Current Issue

먼저 하층 기온 냉각에 따른 강수 및 강설 입자 특성에 관한 상세한 이해를 위해 Episode 1의 초기 사운딩 관측 자료를 기반으로 이상 실험을 수행하였다. Figure 3a는 지형이 없는 조건(NOTR)에서 규준(CTRL) 실험에 대한 3시간 누적 강수 분포를 보여주고 있다. 이상 실험임에도 불구하고 토지 이용(land use) 자료를 사용하였기 때문에 해안선과 위∙경도를 표시하였으며 분석 영역도 영동지역에 초점을 맞추었다. 분석결과, 영동 해안지역을 중심으로 최대 강수량은 1.6 mm의 값을 나타냈는데 이는 실제 관측된 강수량(1.3 mm, 북강릉)과도 비교적 잘 일치하는 수준이었다. 한편 TERR 실험의 경우, 지형 고도의 부재로 인해 강수시스템이 강화되지 못했던 NOTR 실험과는 다르게 풍하측으로 강수 영역이 더욱 확장하였으며 산악 지역으로도 1 mm 이하의 약한 강수가 증가하는 특징을 나타냈다(Fig. 3b).

Fig. 3. 
Total accumulated (3-h) precipitation (units: mm) derived from (a, b) control (CTRL), (c, d) TEMP, and (e, f) EAST simulations for Episode 1. The experiments were divided into no terrain (left; NOTR) and terrain (right; TERR).

다른 인자들은 통제된 상태에서 사운딩 초기장의 하층 온도를 3도 냉각시킨 온도(TEMP) 실험의 3시간 누적 강수량 분포는 Fig. 3c에 제시하였다. CTRL 실험 결과와 비교하여 강수 중심(core) 영역은 소폭 감소, 전체 강수 영역은 남동쪽 방향으로 약간 확장하였다. 이는 하층 기온이 감소함에 따라 상대적으로 가벼운 눈(snow) 입자가 주풍향을 따라 풍하측 지역으로 이동한 것에 기인한 결과로 판단된다. TERR 실험에서는 이러한 특징들이 더욱 뚜렷하게 나타났다. CTRL 실험에 비해 강수 영역이 남서쪽으로 확장하였으며 산악 지역에서도 약한 강수가 더욱 증가하였다. 즉, TEMP 실험은 지형 유무와 상관없이 강수 중심 영역은 감소, 전체 강수 분포 면적은 다소 증가시키는 것으로 분석되었다.

다음으로 CTRL 실험과 TEMP 실험의 강수 시계열 분석 결과를 Fig. 4와 Table 3에 제시하였다. 각 모의시간의 대표성을 제고시키고 강수 시스템의 이동 가능성을 고려하기 위해 Fig. 3의 도메인 영역(37.6~37.9^oN, 128.6~129.1^oE) 평균값을 사용하였다. 두 실험 모두 30~35분 사이에서 최대 강수량을 나타냈으며, 125~145분까지 모의 후 강수가 종료한 NOTR과는 다르게 TERR에서는 강수 후반부(120~180분)까지 시간당 약 0.14 mm의 약한 강수를 지속적으로 모의하였다(전체 누적 강수도 증가). 강수강도 측면에서도 TERR 실험이 NOTR 실험에 비해 시간당 0.04~0.05 mm 더 많은 강수를 모의하였다. 또한 지형 유무와는 상관없이 TEMP 실험이 CTRL 실험에 비해 강수량을 약 19% 적게 모의하는 경향을 나타냈다(Table 3). 하층 기온 냉각 효과가 강설 입자 특성에 미치는 영향을 살펴보고자 지면 강수 중 graupel과 snow에 대해 TEMP 실험과 CTRL 실험 결과의 차이를 추가 분석하였다(Fig. 5). 흥미롭게도 NOTR과 TERR 모두 graupel은 26~27% 감소, snow는 53~67% 증가하는 상반된 특징을 보였다(Table 3). 이는 Fig. 2a의 관측 결과에서 보여준 눈결정 특성에 미치는 하층 온도의 중요성을 뒷받침하는 결과라고 생각된다.

Fig. 4. 
Time series of simulated total precipitation at each experiment (a) without (NOTR) and (b) with terrain (TERR) for Episode 1.

Fig. 5. 
Time series of differences in (a, c) graupel and (b, d) snow fall between CTRL and each experiment for Episode 1. The upper and lower panels denote NOTR and TERR, respectively.

Figure 6a는 앞서 CTRL 실험의 시계열 분석에서 최대 강수량을 모의했던 시간(30분)에서 graupel과 snow 혼합비에 대한 동서 방향의 연직 단면도를 보여주고 있다. 128.8~129^oE 경도선을 중심으로 Episode 1의 관측된 구름 높이(2~3 km)까지 연직 혼합비가 잘 분포하고 있음을 확인하였다. 상층에는 0.01~0.06 g kg^-1 범위의 snow 혼합비가 분포하고 있으며 하층에는 snow 대신 graupel 혼합비가 상대적으로 높은 값(0.5~3.5 g kg^-1)을 나타내고 있다. 그러나, NOTR과 TERR 실험 간의 뚜렷한 결과 차이는 확인할 수 없었다(Figs. 6a, c). 대기수상체(ice phase)의 연직 혼합비 분포 특성 변화를 확인하기 위해 Fig. 6b와 같이 두 실험장간의 차이를 제시하였다. 약 1.5 km 고도 이하의 하층에는 graupel 혼합비가 최대 2 g kg^-1 가까이 감소, 1.5~3 km 사이의 상층 고도에서는 snow 혼합비가 0.02~0.14 g kg^-1 범위에서 증가하는 경향을 나타냈다. 즉, 대기 하층의 온도를 냉각시켰을 때 대기경계층 하부의 결착(riming) 과정은 약화되고 상부의 snow 혼합비는 증가시켜 지면에 도달하는 snow 입자를 증가시켰던 것으로 판단된다(Fig. 5b).

Fig. 6. 
(a, c) Vertical cross-sections of the mixing ratios (units: g kg^-1) of graupel (shading) and snow (black contour lines) derived from CTRL simulations, and (b, d) difference fields between TEMP and CTRL experiments at the simulation time of 30-min for Episode 1. The upper and lower panels denote NOTR and TERR, respectively.

Figure 2a의 CTRL 실험 초기 바람장에서도 볼 수 있듯이 Episode 1의 하층 바람은 북풍 계열, 중∙상층은 서풍 계열로 나타났다. 상∙하층간 풍향의 시어 효과에 관한 실험은 Kim et al. (2021)의 연구 결과에서도 제시한 바 있다. 동풍 유입 고도 강화와 상층 바람(서풍) 시스템의 변화가 영동지역 강설 특성에 미치는 영향을 추가적으로 살펴보고자 상층(2 km 이상) 고도의 풍계를 모두 동풍으로 바꾸어 이상 실험을 수행하였다. 단, 풍속의 크기는 CTRL 실험과 동일하게 주었다. 먼저 동풍(EAST) 실험의 총 누적 강수량 분포를 살펴보면, 강수 중심이 해안 가까이에 붙어있던 CTRL 실험과 비교하여 강수 분포가 남서 방향으로 이동 및 확장하였다(Figs. 3a, e). TERR의 조건에서 EAST 실험은 NOTR에 비해 강수 영역이 남서 방향으로 더욱 확장하였으며, 같은 조건의 CTRL 실험과 비교해서는 강수 영역의 차이가 뚜렷한 것을 확인할 수 있다(Figs. 3b, e, f). 이러한 특징은 EAST 실험에서 3 km 고도 이상까지 동풍 고도가 확장, 상층 바람장이 서풍이 아닌 동풍으로 설정되었기 때문에 내륙쪽으로 강수를 더욱 강화시켰던 것으로 판단된다(Fig. 7). 앞서 TEMP 실험과 마찬가지로 EAST 실험에서도 TERR (지형)의 영향으로 인해 강수가 증가하였던 특징은 잘 나타났다.

Fig. 7. 
The same as in Figs. 6b and 6d except for difference fields of (a, c) vertical mixing ratios (units: g kg^-1) and (b, d) number concentrations (units: counts kg^-1) between EAST and CTRL experiments. The gray wind barbs denote wind fields of u-w components (units: m s^-1) for EAST experiment.

다음으로 EAST 실험에서 모의된 강수 시계열 분석결과는 Fig. 4에 제시하였다. NOTR과 TERR 조건 모두 CTRL 실험에 비해 최대 강수는 적게 모의하였으나 강수 지속 시간이 길어 강수 후반부에 더 많은 강수량을 모의하였다(특히 TERR 실험). Figure 5는 graupel과 snow 입자에 대한 EAST 실험과 CTRL 실험의 강수 시계열 결과 차이를 보여주고 있다. 대부분의 모의 시간에서 graupel은 CTRL 실험에 비해 감소하였으며, snow 역시 전반적으로 감소 경향은 보였지만 강수 후반부(100분 이후)에 미미하게 증가하는 특징을 보였다(Figs. 5a, b). 전체 누적 강수 측면에서도 graupel과 snow는 각각 약 18%와 0.1% 감소하였다(Table 3). EAST 실험에서 graupel이 감소했던 이유로는 동풍의 강화로 인해 강수 중심이 남서 방향으로 이동함에 따라 상대적으로 동해에서부터 이동하는 충분한 양의 액체상 물(liquid water)가 공급되지 못했기 때문으로 생각된다(Figs. 3a, e). 한편 TERR 조건의 경우, 전체 누적 graupel의 양은 NOTR과 비교하여 차이가 없었으나 snow의 양이 강수 후반부에 급격히 증가하였다(Table 3, Fig. 5d). 이러한 특징은 강수 후반부(모의시간 120분) EAST 실험과 CTRL 실험에서 모의된 연직 대기수상체 수농도의 차이장을 통해서도 잘 확인할 수 있었다(Fig. 8). NOTR과 비교하여 TERR 실험에서 snow 입자의 수농도가 풍하측에 단위 kg당 약 200~1000개가 증가하였다. 이는 EAST 실험의 강수 후반부에 복잡한 산악 지형을 만나면서 연직 상승기류가 강화되고 바람이 불어오는 경사면에 snow 입자가 증가하였던 것으로 사료된다(Medina and Houze Jr., 2015).

Fig. 8. 
The same as in Figs. 7b and 7d except for the simulation time of 120-min for Episode 1. The gray contour lines denote the fields of vertical velocity (units: m s^-1) for EAST experiment.

EAST 실험과 CTRL 실험간의 대기 미세물리 특성 차이를 확인해 보고자 Fig. 6b와 마찬가지로 Episode 1의 최대 강수 시간에서 graupel과 snow 혼합비와 수농도의 연직 단면도 분석 결과를 Fig. 7에 제시하였다. 흥미롭게도 두 개의 대기수상체 모두 풍상측과 풍하측의 뚜렷한 경향 차이를 확인할 수 있었다. 특히 graupel의 경우, 128.9^oE 경도선을 기준으로 풍하측(~3 km 고도)으로는 최대 3 g kg^-1 (11000개 kg^-1)의 수준으로 연직 혼합비(수농도)가 증가하였으나 풍상측에는 같은 차수 범위에서 graupel의 혼합비(수농도)가 감소하였다(Figs. 7a, b). 반면 snow 입자는 약 1.5~3.5 km 고도 범위에서 지역적으로 연직 혼합비와 수농도의 변동성이 크게 나타났다. 강설 입자가 상대적으로 가볍기 때문에 동풍 강화로 인해 풍하측 먼 쪽까지 혼합비(0.02~0.8 g kg^-1)와 수농도(~15000개 kg^-1)가 증가한 것으로 보이며, 풍상측 가까운 지역에도 소폭의 증가 경향(혼합비: ~0.06 g kg^-1, 수농도: ~6000개 kg^-1)을 보였다. TERR 조건에서는 풍하측 먼쪽 방향으로 snow 혼합비와 수농도가 각각 단위 kg당 0.02 g과 3000개 이상 증가하는 특징을 보였으나, 상층 graupel의 혼합비와 수농도는 NOTR과 비교하여 큰 변화가 없었다(Figs. 7c, d).

대기수상체의 연직 수농도와 혼합비 분포는 전반적으로 유사한 경향을 나타냈지만 128.9^oE 경도선 인근에서 상층 graupel 입자가 단위 kg당 약 1000~7000개 수준으로 가까운 풍하측으로는 감소, 가까운 풍상측에는 증가하는 특성을 보여주었다(Figs. 7b, d). 즉, 3 km 고도 이상의 상층 동풍 강화가 동해로부터 액체상 물을 충분히 공급함에 따라 가까운 풍하측의 결착 과정을 촉진시킬 수 있었으며, 강수 셀과 관련된 난류의 강화로 인해 부착 과정 또한 활발해져 강설 입자가 지면으로 빠르게 낙하할 수 있었던 조건이 형성될 수 있었다. 그로 인해 강설 입자가 기존재하던 구름층에는 감소하였고 지면 근처의 하층에서는 증가(snow: 3000~9000개, graupel: 1000~5000개)한 것으로 판단된다. 반면 가까운 풍상측에는 내륙쪽으로 유입되지 못한 상층 구름의 강설 입자가 지면에 낙하하지 못하고 과냉각 수적(graupel: 1000~7000개)의 형태로 남아있었던 것으로 추정된다. 여기서 주목할만한 점은 상층의 역학적인 풍계 변화가 지면 근처의 풍하측으로는 강설 입자의 증가와 풍상측에는 강설 입자의 감소와 같이 지역적인 강수 위치를 변화시킬 수 있었으나(Figs 7b, d), 도메인 전체 강수량을 증가시키지는 못하였다(Table 3).

두 층 구름 조건일 때 동풍 효과를 추가적으로 분석하고자 Episode 2에 대한 EAST 실험을 수행한 후 단층 구름 사례(Episode 1)의 결과와 상호 비교하였다. Episode 1과 마찬가지로 2 km 고도를 기준으로 상∙하층간 풍향의 시어가 뚜렷한 특성이 반영된 CTRL 모의 실험과 Fig. 2b에서 관측된 두 층 구름 조건은 그대로 통제된 상태에서 2 km 고도 이상의 상층 바람을 서풍에서 동풍으로 변경한 EAST 실험을 수행 후 두 결과의 누적 강수량 차이를 Table 3에 요약하였다. Episode 1의 결과와는 다르게 EAST 실험에서 강수가 증가하는 경향을 확인하였다. 특히 TERR의 조건에서 강수가 2.3배 강화되었는데 이 중 rain과 graupel 입자가 차지하는 비중이 각각 78%와 18%으로 전체 강수중 대다수를 차지하였다. 두 실험간의 연직 대기수상체 특성 차이 및 지형 효과를 확인해 보고자 Fig. 9와 같이 입자 수농도 및 연직 속도의 단면도 분석을 추가적으로 수행하였다. 분석 결과, NOTR과 비교하여 TERR의 조건에서 연직 속도가 산사면을 따라 0.2 m s^-1 이상 강화되었으며 약 2.5 km 고도 이하의 graupel과 snow 수농도 역시 풍하측 방향으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 5~6 km 고도에서 snow 입자는 CTRL 실험에 비해 EAST 실험에서 단위 kg당 500개 이상 증가하였으며, 특히 TERR의 조건에서는 snow 입자가 2배 이상 증가하였다(Fig. 9). 이러한 특징은 동풍에 의한 지형성 상승기류의 강화가 기존재하던 상층 구름의 병합(coalescence) 및 결착(riming) 과정에 영향을 미쳐 강수 성장을 촉진시켰던 것에 기인한 결과로 해석된다. 또 한가지 흥미로운 점은 지형이 있는 조건에서 두 층 구름 사례(Episode 2)의 경우 상층 동풍 효과가 두드러지게 나타났다는 것이다. 상층 구름이 존재하지 않았던 단층 사례(Episode 1)와는 다르게 Episode 2는 상층 구름층이 존재하는 상황에서 풍계가 서풍에서 동풍으로 바뀌었기 때문에 지형성 강수를 강화시켰던 것으로 판단된다.

Fig. 9. 
The same as in Fig. 8 except for difference fields between EAST and CTRL experiments at the simulation time of 30-min for Episode 2.

장기간 영동지역 강설 사례의 형태학적 분류 결과, 앞서 Episode 1과 같이 단층 구름의 비중이 높았지만 두 층 구름 유형도 비교적 높은(약 30%) 빈도 분포를 나타냈다(Kim, 2018). 따라서, 이번 절에서는 상층의 서풍에 의한 구름 시스템이 지상 강수에 미치는 영향을 살펴보고자 Episode 2에 대해 단층(CLD1) 모의 실험을 수행한 후 규준(CTRL; 두 층 구조) 실험결과와 상호 비교하였다. Figure 2b의 레윈 존데 관측결과를 통해 약 4 km 이상 고도에서는 서풍에 의한 구름층이 존재함을 확인할 수 있다. 반면 2 km 이하 고도에서는 북풍 내지 북서풍 계열 바람에 의해 약 1.2 km 두께의 하층 구름이 발달하기 시작하였다. CLD1 실험의 고층자료 활용 수치모의를 위한 초기장(2016년 12월 13일 1200 UTC)에는 강수가 발생하지 않았지만 3시간 이후 누적 강수는 1.9 mm, 강수 유형은 비(rain)으로 관측되었다(Fig. 2b). 비록 강수 초반 강설 입자는 관측되지 않았지만 영동지역의 겨울철 빈번하게 발생하는 강수 특징(rain to snow)을 보여주었던 사례이다.

Episode 2에 대한 CTRL 실험과 CLD1 실험의 3시간 누적 강수 분포 비교는 Fig. 10에 제시하였다. Episode 1과는 다르게 CTRL 실험의 강수 영역은 Bubble 중심 위치에서 약간 오른쪽(동해 방향)에 분포하는 특징을 나타냈는데, 이는 사운딩 초기장에서 북서풍 계열의 하층(1.5 km 이하 고도) 바람 특징이 모델 강수 모의에 반영된 것으로 생각된다(Fig. 10a). 그러나, 강수 중심 지점의 3시간 모의 강수(1.4 mm 이상)는 Episode 2의 관측 결과(1.9 mm)와 비교적 잘 일치하였으며, 모델의 지면 강수 유형 또한 주로 rain을 모의하는 등(snow는 모의되지 않음) 관측과 흡사하였다. 즉, 이상 실험을 위한 사운딩 배경장이 모델 결과에 잘 반영된 것으로 생각된다. 흥미롭게도 TERR의 조건에서 강수 중심영역이 NOTR에 비해 감소하였으며, 모의 시간에 따른 도메인 평균 누적 강수량도 약 6% 감소하였다(Table 3). 이처럼 지형 효과가 나타났지 않았던 이유는 Episode 1과 비교하여 강수 분포 영역도 작고 강수셀이 내륙 산악 지역으로 이동하지 못하고 해안 지역에 머물렀기 때문으로 판단된다. 한편 CLD1 실험의 강수 공간 분포를 살펴보면, 지형 유무와는 상관없이 CTRL 실험의 경향과 유사하였으며 강수량 또한 CTRL 실험과의 차이가 없음을 확인할 수 있었다(Fig. 10, Table 3).

Fig. 10. 
The same as in Fig. 3 except for (a, c) CTRL and (b, d) difference fields between CLD1 and CTRL simulations for Episode 2. The upper and lower panels denote NOTR and TERR, respectively.

전체 강수량에 대한 시계열 분석 결과에서는 TERR 실험의 강수 후반부(70~95분)에 약한 강수가 증가하는 특징을 나타냈으나 CTRL 실험과 CLD1 실험의 시계열 경향(강수 최대 시간 등)은 잘 일치하였다. 각 대기 수상체별 시계열 분석 결과를 통해서도 두 실험 간의 뚜렷한 특성 차이는 제시할 수 없었다(Table 3). Figure 11은 CTRL 실험의 연직 혼합비 분포와 두 실험간의 차이장에 대한 연직 단면도 분석 결과를 보여주고 있다. CTRL 실험에서는 2 km 고도 근처에 적은 양의 snow 입자가 존재하였고, 1.5 km 고도 아래에서는 graupel 혼합비가 최대 0.1 g kg^-1의 값을 나타내며지면 근처까지 분포하였다. 또한 약 700 m(융해 고도) 아래에는 0.2~0.35 g kg^-1 수준의 rain 혼합비가 존재함으로써 지면 강수 유형이 주로 비(rain)임을 유추할 수 있었다(Fig. 11a). 그러나, CLD1 실험과 CTRL 실험 결과의 차이는 매우 미미한 수준이었으며 지형(TERR)의 영향도 크지 않음을 확인하였다(Figs. 11b, d). 영동지역의 겨울철은 상층이 건조하기 때문에 4 km 고도 이상에 존재하던 상층 구름층이 지상 강수에 미치는 영향은 거의 없었던 것으로 판단되며, 이러한 특징은 Kim et al. (2021)의 연구 결과와 잘 일치한다.

Fig. 11. 
The same as in Fig. 6 except for difference fields between CLD1 and CTRL experiments for Episode 2. The shading denotes rain mixing ratio (units: g kg^-1), and black and purple contour lines indicate snow and graupel mixing ratios (units: g kg^-1).