송신호강도(returned signal power) 의 비로서, 발사 빔 내에 있는 강수입자의 수량에 좌 우된다. Fig. 5에서 SNR을 살펴보면 25 dB 이상의 영역은 2 km 이내에 분포되어 있는데 이는 강우세포 가 대기 하층에 집중되어 있음을 나타낸다.
Fig. 4. Surface synoptic charts at 1800 LST 13 March 2013.
Fig. 5. Time series of horizontal wind and signal to noise ratio from wind profiles at Gangneung on 13 March 2013.
Fig. 6은 2013년 3월 13일 1800 LST에 대관령기상 대에서 비양한 라디오존데 자료의 단열선도이다. 지 상에서 850 hPa까지 풍속 5-8 m s−1의 북동풍이 유입 되고 그 이상 고도에서는 서풍이 나타나 풍향이 반 전(backing)하여 이 지역에 한랭이류가 있으며, 지상 에서 750 hPa까지 습수가 1oC 이내를 유지하는 것으 로 보아 구름층이 형성되었음을 알 수 있다.
Table 3은 인공증설 지상실험 수행일에 대한 시딩 시간과 시딩 시간 동안의 CPO와 BGN의 기상상황을 나타내고 있으며 3회의 실험 중 SR1은 2회, SR2는 1회 실시되었다.
3.2. 수치실험 결과
Fig. 7은 Exp.1 실험에 대해 WRF 모델에서 계산 된 900 m 고도에서의 수평 바람장과 AgI 확산장이
다. GN과 CPO의 수평 바람장을 보면 두 지점 모두 북동풍이 모의되어 대관령의 강수량이 강릉보다 많은 산악형 강수사례(Chung et al., 2004)임을 알 수 있 다. AgI 확산장을 보면 초기에는 주풍향에 따라 집 중되는 경향을 보이며 CPO에서 살포된 AgI가 시딩 시작 후 20-30분 이내에 YP까지 도달하였다. 시딩이 종료된 이후 30분까지 YP는 AgI의 영향을 받으며, 시간이 지날수록 넓은 지역으로 확산되어 CPO에서 풍하측으로 20 km 이상까지 확산되는 것으로 모의되 었다.
Fig. 8은 Exp. 1 실험의 AgI 수농도, 구름수함량 (cloud water mixing ratio), 기온, 바람벡터의 연직단 면도이다. Exp. 1 실험 기간동안 지속적으로 CPO에 구름수함량이 존재하고 있으며 실험지역의 온도는 −4
oC로 충분한 과냉각수적(supercooled liquid water)이 존재한 상태에서 실험이 실시되었음을 알 수 있다.
동풍의 유입에 따라 AgI의 대부분은 풍하측으로 이 동하지만 산사면 아래방향으로의 확산도 모의되었다.
2013년 3월 13일 1900 LST의 연직속도(vertical velocity) 및 남북방향(v-component) 바람장(Fig. 9)을 보면 산 사면을 따라 40 cm s−1 이상의 상승역이 존재하지만 남북바람의 경우 북풍이 더 강하게 나타난다.
Schwerdtfeger (1974)은 큰 산맥과 같은 지형은 공기 의 흐름을 방해하는 장벽효과(barrier jet)가 나타난다 고 하였으며, 산사면 아랫방향으로의 확산은 이 때문 으로 생각된다. Exp. 2와 Exp. 3은 바람장에 따라 확 산시간과 확산 범위의 차이를 보이지만 대체적으로 Exp. 1의 결과와 유사하다.
3.3. 강수입자 수농도 분석
빙정핵 시딩에 의한 대상구름의 미세물리적인 변화 를 알아보기 위해 입자크기별 수농도(particle number concentration) 변화를 분석하였다. Fig. 10은 2013년 3월 13일에 수행된 인공증설 지상실험기간 중 CPO 에서 관측한 FM-120, MPS, PARSIVEL과 YP의 Fig. 6. Vertical soundings of temperature (solid), dew point
temperature (dash), wind direction, and wind speed at 1800 LST 13 March 2013 over Daegwallyeong Weather Sta- tion.
Table 3. Summary of the snow enhancement experiments
No. of exp. Date
Seeding Period (LST)
Initial condition
Seeding rate
CPO BGN
Temp.
(oC)
WD/
WS (m s-1) RH
(%) Visibility (m) Cloud base height (km)
RH (%) 1
2013. 03. 13
1800-1900 -5.0 NE/0.2 88.8 135 0.5 88 SR1
2 2000-2100 -5.0 SW/1.5 88.8 204 0.5 75 SR2
3 2200-2300 -5.5 ESE/3.9 88.6 188 0.5 80 SR1
PARSIVEL에서 관측한 강수입자 크기별 수농도의 시 계열도이다. FM-120 관측결과(Fig. 10a)를 보면 시딩 이 시작되면서 10 µm 이하의 수농도가 급감하다가 시딩 기간 동안 다시 서서히 증가하는 경향을 보인 다. SR1 (Exp. 1) 실험의 경우 시딩 종료 후에 10 µm 이하의 강수입자 수농도는 뚜렷한 변화가 없지만 SR2 (Exp. 2)는 시딩 전보다 10 이하의 강수입자 수 농도가 증가하였다. MPS와 PARSIVEL 관측결과 (Fig. 10b, 10c)를 보면 시딩 기간 동안 1 mm 이하 강수입자의 뚜렷한 수농도 증가를 보인다. CPO의 PARSIVEL에서 강수입자의 증가가 나타나고 20-30 분이 지난 후에 YP에서도 수농도의 증가를 보이는데 이는 수치실험의 AgI 확산장 결과와 유사하다(Fig.
10d).
시딩에 의한 입자크기별 수농도 변화를 더 자세히
알아보기 위해 시딩 전(NOSEED), 시딩(SEED), 시 딩 후(post-SEED)의 각 1시간 누적값을 비교하였다 (Fig. 11). 각 관측장비에 따라 강수입자 크기에 따른 수농도의 차이가 나타나는데 이는 관측영역의 차이에 기인하는 것으로 판단된다(Table 2). Exp. 1과 Exp.
2 실험에서는 NOSEED에 비해 SEED 기간에 강수 입자 수농도가 증가한다. SR1 (Exp. 1)은 NOSEED 와 비교할 때 post-SEED 기간에 20-50 µm 사이즈의 수농도가 감소하지만 1 mm 이상의 수농도가 증가하 였다. 반면 SR2 (Exp. 2)의 post-SEED를 보면 10 µm 이하의 작은 입자 수농도는 증가하지만 0.3-3 mm의 큰 입자 수농도는 감소한다. SR2는 너무 많은 빙정 핵을 시딩하여 작은 크기의 입자들이 많이 만들어져 눈으로 형성될 만큼 충분히 커지지 못했기 때문으로 사료된다.
Fig. 7. Estimated wind fields and horizontal diffusion of AgI particles (kg−1) at 900 m MSL. The seeding was started at 1800 LST.
Exp. 3는 NOSEED에 비해 SEED 기간에 오히려 강수입자 수농도가 감소하였다. 앞의 두 실험과는 다 르게 Exp. 3는 풍속이 3.9 m s−1로 상대적으로 바람이 강할 때 실험이 실시되었다. 이때 수농도 감소의 원
인이 상대적으로 강한 풍속에 의해 생성된 빙정입자 들이 이류하여 관측이 되지 않은 것인지 또는 전 실 험인 Exp. 2의 과다시딩(overseeding)에 의한 영향인 지는 판단이 어려워 이를 검증하기 위한 추가 실험 Fig. 8. Cross sections showing AgI number concentration (red contour, kg−1), cloud water mixing ratio (shaded blue, g kg−1), temperature (gray contour, oC), and wind vectors.
Fig. 9. The vertical cross-sections of (a) vertical velocity and (b) v-component of horizontal wind at 1900 LST 13 March 2013.
이 필요하다.
시딩에 의한 증설 가능성을 알아보기 위해 CPO와 CPO에서 약 9 km 떨어진 YP에서 관측된 강수입자 수농도와 평균 입자크기 변화를 살펴보았다(Fig. 12).
수치실험 결과(Fig. 8)를 참고하여 시딩 시작 후 30 분부터 시딩 종료 후 1시간까지를 YP에서의 효과시 간(effect-time)이라고 가정하였다. CPO (Fig. 12a)에 서는 Exp. 1과 Exp. 2의 SEED 기간에 강수입자 수 농도가 급격히 증가한 후 서서히 감소하며 작은 입 자의 증가로 인해 평균 입자크기는 작아지는 경향을 보였다. Exp. 3은 SEED 기간에 수농도와 평균입자 크기의 큰 변화는 나타나지 않았다.
YP 지점(Fig. 12b)의 관측결과를 보면 Exp. 1과 Exp. 3의 효과시간에 강수입자 수농도가 증가하며 평
균 입자크기가 커지는 경향을 보이는 반면 Exp. 2는 효과시간에 강수입자 수농도와 평균 입자크기의 변동 성이 크게 나타나 시딩에 의한 효과를 판단하기 어 렵다. 위의 관측결과를 종합해보면 대관령 지역에서 시딩에 의한 인공증설을 위해서는 SR1 시딩이 더 적 합하다고 볼 수 있다. Wyoming 산악지역에서 수행 한 AgI Seeding Cloud Impact Investigation (ASCII) 지상실험 효과검증을 위한 항공(CIP, 2D-P) 및 지상 (PARSIVEL) 관측 결과를 보면 시딩 기간 동안 1 mm 이하 강수입자의 증가와 평균입자 크기의 감소 가 나타났다(Pokharel et al., 2014a, 2014b). ASCII 사례와 본 연구 사례의 결과가 유사하므로 Fig. 10- 12로부터 도출된 결과를 시딩에 의한 효과라고 판단 할 수 있다.
Fig. 10. Time series of particle size distribution from (a) FM-120, (b) MPS, (c) PARSIVEL at cloud physics observatory (CPO) and (d) PARSIVEL at Yongpyong (YP).
4. 요약 및 결론
본 연구에서는 인공증설을 위한 구름씨뿌리기 영향 을 알아보기 위해 대관령지역 지형성 구름에 대하여 2013년 3월 13일에 수행한 지상실험 사례를 분석하 였다. WRF 수치모의 결과 과냉각수적이 풍부한 상 태에서 실험이 실시되었으며, AgI 시딩 후 약 20-30 분 이후에 YP 지점까지 확산되며 시딩이 끝난 30분 이후 까지 영향을 미칠 것으로 모의되었다. FM-120, MPS, PARSIVEL를 이용한 관측 결과 시딩 기간에 1 mm 이하 크기 입자의 수농도 증가를 보여 시딩에 의한 효과를 확인하였다.
대관령지역에서의 적절한 시딩량을 알아보기 위해 SR1 (38 g h−1)과 SR2 (113 g h−1) 시딩 실험을 수행하 였다. 그 결과 SR2는 시딩이 끝난 후 10 µm 이하의 작은 입자의 수농도가 증가하는 반면 0.3 mm 보다 큰 입자의 수농도가 감소하여 과다시딩(over seeding) 으로 판단되며 SR1이 더 효과적임을 알 수 있다.
YP의 PARSIVEL에서 관측한 수농도와 평균 입자크 기 변화를 보면 시딩 전에 비해 수농도가 증가하고 평균 입자크기가 커져 시딩에 의한 증설 가능성을 확인하였다. 본 연구는 2013년 3월 13일에 대한 결 과이므로 추가 실험 사례를 분석할 것이며, 향후 실 험에서는 2015년 4월에 YP에 설치된 레이저 적설계 관측 자료를 사용하여 정량적인 분석도 이루어질 것 이다.
WMO 기상조절 안내지침에 의하면 인공증설 실험 기간 동안과 평년기간 동안의 강수량 비교는 불확실 한 기후변동성 때문에 어려움이 있으므로 시딩 효과 를 검증하기 위해서는 10년 이상의 실험기간에 대한 통계가 필요하다고 한다(WMO, 2010). 대관령에서 지속적인 인공증설 실험을 통해 통계적인 검증이 이 루어질 것이며 향후 태백산맥에 걸친 큰 규모의 실 험체계를 구축하고 지속적으로 운영된다면 봄 가뭄 대비책 중 하나로 증설을 통한 수자원 저장에 효과 를 발휘할 수 있을 것으로 기대한다.
사 사
본 연구는 기상청 재원의 국립기상과학원 주요사업
“응용기상기술개발연구” 과제의 지원으로 수행되었습 Fig. 11. Time-accumulated particle size distribution for the 니다.
NOSEED (dotted), SEED (solid), post-SEED (dash) from the FM- 120, MPS, and PARSIVEL at cloud physics observatory (CPO).
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Manuscript received: May 28, 2015 Revised manuscript received: July 3, 2015 Manuscript accepted: July 28, 2015
