Current Issue

강원영동지역은 백두대간을 중심으로 동해와 인접해있어 복잡지형으로 인한 대설, 호우, 강풍 등 특이·위험기상의 발생이 빈번하다. 강원지방기상청에서는 봄철 강원영동지역의 국지강풍 메커니즘을 이해하고자 지상에서 대기상층까지 3차원 관측자료 확보를 위해 강원지방기상청과 국립기상과학원이 공동으로 주관하고 강릉원주대학교, 공군제18전투비행단 등 도내 학·연·관·군 12개 기관(강원지방기상청, 국립기상과학원, 기상청 관측기반국, 국가기상위성센터, 기상레이더센터, 강릉원주대학교, 공군제18전투비행단, 동부지방산림청, 국립산림과학원, 동해안산불방지센터, 국립수산과학원 동해수산연구소, 강원도)이 협업하여 ‘2020 강원영동 공동 입체기상관측’을 추진하였다.

3차원 입체기상관측자료를 확보하기 위해 경제적이고 효율적인 관측망을 구성해야 했다. 이를 위하여 백두대간을 중심으로 풍상측, 정상, 풍하측에서 특히 강릉을 중심으로 30종 720여대의 기상관측장비를 동원하여 강원영동 강풍 관측망을 구성하였다. 강풍이 발생할 가능성이 높은 시기인 2020년 3월 1일부터 4월 30일까지 2개월 동안 강원영동지역에 국지강풍이 예상될 때 강원영동 강풍 관측(Gangwon Yeongdong Wind Experiments, 이하 G-WEX)을 실시하였다. 관측을 위한 사례 선정을 위하여 먼저 종관 예보장의 분석에서 한반도 주변의 기압배치가 남고북저이고, 동해상에 기압골 혹은 온도능이 나타나는 조건에서 예비 사례를 선정하였다. 관측 시·종 결정은 강원지방기상청의 예보과장과 예보관이 판단하여 관측과로 전달하고 관측과에서 관측에 참여하는 국립기상과학원과 강릉원주대에 전화, 전용밴드 등을 활용하여 전파하였으며 실시간 관측결과와 상황도 공유하였다. 관측 기간 내 지상, 해양, 고층, 원격관측 자료 등 집중·정규관측 모든 자료는 수집하여 강원지방기상청 강원국지수치예보모델용 서버에 사례별·일자별로 저장하여 공유하고 있다.

기상청은 2018평창동계올림픽의 성공적인 기상지원을 위해 관측망을 구축·운영하였고 대회 종료 후 효율적인 장비 운영을 위해 기상관측장비의 이전, 재배치를 통하여 기상 감시와 지역기상업무에 활용하게 되었다. 강원지방기상청은 평창동계올림픽 기상지원용 통합기상관측장비 24조를 관측공백지역으로 이설·활용하였다. 장소는 강원지역 산악과 해양 등 지형 효과에 의한 기상특성을 이해할 수 있도록 백두대간의 동쪽 사면인 대관령 정상(발왕산 지점 해발고도 1,439 m)부터 강릉 해안(경포호 지점 해발고도 2 m)까지 동서로 20 km, 강릉시 연곡면에서 강동면 안인항까지 남북으로 20 km 내 격자체계로 최적의 기상관측망을 구현하고자 하였다. 통합기상관측장비는 독일 Lufft사 WS500 모델로서 지상으로부터 4 m 높이에 설치되었다. 복잡지형 내 관측 부지를 확보하고 이전 설치하는 것에 어려움이 있었으나, 현장실사(2018. 1.~5.), 관측망구축·활용방안에 관한 전문가 자문회의(2018. 5.), 이설 후보지 사용에 관한 관련기관 협의 등을 거쳐 관측장소를 선정하고 이전 설치하였다. 기존 기상청 운영 기상관측장비 10개소, 유관기관 관측장비 20개소의 관측망을 기반으로 관측공백지역에 추가적으로 24개소의 통합기상관측장비가 설치되었고 강원중부 산간에서 동해안까지 4 ×4 km의 고해상도 지상기상관측망을 구축하게 되었다(2018. 12.). 이는 지역 내 기상관련 협업 연구와 강원영동 공동 입체기상관측의 기반이 되었고 G-WEX 고해상도 지상관측 지점으로 활용하였다.

Figure 1은 ‘2020 강원영동 공동 입체기상관측 강원 영동 강풍 기상관측망’이다. 강원영동지역은 지형적인 특성으로 양간지풍 혹은 양강지풍이라고 불려질만큼 강원북부인 양양과 간성, 강원중부인 강릉을 중심으로 국지강풍이 분다. G-WEX는 백두대간을 중심으로 풍상측, 정상, 풍하측의 경계층(PBL; Planetary Boundary Layer)과 기온역전층의 고도분포와 생성시기 등을 집중관측하여 대기의 연직구조를 이해하고자 하였다. G-WEX는 상세한 중규모 관측망을 효과적으로 구성하기 위하여 지형적인 특성을 반영하되 기존의 정규관측망을 최대한 활용하였다. 이를 위하여 강릉을 중심으로 한 강원중부지역인 진부, 대관령에 중점관측망을 구성하였으며 강원북부지역인 인제 지점에 고층기상관측을 추가하여 두 지역간의 상관관계를 확인하고자 하였다.

Fig. 1. 
Network of the observing sites in Gangneung and Daegwallyeong region reporting measurement data during G-WEX.

관측망 설계를 위하여 국립기상과학원 응용기상연구과(현 미래기반연구부)의 고해상도 규모상세화 수치자료 산출체계(KMAPP; Korea Meteorological Administration Post Processing)를 활용하였다. KMAPP는 기상청 현업 국지예보모델(LDAPS)의 1.5 km 격자 간격 기상예측자료에 상세지형 효과를 반영한 기상요소별 특화된 규모상세화 기법과 기계학습 기반 2차 후처리(편차보정) 기법을 적용하여 100 m 수평 해상도의 기상예측정보 및 분석정보를 생산한다. 풍상측 레윈존데 관측을 위한 지점 선정 시 KMAPP 상세 기상분석자료인 강원영동지역의 평균풍속, 수렴·발산, 2019년 고성·속초 산불 발생 시 상세 기상분석 자료 등을 참고하였다. 또한 KMAPP는 관측기간동안 강원도지역의 ‘2020 강원영동 공동 입체기상관측 지원용 고해상도 기상예측시스템’을 개발하여 위험기상 실황대응과 예보지원에 활용할 수 있도록 지원하였다.

Table 1은 G-WEX 집중관측 자료분석에 활용된 주요 고층기상관측장비의 위치와 정보이다. 고층기상관측은 지상기상관측의 유효고도보다 높게 위치한 자유대기의 상태를 직접 또는 간접적으로 관측하는 것으로서, 관측 지점의 상공에 있는 열역학 구조와 흐름 분포를 밝혀내기 위한 것이다. 이러한 관측은 주로 고층 대기 속으로 측기를 탑재한 기구를 날려 보내서 관측하는 직접 측정방식과 윈드프로파일러, 라디오미터 등과 같은 원격탐사 측정방식으로 크게 구별할 수 있다(KMA, 2018). 상세한 중규모 관측망을 경제적으로 달성하기 위해서는 실측관측망(In-Situ)과 원격관측망(Remote sensing)을 상호 보완적으로 구성해야 한다. Table 1의 관측장비 중 북강릉 레윈존데와 구름물리관측소의 라디오미터를 제외하고는 모두 이번 G-WEX를 위하여 특별히 추가적으로 투입된 관측장비이다.

레윈존데 관측은 ‘radio-sounding wind observation’의 약어로서 오늘날 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 고층기상관측 방법이다. 라디오존데를 기구에 매달아 비양시키고, 이 라디오존데는 상승하면서 일정한 시간 간격으로 기압, 기온, 상대습도를 관측한다. 이 관측자료는 라디오존데의 무선송수신장치에 의해 지상으로 전송되고 지상수신장치에서 수신처리되어 고도별 기압, 기온, 상대습도 등을 산출한다(KMA, 2018). 레윈존데에 의한 고층기상관측은 실측방식으로 관측자료의 정확성이 높다.

G-WEX에서 레윈존데는 북강릉, 인제, 진부, 강릉원주대학교 4개 지점에서 관측을 수행하였다. 정규관측지점인 북강릉을 제외하고 인제, 진부, 강릉원주대학교는 G-WEX를 위하여 추가로 관측하였으며 그 중 진부 지점은 국립기상과학원의 기상관측차량을 활용하였다. 레윈존데 관측은 참여기관 별 기존 관측장비를 활용하였다. 북강릉은 BIRM사의 CF-06-A, 인제는 진양공업의 RSG-20A, 진부는 MODEM사의 M10, 그리고 강릉원주대는 GRAW사의 DFM-09 모델로 관측하였으며 관측요소는 기압, 기온, 습도, 풍향·풍속이다. 관측방법은 강풍 예측 6시간 전부터 종료 후 6시간까지 6시간 간격(0000, 0600, 1200, 1800 UTC)으로 이루어졌으며 강릉원주대에서의 관측은 위치적으로 인접한 북강릉과의 중복 관측을 피하고 산악과 해안 중간지점에서의 시간해상도를 높이고자 다른 지점과 3시간 간격(0300, 0900, 1500, 2100 UTC)을 두고 이루어졌다. 진부와 인제 지점은 산 정상에서 서쪽인 풍상측으로 약 10~20 km 거리에 위치하고 북강릉과 강릉원주대학교는 풍하측에 위치한다. 인제는 영동북부지역 진부는 영동중부지역에 속하며 두 지점간의 거리는 약 60 km이다.

라이다(LIDAR; Light Detection And Ranging)는 빛을 발사하여 대기 중 에어로졸에 의해서 산란되어 돌아오는 빛을 감지하는 원격탐사 기술을 적용, 기본적으로 대기의 오염물질과 바람·구름·에어로졸의 침적 등과 같은 기상학적 파라미터를 측정하는 장비를 말한다. 윈드라이다는 하강풍의 유무와 진행·전파되는 지역의 대기연직구조를 확인하기 위하여 산 정상부인 대관령 구름물리관측소에 설치하였다. 관측요소는 연직 풍향·풍속이다. 레윈존데는 10 km 이상의 높은 고도까지 정확한 관측데이터를 제공하지만 하루에 12시간 간격으로 2번, 집중관측 기간은 6시간 간격으로 4회 관측했기 때문에 자료의 연속성이 떨어진다. 반면 윈드라이다 장비는 연속관측이 가능하기 때문에 급격하게 변화하는 기상인자 관측에 적합하다. 대관령에 설치된 윈드라이다는 G-WEX를 위하여 서울구로관측소 도시기상관측망 집중관측사이트에서 이전 설치하였으며 러시아의 WINDEX-2000 모델로 최대관측고도 2,500 m, 최저관측고도 100 m이며 연직해상도는 60 m이다.

라디오미터는 대기로부터 방출되는 복사에너지의 세기를 측정하여 대기 중 기온, 습도, 액체물량 등을 관측하는 장비다. 대기특성에 따른 복사휘도를 주파수별로 측정하여 대기의 연직 관측을 수행한다. G-WEX에서 라디오미터는 대관령 구름물리관측소와 북강릉 2개 지점에서 관측하였다. 북강릉에 설치된 라디오미터는 G-WEX를 위해 추가 설치되었으며 독일 RPG사의 HATPRO G2로 수증기 측정을 위한 20 GHz 대역(K밴드)의 7개 주파수 채널과 기온 측정을 위한 50 GHz 대역(V밴드)에 7개 채널 등 총 14개 채널을 통해 관측을 수행한다. 약 1~2초 간격으로 수행되는 관측은 매 10분마다 취합되어 평균값을 산출한다. 관측해상도는 50 m, 연직해상도는 60 m이다.

기상드론은 고층기상관측자료 중 상대적으로 부족한 대기 최하층부의 관측자료를 확보하고자 오대산(진고개정상휴게소)에서 회전익콥터형 Matrice 600 pro 드론을 사용하여 관측하였다. 드론의 제원은 최대속도 18 m s^-1, 순항속도 5 m s^-1, 실속속도는 1 m s^-1이며 무게 9.5 kg으로 최대비행시간은 32분이다. 관측은 Vaisala사의 WXT530 센서를 탑재하여 지상으로부터 약 500 m 고도까지 1 m s^-1의 일정속도로 상승·하강 관측하였으며 주간에 1시간 간격으로 고도별 기온, 숩도, 풍향·풍속 등을 관측하였다. 드론은 IOP 1과 IOP 4, 두 차례 관측에 참여하였다. 드론을 활용하여 기존 관측망으로 연구가 어려웠던 지표 가까운 최하층 관측자료를 첫 확보한 것은 매우 의미가 있었으며, 관측자료의 신뢰성 확보를 위해 윈드프로파일러, 레윈존데, 윈드라이다, 라디오미터 등과 지속적인 비교·검증이 이루어지는 것이 바람직할 것이며 기상드론 관측자료의 현업적용을 위한 해석방법에 대한 연구도 필요하다고 판단된다.

G-WEX는 2020년 3월과 4월 강원영동지역에 강한 바람이 예상되는 총 5차례 집중관측(Intensified Observing Period, 이하 IOP)을 수행하였다. 2020년 G-WEX에서 관측한 영동강풍 사례는 Table 2에 나타내었다. IOP-1 (2020.3.12.~13.), IOP-2 (2020.3.18.~19.), IOP-3 (2020.3.20.~21.), IOP-4 (2020.4.24.~25.), IOP-5 (2020.4.28.~29.)이다.

Figure 2는 관측기간 중 강풍이 발생한 시간과 가장 인접한 시간대의 지상과 850 hPa과 700 hPa 일기도이다. 지상일기도의 공통된 특징은 종관규모로 볼 때 남고북저형이며 보다 작은 규모로 볼 때 원산만 부근에서 동해먼바다로 저기압이 발달하여 영동지역의 강풍이 발생하는 기압 배치를 보인다. 2차 관측기간에는 지상과 850 hPa 일기도에서 만주지역에 발달한 저기압 중심이 위치하며 영동지역에 강수가 관측되어 IOP-2는 저기압 통과로 인한 강풍사례로 판단된다. IOP-4와 5는 동쪽 방향으로 온도능이 위치하고 영동지역으로 난기이류가 나타난다. 700 hPa 일기도에서는 온도이류가 나타나지 않고 서풍(IOP-1과 3)과 북서풍(IOP-4와 5)이 분다. 특히 IOP-5 사례의 기압경도는 매우 약하다. 강원영동 강풍 관측 사례 결정 당시에는 모델예측자료를 활용하여 강원영동지역에 강한 바람이 예상되는 경우 집중관측 시행을 결정하였으나, 강풍발생지역에 있어 예측과 실황의 차이가 발생하기도 했다. IOP-1, 3, 5는 강원북부지역에 IOP-2는 전국 그리고 IOP-4는 서해안과 강원산간지역을 중심으로 강풍이 나타났다.

Fig. 2. 
Synoptic weather charts chosen in the strong windy condition at the mountain top during IOPs: (a) surface, (b) 850 hPa and (c) 700 hPa.

Table 3는 고층기상관측장비의 관측에 관한 정보이다. IOP-1은 2020년 3월 12일 09시부터 3월 13일 09시까지 진행되었다. 3월 11일 12시 강원지방기상청 관측과는 예보과와 IOP-1 시종결정을 위한 업무협의를 진행하고 13시 관련기관·부서에 집중관측을 요청하였다. 레윈존데는 북강릉, 진부, 인제 지점에서는 12일 09시, 15시, 21시, 13일 03시, 09시 5회, 강릉원주대는 12일 12시, 18시, 13일 00시 총 3회 관측하였으며 기상드론은 12일 09시부터 18시까지 1시간 간격 주간 관측하기로 예정하였으나 돌풍으로 인하여 16시까지 오대산 (진고개정상휴게소)에서 6회 관측하였다. 강원지방기상청과 국립기상과학원은 레윈존데, 라디오미터, 윈드프로파일러, 윈드라이다 자료 등을 관측상황과 함께 참여자들 간 개설한 카카오톡과 네이버밴드를 통해 실시간으로 제공하였고 공유된 고층기상관측 자료에 대한 역전층과 고도별 기온 변화 경향을 분석하여 공유하였다.

IOP-2는 2020년 3월 18일 21시에 시작하여 3월 19일 15시 종료하였다. 16일 12시 강원지방기상청은 2차 관측 시·종 결정을 위한 업무협의 후 참여기관에 공유하였으나 14시 강풍강도 약화가 예상되어 일정을 취소하였다. 17일 강풍에 대한 모니터링을 계속한 결과 한반도 북쪽의 강한 저기압에 따른 강풍사례로 예상하였으나 16시 30분 강릉원주대에서 영동강풍에 대한 비교사례로 18~19일 집중관측 실시를 제안하였고 18일 10시 강원지방기상청 2차 집중관측 관련 3차 협의를 통하여 관측 수행을 결정하였다. 당초 19일 09시 관측을 종료할 예정이였으나 예상보다 상층 한기의 유입이 강해지면서 강풍 발생이 계속됨에 따라 실황을 반영하여 15시까지 관측을 연장하였다. 대관령 윈드라이다 자료, 레윈존데 예상 단열선도와 실황 비교·분석 자료를 공유하였다. 레윈존데는 북강릉, 인제, 진부지점에서 18일 21시, 19일 03시, 09시, 15시에 5회, 강릉원주대 지점은 19일 00시, 06시, 12시 3회 관측하였다.

3월 19일 15시 IOP-3을 위한 1차 검토를 진행하였다. 20일과 21일 강풍이 예상되고는 있으나 상층 한기지원과 지상 강원도 동쪽 난기유입이 약한 점 등을 고려하여 관측을 보류하였으나 20일 09시 30분 최종적으로 관측을 결정하였다. 레윈존데는 북강릉, 인제, 진부지점에서 20일 15시, 21시, 21일 03시, 09시 4회, 강릉원주대 지점은 20일 18시, 21일 03시, 09시 3회 관측하였다. SNS를 통한 실시간 자료 공유와 분석에서 역전층 고도변화, 상층 대기의 침강고도, 고도별 강풍대의 위치 등 주요 결과를 정리하고 공유하여 예보관의 실시간 예보 분석을 지원하였다. 강원지방기상청 예보과는 집중관측 자료를 근거로 시스템이 예상보다 늦어져서 강풍특보 해제 발표시각을 당초 6시에서 11시로 변경하였다.

IOP-4는 2020년 4월 22일 17시와 24일 13시 30분 두차례에 걸쳐 사례 결정과 집중관측 수행여부 등을 검토하였다. 당초 4월 24일 15시에 시작하여 4월 25일 09시 종료를 결정하였으나 강풍 실황을 검토하여 15시까지 연장하여 관측하였다. 이번 관측은 레윈존데와 함께 IOP-1에 이어 두번째로 기상드론도 참여하였다. 레윈존데는 북강릉, 인제, 진부지점에서 24일 15시, 21시, 25일 03시, 09시, 15시에 5회, 강릉원주대는 역시 북강릉지점과 3시간의 시간차를 두고 24일 18시, 25일 00시, 06시, 12시 4회 관측하였다. 기상드론은 오대산(진고개정상휴게소)에서 24일 15시부터 1시간 간격으로 17시까지 3회 관측하였다. 강원지방기상청은 SNS를 통해 지속적으로 강풍현황과 전망에 대한 정보를 제공하였고 동해안방지센터는 24일 18시 산불위험등급정보와 24일 21시 대형산불위험예보를 공유하였다.

2020년 4월 28일 15시부터 4월 29일 09시까지 IOP-5 진행되었다. 27일 14시 30분 관측 수행여부를 결정·공유하였다. 레윈존데는 북강릉, 인제, 진부지점에서 28일 15시, 21시, 29일 03시, 09시 4회, 강릉원주대 지점은 28일 18시, 29일 03시, 09시 3회 관측하였다.

Figure 3는 IOP 1~5차 관측에서 대관령 지점 지상바람과 대기 하층 바람에서 최대 풍속이 나타났을 때 진부 지점 레윈존데의 이동경로를 보인다. 이동 경로는 수치표고자료, 즉 지형 고도장 위에 레윈존데 풍선의 위·경도와 고도값으로 표시하였다. 레윈존데 풍선의 고도는 화살표의 색깔, 즉 고도 0~1 km를 녹색 화살표, 1~2 km를 보라색 화살표, 2~3 km를 노란색 화살표 그리고 3~4 km를 빨간색 화살표로 표시하였다. 레윈존데 관측은 풍선에 기상 센서를 달아 관측하기 때문에 풍선이 상승함에 따라 바람의 영향으로 수평이동하여 관측 지점이 변하게 된다. 이러한 특징 때문에 비록 풍상측에 속하는 진부에서 레윈존데 관측을 수행했더라도 서풍 계열의 바람이 존재하는 경우 풍선의 고도가 높아짐에 따라 산 정상과 풍하측으로 점점 이동하며 관측하게 된다. 따라서 Fig. 3는 IOP 1~5차 관측에서 진부 레윈존데 풍선의 위치, 즉 위·경도와 고도에 대한 정보를 제공해 줄 것이다.

Fig. 3. 
Trajectories of Rawinsonde balloons at Jinbu station in the cases of IOP 1~5: (a) 12 March 2020 for IOP 1, (b) 19 March 2020 for IOP 2, (c) 20 March 2020 for IOP 3, (d) 24 April 2020 for IOP 4, (e) 28 April 2020 IOP 5 (Altitude of Rawinsonde balloons: green arrow; 0~1 km, purple arrow; 1~2 km, yellow arrow; 2~3 km, and red arrow; 3~4 km).

Figure 3에서 진부 레윈존데의 이동 경로는 IOP 1~4차 관측에서 모두 비슷하다. 레윈존데 풍선은 지상에서 고도 3 km까지 동북동 혹은 동쪽 방향으로 이동하며 풍선이 2~3 km 고도에 도달했을 때 수평면에서는 산 정상을 통과하여 풍하측으로 이동했다. 따라서 IOP 1~4차 관측에서 진부 레윈존데의 2~3 km 고도에서의 관측 자료는 산 정상 부근과 함께 산 정상에 가까운 풍하측에서 관측한 값이다. 그러므로 진부 레윈존데 자료는 산 정상에서 역전층의 형성과정과 그 특징을 조사하는데 사용될 수 있고 그리고 산 정상 역전층과 풍속 사이의 관계를 분석하는데 이용될 수 있을 것이다. 그러나 IOP 5차 관측의 경우 진부 레윈존데의 풍선이 고도 3 km에 도달했음에도 여전히 산 정상 부근에 머무르고 있어 풍하측에서 나타나는 특징을 뚜렷하게 볼 수 없을 수도 있다. 이러한 점은 자료를 분석하고 결과를 해석할 때 유의할 부분이다.

이외에도 윈드프로파일러, 윈드라이다, 라디오미터는 산 정상인 대관령과 풍하측인 북강릉 지점에서 수행하였다. 북강릉 지점에서는 윈드프로파일러와 라디오미터, 대관령 지점에서는 윈드라이다와 라디오미터 관측이 이루어졌다. 이들 관측기기는 바람, 기온, 습도의 연직분포를 10분 간격으로 관측하여 대기의 연직분포에 대해 시간적으로 고해상도 자료를 제공한다.

2020년 G-WEX에서는 관측기기의 자료들을 사용하여 산 정상 부근 강풍대의 세기와 하강하는 고도, 기온상승 구역과 역전층의 변화 등 상층에서 나타나는 현상을 확인하였다. 이러한 상층 기상조건에 따른 지상바람의 변화를 시계열과 공간분포로 나타내 지상으로 내려온 바람을 분석하였다.