2010년 여름철 수도권 집중관측기간에 나타난 호우 시스템의 대기연직구조
김도우1·김연희2,*·김기훈2·신승숙2·김동균2·황윤정2·박종임2·최다영2·이용희2
1국립방재연구원 복합재난연구실, 121-719, 서울특별시 마포구 마포대로 136
2기상청 국립기상연구소 예보연구과, 156-720, 서울특별시 동작구 여의대방로 16길 61
Atmospheric Vertical Structure of Heavy Rainfall System during the 2010 Summer Intensive Observation Period over Seoul Metropolitan Area
Do-Woo Kim1, Yeon-Hee Kim2,*, Ki-Hoon Kim2, Seung-Sook Shin2, Dong-Kyun Kim2, Yoon-Jeong Hwang2, Jong-Im Park2, Da-Young Choi2, and Yong-Hee Lee2
1Multi-Hazard Research Division, National Disaster Management Institute, Seoul 121-719, Korea
2Forecast Research Laboratory, National Institute of Meteorological Research, KMA, Seoul 156-720, Korea
Abstract: The intensive observation (ProbeX-2010) with 6-hour launches of radiosonde was performed over Seoul metropolitan area (Dongducheon, Incheon Airport, and Yangpyeong) from 13 Aug. to 3 Sep. 2010. Five typical heavy rainfall patterns occurred consecutively which are squall line, stationary front, remote tropical cyclone (TC), tropical depression, and typhoon patterns. On 15 Aug. 03 KST, when squall line developed over Seoul metropolitan area, dry mid-level air was drawn over warm and moist low-level air, inducing strong convective instability. From 23 to 26 Aug and from 27 to 29 Aug. Rainfall event occurred influenced by stationary front and remote TC, respectively. During the stationary frontal rainy period, thermal instability was dominant in the beginning stage, but dynamic instability became strong in the latter stage. Especially, heavy rainfall occurred on 25 Aug. when southerly low level jet formed over the Yellow Sea. During the rainy period by the remote TC, thermal and dynamic instability sustained together. Especially, heavy rainfall event occurred on 29 Aug. when the tropical air with high equivalent potential temperature (>345 K) occupied the deep low-middle level. On 27 Aug. and 2 Sep. tropical depression and typhoon Kompasu affected Seoul metropolitan area, respectively. During these events, dynamic instability was very strong.
Keywords: ProbeX-2010, heavy rainfall, radiosonde, Seoul Metropolitan Area
요 약: 2010년 8월 13일부터 9월 3일까지 수도권지역에서 집중관측(Predictability and Observation Experiment of Korea-2010, ProbeX-2010)이 수행되었으며, 그 일환으로 동두천, 인천공항, 양평에서 6시간 간격으로 라디오존데 관측 이 실행되었다. 관측기간 동안 우리나라의 전형적인 호우 패턴인 스콜선형, 정체전선형, 태풍 전면 수렴형, 열대저압부 형, 태풍 직접형 호우가 연속적으로 발생하였다. 8월 15일 03 KST 경에는 스콜선형 구름대가 수도권 지역에서 발달하 였다. 따뜻하고 습한 하층 공기 위로 건조한 중층 공기가 유입되어 강한 대류 불안정이 형성되었으며 이로 인해 호우 가 발생하였다. 8월 23일부터 26일, 8월 27일부터 29일은 각각 정체전선과 태풍 전면 수렴대의 영향을 받아 강우가 발 생하였다. 정체전선형 강우 초기에는 열적 불안정이 우세하게 나타났으나 강우 후기에는 역학적 불안정이 강화되었다.
이 기간 중 특히 강한 강수는 서해상에서 남풍류 하층 제트가 발달한 8월 25일에 발생하였다. 태풍 전면 수렴형 강우 기간에는 열적 불안정과 역학적 불안정이 모두 유지되는 특징을 보였다. 이 기간 중 특히 강한 강수는 높은 상당온위 (>345 K)를 가진 열대 공기가 대기 중하층에 거쳐 유입되었을 때 발생하였다. 8월 27일과 9월 2일에는 각각 열대저압 부와 태풍 곤파스의 영향에 의해 강우가 발생하였다. 이 사례들 동안에는 역학적 불안정이 매우 강하게 발달하였다.
주요어: ProbeX-2010, 호우, 라디오존데, 수도권지역
*Corresponding author: [email protected]
*Tel: +82-70-7850-6604
*Fax: +82-2-834-5922
는 1980-1989년의 호우 사례들 중 75.8%에서 하층 제트가 나타났으며, 특히 장마철에는 88.2%로 그 비 중이 높아짐을 제시하였다. 호우는 장마전선 상에서 발달하는 중규모 저기압에 의해서도 빈번히 발생한 다. 박창근과 이태영(2008)은 2004년 7월 13-14일 호 우 사례의 종관 기상 환경뿐만 아니라 중규모 대류 계의 구조와 진화과정을 자세히 설명한바 있다. 특히 그들은 장마철 호우 발생에 있어 CAPE (Convective Available Potential Energy) 뿐만 아니라 CIN (Convective Inhibition)이 열역학적으로 중요한 역할 을 함을 보인바 있다. 김기훈 외(2009)는 고층 관측 자료를 이용하여 2007년 장마의 역학 및 열역학적 특성을 분석하였으며, 그 결과 장마 기간 강수는 열 적 불안정보다는 역학적 불안정에 의해서 발생함을 보인바 있다. 또 다른 호우 패턴으로, 열대에서 북상 하는 태풍의 전면 수렴대가 한반도에 위치할 때도 빈번히 호우가 발생한다. Lee et al.(2002)은 1998년 8월 5-6일 호우 사례에 대한 모조 태풍의 수치실험을 통해 남중국에 위치한 태풍이 하층 제트의 풍속과 풍향을 바꾸고, 하층 습기를 한반도로 유입시킴으로 써 호우 형성에 큰 영향을 미쳤음을 입증한 바 있으 며, Byun and Lee(2010)는 1980-2009년 자료를 분석 하여 태풍이 특히 남중국, 남동중국, 대만 동쪽 해상 에 위치할 때 한국에 호우가 자주 발생함을 보인바 있다. 이용희 외(2007)는 2007년 9월 15일 태풍 전 면 수렴대와 9월 16일 태풍 상륙에 의해 발생한 호 우의 경우, 강수량의 공간 분포는 유사하지만, 태풍 전면 수렴대에서는 열역학적 불안정이, 태풍 상륙에 서는 동역학적 불안정이 우세하였음을 발견하였다.
이러한 다양한 호우 패턴에 대한 이해를 증진시키 기 위해 여러 학자들은 호우 발달 시스템에 대한 개 념모델 연구를 수행하였다. 이우진(2006)은 호우 패
였다. 그 결과 호우는 주로 태풍직접형, 태풍변질형, 열대류수렴형, 그리고 장마형에서 발생함을 보였다.
기상청(2011)은 2001-2009년 호우 사례를 바탕으로 여름 호우 개념 모델을 하층제트 전면형, 하층제트 후면형, 태풍전면 수렴형, 열대저압부형, 태풍 직접 영향형으로 분류하였다. 여기서 하층제트 전면형과 하층제트 후면형은 각각 이우진(2006)의 개념 모델 중 상층한기와 남서 하층제트로 인한 거대세포형과 상층 전면 스콜선형과 유사하다. 다만 기상청(2011) 의 개념 모델은 하층제트의 위치에 좀 더 초점을 맞 춘 특징이 있다. 하층제트 전면형은 하층제트를 따라 온난 습윤한 공기가 차고 건조한 공기를 타고 북상 하여 비교적 넓은 강수대를 형성시킨다. 반면, 하층 제트 후면형은 온난 습윤한 기류를 향해 건조한 북 서-서풍의 기류가 침투하면서 스콜선과 같은 좁은 띠 형태의 강수대를 발달시킨다. 전체 유형 중 하층제트 전면형의 비율이 53%로 가장 높다. 그 밖의 유형별 상세 특징은 Table 1에 제시되었다.
최근 호우는 특히 중부지방에서 더 빈번히 그리고 더 강한 강도로 발생하고 있다 (e.g., 김은희 외, 2005;
Kim et al., 2009). 이에 기상청 국립기상연구소는 2010년 8월 14일부터 9일 3일까지 수도권 집중관측 (ProbeX-2010)을 수행하였다. 관측기간 동안 평년의 2배에 가까운 많은 강수가 다양한 호우 패턴에 동반 되어 발생하였다. 본 연구의 분석 결과, 이들의 호우 패턴은 기상청(2011)에서 제시한 호우 개념모델에 의 해 가장 잘 설명되었다. 따라서 본 연구는 수도권 집 중관측 기간동안 발생한 호우 사례를 기상청(2011)의 호우 개념 모델을 적용하여 분석하였으며, 관측 자료 에서 나타나는 호우 사례별 대기 연직 구조의 특징 을 분석하였다.
자 료
수도권 집중관측은 2010년 8월 14일 09 KST부터 9월 4일 09 KST (총 21일) 까지 수행되었다. 인천공 항, 양평 관측소, 동두천 기상대에서 일 4회(03, 09, 15, 21 KST) 라디오존데 고층 관측이 수행되었으며, 마이크로 강우레이더 상시 관측이 이루어졌다. 인천 기상대와 서울관측소에서는 GPS를 이용하여 신호지 연율을 상시 측정하고, 이를 통해 가강수량을 준실시 간으로 산출였다. 수집된 자료는 국립기상연구소 예 보연구과에서 관리하고 있으며, 연구 목적으로 요청 시 제공하고 있다.
본 연구에서는 고층 관측 자료를 이용한 대기 연 직 구조 분석에 초점을 맞추었으며, 집중 관측 자료 뿐만 아니라 기상청과 공군에서 상시관측하고 있는 광주, 오산, 백령도 지점의 고층 관측 자료도 이용하 였다. 종관기상분석을 위해 편집일기도, 위성영상과 FAS (Forecaster’s Analysis System) 기반 풍속, 유선, 발산, 혼합비 GDAPS (Global Data Assimilation and Prediction System) 수치자료와 CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) 레이더 자료가 사용 되었다. 관측 기간 내 서울 평균 강수량은 서울 내 위치한 30개 AWS (Automatic Weather System) 시 간 강수량으로부터 계산되었으며, 강수량의 기후 편 차 분포는 전국 57개 지점의 최근 30년(1981-2010) 일 강수량 자료로부터 산출되었다(Fig. 1).
ProbeX-2010 기간의 수도권 호우 유형
수도권 집중관측기간 동안의 총 강수량과 강수일수 의 평년 차를 Fig. 2에 제시하였다. 동해안지역을 제 외한 대부분 지역에서 강수가 평년보다 많았다. 특히 태안반도와 경기 북부지역을 중심으로 한반도 북서지
역에서 평년보다 약 150 mm 이상 많았다. 서울 지점 (47108)의 경우 평년의 188%에 해당되는 430 mm 강수가 있었다. 반면 동해안 지역에서는 평년보다 약 150 mm 이상 강수량이 적었다. 이러한 강수량 분포 는 집중관측기간 내 태풍과 열대저기압의 직접적 영 향으로 발생한 강수량을 제외하여도 유사하게 나타났 다(그림 생략). 강수일수 역시 경기도 지역을 중심으 로 약 6-7일 많아, 강수량의 증가가 한 두 차례의 호 우에 의한 것이 아니라, 관측기간 동안 지속적으로 형성된 것임을 알 수 있다.
수도권 집중관측 기간 서울 평균 시간 강수량 시 Fig. 1. Distribution of 57 observation stations in Korea and 30 AWSs in Seoul. Cross mark denotes radiosonde observa- tion station of ProbeX-2010.
Table 1. Typical heavy rainfall patterns (Korea meteorological administration, 2011)
Heavy rainfall pattern Synoptic characteristic Ratio (%)
Stationary front in front of low level jet
Heavy rainfall occurs in stationary front in front of low level jet over the area between meso- scale cyclone over the Yellow Sea and western flank of North Pacific anticyclone 53 Squall line in rear of
low level jet
Heavy rainfall occurs in a narrow line area where dry northerly from the Chinese continent converses with wet southwesterly from the western flank of North Pacific anticyclone 3 Convergence zone in front of
remote TC Heavy rainfall occurs in convergence zone in front of TC moving northward 17 Tropical depression Heavy rainfall occurs in north and east side of tropical depression 3 Typhoon Heavy rainfall occurs in north and east side of strong wind zone of typhoon 23
계열을 Fig. 3에 제시하였다. 관측기간 중 8월 21일 을 제외한 20일간 서울에 강수가 있었다. 특히 8월 23-26일과 8월 27-29일에는 지속적인 강수가 있었는 데, 이는 각각 정체전선과 열대저압부 전면 수렴대의 영향에 의한 것이다. 관측기간 강수 사례들을 기상청 호우 개념 모델과 비교해 본 결과, 8월 15일 03 KST에는 하층제트 후면형, 8월 25일에는 하층제트 전면형, 8월 28일에는 열대저압부형, 8월 29일에는 태풍 전면 수렴대형, 9월 2일에는 태풍 직접 영향형 에 의해 강우 및 호우가 발생하였음을 확인하였다.
본 연구에서는 직관적인 이해를 위해 하층제트 후면 형을 하층제트 후면 스콜선형, 하층제트 전면형을 하 층제트 전면 정체전선형으로 명명하였다. 또한, 8월 29일 호우는 태풍 전면 수렴대가 아닌 열대저압부 전면 수렴대 영향을 받으나, 그 메커니즘이 유사하여 태풍 전면 수렴대형으로 분류하였다.
8월 15일 하층제트 후면 스콜선형
Fig. 4a는 8월 15일 03 KST 지상 일기도이다. 14 일에 발해만을 통과하면서 발달한 저기압이 15일 03 KST에는 함경남도 부근에 위치하였다. 이 저기압 후 면에 동반된 한랭 전선이 한반도를 30 km hr−1로 통 과하였으며, 그 전면으로 폭이 약 50 km 내외인 뇌 우를 동반한 스콜선형 구름대가 발달하였다(Fig. 4b).
Fig. 4c에 850 hPa 유선, 등풍속선, 혼합비와 CAPPI 레이더 영상을 중첩하여 제시하였다. 중국 양쯔강 하 류 지역으로부터 습윤한 남서기류가 서해 남부를 거 쳐 한국으로 유입되고 있으며, 중국 북부로부터 건조 한 기류가 서해 북부를 거쳐 한랭전선 후면을 따라 한반도로 유입되고 있다. 이 두 기류는 한반도 중부 지역에서 연해주 지역으로 향하는 10 m s−1 이상의 하층제트 후면의 좁은 영역에서 합류되고 있다. 이 스콜선형 강수대는 03 KST에 서울을 통과하여 시간 당 20 mm의 호우를 발생시켰다.
15일 03 KST 인천공항과 양평의 호도그래프를 Fig. 5에 제시하였다. 이 시각 인천공항은 스콜선형 구름대 후면에 위치하였고, 양평은 약 10 km 전방에 위치하였다. 인천공항에서는 지상에서 약 500 hPa의 평균 바람 벡터(성숙한 세포의 진행 방향)와 지상과 약 700 hPa의 바람 시어 벡터(새로 생성된 세포의 진 행 방향)의 방향이 유사하다. 즉, 대류 세포가 진행하 는 방향으로 그 전방에 새로운 세포가 만들어지므로 좁은 영역에서 호우가 집중될 수 있는 대기구조가 Fig. 2. Anomalies of (a) total rainfall (mm/21 days) and (b) the number of rainy days during ProbeX-2010 (Aug. 14-Sep. 3, 2010).
Fig. 3. Time-series of hourly rainfall averaged over 30 AWSs in Seoul during ProbeX-2010 (Aug. 14-Sep. 3, 2010).
갖추어져 있다. 양평에서는 1000-700 hPa 대기 하층 에서 풍향이 약 60o 순전하는 강한 회전성 시어가 나 타나며, 특히 850 hPa에서는 20 m s−1 이상의 강풍이 관측되었다. 따라서 이 지역에서 강한 온난 이류가 있음을 알 수 있다. 인천공항 단열선도를 보면(Fig.
6a) 전 층에 거쳐 약 70 mm 이상의 많은 PW가 존 재하며, 특히 대기 하층이 거의 포화되었음이 나타난 다. 하지만 약 4-8 km 기층에서 습도가 급격히 낮아 지는 특징(hydrolapse)이 나타나며, 이는 대기 하층과 중층 사이 큰 습도 차로 인해 대류 불안정이 강하게 형성되어 있음을 의미한다. 스콜선 형의 구름대의 전 방 약 40 km에 위치한 오산(Fig. 6b)에서는 진잠재 불안정이 형성되어 있다(CIN: 11 J kg−1, CAPE: 1148 J kg−1). 또한 이 지역에서도 850 hPa 고도에서 25 m s−1 이상의 강한 남서류의 하층제트가 발견된다.
8월 25일 하층제트 전면 정체전선 형
8월 18일부터 22일까지는 북태평양 고기압이 우리 나라까지 확장하였으나, 23일부터는 남동쪽으로 수축 하여 중국 중부, 한국 중부, 일본 북부에 거쳐 정체 전선이 발달하였다. 이 정체전선에 의해 26일까지 중 부지역에 지속적인 강수가 있었다. 특히, 8월 25일 09 KST에는 서해남부에서 다가오는 남쪽 하층골에 의해 정체정선이 활성화되었다(Fig. 7a, b). Fig. 7c에 8월 25일 09 KST 850 hPa 유선과 등풍속선 그리고 CAPPI 레이더 영상을 중첩시켜 나타내었다. 서해상 에는 풍속이 6 m s−1 이상으로 비교적 강한 두 종류 의 강풍대가 확인된다. 첫 번째는 열대부터 불어오는 서해 남부의 남풍류이고, 두 번째는 북한 북부로부터 불어오는 서해 북부의 북동풍류이다. 강수대는 서해 남부의 강풍대 전면에서 크게 발달하여 서해 북부 강풍대까지 넓게 분포되어 있다. 즉, 온난한 남풍류 가 한랭한 북쪽 공기를 타고 상승하면서 대류 시스 템을 발달시켰다. 서해상에서 발달한 적운 무리들이 중부지방으로 유입됨에 따라 중부 지역에는 25일 09 KST에서 19 KST까지 최고 70 mm 이상의 강수가 발생하였다.
광주, 오산, 동두천에서 관측된 호도그래프를 Fig.
8에 제시하였다. 광주에서는 1000 hPa에서 400 hPa까 지 풍향이 약 70o 순전하고 있으며, 특히 925 hPa에 서는 20 m s−1 이상의 남동남풍이, 400 hPa에서는 25 m s−1이상의 서남서풍이 관측되었다. 따라서 이 지역 에서 강한 풍향 시어와 함께 온난 이류가 있었음을 Fig. 4. (a) Surface weather chart, (b) IR image, and (c)
mixing ratio (shaded; g kg−1), isotach (m s−1), stream line at 850 hPa and CAPPI 1.5 km radar image on 15 Aug, 2010 at 03 KST.
알 수 있다. 오산에서는 비록 925 hPa의 풍속이 15 m s−1로 약해졌지만, 1000 hPa에서 700 hPa까지 온난 이류를 나타내는 풍향의 순전이 확인된다. 반면, 동 두천에서는 925 hPa의 풍속이 5 m s−1 이하로 급감하 였으며 풍향도 북풍계열이다. 또한 1000 hPa에서 600 hPa까지 풍향의 약 180o 반전이 나타나, 이 지역에서 는 한랭이류가 지배적이다. 즉, 온난이류와 한랭이류 가 동두천과 오산 사이지역에서 수렴하였다.
8월 29일 태풍 전면 수렴대형
8월 28일에는 열대성 저압부가 서해로 북상하여 서해안 지역에 영향을 미쳤으며, 29일에 전선을 동반 한 온대 저기압으로 변질되어 만주지역에 상륙하였다 (Fig. 9a). 서해상에 한랭전선이 형성되었으며, 따라서 한반도는 한랭전선 전면에서 형성된 남서풍의 영향을 받고 있다. 대만 동쪽 해상에서는 열대성 저압부가 발달해 있다. Fig. 9b에 200 hPa 등풍속선과 발산, 850 hPa의 유선, 그리고 CAPPI 레이더 영상을 중첩 하여 나타내었다. 대만 동쪽 해상에 위치한 열대성 저압부의 동쪽 가장자리와 북태평양 서쪽 가장자리를 따라 형성된 남풍이 남쪽 해상을 거쳐 한반도로 유 입되고 있다. 한편 한랭전선 후면을 따라 중국 대륙 에서 서해를 거쳐 한반도로 유입되는 기류도 확인된 다. 서로 다른 두 기류는 한반도 서해안지역에서 수 렴하고 있다. 상층에서는 상층제트가 남하하여 서해 로부터 요동반도까지 남북 방향으로 자리 잡고 있으 며, 이 상층제트 입구 오른쪽 발산구역이 서해 중남 부지역에 위치하고 있다. 이러한 하층 바람의 수평적 수렴과 상층 발산 구역이 중첩되는 서해안 지역에서 남북 방향의 적운형 구름대가 발달하였으며(Fig. 9c),
서울에는 8월 29일 06 KST부터 14 KST까지 95 mm의 강수가 발생하였다.
백령도와 양평에서 관측된 8월 28일 09 KST 열역 학선도를 Fig. 10에 제시하였다. 두 지점 모두 대기 전 층에서 남서풍 내지 남풍이 우세하다. 하지만 백 령도에서는 야간 복사냉각과 한랭전선의 접근으로 인 해 양평에 비해 925 hPa 이하 층의 기온이 낮으며, 그 이상의 고도에서는 대기가 건조하다. 반면, 양평 에서는 야간에 흐린 날씨 상태가 지속되어 얕은 대 기층에서 접지역전이 형성되어 있다. 뿐만 아니라 지 상에서 약 500 hPa 까지 풍향의 순전이 나타나 온난 이류가 있음을 알 수 있다. 이 온난 이류에 의해 850 hPa 이하 기층의 온도가 백령도에 비해 높다. 뿐만 아니라 약 600 hPa까지 대기가 거의 포화되어 매우 습윤함이 나타난다. 이렇게 하층의 온도 차, 중하층 부터 상층까지의 습도 차가 뚜렷한 기단이 두 지점 사이에서 합류되고 있음을 알 수 있다.
8월 28일 열대저압부형과 9월 2일 태풍 직접 영 향형
특별 관측 기간 동안 한반도는 열대저압부와 태풍 의 직접적인 영향을 각각 한 차례씩 받았다. 중심기 압 1004 hPa, 최대 풍속 15 m s−1인 열대저압부가 8 월 28일 서해상으로 진입하여(Fig. 11a), 28일 18 KST에 전선을 동반한 온대저기압으로 변질되었으며, 29일 06 KST에 신의주 해안에 상륙하였다. 이 열대 저압부의 영향을 받아 서해안을 중심으로 강수가 발 생하였으며, 전라남도와 충청남도, 경기도 서쪽 지역 에서는 24시간동안 30-80 mm 강수가 기록되었다.
서울에는 10-40 mm 강수가 있었다. 9월 2일에는 중 Fig. 5. Hodograph at (a) Incheon Airport and (b) Yangpyeong on 15 Aug, 2010 at 03 KST (unit: m s−1).
심기압 970 hPa, 최대 풍속 35 m s−1인 태풍 곤파스 가 서해를 지나 06 KST에 경기만에 상륙하였다(Fig.
11b). 전국적인 강수가 발생하였으며, 지리산을 중심 으로 한 남해안 지역과 경기, 강원 북부지역에 30- 150 mm의 강수가 있었다. 서울에는 30-50 mm 강수 가 있었다.
Fig. 6. Skew-T log-P diagram at (a) Incheon Airport and (b) Osan on 15 Aug, 2010 at 03 KST.
Fig. 7. (a) Surface weather chart, (b) IR image, and (c) iso- tach (m s−1) and stream line at 850 hPa and CAPPI 1.5 km radar image on 25 Aug, 2010 at 09 KST.
호우 유형별
수도권 대기 연직 구조의 특징
관측기간 동안 인천공항, 양평, 동두천 평균 상당 온위와 풍속의 연직 분포 변화를 Fig. 12에 제시하였 다. 14일 21 KST부터 15일 03 KST까지 800 hPa 층 이하 대기에서 355 K 이상의 상당온위가 분포되어 있으며, 이는 관측 기간 중 가장 높은 수준이다. 또 한 925 hPa에는 약 20 m s−1의 강한 풍속이 관측되었 다. 따라서 대기 하층의 높은 상당온위는 하층 제트 에 의해 온난 습윤한 공기가 강하게 유입되었기 때 문임을 알 수 있다. 이러한 대기 상태에서 15일 03 KST 경에 한랭전선 통과와 함께 대륙으로부터 상대 적으로 한랭 건조한 기단이 유입되어 330 K 이하의 상당온위가 대기 중하층에서 관측되었다. 스콜선형 강수 시스템 통과 시(15일 03 KST) 1000 hPa과 700 hPa의 상당온위 차는 8.4 K였는데 반해, 통과 후(15 일 09 KST)에는 그 차가 28.9 K까지 커졌다. 이는 관측기간 중 최대 변화량이며, 대기 중하층에 매우 강한 한랭건조 이류가 있었음을 보여준다.
8월 15일 09 KST부터 17일 21 KST까지는 상층 제트가 한반도 부근까지 남하하여 200-300 hPa 상공 에서 30 m s−1 이상의 풍속이 관측되었다. 그와 함께 대기 중하층에는 330 K 이하의 한랭 건조한 기단이 자리 잡고 있다. 18일 03 KST부터 22일 18 KST까 지는 북태평양고기압이 다시 한반도 쪽으로 확장하여 대기 하층에 350 K 이상의 상당온위가 지배적이며, 전 층에서 풍속이 약하다. 이 기간에는 열적 불안정 에 의해 때때로 소낙성 강수가 발생하였다.
23일 03 KST부터 26일 18 KST까지는 정체전선의
영향을 받았다. 23일 03 KST, 925 hPa 이하 대기 하 층의 상당온위는 355 K 이상인데 반해 500 hPa의 대 기 중층 상당온위는 약 330 K로, 강한 열적 불안정이 형성되어 있다. 하지만 강수가 지속되면서 하층의 상 당온위가 급격히 감소하여 24일 03 KST부터 26일 09 KST까지는 지상에서 400 hPa 고도까지 상당온위 가 거의 일정한 열적 중립대기 상태를 보인다. 정체 전선상의 이러한 중립대기 상태는 2007년 장마기간 에 수행된 집중관측에서도 나타난 바 있다(김기훈 외, 2009). 이는 정체전선에 의한 강수가 시작될 때 에는 열적 불안정이 대류 활동을 촉진시키는 역할을 했지만, 이후의 강수는 열적 불안정보다는 종관규모 시스템에 의한 하층 온난 이류 및 수렴, 상층 발산과 같은 역학적 상승 메커니즘에 의해 지속되었음을 암 시한다. 실제로 대기 하층 일기도 상에서 23일부터 24일은 등고선과 온도선이 평행한 순압대기 구조가, 25일과 26일은 등고선이 온도선을 가로지르는 경압 대기 구조가 나타났으며(그림 생략), 이는 1978년 장 마기간 정체전선을 분석한 박순웅 외(1986)의 결과와 도 유사하다. 정체전선 강수 기간에는 제트가 다시 한반도로 접근하여 상층에 20 m s−1 이상의 풍속이 관측되었으며, 800 hPa 고도에서도 10 m s−1 이상의 하층제트가 관측되었다.
27일부터 29일까지는 태풍 전면 수렴대형 패턴에 의해 강수가 지속되었다. 앞선 정체전성형처럼 지속 형 강수가 있었지만 대기 연직구조는 상당한 차이를 보인다. 강수가 지속되는 내내 상당온위가 하층에는 약 345 K 이상의 값을, 중층에는 약 335 K의 값을 가져 열적 불안정이 계속 유지되었다. 뿐만 아니라 대류권 전층에서 전반적으로 강한 풍속을 보였으며, Fig. 8. Hodograph at (a) Gwangju, (b) Osan, and (c) Dongduchen on 25 Aug, 2010 at 09 KST (unit: m s−1).
주풍향도 정체전선형 사례동안에는 서풍인데 반해 태 풍 전면 수렴대 사례에서는 남풍이었다(그림 생략).
특히 하층의 강한 남풍 기류는 다량의 수증기를 공 급할 뿐만 아니라 온난기류를 지속적으로 유입시켜 열적 불안정 상태를 유지시키는 역할을 한 것으로 보인다. 350 K에 가까운 높은 상당온위가 지표로부터 Fig. 9. (a) Surface weather chart, (b) isotach (m s−1) and
divergence (10−6 s−1) at 200 hPa, stream line at 850 hPa, and CAPPI 1.5 km radar image, (c) IR image on 29 Aug, 2010 at 09 KST.
Fig. 10. Skew-T log-P diagram at (a) Baengnyeongdo and (b) Yangpyeong on 15 Aug, 2010 at 03 KST.
약 650 hPa 까지 깊은 층을 통해 나타난 29일 03-09 KST 동안 시간당 약 20 mm의 호우가 발생하였음이 확인된다.
28일에는 열대저압부가 서해를 통과함에 따라 수도 권 지역에 강수가 발생하였다. 하지만 열대저압부의 강도가 강하지 않았을 뿐만 아니라 상륙하지 않았기 때문에 태풍 전면 수렴형 사례와 뚜렷이 구분되는 특징은 나타나지 않았다. 반면, 태풍 곤파스의 경우, 서해를 거쳐 9월 2일에 경기만으로 상륙하였다. 20- 30 m s−1의 강풍이 900 hPa에서 300 hPa까지 분포되어 있으며, 전 층에 거쳐 345 K 이상의 높은 상당온위가 나타난다.
이도(streamwise vorticity)이다. 즉, 저기압성 상승 회 전류의 잠재력을 측정한다. LI는 지표 부근의 공기괴 를 500 hPa 면까지 상승시켰을 때 공기괴가 가지는 온도와 500 hPa 면의 실제 기온을 비교하여 불안정 도를 측정한다. KI는 중층이하 대기층의 불안정 환경 을 850, 700, 500 hPa 기온과 850, 700 hPa 이슬점 온도를 이용하여 산출한다. PW는 수평단위면적 위의 연직공기주 안에 포함된 수증기가 모두 응결하여 낙 하했다고 가정했을 때의 강수량을 나타내는 값이다.
동두천, 인천공항, 양평에서 각각 구해진 지수 값 과 그 평균값을 Fig. 13에 제시하였다. 비록 70-90 km 서로 떨어진 3지점에서 관측을 수행하였지만, 이 지점들에서 산출된 5개 지수값의 변동이 서로 매우 유사함이 나타난다. 따라서 3지점을 따로 분석하기 보다는 3지점의 평균값 변동을 분석하였다. 북태평양 고기압이 확장하여 한반도에 영향을 미친 8월 18-22 일 동안에는 CAPE가 약 420-1700 J kg−1로 비교적 높은 값을 유지하였다. 이후 정체전선의 영향을 받기 시작한 23일에 1906 J kg−1까지 높아져 최대치를 나타 냈다. 하지만 정체전선에 의한 강수가 지속되면서 CAPE가 급격히 감소해 24일부터는 0 J kg−1에 가까 운 값이 지속되었다. 이 시기 동안 CIN은 14 J kg−1에 서 190 J kg−1까지 증가하였다(그림 생략). 태풍 전면 수렴대의 영향을 받은 27-29일 기간에는 CAPE가 다 시 상승하여 약 50-1030 J kg−1사이 값을 가졌다. 이 는 강수가 지속되면서 CAPE가 0 J kg−1로 낮아진 정 체전선 사례와는 대조적이다.
SREH는 스콜선형 강수가 발생하기 약 6시간 전에 약 520 m2s−2의 높은 값을 가졌으며, 스콜선형 강수 가 발생한 8월 15일 03 KST에도 약 24 m2s−2으로 비교적 높았다. 이후 정체전선에 의한 강수 전반기인 24일까지 거의 0에 가까운 값을 보였으나, 정체전선 에 의한 강수 후반기인 8월 25-26일에 약 330 m2s−2 Fig. 11. Surface weather chart on (a) 28 Aug, 2010 at 09
KST and (b) 2 Sep, 2010 at 06 KST.
까지 높아졌다. 이는 정체전선에 의한 강수의 전반기 에는 열적 불안정이, 후반기에는 역학적 불안정이 주 요하였음을 의미한다. 8월 27-29일 태풍 전면 수렴대 형 강수 기간의 SREH는 50-420 m2s−2의 비교적 높 은 값을 가졌다. 이후 9월 2일 태풍 곤파스가 상륙했 을 때 990 m2s−2까지 상승하였다.
관측기간 동안 LI의 변동 패턴은 강수량 혹은 강 수 발생과는 상이함이 나타난다. 즉, 강수 사례들 중 순수 열적 불안정에 의해 발생한 사례는 드물었음을 알 수 있다. 하지만 스콜선형 강수, 정체전선형 강수, 태풍 전면 수렴대형 강수, 태풍 직접 영향형 강수의 시작 혹은 시작 직전에 LI가 불안정을 의미하는 -3에 가까운 혹은 그 이하로 낮아졌음이 확인된다. 이는 유형별 강수 사례들에서 공통적으로 강수 이전 시간 에 축적된 대류 불안정이 강수 시작을 촉진시켰음을 암시한다. 반면 안정함을 나타내는 3 이상의 값은 한 랭 건조 기단의 영향을 받은 8월 16-17일에 나타나 며, 정체전선 강수의 후반기인 8월 25-26일에는 그보
다 더 높은 값을 가졌음이 특징적으로 나타난다.
KI는 공기괴를 상층으로 들어 올려 주변 기온과 비교하는 LI와는 달리 단지 중하층 대기의 기온과 이슬점 온도 상태만을 고려한다. 따라서 직접적으로 대류 불안정을 측정하기 보다는 대류 불안정이 발생 할 수 있는 환경이 얼마나 잘 갖추어져 있는지를 반 영한다. 한랭건조 기단의 영향을 받은 15-17일을 제 외하고 거의 대부분 시간동안 불안정을 의미하는 약 30 이상의 값을 나타내고 있다. 즉, 언제든지 대류를 촉발시키는 원인이 주어지면 강한 대류가 발생할 수 있는 환경이 갖추어져 있음을 의미한다. 특히 스콜선 형 강수 발생 전인 14일 21 KST에 약 39의 최고치 를 보였다. 하지만 LI와 마찬가지로 강수량 혹은 강 수 발생과는 뚜렷한 상관관계를 보이지 않는다.
총 관측 기간(21일)의 평균 PW는 50.6 mm이며, 표준편차는 8.7 mm이다. 일시적으로 한랭건조 기단 의 영향을 받은 8월 16-17일, 30일을 제외하면 평균 PW는 53.1 mm이다. PW가 약한 피크를 보일 때 강 Fig. 12. Vertical time cross section of (a) equivalent potential temperature (K) and (b) wind speed (m s−1) averaged over three stations (Dongducheon, Incheon, Yangpyeong). Middle embedded bar graph represents hourly rainfall over Seoul.
수가 발생했음이 확인되나, 강수량과 양적인 비례관 계는 나타나지 않는다. PW의 최고치(75.5 mm)는 스 콜선형 강수 발생 직전인 8월 14일 21 KST에 나타 났다. 정체전선형 강수 기간 평균은 56.3 mm이며 태 풍 전면 수렴대형 강수 기간 평균은 58.8 mm로, 태 풍 전면 수렴대형 패턴에서 더 많은 수증기가 유입 되었음을 확인할 수 있다. 태풍 곤파스의 경우 67.8 mm가 측정되었다.
요약 및 결론
국립기상연구소는 8월 14일부터 9월 3일까지 라디 오존데 관측을 중심으로 수도권 집중관측을 수행하였 다. 관측기간 동안 수도권에는 평년의 2배에 가까운 많은 강우가 발생하였다. 본 연구에서는 호우 사례들 의 종관기상환경을 분석하는 동시에 집중관측으로 얻 어진 고층기상 관측자료를 이용하여 사례별 대기 연 Fig. 13. Time-series of CAPE, SREH, LI, KI, and PW at Dongducheon, Incheon, Yangpyeong and their averages during ProbeX-2010 (Aug. 14-Sep. 3, 2010). Vertical bar with right axis represents hourly rainfall averaged over Seoul.
직 구조의 특징을 분석하였다.
관측기간 동안 하층제트 후면 스콜선형, 하층제트 전면 정체전선형, 태풍 전면 수렴대형, 열대저압부형, 태풍 직접 영향형 패턴의 호우 시스템들이 연속적으 로 발달해 수도권 지역에 영향을 미쳤다. 8월 15일 북한을 통과하는 저기압에 동반된 한랭전선이 중부지 방을 지나면서 북태평양 고기압 가장자리의 온난 다 습한 기단으로 북쪽의 건조한 기류를 침투시켰으며, 이는 좁은 띠 형태의 스콜선 형 대류시스템의 발달 을 야기했다. 건조 기류가 대기 중하층에 강하게 유 입됨에 따라 단열선도 상에서 습도가 급격히 낮아지 는 특징(hydrolapse)이 뚜렷하게 확인되었으며, 관측 기간 중 가장 큰 상당온위 연직 감률이 나타났다. 8 월 23-26일은 정체전선 영향을 받아 지속적인 강수 가 있었다. 강수 시작 시기에는 높은 CAPE와 함께 높은 상당온위가 하층 대기에서 나타나 열적 불안정 이 우세하였다. 이후 강수가 지속됨에 따라 CAPE는 급격히 감소하고, 상당온위가 연직적으로 일정한 열 적 중립 대기 상태가 나타났다. 반면 SREH는 증가 하여 역학적 불안정이 더 우세해진 특징이 있다. 25 일에는 남서해상에서 다가오는 남쪽골 전면에서 형성 된 남풍류 하층제트에 의해 정체전선이 활성화되어 호우가 발생하였다. 하층제트에 의한 온난이류는 오 산까지 관측되었으며 동두천에서는 한랭이류가 관측 되었다. 즉 두 기류가 경기지역에서 합류하였다. 8월 27-29일은 북상하는 열대저압부 전면으로 공급되는 열대기류가 한반도 부근에서 수렴하여 지속적인 강수 를 발생시켰다. 이 강수 기간 동안에는 하층에 높은 상당온위 상태가 유지되는 동시에 바람의 연직시어도 강해 열적뿐만 아니라 역학적 불안정이 함께 지속되 었다. 특히, 29일에는 한반도가 온난전선 후면, 한랭 전선 전면에 위치하였으며, 대만 동쪽 해상에 위치한 열대저압부에 의해 열대 수증기가 한반도 하층 대기 로 지속적으로 공급되었다. 이 기류는 한반도 서해안 에서 북쪽 한랭 공기와 수렴하였으며, 상층 발산역의 도움으로 호우 시스템을 발달시켰다. 그 밖에 8월 26 일에는 열대저압부가 서해를 통과, 9월 2일에는 태풍 이 서해를 거쳐 중부지방으로 상륙하여 강수를 발생 시켰다. 두 사례 모두 역학적 불안정이 강하게 발달 하였다.
관측 기간 중 대류 불안정 지수인 LI와 KI를 계산 한 결과, 두 지수 모두 강수 발생 혹은 강수량과의 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았다. 다만 LI는 각 호
우 사례의 강수 시작, 혹은 시작되기 전에 −3 이하(불 안정)로 낮아지는 특징을 보였으며, KI는 대부분의 관측기간에서 30 이상의 값(불안정)을 가지나 호우가 발생할 때 다소 더 높은 값을 가졌다. LI는 강수 시 작을 촉발시킬 수 있는 열적 불안정의 측정에 유용 하며, KI는 호우가 발생할 수 있는 환경이 얼마나 잘 갖추어져 있는지를 판단할 때 유용하다는 것을 알 수 있다. 그 밖의 특징으로, LI는 정체전선형 강수 후반기에 관측기간 중 가장 높은 값(안정)을 가졌으 며, KI는 지속적인 강수가 있었던 정체전선형과 태풍 전면 수렴대형 중 태풍 전면 수렴대형에서 더 높은 값(불안정)을 가졌다.
비교적 짧은 관측 기간임에도 불구하고 여름철 대 표적인 호우패턴들이 수도권 지역에서 연속적으로 발 생하였으며, 그에 따라 수도권 집중관측 자료를 이용 하여 호우 패턴에 따른 대기 연직 구조의 연속적인 변화과정을 살펴볼 수 있었다. 향후에도 이러한 집중 관측을 지속적으로 수행하여 장기간 고해상도의 관측 자료를 축적한다면 위험기상 현상의 역학적 이해를 증진시킬 수 있을 것이다. 그뿐만 아니라 이러한 관 측 자료를 수치예보 모델의 입력자료로 활용하여 수 치예보의 정확도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기 대된다. 이와 관련하여 2009년 집중관측 자료를 수치 예보모델의 초기자료 개선에 활용한 결과, 그 예측성 이 향상됨이 제시된바 있다(황윤정 외, 2011).
2010년 수도권 집중관측의 고층관측은 60-90 km 간격의 세 지점에서 비교적 높은 공간해상도로 수행 되었다. 이는 호우 사례의 대기 연직 구조 특징뿐만 아니라 도시지형이 강수 현상에 미치는 영향을 풍상, 풍하측에서 관측하기 위함이었다(김도우 외, 2012).
하지만 집중관측 기간 동안 발생한 호우 사례들에 대해서는 세 지점에서 모두 유사한 대기 연직 구조 가 관측되었다. 규모가 작은 대류계에 의해 발생하는 국지적 집중호우의 역학적 분석을 위한 집중관측을 수행하기 위해서는 공간해상도 뿐만 아니라 시간해상 도를 향상시킬 필요가 있을 것이다.
감사의 글
본 연구는 국립기상연구소 주요사업 ‘예보기술지원 및 활용연구(NIMR-2012-B-1)’의 일환으로 수행되었 습니다.
김은희, 김맹기, 이우섭, 2005, 최근 30년간 한반도 일 강 수강도의 지역적 특성. 한국지구과학회지, 26, 404-416.
나득균, 곽종흠, 서명석, 홍윤, 2005, 종관적 특징에 따른 남한 강수 특성 분석: 30년(1973-2002) 기후 통계. 한국 지구과학회지, 26, 723-743.
박순웅, 윤일희, 정순갑, 1986, 1978년 하계 장마시 장마전 선과 관련되어 나타난 열과 수증기의 원에 관하여. 한 국기상학회지, 22, 1-27.
박창근, 이태영, 2008, 장마전선 상에서 발생한 중규모 호 우계 구조에 대한 연구. 대기지, 18, 317-338.
이용희, 하종철, 이희상, 2007, 2007년도 9월 집중호우의 기상학적 특성 분석. 한국수자원학회지, 40, 18-22.
and subdaily precipitation over South Korea. Journal of Climate, 22, 6741-6757.
Lee, D.K., Kim, H.R., and Hong, S.Y., 1998, Heavy rainfall over Korea during 1980-1990. Korean Journal of the Atmospheric Sciences, 1, 32-50.
Lee, J.H., Lee, S.W., and Lee, D.K., 2002, A study of the development of heavy rainfall influenced by Typhoon.
International conference on mesoscale convective systems and heavy rainfall/snowfall in East Asia, October 29-31, 2002, Tokyo, Japan, 376-379.
2012년 3월 9일 접수 2012년 4월 17일 수정원고 접수 2012년 4월 24일 채택
