1. 서론
강원도 영동지역은 태백산맥이 남북으로 뻗어 있고, 동해 바다의 영향을 받아 다양한 기상 현상이 발생한다. 특히, 동해로부터 불어오는 한랭하고 다습한 바람과 영서지역으로부터 태백산맥을 넘어가는 높새바람에 의한 고온 건조한 국지풍에 의해 영동지역은 저온현상 또는 고온현상이 빈번하게 나타난다(Lee, 2003). 또한, 동해는 남서·남동 계절풍이 지속적으로 불면 찬 공기풀(cold pool)이 발생하며, 이 발생된 찬 공기풀에 의해 차가워진 공기가 해풍의 영향으로 연안지역에 지속적으로 유입되기 때문에 기온이 낮아지는 현상이 나타난다(Kim et al., 2010; Park et al., 2014). 여기서 찬 공기풀은 상대적으로 안정한 차가운 공기의 영역을 의미한다.
이러한 저온현상 또는 고온현상이 발생하게 되면, 기온과 관련이 높은 농업 분야에 많은 피해를 발생 시키며, 특히, 저온현상의 경우, 농작물의 재배시기를 놓치거나, 농작물의 생장과 발육이 억제되어 냉해 및 동해의 피해를 입게 되는 특징이 있다(Shim et al., 2013). 또한, 최근 빈번해진 이상기후 현상으로 인해, 대설, 동상해, 폭염, 집중호우의 출현 빈도가 잦고, 기후 조건에 민감한 농업 및 수산업 분야에서는 그에 따른 경제적 손실이 증가하고 있는 실정이다(Korea Meteorological Administration, 2016).
이와 관련하여 이상기상 현상과 기온에 대해 수행된 국내외의 연구들은 대부분 기후학적인 측면을 강조한 연구가 주를 이루고 있으며, Choi and Kim (2015)은 겨울철 또는 여름철의 극한저온현상 또는 극한고온현상에 대한 종관적인 분석을 수행하였고, Lee (2003)는 겨울과 여름철을 중심으로 동해안과 서해안의 기온 차이의 특성을 연구하여, 서풍 계열의 바람이 불 때에는 동해안의 기온이 높고, 동풍 계열의 바람이 불 때는 서해안의 기온이 높은 특징이 나타나고, 동풍과 북동풍 계열의 바람이 불 때는 계절에 관계없이 서해안의 기온이 동해안보다 높아, 서해안쪽 사면에 푄현상이 나타남을 보여주었다.
한편, 기온의 급격한 변동과 관련하여 Engerer et al. (2008)은 MCS (Mesoscale Convective System)의 찬 공기풀과 관련 있는 지표 특성(지표 기압, 기온, 온위, 상당온위와 찬 공기풀에서의 최대 풍속)을 조사하였고, 찬 공기풀이 시작되는 30분 사이에 지표 기압은 증가하고(평균 3.0 hPa 이상), 온위는 감소하는 특징(8.0 K 이상)이 있음을 보여주었다. 그리고 Adams and Johnson (2010)은 활모양 구름(bow echo)과 연관되어 있는 종관규모보다는 작은 중간규모적인 지표 기압과 기온의 변화에 대해 연구하였으며, 2003년 3월 13일 0300 UTC~0700 UTC 사례를 대상으로 활모양 구름이 발달할 때, 0535 UTC에 기압(약 3.0 hPa)이 급격히 증가하고, 0555 UTC에 기온이 약 20분 동안에 급격히 감소(약 5.0 K)하며, 20분 후에 강수가 내리기 시작하면서 기온이 더 급격하게 떨어진다고 하였다.
Jenkins (2015)는 한대전선의 이동속도를 구하는 방법으로, 갑자기 비가 멈추고 하늘이 맑아지고, 기온은 약 2~3°C 이상 떨어지는 시각을 기점으로 전선이 다가오는 북서쪽과 남서쪽으로 100~200 km 지점을 선정하여 선정된 지점들의 전선이 지나가는 동일 기간의 기온 그래프를 그려 기온변화가 나타나는 시간과 거리를 이용하여 전선의 이동속도를 구하는 것을 제시하였다.
이러한 연구들은 주로 스콜라인이나 MCS, 그리고 강우 시스템에 동반된 찬 공기풀과 관련된 사례들을 대상으로 관측 분석이 수행되었으며, 그 중에서도 기온에 집중하여 분석된 연구는 거의 없다. 또한, 짧은 시간 규모에 나타나는 기온이나 기압 변동을 대상으로 한 수치모의 연구도 거의 없는 실정이다.
다만, 국내에서는 Lee and Kim (2014)에 의해 2013년 4월 16일 고산 지대에 위치한 대관령 지점에서 9분 동안에 약 15°C정도 기온이 급 하강한 현상에 대한 관측적인 분석이 이루어졌으며, 아주 발달된 한랭전선의 경우에도 기온 하강율이 한 시간 동안에 약 15°C 정도(Ahrens, 2001)인데, 이 사례의 경우, 한랭전선의 영향이 아님에도 불구하고 아주 짧은 시간동안에 약 15°C의 극심한 기온 하강 현상이 일어났음을 확인한 바 있다. 이러한 기온 급하강 현상은 영동 저온현상으로 이어져, 강원도 영동지역에서는 영농 및 꽃 축제와 관련된 관광 사업에도 적지 않은 피해가 발생하였기 때문에 향후 저온현상과 관련된 보조 자료로써 활용될 기상학적인 분석이 필요하다.
본 연구는 Lee and Kim (2014)의 후속연구로서, 2013년 4월 16일 사례를 대상으로 한 선행연구는 관측 자료만을 이용하여 사례분석을 수행하였으나, 본 연구에서는 고해상도의 WRF (Weather Research and Forecasting) 수치모의를 수행하여, 지형이 복잡한 고산지대에서 일어난 기온의 급하강 현상에 대한 WRF 모델의 수치모의 성능을 알아보고자 하며, 또한 지형 고도에 따른 민감도 실험을 수행하여, 태백산맥의 고도에 따른 지형 효과가 대관령에서의 기온 급하강 현상을 모의하는데 어떠한 영향을 미치는지, 그리고 급격한 기온 하강 현상이 발생할 때의 3차원적인 대기의 연직 구조와 대기 하층에서의 바람 및 기온 등을 분석하여 기온의 급하강이 나타나게 된 기상학적인 과정을 분석하고자 한다.
2. 사례의 관측 분석
연구 사례인 2013년 4월 16일 사례는 한기 축적에 의해 기압이 높아져 생긴 기압능이 동한만 부근에서 동해안 해안선을 따라 쐐기 형태로 남하하고, 동해 앞바다 부근으로는 온도골이 위치하는 기압 배치 하에서 영동지역으로는 북풍~북동풍 계열의 기류가, 영서지역 및 대관령에서는 남서 기류가 유입되고, 일중에는 복사로 인해 기온이 계속 상승할 때, 대관령 지점에서 16일 1500 LST부터 1541 LST까지는 약 22°C의 기온을 유지하다가 1543 LST에 약 15°C로 기온이 떨어지고, 1550 LST에는 기온이 약 7°C로 관측되어 급격한 기온 변화를 보였던 사례이다. 이 연구사례는 Lee and Kim (2014)에서 관측 자료를 이용하여 분석된 바 있으며, 여기서는 Lee and Kim (2014)에서 다루어지지 않은 내용을 기술하고자 한다.
대관령 지점에서 기온의 급하강 현상이 일어나는 동안에 기온의 연직 분포의 변화를 알아보고자 대관령 지점과 가까운 위치에 있는 대관령 구름물리선도센터와 북강릉 지점의 라디오미터의 기온 자료(Fig. 1 참고)를 추가로 분석하였으며, 이를 위해 먼저, 대관령과 가까운 위치에 있는 대관령 구름물리선도센터에서도 기온의 급하강 현상이 일어났는지 확인하였다.
Fig. 1
Time-Height evolution of temperature from radiometers at (a) Bukgangneung (BGN) and (b) Cloud Physics Observatory (CP_Obs.). Temperature is represented with shading based on scale at right of the figures.
4월 16일 1320 LST부터 1620 LST까지 대관령 지점(DG) (37°40’N, 128°43’E)과 대관령 구름물리선도센터(Cloud Physics Observatory; CP_Obs.) (37°41’N, 128°45’E)의 AWS (Automatic Weather System) 기온 자료(분(minute) 단위의 자료)를 시계열로 나타낸 그림(그림 생략)을 보면, 구름물리선도센터의 기온은 4월 16일 1334 LST~1349 LST동안에 약 19°C에서 약 7°C로 급격하게 기온이 떨어졌으며, 대관령 지점에서는 구름물리선도센터보다 약 2시간 후인 4월 16일 1541 LST~1550 LST 동안에 급격한 기온 변화가 나타났다. 이 두 지점간의 거리는 약 3.5 km로, 짧은 거리임에도 기온 변화가 나타나는 시간이 다르게 나타나며, 그 시간 차이는 약 2시간 정도로 나타나 차가운 공기덩어리가 매우 느리게 이동(1.75 km hr-1)하였음을 알 수 있다.
이와 관련하여 4월 16일 0900 LST~17일 0000 LST 사이의 기온의 연직 분포를 분석하고자, 대관령 구름물리선도센터와 북강릉 지점의 라디오미터 자료를 이용한 기온의 연직 분포도를 Fig. 1에 나타내었다. 세로축의 0 m는 각 지점의 관측기기 고도를 기준으로 구름물리선도센터는 해발 843 m, 북강릉 지점은 해발 78.9 m 고도에 각각 대응된다. 북강릉 지점의 경우(Fig. 1a), 0900 LST부터 1300 LST까지는 지면에서부터 약 1150 m 고도까지 280 K 이상의 따뜻한 공기덩어리가 위치하고, 약 400 m 고도 부근에 온난핵이 위치한다. 그리고 1150 m 이상의 고도에서는 280 K 이하의 기온이 관측되며, 고도에 따라 기온이 낮아지는 연직 분포를 보인다. 1300 LST 이후부터는 상공 1150 m 이하의 하층고도에서는 약 280 K 이하의 기온분포를 보이며, 특히, 16일 1500 LST부터 17일 0000 LST까지 약 200 m 고도 부근으로는 276 K 이하의 차가운 영역이 시간이 지남에 따라 점차 넓게 분포하여, 차가운 공기덩어리의 유입이 있음을 알 수 있다. 구름물리선도센터(Fig. 1b)에서는 0900 LST부터 1300 LST까지 280 K 이상의 기온이 약 1300 m 상공까지 분포하며, 1300 LST 이후에는 상공 200 m 이하의 고도에서는 280 K 이하의 기온분포가, 상공 200 m 이상의 고도에서는 280 K 이상의 기온분포를 보인다. 또한, 1300 LST에서 1400 LST 동안에 따뜻한 영역과 차가운 영역의 경계선이 명확하게 나타나며, 1500 LST 이후부터 17일 0000 LST까지 차가운 영역의 연직 두께가 시간이 지남에 따라 점점 두꺼워지면서 약 500 m 고도를 기준으로 그 아래에는 차가운 영역이, 그리고 그 위로는 따뜻한 영역이 지배적임을 알 수 있다.
즉, 북강릉의 경우, 약 3000 m 상공의 차가운 공기덩어리가 시간이 지남에 따라 점차 하층으로 내려오면서 한기의 유입 및 축적이 있던 것으로 보이며, 구름물리선도센터의 경우에는 따뜻한 공기덩어리 아래로 차가운 공기덩어리가 침투하면서 기온 변화가 급격하게 나타난 것으로 보인다.
3. WRF 수치모델 설정 및 실험 설계
이 실험에서 사용된 수치모델은 WRF V3.4.1 중규모 수치모델(Skamarock et al., 2008)이며, 규준실험(CNTL; control)은 다음과 같이 설정하였다. Fig. 2는 영동지역을 중심(130.0°E, 40.0°N)으로 3개의 영역(D1~D3)을 보여주며, 각 영역(D1~D3)의 수평 격자 수는 각각 120(동서)×120(남북), 232(동서)×241(남북), 547(동서)×586(남북)이다. 격자 간격은 각각 18, 6, 2 km의 양방향 둥지 격자(two way nested grid)로 구성하였다. 모델 상한은 50 hPa로, 각 도메인의 연직 층 수는 31층이다.
Fig. 2
Model domain for domain1, domain2, and domain3 with the terrain height shaded. The right figure is enlarged details of the analysis area in domain 3. Topography is represented with shading based on scale right of the figure. Hereafter, BGN, GN, DG, CP_Obs., APJ, and YP in all the figures stand for Bukgangneung, Gangneung, Daegwallyeong, Cloud physics observatory, Alpensia ski jump tower, and Yongpyong, respectively. The A-B line represents the path of vertical cross section used in Fig. 6, Fig. 10, and Fig. 11.
수치실험에서 사용된 물리과정은 다음과 같다. 지표 모델로는 Noah Land Surface Model을 사용하였으며, 적운 대류 모수화 과정은 격자 간격이 6 km 이상인 경우(D1과 D2)에서만 new Kain-Fritsch 기법(Kain, 2004)을 사용하였다. 구름물리 과정은 WDM6 (WRF Double-Moment 6-Class) 기법(Hong et al., 2010)을 사용하였고, 복사 모수화 방안으로는 단파복사에 대해서는 simple shortwave radiation 방안(Dudhia, 1989)을, 장파복사에 대해서는 RRTM (Rapid Radiation Transfer Model) (Mlawer et al., 1997)을 사용하였다. 이와 관련된 내용은 Table 1에 정리하였다.
Table 1
Configuration of the WRF Model Used in the Simulations for this Study
먼저, 규준실험인 CNTL 실험을 수행하였고, 기상청에서 제공하는 국지예보모델자료인 LDAPS (Local Data Assimilation and Prediction System; UM 1.5kmL70) 모델 산출 자료와 비교 분석하여 기온 급하강 사례에 대한 수치모델의 모의 성능을 알아보고자 하였다. 여기서 LDAPS 자료는 UM 등압면 및 단일 예보 자료로 공간 해상도는 1.5 km이며, 연직으로는 약 40 km까지 70층으로 구성된다(Korea Meteorological Administration, 2012).
그리고 태백산맥의 지형효과가 대관령 기온 급하강 현상에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 대관령 주변(37°39’~37°43’N, 128°43’~128°47’E)의 지형 고도를 임의로 낮추는 민감도 실험을 수행하였다. 즉, 대관령 주변의 가장 높은 지형의 고도를 700 m (EXP1 실험)와 400 m (EXP2 실험)로 낮게 설정하여 수치실험을 수행하였다. EXP1 실험의 경우, 대관령 지점의 고도는 600 m이며, EXP2 실험은 351 m이다. 참고로 CNTL 실험에서 대관령 주변 지형의 가장 높은 고도는 900 m이며, 대관령 지점의 고도는 768 m이다. 민감도 실험에서 WRF 모델의 지형자료(geog)는 D1의 경우, 5’(약 10 km) 자료를 사용하였으며, D2는 2’(약 4 km) 자료 그리고 D3은 30’’(약 1 km) 자료를 사용하였다.
모델의 초기 자료와 경계 자료는 격자 간격이 1°×1°인 NCEP (National Centers for Environmental Prediction)의 FNL (Final analyses) 자료를 사용하였다. 적분 시간은 2013년 4월 15일 2100 LST부터 2013년 4월 17일 0300 LST까지 총 30시간이다.
4. 수치모의 실험 결과 분석
4.1 CNTL 실험과 LDAPS 모델 산출 자료 비교 분석
Fig. 3은 CNTL 실험과 LDAPS 자료의 대관령 지점에 대한 지상 기온 자료(2 m 고도)를 시계열로 나타낸 그림이다. 붉은색 실선은 대관령에서 관측된 기온 자료이며, 녹색 실선은 CNTL 실험, 파란색 실선은 LDAPS 자료에서 산출된 기온 자료이다. 16일 1400 LST부터 2300 LST의 기온 변화(붉은색 박스 영역)를 보면, CNTL 실험과 LDAPS 자료 모두 관측 자료와 유사하게 1500 LST에 최고 기온(OBS 22.1°C, CNTL 실험 17.8°C, LDAPS 자료 22.3°C)이 나타난다. 그런데 대관령 지점의 관측 자료(OBS)에서는 최고 기온이 관측된 직 후, 급격하게 기온이 하강하는 반면에, CNTL 실험과 LDAPS 자료에서는 모두 관측 자료보다 완만한 기온 하강을 보여, 수치모델들이 기온에 대한 급하강 현상을 잘 모의하지 못하였음을 알 수 있다.
Fig. 3
Time series of the temperatures at Daegwallyeong from observation (red line), CNTL (green line), and LDAPS (blue line).
그러나 CNTL 실험과 LDAPS 자료의 4월 16일 0900 LST부터 2100 LST까지 6시간 간격의 지상 기압장(Fig. 4)을 보면, CNTL 실험과 LDAPS 자료 모두 동한만 부근의 V자 형태의 등압선이 시간이 지남에 따라 점차 남쪽으로 남하하는 것을 볼 수 있으며, 이러한 기압 패턴은 지상일기도(Lee and Kim (2014)의 Fig. 2 참고)와 동일하다. 따라서 큰 종관 시스템에 대해서는 CNTL 실험과 LDAPS 자료 모두 수치모델이 잘 모의하였음을 알 수 있다.
Fig. 4
Distributions of the sea level pressure from (a, b, c) CNTL and (d, e, f) LDAPS. Distributions shown are for (a, d) 0900 LST 16, (b, e) 1500 LST 16, and (c, f) 2100 LST 16 April 2013.
Fig. 5는 CNTL 실험과 LDAPS 자료의 지상 기온(2 m 고도)와 지상 바람(10 m 고도)을 나타낸 그림이며, 1400 LST부터 1700 LST까지 1시간 간격으로 나타냈다. 1400 LST에는 CNTL 실험과 LDAPS 자료 모두 대관령 주위의 산악지역은 동해안 지역보다 따뜻한 기온 분포(약 286 K 이상)를 보이며, 강릉과 대관령 사이로 기온의 경계가 나타난다. 1500 LST에도 동해안 해안선을 따라 기온이 낮게 분포한다. 그리고 1500 LST~1700 LST의 영동 북부 지역에서는 1400 LST 경보다 차가운 영역(약 280 K 이하)이 나타나며, 이 한기 영역은
Fig. 5
Distributions of 2-m air temperature and surface wind from (a, b, c, d) CNTL and (e, f, g, h) LDAPS. Distributions shown are for (a, e) 1400 LST 16, (b, f) 1500 LST 16, (c, g) 1600 LST 16, and (d, h) 1700 LST 16 April 2013. The temperature are represented with color shading based on scale at bottom of the figures.
시간이 지남에 따라 산악지역으로는 넘어가지 못하고, 주로 남쪽으로 남하한 것을 알 수 있다. 한기 영역의 남하로 영동 해안 지역에서는 약 286 K 이하의 기온 분포를, 산악 지역 및 영서 지역에서는 약 290 K 이상의 기온 분포를 보이며, 기온의 경계가 보다 뚜렷하게 구분된다. 그리고 이러한 기온의 불연속은 2100 LST까지 지속되며, 야간이 되어 기온이 점차 떨어지면서 완화되었다(그림 생략).
CNTL 실험의 지상 바람(Fig. 5a-d)을 보면, 강릉과 대관령 사이의 산경사면 중턱을 경계로 서쪽으로는 서풍 계열의 바람이 불고, 동쪽으로는 북풍~북동풍 계열의 바람이 지배적이다. 즉, 강릉과 대관령 사이의 산경사면 중턱에서 북동풍 계열의 바람과 서풍 계열의 바람이 마주하고 있으며, 1700 LST까지 지속된다. 이와 같은 지상 바람의 분포는 LDAPS 자료(Figs. 5e-h)에서도 비슷하게 나타난다. 그러나 관측에서는 강릉에서부터 대관령 지점까지 북동풍 계열의 바람이 불고 있다(Lee and Kim (2014)의 Fig. 8참고). 즉, 강릉에서부터 대관령까지 북동풍 계열의 바람이 불었던 관측과 달리, CNTL 실험과 LDAPS 자료의 경우, 강릉과 대관령 사이의 산경사면 중턱까지만 북풍~북동풍 계열의 바람이 불고, 대관령 지점 부근에서는 서풍 계열의 바람이 불어 대관령 지점에서 나타났던 급격한 기온 하강 현상은 두 자료에서 모두 잘 나타나지 않았다.
Fig. 6
Vertical cross sections (along line AB in Fig. 2) of potential temperature and horizontal wind. The temperature are represented with color shading based on scale at right of the figure. The red arrow pinpoints Daegwallyeong location.
Fig. 7
Same as Fig. 3, except for observation (red line), CNTL (green line), EXP1 (blue line), and EXP2 (yellow line).
CNTL 실험과 LDAPS 자료는 종관적인 시스템에 대해서는 잘 모의한 것으로 판단되나, 대관령에서의 기온의 급격한 변화에 대한 모의는 잘 이루어지지 않았다. 따라서 기온의 급격한 변화가 잘 나타나지 않은 원인을 알아보고자, 기온과 바람에 대한 연직단면도를 분석하였으며, LDAPS 자료의 경우, 앞에서 CNTL 실험과 거의 유사한 결과를 보였기 때문에 CNTL 실험에 대한 연직단면도만 제시하였다. 단면도가 지나는 경로 AB(검정색 실선)는 Fig. 2에 나타내었다.
Fig. 6은 4월 16일 1400 LST부터 1700 LST까지 1시간 간격으로 나타낸 CNTL 실험의 온위와 수평바람에 대한 연직단면도이다. 먼저, 온위의 연직 분포를 보면, 4월 16일 1400 LST~1700 LST 동안에, 고도 1 km 이상에서는 대관령 지점의 서쪽지역부터 동해상까지 따뜻한 공기가 위치하고 있으며, 지상부터 약 1 km 고도에서는 동쪽 산 경사면의 중턱부터 동해상으로 차가운 공기덩어리가 위치하고 있음을 알 수 있다. 그리고 보다 더 차가운 공기덩어리는 동해상으로부터 유입되고 있으나 산 정상 부근을 더 이상 넘어가지 못하고 1 km 고도 이하의 하층에 머무르고 있다.
수평 바람의 연직 분포에서는, 4월 16일 1400 LST~1700 LST 동안에 약 700 m 고도 이상의 모든 영역에서는 서풍 계열의 바람이 우세하게 나타난다. 한편, 700 m 고도 이하에서는 동해상에서부터 산 경사면을 따라 북풍~북동풍 계열의 바람이 우세하게 나타난다. 그리고 산 정상 부근에서 부는 서풍 계열의 바람의 세기가 산 경사면 부근에서 부는 북풍~북동풍 계열의 바람의 세기보다 강함을 알 수 있다. 즉, 산 정상 부근과 그 상층으로는 따뜻한 서풍 계열의 바람이 지속적으로 강하게 불어옴에 따라 기온이 상승하고, 해안지역과 산 경사면 사이에서는 차가운 북풍~북동풍 계열의 바람이 유입되면서 하층부터 차가운 공기덩어리가 쌓이게 된다.
산 정상 부근의 따뜻한 서풍 계열의 강한 바람은 상대적으로 산 경사면 부근의 약하고 차가운 북풍~북동풍 계열의 바람이 산 정상 부근으로 넘어오지 못하도록 한 것으로 보이며, 또한, 동해상에서 대관령으로 부는 북동풍 계열의 바람세기가 산 정상 부근의 서풍 계열의 바람세기보다 상대적으로 매우 약하였기 때문에 찬 공기가 대관령으로 이류 되지 못하여 대관령에서의 급격한 기온 변화가 나타나지 않은 것으로 보인다. 그리고 차가운 북풍~북동풍 계열의 바람이 유입되는 위치는 온위의 연직분포(Fig. 6)에서 한기가 유입된 영역의 위치와 거의 일치함으로써 북풍~북동풍 계열의 바람과 차가운 공기의 이동이 매우 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.
4.2 민감도 실험 결과
지형 고도에 대한 민감도 실험을 위해 대관령 주변의 가장 높은 지형의 고도를 700 m 고도로 낮춘 EXP1 실험과 대관령 주변의 가장 높은 지형의 고도를 400 m 고도로 낮춘 EXP2 실험을 수행하였다. Fig. 7은 대관령 지점에서 관측된 2 m 기온 자료와 EXP1 실험과 EXP2 실험에서 산출된 2 m 기온 자료를 시계열로 나타낸 그림이다. 붉은색 실선은 대관령에서 관측된 기온 자료(OBS)이며, 녹색 실선은 CNTL 실험, 파란색 실선은 EXP1 실험, 그리고 노란색 실선은 EXP2 실험에서 산출된 기온 자료이다. 16일 1400 LST부터 2300 LST의 기온 변화를 보면(붉은색 박스 영역), OBS와 유사하게 EXP1 실험과 EXP2 실험 모두 급격한 기온 변화가 있는 구간이 나타난다. 다만, 급격한 기온 변화가 나타나는 시간대의 경우, OBS에서는 1500 LST~1600 LST 사이에 나타나는 반면, EXP1 실험에서는 1700 LST~1800 LST 사이에, EXP2 실험에서는 1600 LST~1700 LST 사이에 나타나 EXP1 실험보다는 EXP2 실험에서 급격한 기온 변화가 나타나는 시간대가 한 시간 정도 더 빠르게 나타나나, OBS보다는 한 시간 정도 느리게 나타난다. 한 시간 동안의 급격한 기온 변화는 OBS의 경우, 약 15°C, EXP1 실험에서는 약 8°C, EXP2 실험에서는 약 9°C의 기온 변화가 있어, 고도가 보다 낮은 EXP2 실험에서 조금 더 큰 기온 변화가 있다.
1600 LST~1800 LST 사이에 대관령에서 급격한 기온 차이를 보인 두 민감도 실험의 결과는 급격한 기온 변화가 없었던 CNTL 실험과는 다른 결과를 보였다. 즉, CNTL 실험의 경우, 대관령 주변의 지형 고도가 상대적으로 높았기 때문에 차가운 공기덩어리가 산악지형을 넘어가지 못하고 산 경사면에 정체하였고, EXP 실험들은 대관령 주변의 지형 고도가 CNTL 실험의 지형 고도보다 낮아지면서 차가운 공기덩어리가 산 정상 부근을 쉽게 넘어갈 수 있었기 때문에 급격한 기온 변화가 나타난 것으로 분석되었다.
Fig. 8은 EXP1 실험과 EXP2 실험에서 산출된 지상 기압장이며, 4월 16일 0900 LST부터 2100 LST까지 6시간 간격으로 나타내었다. 두 실험 모두 4월 16일 0900 LST경에 동한만 부근으로 기압능이 뻗어 있음을 알 수 있다. 1500 LST에는 EXP1 실험의 경우, 영동 해안선을 따라 강릉 부근까지 쐐기 형태로 기압능이 확장하고 있으며, EXP2 실험의 경우에는 영동 해안선을 따라 속초 부근까지 기압능이 확장하고 있다. 따라서 EXP1 실험이 EXP2 실험보다 기압능이 남쪽으로 더 깊게 확장하는 모습을 보여준다. EXP1 실험의 기압능이 EXP2 실험의 기압능 보다 더 남쪽으로 깊이 뻗어있는 이유는 EXP1 실험의 산맥의 높이가 EXP2 실험의 산맥 높이보다 상대적으로 높기 때문에 EXP1 실험에서 나타난 차가운
공기가 산맥을 넘어가지 못하고 오히려 저지대인 해안선을 따라 남쪽으로 흐르기 때문이다. 따라서 EXP2 실험보다 EXP1 실험에서 보다 더 남쪽으로 차가운 공기덩어리가 영동 해안선을 따라 축적되면서, 밀도가 높아짐에 따라 기압이 높아져, 기압능이 남쪽으로 더 깊게 확장된 것으로 분석된다. 1500 LST의 2 m 기온 분포도(그림 생략)를 보면, EXP2 실험보다 EXP1 실험에서 차가운 공기가 영동 해안선을 따라 쐐기형태로 울진 부근까지 분포하는 모습을 보여, 앞에서 언급한 분석을 뒷받침하고 있다.
Fig. 9는 대관령에서 급격한 기온 하강이 나타난 4월 16일 1400 LST~1700 LST의 EXP1 실험과 EXP2 실험의 지상 기온과 지상 바람에 대한 분포도이다. 먼저, 지상 기온의 분포를 보면, 두 실험 모두, 따뜻한 공기와 차가운 공기의 뚜렷한 경계가 대관령 동쪽에 위치함을 알 수 있다. 특히, EXP2 실험(Figs. 9e-h)의 경우, 1700 LST경에 차가운 공기의 경계가 대관령 지역을 통과한 것을 알 수 있다. 반면에 EXP1 실험(Figs. 9a-d)의 경우, 대관령 바로 동쪽까지 찬 공기의 유입이 있었으며, 1800 LST에서 1900 LST 사이에 찬 공기가 대관령을 통과하였다. 즉, EXP1 실험 보다 대관령 주변의 지형 고도가 낮은 EXP2 실험에서 대관령지점의 급격한 기온변화가 먼저 나타났으며, 이는 지형이 상대적으로 다소 높았던 EXP1 실험의 경우, 높은 지형에 의한 저지효과로 차갑고 무거운 공기가 대관령 너머로 쉽게 이동하지 못한 것으로 보여 진다.
Fig. 9
Distributions of 2-m air temperature and surface wind from (a, b, c, d) EXP1 and (e, f, g, h) EXP2. Distributions shown are for (a, e) 1400 LST 16, (b, f) 1500 LST 16, (c, g) 1600 LST 16, and (d, h) 1700 LST 16 April 2013. The temperature are represented with color shading based on scale at bottom of the figures.
그리고 지상 바람에 대한 분포를 보면, EXP1 실험의 경우(Figs. 9a-d), 4월 16일 1400 LST부터 1700 LST까지 영서지역을 포함한 대관령 인근 지역으로는 남서풍 계열의 바람이 우세하게 나타난 반면, 영동 해안 지역인 강릉 인근과 동해 앞바다 부근으로는 북서풍 계열의 바람이 우세하게 나타난다. 그리고 강릉과 대관령 사이의 산 경사면에서는 북풍 계열의 바람이 유입되고 있음을 알 수 있다. 즉, 기온의 경계가 나타났던 부근에 따뜻한 남서풍 계열의 바람과 차가운 북풍 계열의 바람의 경계선이 위치하고 있음을 알 수 있다. EXP2 실험(Figs. 9e-h)에서도 1400 LST부터 1600 LST까지는 EXP1 실험과 거의 유사한 바람의 분포를 보였으나, 1700 LST경에 북풍 계열의 바람이 대관령을 지나 알펜시아 스키점프대 인근까지 유입되었으며, 이 시각에 EXP2 실험의 2 m 기온 분포도에서도 대관령과 알펜시아 스키점프대 사이에서 따뜻한 공기와 차가운 공기의 경계가 뚜렷하게 나타나, 동해상으로부터 유입된 차가운 공기덩어리가 대관령 산악지역을 넘어 알펜시아 스키 점프대 부근까지 유입되고 있음을 알 수 있다.
이러한 기온의 변화를 연직단면도로 살펴보기 위해 EXP1 실험과 EXP2 실험에서 산출된 온위의 연직단면도를 Fig. 10에 각각 나타내었다. EXP1 실험(Figs. 10a-d)의 경우, 1400 LST~1700 LST까지 288 K 이하의 찬 공기가 해안가에서부터 점차 유입되어 산 정상으로 이동하며, 찬 공기의 두께도 거의 산 정상과 비슷한 높이(약 700 m)까지 두꺼워진 것을 볼 수 있다. 그리고 1700 LST경에는 이 찬 공기가 거의 산 정상 부근까지 확장하고 있다. EXP2 실험(Figs. 10e-h)의 경우에도 288 K 이하의 찬 공기가 해안가로부터 유입되어 산 정상으로 이동하는 것을 볼 수 있으며, 다만, EXP1 실험과는 달리 찬 공기의 두께(약 700 m)가 산 정상의 높이(약 400 m)보다 더 두꺼워, 1700 LST경에 산 정상을 지나 대관령 지점까지 유입되는 것을 볼 수 있다. 즉, EXP1 실험과 EXP2 실험에서 산출된 찬 공기의 두께는 최대 약 700 m로 거의 비슷했지만, 대관령 주변 지형의 최대 고도가 상대적으로 낮았던 EXP2 실험에서 찬 공기덩어리가 산 정상을 쉽게 넘어 대관령 지점까지 이동한 것을 알 수 있다.
Fig. 10
Vertical cross-sections of potential temperature at (a, e) 1400 LST 16, (b, f) 1500 LST 16, (c, g) 1600 LST 16, and (d, h) 1700 LST 16 April 2013 along line AB in Fig. 2, respectively. Top and bottom panels show the simulated results from EXP1 and EXP2, respectively. Potential temperature is represented with shading based on scale at right of the figure. The red arrow pinpoints Daegwallyeong location.
Fig. 11은 EXP1 실험과 EXP2 실험에서 산출된 연직운동과 연직속도를 나타낸 그림이다. 여기서 파란색 음영은 하강속도를, 빨간색 음영은 상승속도를 각각 나타낸다. EXP1 실험(Figs. 11a-d)의 연직운동과 연직속도를 보면, 1400 LST에는 산 정상 부근에 하강운동역(약 30 cm s-1 이상)이 있으며, 산의 동쪽 사면 중턱 부근으로 강한 상승운동역(최대 약 70 cm s-1)이, 그리고 동쪽 해안가 부근으로 약한 상승운동역(약 20 cm s-1 이상)이 있음을 알 수 있다. 여기서 강한 상승운동이 나타나는 영역은, 영서지역에서 시작하여 산 정상 부근을 넘어 산의 동쪽 사면 중턱으로 불어가는 남서풍 계열의 바람과 동해상에서 산의 동쪽 사면 중턱으로 불어오는 북풍 계열의 바람이 만나 수렴되면서 상승운동이 보다 강화된 것으로 여겨진다. 1500 LST에서 1600 LST까지 산 정상 부근에 나타났던 하강운동역은 시간이 지남에 따라 점차 약화되었으며, 산의 동쪽 사면 중턱 부근의 강한 상승운동역이 산 정상 부근으로 이동해 가면서 상승운동의 강도도 점차 약화됨을 알 수 있다. 그리고 해안가에서 산 정상 부근으로 점차 이동해 오는 상승운동역은 강도는 약화되었지만 유지되고 있다. 즉, 남서풍 계열의 바람과 북풍 계열의 바람이 만나는 경계역이 산의 동쪽 사면 중턱에서 산 정상 부근으로 이동하면서 한기영역이 산 정상 부근에 위치하게 된다. 1700 LST 경에는 하강운동역이 거의 사라지고, 산 정상 부근의 강한 상승 운동역은 그 강도가 매우 약화(약 30 cm s-1)되었으나, 여전히 산 정상 부근에 머무르고 있으며, 동해안 지역에서부터 산 정상 부근까지 상승운동이 지배적임을 알 수 있다. 즉, 북풍 계열의 바람이 유입되면서 산악 지형에 의한 강제 상승 운동이 활성화되었고, 산의 동쪽 사면을 따라 상승하면서 축적된 찬 공기덩어리는 산의 동쪽 사면 상부 근처까지 도달하였다. 그러나 산 정상 부근으로는 남서풍 계열의 바람과 북풍 계열의 바람이 만나는 경계역이 지속적으로 유지되어, 대관령 지점으로 차가운 공기덩어리가 이동해 오지 못한 것으로 분석된다.
Fig. 11
Same as Fig. 10, except for v-w wind vector and vertical velocity (shading) fields. Vertical velocity is represented with shading based on scale at right of the figures.
EXP2 실험(Figs. 11e-h)의 경우에는 1400 LST 경에 산의 동쪽 사면 중턱부터 산 정상 부근으로 하강운동역(약 30 cm s-1 이상)이 있으며, 산의 동쪽 사면 중턱 아래쪽으로 강한 상승운동역(최대 100 cm s-1)이, 그리고 해안가 부근으로는 약한 상승운동역(약 10 cm s-1 이상)이 있음을 알 수 있다. EXP2 실험에서는 산의 동쪽 사면 중턱 부근의 상승운동역이 1500 LST에서 1700 LST까지 산 정상 부근으로 이동해 오는 것을 EXP1 실험보다 더 뚜렷하게 볼 수 있다. 상승운동의 강도는 산의 동쪽 사면 중턱 부근에서 산 정상 부근으로 이동함에 따라 점차 약화되었지만, EXP1 실험보다는 다소 강한 상승운동을 보여준다. 그리고 1700 LST경에는 산 정상 부근의 하강운동역은 사라지고, 산 정상 부근을 넘어 대관령 지점 부근에 최대 약 80 cm s-1 이상인 상승운동역이 나타나는 것을 볼 수 있다. 따라서 EXP2 실험에서도 EXP1 실험처럼 북풍 계열의 바람이 산의 동쪽 사면을 따라 유입되면서 저지되어, 차가운 공기덩어리가 산의 동쪽 사면을 따라 축적되었음을 알 수 있다. 다만, 남서풍 계열의 바람과 북풍 계열의 바람이 만나는 경계역(강한 상승 운동역)이 산 정상 부근을 지나 대관령 지점에 위치하면서, 동해안 지역에서부터 대관령 지점까지 북풍 계열의 바람이 불게 된다. 이에 따라 축적된 차가운 공기덩어리가 산악지대를 넘어 대관령 지점 부근으로 이동하였다.
Fig. 12는 Fig. 1에 대응되는 그림으로 CNTL, EXP1, 그리고 EXP2 실험에서 산출된 북강릉(Figs. 12a-c)과 대관령(Figs. 12d-f)에서의 기온의 연직 분포에 대한 시계열이다. 기온변화는 파란색(낮은 온도)에서 붉은색(높은 온도)으로 나타내었다. 북강릉 지점에서는 CNTL 실험과 EXP1 실험의 경우, 고도 250 m 이하의 하층에서 따뜻한 영역이 지배적이
Fig. 12
Time-Height evolution of temperature from (a, d) CNTL, (b, e) EXP1, and (c, f) EXP2 at Bukgangneung (top panels) and Daegwallyeong (bottom panels). Temperature is represented with shading based on scale at right of the figures.
었다가 16일 1300 LST 이후부터 280 K 이하의 차가운 영역이 시간에 따라 점차 유입되는 것을 볼 수 있으나, 관측(Fig. 1)에서 보였던 온난핵은 잘 나타나지 않으며, 따뜻한 영역도 다소 분리되어 나타난다. 반면에, EXP2 실험에서는 따뜻한 영역이 분리되지 않고, 기온 변화가 나타나는 16일 1600 LST부터 280 K 이하의 차가운 영역이 점차 넓게 분포하면서 한기가 유입되는 것을 볼 수 있으며, 이는 관측과 가장 유사한 기온의 연직분포를 보인다. 대관령 지점에서는 CNTL의 경우, 시간의 흐름에 따라 기온이 서서히 높아졌다가 서서히 낮아져, 급격한 기온 변화는 다른 두 실험에 비해 비교적 작다. EXP1 (1700 LST~1900 LST)과 EXP2 (1600 LST~1800 LST) 실험은 모두 기온이 급격하게 변하는 구간이 뚜렷하게 나타난다. EXP1 실험의 경우, 1700 LST부터 그리고 EXP2 실험의 경우, 1600 LST부터 약 50 m 이하의 고도를 중심으로 차가운 영역(280 K 이하)이 점차 확대되어 분포하는 것을 볼 수 있다. 특히, EXP2 실험의 경우, 차가운 공기덩어리가 따뜻한 공기덩어리 아래로 침투하는 모습이 보다 더 잘 나타난다. 즉, EXP2 실험은 다른 두 실험보다 북강릉 지점의 따뜻한 공기덩어리의 연직 분포의 형태 및 차가운 공기덩어리의 유입 형태, 대관령 지점에서의 기온이 급격하게 하강하는 구간, 그리고 차가운 공기덩어리가 따뜻한 공기덩어리 아래로 침투하는 연직분포가 관측과 가장 유사하였다.
산맥에 의한 저지효과는 Froude 수(이하 Fr로 약칭)로 추정할 수 있으며(Forbes et al., 1987), Smith (1979, 1989)는 Fr의 크기가 1보다 작은 경우, 하층 기류가 산에 의해 저지된다고 하였다. 따라서 각 실험에 대한 산맥의 저지 효과를 추정하기 위하여 산맥에서 약 40 km 떨어진 동해상의 한 지점(Fig. 2의 점 P)에 대해 다음과 같이 정의되는 Fr의 크기를 산출하였다. Fr의 수식은 Fr=U/NH이며, U는 산맥을 향하여 직각으로 부는 바람의 크기이고, H는 산의 높이이며, N은 Brunt–Väisälä 진동수로, N = ( g θ ∂ ∂ z
Table 2
Froude number (Fr), Brunt–Väisälä frequency (N), and U from the simulated outputs from 1400 LST to 1700 LST 16 April 2013.
CNTL 실험의 경우, 대관령의 고도까지 산출 평균된 U 값은 16일 1400 LST부터 1700 LST까지 약 -1.77 m s-1, -1.44 m s-1, -1.25 m s-1, -1.05 m s-1이다. 이는 태백산맥에서 동해상으로 부는 바람을 의미한다. 그리고 이 기간 동안에 N 값도 0.01 s-1이상으로 안정한 대기상태임을 알 수 있다. 즉, 지상부터 산 정상 부근까지 서풍 계열의 바람이 지속적으로 불며, 대기가 안정하였기 때문에 영동 해안에 축적된 차가운 공기덩어리가 서쪽으로 이동하지 못하여 산 정상 너머로 넘어가지 못한 것으로 보인다.
EXP1 실험에서도 1400 LST부터 1600 LST까지의 U 값은 약 -1.07 m s-1, -0.05 m s-1, -0.03 m s-1이며, CNTL 실험과 같이 U의 값이 음수(-)로 나타나, 이 시간 동안에 동해상에서 태백산맥으로 부는 바람이 나타나지 않았다. 그리고 이 기간 동안에 N 값도 0.01 s-1이상으로 안정한 대기상태를 보였다. 이 후, 1700 LST의 U 값은 0.04 m s-1로 계산되어 동해상에서 태백산맥으로 부는 바람은 나타나지만, 바람의 크기가 매우 작고, N 값의 경우, 이전 시간대과 마찬가지로 0.01 s-1이상으로 안정한 대기상태를 보였으며, Fr 값은 0.01 이하로 작게 나타나 동해상에서 태백산맥으로 부는 약한 바람은 태백산맥을 넘지 못하고 저지됨을 알 수 있다.
EXP2 실험에서는 1400 LST의 U 값은 1.3 m s-1, N 값은 0.01 s-1, Fr 값은 0.28로 나타났으며, 1500 LST에는 U 값이 1.76 m s-1, N 값은 0.01 s-1, Fr 값은 0.38로 나타났다. 1600 LST에는 U 값은 1.5 m s-1, N 값은 0.007 s-1, Fr 값은 0.66이며, 1700 LST에는 U 값이 1.5 m s-1, N 값은 0.005 s-1, 그리고 Fr 값은 0.92였다. EXP2 실험은 CNTL 실험과 EXP1 실험과는 달리 모든 시간대에서 동해상에서 태백산맥으로 부는 바람성분이 있었으며, N 값은 1400 LST부터 1500 LST까지는 0.01 s-1 이상으로 안정한 대기 상태였으나, 1600 LST부터
1700 LST에는 약 0.005 s-1 정도로 이전 시간대보다 다소 덜 안정한 대기상태를 보여, Fr 값은 시간에 따라 점차 증가하였다. 특히, 1700 LST의 Fr 값은 0.9 이상으로 나타나, 동해상에서 태백산맥으로 부는 바람이 태백산맥을 넘을 수 있는 운동 에너지를 가진 것으로 해석된다. 즉, EXP2 실험에서는 다른 실험들(CNTL, EXP1 실험)과는 달리 동해상에서 태백산맥으로 부는 바람성분이 1400 LST부터 1700 LST까지 나타났으며, 안정도 N의 값은 상대적으로 낮게 나타나 다소 불안정한 대기상태이었다. 이 때, Fr이 0.9 정도였기 때문에 해안 저지대에 축적된 차가운 공기덩어리가 태백산맥의 산 정상너머로 이동할 수 있었던 것으로 보인다.
그리고 차가운 공기덩어리가 산 정상을 넘어갈 수 있는 원인에 대해 보다 자세히 알아보고자 Fr 수의 U 값과 N 값을 동일 기간에 대해 분석하였다.
먼저, Fig. 13은 산맥에 대하여 직교하는 바람의 크기인 U 값을 지상에서 1 km 고도까지 100 m 간격으로 연직으로 나타낸 그림이다. 검정색 점선 화살표는 실험별 각 대관령의 고도를 나타내며, 검정색은 16일 1400 LST, 빨간색은 1500 LST, 녹색은 1600 LST, 노란색은 1700 LST를 각각 나타낸다. CNTL 실험의 경우, 16일 1400 LST부터 1700 LST까지 모든 시간대에 걸쳐, 약 0.5 km 미만에서는 동해상에서 태백산맥 쪽으로 부는 바람이 약하게 나타나며, 0.5 km 이상에서는 태백산맥에서 동해상 쪽으로 부는 바람이 강하게 나타난다. CNTL 실험에서의 산의 고도는 768 m로 0.5 km 미만의 저지대에서는 동해상에서 태백산맥 쪽으로 바람이 불어 해안지역 부근에 한기가 축적되나, 0.5 km 이상의 고도인 산 경사면 상층부와 산 정상 부근으로는 태백산맥에서 동해상 쪽으로 바람이 불어, 해안지역 부근에 축적된 차가운 기류가 산 정상을 넘어가지 못한 것으로 판단된다.
Fig. 13
Vertical profiles of U (m s-1) at the point P in Fig. 2 at 1400 LST 16 (black dot line), 1500 LST 16 (red dot line), 1600 LST 16 (green dot line), and 1700 LST 16 (yellow dot line) April 2013 for (a) CNTL, (b) EXP1, and (c) EXP2, respectively. U is the speed of the component of the undisturbed flow normal to the mountain range.
EXP1 실험에서도 CNTL 실험과 거의 유사하게 1400 LST부터 1700 LST까지 모든 시간대에 걸쳐, 고도 0.5 km 미만에서는 동해상에서 태백산맥 쪽으로 부는 바람이 나타나 해안지역으로는 한기의 축적이 있으나, 산 정상 부근인 고도 0.7 km에서는 태백산맥에서 동해상 쪽으로 부는 바람이 존재하였기 때문에 해안지역의 한기가 태백산맥을 넘지 못한 것으로 보인다.
EXP2 실험의 경우에는 1400 LST와 1500 LST에는 고도 0.3 km까지는 동해상에서 태백산맥 쪽으로 부는 바람이 나타나지만, 산 정상인 351 m 부근으로는 CNTL 실험과 EXP1 실험과 마찬가지로 태백산맥에서 동해상 쪽으로 부는 바람이 나타난다. 하지만, 1600 LST와 1700 LST에는 0.4 km까지 동해상에서 태백산맥 쪽으로 부는 바람이 나타나며, 산의 고도가 351 m이기 때문에 산 정상 부근에서도 동해상에서 태백산맥 쪽으로 바람이 부는 것을 알 수 있다. 따라서 해안지역에 축적되어 있던 한기가 태백산맥의 정상을 넘어갈 수 있었던 것으로 분석된다.
Fig. 14는 안정도 N과 관련되어 있는 온위를 지상에서 1 km 고도까지 100 m 간격으로 나타낸 그림이다. 검정색은 CNTL 실험, 빨간색은 EXP1 실험, 그리고 파란색은 EXP2 실험의 연직 분포를 각각 나타낸다. 먼저, 16일 1400 LST부터 1700 LST까지 모든 시간대의 온위의 연직 분포를 보면, 지상부터 고도 약 0.8 km까지 EXP2 실험, EXP1 실험, 그리고 CNTL 실험 순으로 온위의 연직 분포가 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, 대관령 주변의 최대 고도가 가장 높게 설정되었던 CNTL 실험에서 차가운 공기가 보다 많이 축적되어 온위가 가장 낮게 나타난 것으로 보이며, EXP2 실험은 CNTL 실험과 EXP1 실험보다 대관령 주변의 최대 고도가 상대적으로 낮아 차가운 공기가 덜 축적되면서 온위가 높게 나타난 것으로 보인다.
Fig. 14
Vertical profiles of potential temperature (K) at the point P in Fig. 2 at (a) 1400 LST 16, (b) 1500 LST 16, (c) 1600 LST 16, and (d) 1700 LST 16 April 2013 for CNTL (black dot line), EXP1 (red dot line), and EXP2 (blue dot line), respectively.
그리고 CNTL과 EXP1 실험의 경우, 1400 LST부터 1700 LST까지 지상에서 약 0.3 km 고도까지는 온위가 고도에 따라 일정하며, 중립인 대기상태를, 그리고 약 0.3 km 고도 이상부터 1 km 고도까지는 온위가 고도에 따라 증가하는 안정한 대기상태를 보이며, CNTL (781 m)과 EXP1 실험(600 m)의 산 정상부근은 대기가 안정하다. 그리고 약 0.3 km 고도부터 0.8 km 고도까지는 CNTL 실험보다는 EXP1 실험의 경우가 보다 더 안정한 대기상태임을 알 수 있다.
EXP2 실험에서는 1400 LST와 1500 LST에는 지상에서 약 0.1 km 고도까지 중립, 그리고 약 0.1 km 이상부터 1 km 까지 안정인 대기상태를 보이며, 1600 LST에는 지상부터 약 0.2 km 고도까지 중립, 그리고 0.2 km부터 1 km까지 안정한 대기상태를 보였다. 그리고 기온이 급격하게 변한 1700 LST에는 지상부터 약 0.3 km 고도까지 중립, 그리고 0.3 km부터 1 km까지 안정한 대기상태를 보였다.
즉, CNTL 실험과 EXP1 실험은 지상부터 산 정상 부근까지 안정한 대기 상태로 차가운 공기덩어리가 산 정상 너머로 이동하기가 쉽지 않았으며, EXP2 실험은 지상부터 산 정상 부근까지 거의 중립에 가까운 대기상태를 보여, 다른 두 실험보다 상대적으로 불안정한 대기상태를 가지므로 차가운 공기덩어리가 산 정상 너머로 이동하기가 상대적으로 쉬웠음을 보여준다.
이러한 Fr의 계산에 이용된 바람 U와 안정도 N을 분석한 결과, 대기상태가 안정에서 다소 불안정하게 바뀌고, 동해상에서 태백산맥으로 불어오는 바람의 영향을 받아 영동해안에 축적된 차가운 공기덩어리가 태백산맥의 산 정상을 넘어 대관령 지점으로 이동하면서 기온의 급격한 변화가 일어났음을 보여주었다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 저온피해와 관련된 기온의 급격한 하강현상이 발생한 2013년 4월 16일 사례를 대상으로 고산지대인 대관령 지점에서 짧은 시간동안에 이와 같이 극심한 기온 하강 현상이 일어나는 과정과 그 현상이 일어난 이유를 분석하고자 종관적인 분석뿐만 아니라 대관령과 인접한 관측지점들의 기온에 대한 분석을 수행하였으며, 동해 해안선을 따라 유입된 차가운 공기덩어리가 산악 지형의 고도가 낮은 곳에서부터 높은 곳으로 천천히 이동하는 과정에서 일중 복사로 이미 가열되어 따뜻한 공기덩어리가 지배적인 대관령 지점에 도달하면서 따뜻한 공기덩어리 아래로 차가운 공기덩어리가 침투함에 따라 대관령 지점에서 기온의 급격한 하강이 관측된 것으로 분석된다.
한편, 본 사례에 대한 WRF 모델의 수치모의결과와 LDAPS 수치 분석자료를 분석한 결과, WRF 모델과 LDAPS 수치 분석자료는 종관적인 규모에 대해서는 관측과 유사하게 모의하였으나, 급격한 기온 하강과 같은 짧은 시간 규모의 모의에 대해서는 잘 모의하지 못하였다.
또한, 지형 고도에 따른 민감도 실험을 수행하여, 태백산맥의 지형 효과가 대관령의 기온 급하강 현상에 어떠한 영향을 미치는지, 그리고 급격한 기온 하강 현상이 발생할 때의 3차원적인 대기의 연직 구조와 대기 하층에서의 바람 및 기온 등의 분석을 위하여 대관령 인근 지역의 지형 고도를 낮춘 EXP1 실험과 EXP 2실험을 수행하였으며, 두 실험은 기온의 급격한 하강이 발생한 시간과 급격한 기온하강의 크기에 있어서 다소 차이가 있었으며, EXP2 실험이 급격한 기온 하강 현상을 보다 더 잘 모의하였다.
이 두 실험의 바람 및 기온에 대한 수치모의 결과를 분석한 결과, 동해 북부 해상으로부터 유입되는 차가운 북동풍 계열의 기류가 태백산맥 지형의 저지효과로 영동 해안선을 따라 남하하는 과정에서 이 차가운 기류가 영동 해안선을 따라 축적되었고, 그 중 일부가 산 정상 부근으로 이동함에 따라 급격한 기온 변화가 일어났음을 확인할 수 있었다. 또한, Froude 수를 분석한 결과, 상대적으로 불안정한 대기 상태와 동해상에서 태백산맥으로 불어오는 바람의 영향으로 영동해안에 축적된 차가운 공기덩어리가 태백산맥의 정상을 넘어 대관령 지점으로 이동하면서 기온이 급격하게 하강하였음을 확인할 수 있었다.
EXP1 실험과 EXP2 실험에서는 찬 공기의 두께가 최대 약 700 m로 거의 비슷했지만, 대관령부근 지형의 최대 고도가 상대적으로 낮았던 EXP2 실험에서 찬 공기덩어리가 보다 낮아진 산 정상을 쉽게 넘어 대관령 지점까지 이동하게 되어 관측과 유사한 모의결과를 보였다. 한편, 수치모의 실험(CNTL 실험, EXP1 실험, EXP2 실험)의 찬 공기의 두께는 실제 라디오미터에서 관측된 찬 공기의 두께만큼 모의하지는 못하였다. 이와 같은 연직 기온분포의 부정확성을 해소하기 위해서는 우선 수치모델의 PBL (Planetary Boundary Layer) 부분에서의 개선이 필요한 것으로 사료된다.
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