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강원영동지역은 서쪽으로 태백산맥, 동쪽으로 동해를 인접한 지리적 특징 때문에 강풍, 대설, 폭우 등 국지적 재해기상현상이 빈번히 발생한다(Ahn et al., 2007). 영동지역의 강설은 영서지역과 비교하여 눈의 무게가 많이 나가는 습설의 빈도가 높아 농업, 축산, 건물의 피해가 약 4배 이상 크며, 강설 강도 역시 강한 것으로 보고되었다(Nam et al., 2014; Kim et al., 2019). 영동지역 강설피해를 줄이기 위해, 복잡지형에서 강설메커니즘 이해를 통한 예보 정확도 향상이 필요하다.

영동지역의 강설발생 메커니즘은 아래와 같이 알려져 있다. 시베리아 고기압이 만주를 넘어 연해주 방향으로 확장하는 경우에 한반도를 중심으로 북고남저형의 기압배치가 형성되고, 이때 영동지역은 해상으로부터 동풍이 유입된다(Lee, 2001; KMA, 2019). 동풍은 상대적으로 따뜻한 해상을 지나면서 열과 수증기를 공급받아 불안정하게 변질되고(Lake effect), 영동해안 인근에서 태백산맥의 지형 때문에 강제 상승되어 강설이 발생하는 것으로 알려져 있다(Lee and Kim, 2008; Lee and Xue, 2013; Nam et al., 2014).

현재 종관 강제력에 의해 발생하는 영동지역의 강설발생 메커니즘에 대한 이해와 강설예보 정확도에 많은 개선이 이루어졌지만, 여전히 동해안 인근 해상에 기류 수렴으로 형성된 강설 구름(대상수렴운)이 해안으로 유입되는 것을 예측하는데 어려움이 있다. Kim and Lee (2014)은 동해상에 띠 모양으로 형성되어 강설을 유발하는 대상수렴운(convergent cloud band)의 구조와 대기 상태를 수치예보모델(Weather Research and Forecast, WRF)을 사용하여 분석하고 발생 메커니즘을 아래와 같이 설명하였다. (1) 한반도 인근 종관 규모 기압배치에 의해 한반도 북쪽 산맥군에 북서계열의 기류가 유입된다. (2) 이 기류는 산맥군에 의해 내륙(북서)과 해양(북동)을 가로지르는 기류로 분리된 뒤 풍하 측인 동해상에서 수렴된다. (3) 따뜻한 해수면을 지나면서 열과 수증기를 공급받은 북동기류는 초단열감율 상태가 되어 불안정해진다. (4) 북서기류와 북동기류가 수렴하는 동해상에서 대기의 불안정이 해소되면서 적운 계열의 구름발생을 촉진시키고 띠 모양의 대상수렴운이 조직화된다. Kim and Lee (2014)는 동해안의 날씨를 정확하게 예측하는데 대상 수렴운의 연구가 중요하다는 것과 현재의 동해상 관측망으로 대상수렴운의 관측이 어렵다는 것을 강조하였다.

KMA (2015)에서 동해 중·남부 해상에 걸쳐 발생하는 대상수렴운은 북쪽 산맥군으로 유입되는 북서풍이 동쪽(동해 북부)과 서쪽(한반도 북부)으로 우회하여 영동 해안 지역에서 수렴하는 기류 때문에 발생한다고 하였다. 특히 한중 국경부근(연해주 인근)에서 해양과 육지의 열적 기온 대조로 생성된 중규모 고기압으로 대상수렴운이 해안으로 유입시키는 요인으로 보고하였다. 요약하면 동해상에 생성되는 대상수렴운은 북쪽 산맥군을 양쪽으로 우회하는 기류가 동해상에서 수렴되어 만들어 지며, 이것의 내륙유입은 동해상 기류의 강도에 의해 판단될 수 있다. 따라서 영동지역의 강설 예보의 정확도 개선을 위해 영동지역과 동해상의 기류를 파악하는 것이 무엇보다 중요하다고 하였다.

앞서 소개된 선행연구들에서 영동지역의 강설예보 개선을 위해 영동지역의 3차원 바람 관측자료 확보가 중요함을 언급하고 있다. 하지만 영동지역은 동해상과 태백산맥 산악지역을 인근한 지리적 특성 때문에 고해상도 관측망을 구성하기 어렵다. 더욱이 강설 발달 메커니즘에 주요하게 영향을 미치는 동해상의 관측자료 확보가 어렵다. 따라서 강원영동지역 국지순환 발달 메커니즘을 이해하기위해 강원지방기상청의 주관으로 2020년 2월부터 4월까지 2020 강원영동 공동입체기상관측(Yeongdong Extreme Snowfall-Windstorm Experiment; YES-WEX)이 수행되었다. YES-WEX는 기존 정규관측 외에, 다양한 기상관측장비(기상관측차량, 기상항공기, 기상관측선박, 드론 등)가 사용되어 동해상과 영동내륙의 고층대기를 시공간 고해상도로 관측하는 특별 관측이 추가되었다. 따라서 본 연구의 목적은 (1) 강설예보가 어려운 대상수렴운 사례 강설시 YES-WEX 기간에 관측된 자료와 모의된 바람의 특성을 비교 분석, (2) 비교된 바람의 특성과 실제 대상수렴운 강설 예보 정확도의 한계를 제시, (3) 이를 개선하기 위한 기상관측망의 확충에 대한 제고이다. 이를 위해 YES-WEX 기간 대상수렴운으로 강설이 발생한 사례를 선별하고 분석하였다.

2020 강원영동 공동 입체기상관측(YES-WEX)은 영동지역과 동해상 대기의 3차원 관측자료 확보와 분석으로 국지순환 발달 메커니즘 이해를 목적으로 한다. 영동 강설과 관련된 동풍 관측은 동해중부해상과 강원영동지역(속초, 강릉, 평창 등)을 목표로 설계되었다. 영동지역으로 유입되는 동풍은 만주에 중심을 둔 대륙고기압의 가장자리를 따라 동해북부 해상으로부터 동해안으로 유입 되는 기류로 정의되었다. YES-WEX은 기존 영동지역의 상시 관측 외에 기상청, 국립기상과학원, 국립해양조사원, 공군 제18전투비행단의 상시관측과 항공기, 선박, 드론, 기상관측차량을 활용한 특별관측으로 구성되었다. 관측망은 (1) 지상(Automated Synoptic Observing System, ASOS; Automatic Weather System, AWS 등), (2) 해양(부이, 선박, 파랑계 등), (3) 고층(레윈존데, 라디오미터, 기상드론, 윈드라이다, 항공기 등), (4) 원격 관측(기상레이더, 위성 등)으로 크게 분류되어 있다.

특별관측은 기상관측자료가 없는 동해상과 태백산맥 산사면의 기상정보를 얻는 것을 목적으로 수행되었다. 영동지역에 동풍의 유입 가능성이 있을 경우 특별관측이 수행되었는데, 동풍 유입 가능성은 7일 전, 4일 전, 3일 전, 2일 전, 전일 17시 예보를 참고하여 결정된다. 관측은 동해상에서 해안으로 유입되는 동풍의 규모와 강도를 관측하기 위해 기상항공기와 선박에서 각각 드랍존데의 투하와 레윈존데가 비양이 수행되었다. 특히 12시간 간격으로 강원지방기상청에서 수행되는 레윈존데 상시관측을 6시간 고해상도로 관측하여 중규모 기상현상 변화를 상세히 관측하였다. 또한 지형에 의해 다양하게 변화하는 기류의 특성 관측을 위해 기상관측차량(속초)과 기상드론(오대산, 설악산)을 활용한 6시간 해상도의 레윈존데 관측과 기상드론 관측이 수행되었다. 아쉽게도 본 연구 사례에서 기상상황에 영향을 많이 받는 기상항공기와 드론은 운영되지 않아 관련 자료가 사용되지 않았다.

본 연구는 동해상에서 만들어진 대상수렴운이 육상으로 유입되어 강설이 발생했을 때, 기류의 변화를 관측자료로 이해하는 동시에 현업 수치예보모델(Unified Model, UM)의 모의 경향을 파악 하려하였다. 이를 위해 2020 YES-WEX 기간 대상수렴운의 유입으로 영동해안지역에 강설이 발생한 2020년 2월 8일~9일을 분석사례로 선정하였다. YES-WEX 기간 중에 총 4회의 집중관측이 수행되었으나, 영동해안지역에 강설이 관측되지 않은 2개 사례(case1, 3)와 저기압통과로 강한 강설이 발생한 사례(case4)는 분석에서 제외하였다(Table 1). 먼저, 강설 전(2020년 2월 8일 0000 UTC)과 강설 중(2020년 2월 8일 1200 UTC)의 분석 일기도를 비교하여 동해안 강설에 주요한 한반도 주변 기압계의 변화를 분석하였다. 지상관측자료가 없는 동해상의 바람 변화를 분석하기 위해 기상청에서 제공하는 WINDSAT의 해상풍 자료와 부이 자료(동해, 울릉도, 울진, 울산, 포항)를 이용하였으며(1시간 자료), 동해상에서 생성된 강설구름의 이동을 파악하기위해 천리안 주야간 합성영상을 사용하였다. 또한, Nam et al. (2014)과 Lee et al. (2012)은 동해상 눈구름 발달에 해기차의 영향이 크다고 하였는데, 본 연구에서는 해기차를 동해 부이에서 관측되는 수면온도와 북강릉(강원지방기상청)에서 6시간 간격으로 비양된 레윈존데 850 hPa 온도의 차이로 정의하고 분석하였다. 강설 시 해안과 내륙의 수평바람 연직 분포 변화 분석과 모델 검증을 위해 북강릉과 포항에서 6시간 간격으로 비양된 레윈존데 바람 자료를 연직 20 m 간격으로 평균하여 분석하였다. 또한 강원산지에서 강설 전후 기류의 변화를 분석하기 위해 대관령 구름물리선도센터에서 15분 간격으로 관측되는 윈드라이다 자료가 사용되었다. 수치예보모델(UM)에서 모의되는 지상과 해상 그리고 수평바람의 연직 분포는 북강릉에서 가장 많은 강설량이 관측된 2020년 2월 8일 1200 UTC을 기준으로 하여 ASOS, AWS, 부이, 레윈존데로 관측된 자료와 비교하였다. 사용된 관측 자료는 Fig. 1에 보여주었다. UM 국지모델은 1.5 km × 1.5 km의 공간해상도와 3시간 간격의 시간해상도를 가진다. 지상관측자료와 모델 모의 값의 비교를 위해 모델에서 생산되는 지상 단일면에서 u, v 바람성분, 강설 분포 자료, 그리고 온도자료를 활용하였으며, 수평바람의 연직 분포 모의 경향을 분석하기 위해 1000 hPa~50 hPa 등압면의 u, v 바람 성분 자료를 사용하였다. 이때 비교를 위한 모델 모의 값은 각 관측소와 가장 인접한 지점 값을 사용하였다.

Fig. 1. 
Location of the weather observation stations and buoys used in this study. The red dots indicate the weather observation stations, the blue dots indicate buoy. The black dot denotes where wind lidar is located.

영동지역에서 강한 종관 강제력에 의해 발생하는 강설과 비교해 동해상에서 기류 수렴으로 생성된 대상수렴운 유입을 원인으로 하는 강설은 그 예측이 어렵다고 알려져 있다. 본 연구에서 수치예보모델에서 대상수렴운이 유입되어 강설이 발생한 경우 바람의 모의 경향을 분석하고자 하였다. 분석을 위해 남해상에 운영되고 있는 부이, 동해안지역의 지상관측자료, 동해안에서 비양된 레윈존데에서 관측된 자료를 모델값과 비교하여, 모델의 모의 경향을 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 아래와 같다.

본 사례는 영동지역 북강릉에 누적 강설량이 4.2 cm 관측된 사례로, 시베리아 고기압이 연해주 방향으로 확장할 때, 영동지역에 북동풍이 유입되는 전형적인 종관패턴(W형)에서 발생하였다. 상대적으로 따뜻한 동해상(해기차 21.9 K)을 지나면서 변질된 기류가 동해안의 북서 기류와 수렴되어 대상수렴운(운정고도 3 km)이 만들어 졌다. 강설이 관측된 시간 동해 중부 해상에서 북동의 기류가 강해지면서 대상수렴운이 해안으로 유입되었다. 북동풍은 고도가 낮아질수록 지형(태백산맥)과 육상에서 불어 나오는 북서의 영향으로 북동풍은 고도가 낮아 짐에 따라 점차 북서로 전향되는 모습을 보인다. 이때 상대적으로 찬 북쪽의 기류가 하층에 유입되면서 지상의 온도는 시간당 1^oC 하강해 -0.9^oC까지 낮아지며 강수가 강설로 바뀌었다.

LDAPS는 강설이 발생한 시간 동해상과 영동해안 지역의 바람을 모두 과대모의 하는 경향을 보였다. 특히, 동해상에서는 평균 24.1% 바람이 과대모의 되었으며, 동해 북부해상에 비해 동해 중부와 남부 해상에서 풍속이 강하게 모의되었다. 특히, 많은 강설량이 기록된 동해(10.1 cm) 해안지역은 425.0% 바람이 과대모의 되는 등, 해안지역에서 2배에서 4배 이상까지 바람이 과대 모의되었다. 해상에서 풍향은 경향은 잘 모의되는 것으로 판단되지만 북강릉 지점의 경우 700 hPa 이하의 바람이 정확하게 모의가 되지 못하고 있었다. 12시간 전까지 수평바람의 연직 분포는 실제 북서의 바람을 북동으로 모의하는 경향을 보였으며, 고도가 낮아짐에 따라 관측 값과 편차가 커졌다. 풍향과 풍속이 영동지역 강설 메커니즘에 중요한 요소임을 감안하면 영동지역 해안과 연직 풍향, 풍속의 모의 불확도는 정확한 강설 현상 예측을 어렵게 하는 요소가 된다.

관측과 모의된 누적 강설의 분포를 비교하였을 때, 모델은 3시간 뒤부터 해안지역의 강설을 모의하고 있었다. 예측장에서 강설영역의 정확한 모의가 어려운 것과 강설구름의 해안유입 판단에 중요한 참고자료인 수평바람의 연직 분포 모의가 정확하지 않은 것으로 판단할 때, 이 사례는 예보관들이 강설을 사전에 예측하기 어려웠을 것으로 판단된다. 실재 기상청 기상통보문을 검토해본 결과 강설 24전까지 영동지역은 맑음으로 예보되었고, 강설 발생 전일 17시 통보문에서 강설로 예보가 변경되었다. 따라서, 본 연구 사례만으로 평가하였을 때, 현재 LDAPS는 동해상에서 생성된 대상수렴운이 영동해안 지역으로 유입되는 현상을 24시간 이내에 정확히 모의하는 것에 한계가 있다고 판단된다.

예보 정확도를 향상시키기 위해, 관측자료 분석을 통한 강설메커니즘 이해와 해안지역의 바람 모의 불확도의 원인을 파악하는 것이 주요하다. 하지만, 본 연구에서 영동 강설 메커니즘 분석에 중요한 수평바람의 연직 분포 관측(레윈존데) 자료가 해안에만 존재한다는 것과 태백산맥 경사면에서 복잡하게 변화하는 바람(풍향, 풍속 변화 등)을 관측한 자료가 없다는 것은 메커니즘 분석에 한계로 남아 있다. 또한, 해안에서 모델의 바람 모의의 불확도는 기상요소만이 아니라 모델의 시공간 모의 해상도, 입력자료 등 다양한 원인으로 보고되고 있어 본 연구에서는 그 원인을 파악하지 못하였다. 그럼에도 본 연구는 일부 사례에서 수평바람의 연직 분포의 모의 성능이 불확실 하다는 것과 집중관측 자료를 활용한 모델 검증을 통해 오차의 범위를 정량적으로 제시한 것은 향후 유사한 사례를 분석해 일반화하는 과정에서 주요한 참고자료가 될 것이다.

본 사례에서 영동 강설 메커니즘을 이해하기위한 필수 관측 자료인 동해상의 연직 기상요소 관측(기상항공기, 기상관측선박)이 수행되지 못한 것은 큰 아쉬움으로 남는다. 향후, 항공기를 활용해 관측자료가 부족한 동해 북부해상의 연직 기상자료와 기상드론 등을 활용한 태백산맥 경사면에서 변화하는 바람을 고해상도로 관측한 자료가 확보된다면 영동지역 강설 메커니즘 이해와 예보정확도 개선에 기여할 수 있을 것이다.