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우리나라에서 발생한 겨울철 강수형태를 조사하기 위해 2003년 12월부터 2008년 12월까지 7개 지점의 고층기상관측 자료를 분석하였다. 수집된 자료에서 강수현상은 눈(518건), 비(179건), 그리고 진눈깨비(33건)로 총 730 사례로 관측되었다. 진눈깨비의 사례를 대상으로 총 5개의 표준등압면의 층후값을 분석하였다(Table 1). Table 1은 진눈깨비가 관측된 사례의 층후값들을 표준등압면별로 조합하여 표준편차(σ)에 의해 강수형태의 경계값을 분석하였다(Happner, 1992). 진눈깨비 사례의 평균(μ)을 기준으로 μ + σ는 층후 최대값으로서 비의 절대값으로, μ − σ는 층후 최소값으로서 눈의 절대값으로 설정하였다.

Figure 2는 Table 1에서 제시한 자료를 토대로 강수형태별 1000~850 hPa 층후와 925 hPa 기온과의 관계를 나타내었다. 총 730개 강수현상 중 비 현상은 층후 기준값이 1281 gpm 이하인 눈 구역에서 관측된 사례는 존재하지 않았으며, 다만 비 구간인 1297 gpm 기준값 이상에서 1건의 눈이 관측되었다. 앞에서 제시한 층후(1000~850 hPa) 기준값은 눈과 비 현상을 판단하는 데 99% 이상 구분할 수 있음을 의미한다. 진눈깨비를 눈에 포함하여 층후 기준값에 적용하면 1297gpm 기준값을 초과한 사례는 4건이었다.

층후별 최소(눈 경계), 최대(비 경계)값의 편차가 가장 작은 층후는 1000~850 hPa로 16 gpm 이고, 1000~700 hPa 층후 편차는 48 gpm로서 1000~850 hPa 층후값보다 3배 정도 더 큰 값을 가졌다. 등압면에 따른 기준고도 차는 850 hPa(약 1.5 km)과 700 hPa(약 3.0km)에서 약 2배 차이가 나지만, 층후 편차는 약 3배를 보였다. 두 층간의 기준고도가 높으면 층후편차 값이 커져 강수형태를 판별하는 데 어려움이 따른다. 또한 겨울철 강수형성 과정이 주로 하층대기의 풍향과 풍속에 의존되기 때문에(Lee, 1979; Ho and Kang, 1988; Song, 1993; Jhun et al., 1994), 겨울철 강수형태를 판별하기 위해서는 기준고도 차가 작은 1000~850hPa 층후값을 사용하여 눈과 비를 구분하는 것이 정확성을 높여준다.

Fig. 2 
Scatter plots of precipitation type according to 1000~850 hPa thickness (gpm) and 925 hPa temperature (^oC) at 7 upper-level observation stations during winter season from December, 2003 to December, 2008. ‘1281’ and ‘1297’ denote 1 standard deviation from average of 1000~ 850 hPa thickness.

Figure 3은 한반도에 눈과 비가 동시에 관측되었던 2개의 사례에 대해 강수형태 실황분포도와 Table 1에서 제시한 1000~700 hPa과 1000~850 hPa 층후 기준 값으로 눈과 비 구간을 비교한 결과이다. Figure 3a는 2010년 1월 4일 0000 UTC 기상실황이다. 전라남도 지역에 비가 내리고 있으며, 1000~700 hPa과 1000~850hPa 두 층후 기준값은 실제 비가 관측된 지역의 북쪽에 위치하였다. 반면 1000~700 hPa 층후의 눈 절대값 경계선은 서울부근에 위치하고, 1000~850 hPa 층후는 충청도 북쪽지역에 놓여있다. 중부지방 전역에서 눈이 관측된 것을 고려하면, 1000~850 hPa 층후의 눈 기준선이 1000~700 hPa 층후의 눈 기준선보다 낮아 중부지방에서 강수형태가 진눈깨비보다 눈으로 구분되어 정확성이 높은 것으로 나타났다. 또한 Fig. 3b는 2010년 2월 11일 0000 UTC 기상실황이다. 남부지방은 비가 오고 있고, 충청도를 포함한 중부지역 위로 눈이 내리고 있다. 1000~700 hPa 층후 기준값으로 강수현상을 판단할 때 충청도 지방은 비 구간에 있으나 1000~850 hPa 층후 기준값은 눈과 비의 혼재구간에 위치한다. 위 사례에서 1000~850 hPa 층후 기준값이 1000~700 hPa 층후 기준값보다 높아 정확성과 혼재구간이 줄어들어 강수형태 판별에 유용하다.

Fig. 3 
Distributions of weather phenomena, 1000~850 hPa (solid lines) and 1000~700 hPa (dashed lines) thicknesses over South Korea at (a) 4 January and (b) 11 February 2010, respectively.

설정된 1000~850 hPa 층후 기준값을 검증하기 전에 해발고도가 높은 관측지점의 경우 나타날 수 있는 지형적인 문제를 조사하였다. 왜냐하면 몇몇 지역에서는 1000 hPa의 고도값이 관측지점 해발고도보다 낮은 분포를 보이기 때문이다. 즉, 산악지대인 대관령지점은 1000 hPa의 고도가 지상이 아닌 지하에 해당하여 1000~850 hPa 층후 기준값을 적용하기 어렵다. 이 문제를 분석하고자 2003년부터 2011년까지 고층관측지점에서 겨울철 강수형태가 관측된 총 1212개 사례를 조사하였다. 분석결과 고층관측지점에서 1000 hPa 고도가 해발고도보다 낮은 사례는 백령도 지점의 3개(0.25%) 사례뿐이었다. 고층관측지점 중 백령도의 해발고도가 144.9 m로 가장 높다. 따라서 144.9 m 이하에 위치한 관측지점에서 강수형태를 판단하는 데 1000~850 hPa 층후 기준값(1281~1297 gpm)을 적용 할 수 있음을 의미한다. 반면 백령도 지점보다 높은 지점에 적용하면 신뢰도가 떨어질 수 있다.

이 결과를 토대로 강수형태 판단 알고리즘을 평가 하고자 Table 2와 같이 주요 10개 지상관측 지점을 선정하였다. 관측지점에서 진눈깨비가 관측된 날 층후값을 이용하여 강수형태를 판별하고자 2009년 1월부터 2011년 3월까지 초단기 기상분석 및 예측시스템 격자자료로 1000~850 hPa 층후값을 추출하였다. 관측지점별 강수현상에 따른 층후 기준값을 산출하고자 관측지점별로 층후의 표준편차를 평균값에 가감하여 층후 최소값(눈 기준), 층후 최대값(비 기준)을 산출하였다(Table 2). 관측지점별 층후 최소값은 청주지점이 1278 gpm로 가장 낮았고, 층후 최대값은 대관령지점이 1313 gpm로 가장 높았다. 대관령지점을 제외한 층후 최대값은 목포지점으로 1302 gpm로 분석되었다. 10개 관측지점에 대해 평균한 층후 최소값은 1282gpm이고, 층후 최대값은 1302 gpm이었다. 고층기상관측자료로 구한 1000~850 hPa 층후 기준값인 1281 gpm와 1297 gpm을 비교하면 강수영역에 해당하는 층후 최대값과 약 5 gpm 정도 차이가 났다. 그러나 대관령을 제외한 전체 9개 지점을 평균하면 층후 최소값은 1281 gpm, 층후 최대값은 1297 gpm로 앞서 제시한 1000~850 hPa 층후 기준값(1281 gpm, 1297 gpm)과 같다. 대관령을 제외한 모든 지점의 해발고도는 144.9 m이하로 강수형태를 판별하는 데 적용 가능한 값이라고 할 수 있다.

습윤 대기에서 물의 상변화에 따라 수증기는 승화 되거나 액화되는 과정을 거치면서 최종적인 강수형태는 지면에 도달될 때 결정된다. 물의 상변화는 기온과 습도의 관계이다. Figure 4는 1000~850 hPa 층후에서 눈(1281 gpm)과 비(1297 gpm)의 경계값 사이에 포함된 강수현상을 지상기온과 상대습도의 관계로 분석 하였다. Figures 4a, 4b에서 눈의 경계값은 Matsuo 기준을 준수하였으며, 비의 경계값은 새로운 선형방정식으로 산출하였다. Matsuo 기준은 식 (1)과 같이 상대습도(RH)와 지상기온(T)의 회귀식이며, 눈의 경계치에 해당한다(Matsuo et al., 1981).

Fig. 4 
Scatter plots of precipitation type according to surface temperature (^oC) and relative humidity (%) at 7 upper-level observation stations during winter season. Left and right hand line denote Matsuo scheme and added linear equation, respectively. (a) Observations from December, 2003 to December, 2008, (b) ones from January, 2009 to March, 2011.

Figure 4a에서 Matsuo 기준의 좌측에는 비 현상이 없으나 우측에는 눈, 진눈깨비 그리고 비 현상이 공존하였다. 강수현상을 좀더 정확하게 구분하고자 새로운 선형방정식 (Eq. 2)을 추가하였다.

여기서 T는 기온이고, RH는 상대습도이다. 제시한 방정식에 따라 Matsuo 기준의 왼쪽은 눈 구역, 추가한 선형방정식의 오른쪽은 비 구역, 가운데 영역은 눈·비·진눈깨비가 혼재된 구간으로 강수현상을 구분할 수 있다. 이 방법으로 검증한 결과가 Fig. 4b이다. 새롭게 제안한 선형방정식 오른쪽에 눈 현상은 전혀 나타나지 않았고 Matsuo 기준의 왼쪽에도 비현상이 나타나지 않았다. 이 두 선형방정식 중간구역에 진눈깨비는 69%로 가장 많았다.

추가된 기준 방정식이 강수형태를 구분하는 새로운 기준이 될 수 있는지를 검증하기 위해 고층관측자료가 없는 지상관측지점들에 대해 KLAPS 재분석장을 이용하여 층후 기준에 따른 강수형태를 조사하였다. 주요 10개 지상관측지점의 3년(2009. 1.~2011. 3.) 동안의 층후(1000~850 hPa) 자료를 이용하였다. 모든 강수사례에 대해 층후는 지상기온과 상대습도에 따른 강수형태 분포도로 나타내었다(Fig. 5). 비 경계선(Eq. 2)의 오른쪽에서는 강수사례의 95%가 비로 관측되었고 진눈깨비 사례가 5%였으며, 눈은 관측되지 않았다. 그러나 Matsuo 기준의 왼쪽은 눈 구역임에도 불구하고 진눈깨비와 비의 강수형태가 27% 존재하였다. 따라서 Matsuo 기준을 우리나라 지역에 적용하기 위해, Fig. 6과 같이 Matsuo 기준을 1.365^oC 왼쪽으로 이동시켰다. 결과적으로 새로운 Matsuo 기준에서 강수형태가 눈인 구역에서는 눈의 관측비율이 89%로 상승했으며, 비는 3%로 감소했다.

Fig. 5 
Scatter plots of precipitation type according to surface temperature (^oC) and relative humidity (%) at 10 surface observation stations during winter season from January 2009 to March 2011.

Fig. 6 
Same as Fig. 5, but for Matsuo scheme to be shifted by 1.365^oC from right to left at surface temperature axis.

개선한 Matsuo 기준으로 강수형태를 구분하기 위해 Fig. 7a과 같이 설정하였다. 이것을 요약한 Fig. 7b의 구역(적설구역)은 상대습도 75% 이상, 기온 0.9^oC 이하 구역이며, 전체 적설사례 중 88%가 해당하는 구역이다. I, II구역은 모두 눈 구역으로서, 눈이 관측된 사례가 각각 83%, 77%로 가장 높았다. 진눈깨비를 눈에 포함하면 각각 97%, 92%로 더 높게 나타났다. III, IV구역(강수형태 혼재구역)에서 III구역은 눈(41%)이 가장 많이 분포하며, IV구역은 비(43%)가 가장 많이 분포하였다. V구역은 비 구역으로서 비가 96%였다. 결과적으로 강수형태 판단표를 이용해 지상기온과 상대습도만으로 혼재된 구역 내에서 간단하게 눈, 비 그리고 진눈깨비와 적설 판단이 가능함을 제시한다. 예보 적용 시 I, II구역은 눈, III구역은 눈이 우세한 눈비, IV구역은 비가 우세한 비눈, 그리고 V구역은 비 예보에 적용 할 수 있다.

Fig. 7 
(a) Summarized equations in each sector, (b) decision chart for determining precipitation type and ratios of them at each sector