강릉지역 2009~2018년 해풍 발생 특성

2.1 관측 지점 및 자료

강릉지역의 해풍 선정방법을 제시하고 장기간 해풍특성을 분석하기 위하여 2009년부터 2018년까지 10년간 주로 강릉(GN)과 북강릉(BGN) 지점을 대상으로 지상관측자료를 사용하였으며, 추가로 강릉원주대학교(GWNU) 지점에서는 운영중인 자기온도계 자료를 참조하였다. Figure 1은 주요 관측 지점의 위치와 강릉지역의 지형을 함께 나타낸 것이다. 분석영역의 동쪽으로 동해가 인접해 있고, 서쪽으로는 태백산맥이 위치하고 있다. 강릉지점은 1911년부터 2008년까지 강원지방기상청이 위치하였고, 현재는 무인 관측소로 운영되고 있다. 강릉 지점은 해안선으로부터 직선거리로 5.2 km 정도 떨어져 있으며, 강릉 시내 도심지역에 위치하고 있다. 북강릉 지점은 2008년부터 현재까지 강원지방기상청이 위치한 곳이며, 도심 변두리지역으로 해안선으로부터 3.6 km 떨어져 있다. 본 연구에서 제시한 3개 관측지점 중에서 해안가와 가장 근접하여 위치하고 있다. 마지막으로 강릉원주대학교 지점은 강릉과 북강릉 관측소의 중간에 위치하고 있으며, 해안선으로부터 5.3 km 떨어진 곳에 위치한다. 이와 더불어 동 기간에 동해상에 위치하는 동해 부이 자료도 사용하였다. 동해 부이는 해안선으로부터 동쪽으로 약 70 km 떨어진 지점에 위치한다. 지점별 위치 및 상세정보는 Table 1에 제시하였다.

Fig. 1.

Location of the main observation sites. GN and BGN are for Gangneung and Bukgangneung, respectively. GWNU is for Gangeung-Wonju National University.

Table 1.

Detailed information of the analysis stations.

각 지점에서 사용된 관측장비 및 사양은 Table 2에 제시하였다. 장기간 해풍 선정 및 일변화 분석을 위해 강릉과 북강릉 지점에서는 종관기상관측시스템(Automated Synoptic Observed system; 이하 ASOS)에서 관측되는 1분 평균 기온, 풍향, 풍속, 강수량, 해면기압 자료 등을 사용하였다. 또한 해풍의 연직구조를 분석하기 위하여 북강릉 지점의 수직측풍장비(Wind profiler) 10분 평균 바람자료를 활용하였다. 강릉과 북강릉 지점의 중간지점인 강릉원주대학교 지점은 2009년부터 현재까지 관측중인 자기온도계 자료를 이용하여 해풍 발생 여부를 이중 점검하였다. 또한 특정 해풍 에피소드 분석 기간 동안 강릉원주대학교에서 레윈존데 관측을 실시하여 해풍의 진입확인 및 북강릉 지점의 수직측풍장비와의 연직 바람을 비교하였다. 마지막으로 해풍 진입 시 육지와 해양의 온도와 기압차를 분석하기 위하여 동해 부이(Buoy)의 해수면 온도, 기온 그리고 기압자료가 사용되었다.

Table 2.

Specification of the instruments used for this study.

마지막으로 강릉지역 해풍 진입 시 내륙으로 진입 여부와 해풍 진입거리 및 속도를 분석하기 위하여 강원 중부 산지 및 동해안 지역의 24개의 고해상도 기상관측센서를 활용하였는데, 강원지역 24개 지점에 대한 정보는 Table 3에 제시하였다.

Table 3.

Location information of 24 integrated meteorological stations.

2.2 강릉지역 해풍 선정 방법

해풍은 해안지역에서 비교적 구름이 없는 맑은 날 주간에 육지와 해양의 차등가열에 의해서 형성되는 열적 수평 기압경도력에 의해 바다에서 내륙으로 부는 바람이다(Miller et al., 2003). 특히 강릉지역 서쪽으로는 태백산맥이 위치하고 있고, 동쪽으로는 동해 바다와 인접해 있는 지형적인 특성을 가지고 있다. 따라서 강릉 지역의 지형 특성에 적합한 해풍 선정 방법과 이를 통한 장기간의 해풍발생 특성 이해가 필요하다.

우선 전형적인 해풍 발생일의 온도의 일변화 특성을 제시하고자 한다. Figure 2는 2019년 4월 12일과 5월 3일의 자기온도계(Thermograph)로 관측한 온도의 시간변화를 나타낸 것이다. 해풍이 내륙으로 유입될 경우, 강릉 지역은 오전 10~11시경에 온도가 더 이상 상승하지 못하고 온도상승이 둔화되거나 온도가 일정해지는 경향을 보였다. 이는 낮 시간대에 태양 남중고도가 증가함에도 불구하고 상대적으로 차가운 해풍에 의해 강릉의 온도 상승이 억제되기 때문으로 생각된다. 이러한 강릉지역 해풍 특성을 참조하고, 해풍의 정의, 기존 선행연구, 강릉지역의 지형 특성 등을 고려하여 크게 5가지 절차를 통해 해풍발생일을 선정하였다. 그리고, 선정된 해풍일의 자기온도계 온도변화 그래프를 통해 다시 한번 해풍 발생 여부를 검토하였다.

Fig. 2.

Examples of temperature variations observed with thermograph at GWNU for a typical sea breeze occurrence day such as 12 April 2019 and 3 May 2019.

첫째, 일 강수량은 10mm 미만으로 제한하였는데(Lim and Lee, 2019), 이는 해풍은 지역풍(local wind)이기 때문에 종관장의 영향을 최소화하기 위한 기준이다. 둘째, 주간에 연속으로 3시간 이상 풍향이 0~110^o(북풍~동풍)으로 유지될 때를 해풍 발생일로 선정하였다. 강원 영동지방의 해안선은 북쪽으로는 북서방향, 남쪽으로는 남동방향으로 형성되어 있기 때문에 북풍이 진입하더라도 해풍의 영향을 받을 수 있다(Gangwon Regional Meteorological Office, 2004). 하지만 해풍 진입 시 육지 및 주변 산지의 영향을 최대한 배제하기 위하여 0~110^o를 해풍의 풍향 기준으로 정하였다. 셋째, 일몰 이후에는 해양과 내륙 간의 비열차이로 인해 발생하는 육풍으로 전환 여부를 확인하기 위하여 연속으로 3시간 이상 풍향이 110~360^o로 유지되는 사례를 선정하였다. 이 조건은 주간의 해풍이 야간에는 육풍으로 변하여, 종관 강제력의 영향을 받지 않는 해풍 발생일만을 선정하기 위한 것이다. 넷째, 육지(관측지점)와 해양(부이) 온도차(T_Land - T_sea)에 의한 해풍 발생을 고려하기 위하여 육지 관측소가 해양(부이)보다 기온이 높은 경우만을 고려하였다(Borne et al., 1998; Furberg et al., 2002). 마지막으로, 해풍은 해양과 내륙의 차등가열로 발생하는 수평 기압경도력에 의해 바다에서 육지로 부는 바람이기 때문에 해면기압 차이(SLP_sea - SLP_land)가 0.5 hPa 이상인 사례만을 선정하였다. 여기서 SLP_sea와 SLP_land는 각각 해양(부이)과 육지 관측소의 해면기압을 의미한다. 그리고 0.5 hPa은 해면기압차 빈도분포를 조사하고 이를 고려하여 주관적으로 결정하였지만 임계값의 차이가 해풍특성 결과에 큰 영향을 주지는 않는 것으로 판단된다. 선정방법에서 풍향, 기압 등 기상변수 변화를 살펴볼 때 연속으로 3시간 이상 지속되는 사례들만 고려하였는데, 이는 풍향 또는 기압의 일시적인 변화로 인해 발생하는 사례들을 분석에서 제외하기 위함이다(Lim and Lee, 2019). 또한 모든 조건에서 해풍이 발생하는 시간은 현지 일출시간(Local Sun Rise: LSR) 1시간 이후부터 현지 일몰시간(Local Sun Set: LSS)으로 정하였다. 해풍은 주간에 육지와 해양의 비열차로 발생하는 바람으로, 태양 복사에 의한 차등가열은 일출시간에 바로 나타나는 것이 아니라 시간 경과가 필요하기 때문에 현지 일출시간 1시간 이후부터 현지 일몰시간까지 해풍 발생여부를 판단하였다. 그리고 위 조건을 거쳐 최종적으로 해풍 발생일로 선정된 사례들의 계절별 주요 종관장 특징을 살펴보았다. 이상의 강릉지역 해풍 선정방법을 간략하게 정리하여 Fig. 3에 제시하였다.

Fig. 3.

Flow chart to select sea breeze occurrence days in the Gangneung region.

3.1 해풍 발생 시 계절별 종관패턴 특성

해풍 발생시 종관적 특징을 살펴보기 위해 계절별 해풍일의 종관 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) ERA-Interim 자료를 사용하였고, 해풍 사례일(봄 252일, 여름 188일, 가을 106일, 겨울 49일)의 낮 시간대인 0600 UTC(1500 KST)의 1000 hPa와 850 hPa 지위고도의 합성한(composite) 수평 분포 유형을 Figs. 4, 5에 각각 제시하였다.

Fig. 4.

Seasonal composite maps of 1000 hPa geopotential height (gpm) fields for the sea breeze days, being overlaid with the wind vector fields. MAM indicates March, April, and May. Similarly, JJA June, July, and August; SON September, October, and November; DJF December, January, and February.

Fig. 5.

Same as Fig. 4 except for 850 hPa.

Figure 4는 1000 hPa 지위고도의 수평분포를 계절별로 나타낸 것인데, 계절별로 지배하는 종관장의 특징은 조금씩 다르지만 전반적으로 한반도 주변은 등고 선의 간격이 넓고 주로 기압능의 영향을 받고 있다. 그리고 한반도 주변의 바람은 약 2 m s^-1 이하로 매우 약한 것을 확인할 수 있다. 850 hPa 지위고도(Fig. 5)에서도 약한 기압경도력이 잘 나타나 있지만, 여름철의 경우는 한반도가 북태평양 고기압 영향권에 있으면서 기압경도력이 가장 약하게 나타났다. 또한 한반도 주변에서 등고선이 동서방향으로(zonal) 배열된 유사한 경향을 보였으며, 해풍이 발달할 사례일들의 경우 기압경도력의 약화로 인해 종관풍 역시 감소한 것을 확인할 수 있다.

3.2 강릉지역 해풍 선정 및 장기간 발생특성 분석

2절 연구 방법에서 장기간(2009~2018년) 관측자료를 활용하여 강릉지역의 해풍 선정방법을 제시하였고, 이를 기반으로 강릉과 북강릉 관측소의 해풍 발생일을 각각 선정하였다. 본 절에서는 지난 10년간 선정된 해풍의 기후학적 특성과 더불어 해풍의 발생빈도, 해풍의 진입 및 종료시간, 지속시간 등을 분석하였다.

Table 4와 Table 5는 강릉지역 해풍 선정방법에 따른 강릉과 북강릉 각각의 월별 해풍발생일을 제시한 것이다. 2009~2018년 동안 강릉의 해풍 발생일수는 595일(연평균 59일)이며, 봄 252일, 여름 188일, 가을 106일, 겨울 49일로 나타났다. 그리고 같은 기간 북강릉의 해풍 발생일수는 총 893일(연평균 89일)이며, 봄 358일, 여름 279일 가을 184일, 겨울 72일로 나타났다. 전반적으로 강릉과 북강릉 지점은 늦봄과 초여름(5~6월)에 해풍의 발생빈도가 높은 것으로 나타났고, 겨울철에 감소하여 뚜렷한 연변화를 보였다. 또한 북강릉의 해풍 발생일수가 강릉보다 많았는데, 이는 북강릉이 강릉 지점보다 해안선에 약 1.6 km 더 가까워 해풍의 영향에 더 민감한 것으로 판단된다.

Table 4.

The number of sea breeze occurrence days at GN from 2009 to 2018.

Table 5.

Same as Table 4 except for BGN.

Figure 6은 강릉의 월별 해풍 발생빈도를 나타낸 것이다. 상단 그림의 검은 막대그래프는 해풍의 발생일수, 하단의 회색 막대그래프는 강수량을 나타내며, 실선은 해풍 발생 기간동안 육지 관측소와 해양(부이)의 기온차(T_Land - T_sea)를 나타낸 것이다. 강릉과 북강릉 지점의 해풍 발생빈도는 5월과 6월에 높게 나타났는데, 이는 해풍 순환의 주 원인이 되는 육지와 해양의 기온차가 높게 나타났기 때문으로 생각된다. 그리고 상대적으로 해풍발생빈도가 낮은 겨울철(12, 1, 2월)은 육지의 온도가 해양에 비해 낮아 육지와 해양의 기온차가 음수로 유지되는 경향도 보였다. 하지만 7월과 8월은 육지와 해양의 기온차가 크게 증가하였는데도 불구하고 해풍 발생빈도가 적게 나타났는데 이는 여름철 잦은 강수와 장마나 태풍과 같은 종관 강제력이 상대적으로 크게 작용하기 때문으로 추정된다. 최근 보성의 해풍발생일 분석 결과(Lim and Lee, 2019)를 보면 해풍발생빈도가 5월에 가장 높고(57%) 겨울에 감소하는 경향은 본 연구와 일치하나, 보성에서는 4년간 총 569일의 해풍일이 발생하여 본 연구에 비해 해풍발생빈도가 높게 나타났는데, 이는 보성과 강릉의 지형적인 특징, 바다의 위치(남해와 동해), 해안선으로부터의 거리, 해수온도 차이 등 여러가지 요인이 작용하였을 것으로 추정된다. 한반도는 삼면이 바다로 둘러싸여 있기 때문에 향후 같은 종관조건에서 황해, 남해 그리고 동해 각각의 해안가에서 해풍 발생빈도 비교 연구가 필요하다.

Fig. 6.

Annual variations of sea breeze occurrence days (black bars), land-sea temperature difference (black line) and monthly precipitation (mm) (gray bars). ΔT denotes the difference between air temperature of GN and sea surface temperature of Buoy.

Figures 7, 8은 강릉과 북강릉 지점에서 나타난 해풍 사례의 월별 시간에 따른 해풍발생빈도를 나타낸 것인데, 일차적으로 앞서 제시한 해풍의 빈도분포(Fig. 6)와 유사한 패턴을 보인다. 해풍의 지속시간은 뚜렷한 계절 변화를 보이며, 강릉과 북강릉 두 지점 모두 5월과 6월에 해풍이 가장 이른 시간부터 발달하여 오랫동안 유지되는 것을 잘 보여주고 있다. 특히 오후 12시부터 15시까지 발생 빈도가 가장 높게 나타났다. 반면 7월과 8월은 여름철 잦은 강수로 인해 해풍발생 빈도가 전반적으로 감소하였다. 또한 여름은 일출시간이 빨라지고 일몰시간이 늦어지므로 해풍의 시작시간이 빨라지고, 종료시간이 늦어지는데, 겨울철에는 해풍의 시작시간이 늦어지면서 종료시간은 빨라지는 것으로 나타났다. 그리고 해풍은 일년 중 거의 대부분 일몰시기에 맞춰서 종료됨을 알 수 있었다. Figure 9는 강릉과 북강릉 지점의 해풍의 월평균 진입시간을 나타낸 것이다. 실선은 강릉, 파선은 북강릉 지점의 해풍 진입시간을 의미하며, 북강릉이 강릉보다 진입시간이 약 1시간 정도 빠른 경향을 보인다. 또한 5~7월의 평균 진입시간이 가장 빠른 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

Annual variation of diurnal frequency (%) of sea breeze occurrence at GN.

Fig. 8.

Same as Fig. 7 except for BGN.

Fig. 9.

Passage time of sea breeze for each month at GN (solid line) and BGN (dashed line). Shading denotes standard deviation of the passage time for each month.

3.3 해풍의 연직 구조 특성

강릉지역에서 해풍으로 선정된 사례 중에서 해풍진입 기간 바람의 연직 구조를 살펴보기 위하여 북강릉 지점의 수직측풍장비(wind profiler)를 활용하였고, 한 개 해풍 사례에는 강릉원주대학교 지점에서 레윈존데 관측을 추가로 수행하였다. 첫 번째 사례 2018년 4월 16~18일은 3일간 해풍이 뚜렷하게 발달한 사례이다. Figure 10은 북강릉 지점에서 바람 연직 구조의 시간변화를 나타낸 것으로 9~10시경에 서풍에서 동풍계열로 바뀌면서 해풍이 진입한 것이 잘 나타나고 있으며, 이후 19~20시경에 다시 동풍에서 서풍계열로 변하여 해풍이 육풍으로 변하는 것도 확인할 수 있었다. 또한 해풍의 진입고도는 3일간 해풍 기단의 머리(Head)에 해당하는 부분이 약 1 km까지 부풀어 올라 관측되었고, 16일에서 18일로 시간이 경과함에 따라 해풍의 두께와 강도가 점차 감소하는 경향이 있었다. Figure 11은 두번째 해풍 에피소드인 2019년 4월 12일 바람의 연직구조를 나타낸 것이다. 첫번째 사례와 마찬가지로 오전 9~10시 사이에 해풍이(동풍 계열) 진입하였으며, 해풍의 유입고도는 약 500m로써 첫 번째 사례에 비해 해풍의 발달 규모는 작았던 것으로 판단된다. 마지막 사례(2019년 5월 3일)에는 일출시간이 빨라짐에 따라 4월 해풍사례보다 1시간 이른 8~9시 사이에 해풍이 진입된 것으로 판단되며, 해풍 유입 기간(9~15시)에 북동풍 계열이 유지되었다. 해풍의 머리 부분이 약 1 km까지 부풀어 올랐고 이후 약 800m 이내로 감소하였다(Fig. 12). 같은 기간에 강릉원주대학교에서 총 4회(9시, 11시, 14시, 16시)의 레윈존데 관측한 결과를 Fig. 13에 제시하였다. 수직측풍장비 분석결과(Fig. 12)와 유사하게 오전 9시경에 약 400~500 m에서 동풍 계열의 해풍이 나타났으며, 이후 16시까지 대략 900m 이내에서 해풍이 진입하고 있음을 잘 보여준다. 수증기의 혼합비와 포화혼합비 연직구조 분석결과, 오전 9시경에는 하나의 해풍이 관측지점을 통과하였지만, 이후 11시경부터는 500m 이하 층에서는 북동풍 계열이 부는 반면에, 약 500~900 m 층에서는 남동풍 계열의 바람이 나타나 해풍이 두 층 구조를 보이고 있다. 결국 2019년 5월 3일 해풍은 500 m 아래층은 상대적으로 덜 습하고 상당온위 역시 낮은 반면에, 바로 위 층은 습하고 상당온위는 높은 두 층 구조를 보였다. 이러한 두 층 구조의 해풍이 발생한 원인은 아직 정확히 단정지을 수는 없지만, 일출 후 해풍이 발달하고 태양고도가 증가함에 따라 인접한 태백산맥 동쪽사면의 가열에 의한 산풍이 추가로 발달하면서 아래 해풍 층위에 산풍과 해풍이 결합한 이중 구조의 층이 나타난 것으로 추정하고 있다. 해풍의 연직구조 분석이 하나의 에피소드 사례이기 때문에 정확한 메커니즘을 설명할 수는 없고 향후 추가 사례분석이나 모델링 연구 등이 필요하다.

Fig. 10.

Diurnal variations of vertical profile of horizontal wind obtained from a wind profiler at BGN for 16~18 April 2018.

Fig. 11.

Same as in Fig. 10 except for 12 April 2019.

Fig. 12.

Same as in Fig. 10 except for 3 May 2019.

Fig. 13.

Vertical profiles of potential temperature (θ) and equivalent potential temperature (θe) along with wind (upper panel), and those of mixing ratio (q) and saturation mixing ratio (qs) (lower panel) in GWNU at 0900, 1100, 1400 and 1600 KST on 03 May 2019.

하지만 4월과 5월의 3가지 해풍 연직구조를 종합해 보면, 해풍 진입 고도는 최대 1 km까지 발달하고 낮 시간대에 주로 약 900m 이내 고도에서 해풍층이 유지되는 것을 알 수 있었다.

3.4 해풍의 내륙 진입 특성

강릉지역 해풍 진입 시 내륙으로 진입여부와 해풍진입거리 및 속도를 분석하기 위하여 강원 중부 산지 및 동해안 지역의 24개의 고해상도 기상관측센서를 활용하였다(Table 3). Figure 14는 2019년 4월 12일에 발생한 해풍 사례의 시간별 기온과 바람의 수평분포를 나타냈다. 오전 8시까지 전반적으로 서풍계열의 바람이 나타나고 있으며 오전 9시부터 강릉지역의 북쪽에 위치한 영진항(YJH), 사천항(SCH) 부근에서 동풍계열의 바람이 관측되었다. 이후 오전 10시부터는 높은 산지를 제외하고는 강릉 주변 지역 전체에서 북동풍 내지 동풍계열이 관측되어 한 시간만에 해풍이 해안으로부터 약 15~20 km 내륙까지 빠른 속도로 통과한 것을 알 수 있다. 3. 3절 수직측풍장비 분석결과(Fig. 11)에서 제시된 9~10시 사이에 북강릉 지점을 해풍이 통과한 것과 일맥상통하는 결과이다. 이러한 바람의 수평 분포는 15시까지 유지되었고, 해풍 유입으로 인해 기온이 10시 이후 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 일몰시간인 18시 이후 내륙에서부터 서풍 계열의 바람으로 전환되는 것으로 나타났다.

Fig. 14.

Horizontal distribution of wind field and temperature at 0800, 0900, 1000, 1200, 1400 and 1800 KST on the sea breeze occurrence day (12 April 2019). Detailed information about the Gangwon 24 station is shown in Table 5.

2019년 5월 3일의 해풍사례의 경우(Fig. 15)는 2019년 4월 12일 사례보다 이른 시간인 오전 8시 이전부터 해안가 북쪽에서부터 이미 해풍이 진입하고 있는 것으로 나타났다. 3. 3절의 수직측풍장비 분석결과(Fig. 12)에서도 5월달의 해풍진입시간이 4월에 비해 약 1시간 가량 이른 것을 확인할 수 있었는데, 이는 일출시간이 빨라지면서 해풍발달시간 역시 앞당겨지는 것으로 판단된다. 결국 오전 9시경에는 내륙에 있는 성산어흘(SSUH: 해안선으로부터 직선거리로 13 km) 지점까지 깊숙이 진입하였다. 이상의 바람 수평분포의 시간변화(Figs. 14, 15)를 고려하여 해풍의 진입특성을 종합해 보면, 일출(5~6시) 후 3~4시간이 경과한 8~10시경에 약 10~13 km hr^-1로 빠르게 강릉 평지를 통과하여 산지 중턱까지 진입하는 것으로 추정할 수 있다. 단, 여기서 해풍진입시간과 속도는 관측지점의 풍향 변화만을 고려하여 추정한 수치이다.

Fig. 15.

Same as in Fig. 14 except for 3 May 2019.