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대기 중의 수증기는 기상 변수 중에서 상대적으로 적은 양이 존재하지만 다양한 기상 현상을 발생시키는 중요한 인자이며, 구름의 생성과 소멸, 강수, 지표면 증발산 등 수문학적 순환을 통해서 기후에도 큰 영향을 미친다(Chahine, 1992).

가강수량(Precipitable Water Vapor, PWV)은 단위 면적에 포함되어 있는 연직 대기 기둥 속에 포함된 수증기가 전부 강수로 변환되었을 때의 양을 의미하지만 실제 강수량은 아니다. 가강수량(PWV)은 대기 중의 수분양의 변화를 정량화할 수 있는 좋은 기상 인자로 알려져 있으며(Yoo et al., 2004), 수치모델을 이용한 일기 예보에서 가강수량 값은 중요한 입력 변수로써 강수 예보나 기후 예측에서 정확성을 높이기 위해 관측을 통한 수증기의 시 · 공간적인 이해가 필요하다.

선행 연구에 의하면 강수 시작 전에 가강수량의 증가가 선행되는데, 이는 종관 규모의 파동이 수증기를 유입시키는 것으로 알려져 있다(Haertel and Kiladis, 2004). Holloway et al. (2010)은 남태평양의 섬나라인 나우루(Nauru) 지역에서 8년간 다양한 원격관측기기(Microwave Radiometer (MWR), Sonde, TRMM 위성 등)를 사용하여 가강수량이 강수로 변환 시 지연되는 시간 및 서로의 상관성을 분석한 결과, 종관 규모(Synoptic-scale)와 중간 규모(Meso-scale) 영향에 따라 수증기 선행 시작 시간이 다르며, 종관 규모의 영향으로 수증기가 유입될 경우 수증기 증가는 서서히 일어나는 반면, 중간 규모의 경우 급격한 수증기량 증가가 뚜렷함을 관측한 바 있다. Song (2012)은 GPS로부터 산출된 가강수량과 영동(강릉, 울진)지역 대설과의 상관성을 분석한 결과, 가강수량이 증가한 이후 강설량이 증가하는 추세가 나타나며, 적설량 증가와 함께 GPS 가강수량이 감소하였다고 보고하였다. 또한 웨이블릿 방법을 이용하여 GPS 가강수량과 포화수증기압의 양의 상관성을 보인 바 있다. Yang et al. (2012)은 MWR을 이용해 청주, 합천, 대관령의 가강수량 및 구름수함량(Liquid Water Path, LWP)의 시 · 공간적인 분포를 분석한 결과, 세 지역의 가강수량 계절 변화 및 일 변화는 유사한 반면, 구름수함량은 지역적으로 계절 차이를 보이는데 이는 각기 다른 지형 및 지리적 영향일 것으로 추정하였다. Kim et al. (2014)은 관측공백지역에서 국지적으로 발생하는 강수현상을 규명하기 위하여 이동식 기상관측차량시스템에 GPS 수신기를 탑재하여 실시간 가강수량의 변화를 라디오존데 및 MWR과 비교 분석한 바 있다.

강원 영동지역은 특수한 지형과 해양의 영향으로 겨울철에 타 지역에 비해 대설이 빈번히 발생하여 사회 · 경제적으로 큰 손실을 초래한다. 영동 대설은 주로 시베리아 고기압의 확장과 한반도를 통과하는 저기압에 의해 비롯된 종관적인 강제력(Hong, 1980; Jhun et al., 1994)에 의해 하층 대기가 불안정해지고, 동해상의 해수면으로부터 수증기와 열의 공급에 의해 발달한 강설 구름이 동풍유입으로 인해 영동지역으로 이동하면서 강설이 유발된다(Lee et al., 2012; Nam et al., 2014). 또한, Nam et al. (2014)은 영동지역에서 2000~2012년(13년) 동안 관측된 17개 강설 사례들로 부터 영동지역의 적설량과 동해상의 해기차(Sea-Surface Temperature, SST)와 850 hPa 기온 차이가 15°C 이상일 경우 강한 강설과 밀접한 관련성이 있다고 제시한 바 있다. 또한, Kwon et al. (2014)은 2001~2012년(12년) 동안 영동지역 극한 대설 사례(일 신적설 20 cm 이상, 산지의 경우 30 cm)를 예보하기 위한 예측 가이던스(3~4 km 고도의 연직 바람, 500 hPa의 12시간 온도이류, 절대 소용돌이도, 위치 소용돌이도 등)를 제시하였다. 이와 같이 영동지역 강설에 대한 선행 연구는 대설 시 종관 특성과 열역학적인 이해에 집중되어, 수증기량과 적설량과의 관련성 및 강설 전 · 후 물의 상 변화 시 정량적인 수지(Budget)와 지연 시간(Time lag)에 대한 이해는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 종관 패턴 분류에 따른 연직 수증기량 변화를 관측하여 영동 강설 및 강수 과정의 원인을 규명하고 물 순환 과정에 대해 이해하기 위하여 ESSAY 2012~2015 기간 동안 다양한 구름 원격관측기기(MWR, GNSS, Radiosonde, Ceilometer 등)를 활용하여 강설기간 동안의 북강릉(Bukgangneung, BGN)과 대관령(Daegwallyeong, DGR)에서의 수증기, 구름 및 강수과정 동안 변환되는 물의 양과 지체 시간(Time lag)을 정량화하고자 한다.

강릉원주대학교(GWNU)에서는 2012~2015년 동안 강원 영동지역의 강설 기간 전 · 후를 포함하여 북강릉과 대관령에 설치된 각종 구름 원격관측장비를 활용한 모니터링과 함께, 라디오존데 관측을 실시하는 집중 관측 캠페인(Experiment on Snow Storms At Yeongdong, ESSAY)을 실시하였다(Fig. 1). 라디오존데 관측은 기상청의 강설 예보 발표를 기준으로 강설 전에는 6시간 간격, 강설 중에는 3시간 간격으로 북강릉 지역의 대기 연직 기상 관측을 수행하였다. 또한, 강설구름의 열역학적 특성을 살펴보고자 라디오존데 사운딩을 통해 온위, 상당온위, 혼합비, 포화혼합비, 풍향, 풍속 등을 관측하였다. 구름 내에서 온위는 잠열방출로 인해 다소 증가하는 반면, 상당온위는 일정한 경향을 보이며 혼합비와 포화혼합비가 거의 일치하는 특징을 보이는 데 이를 이용하여 운정고도(Cloud Top Height, CTH)를 산출하였다. 그리고 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저 고도(Cloud Base Height, CBH)를 관측하고 구름 두께(Cloud Depth, CD)를 추정하였다.

Fig. 1. 
Schematic diagram of the ESSAY campaign carried out from 2012 to 2015.

일반적으로 가강수량은 마이크로파 라디오미터(Microwave Radiometer, MWR), 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS), 라디오존데(Radiosonde) 등의 다양한 원격관측기기를 통하여 관측되고 있다. 라디오미터의 경우 실제 대기를 통과하면서 관측하는 라디오존데로부터 산출된 가강수량 값과의 비교를 통해 검증한 많은 선행 연구들이 수행되어 왔다(Liou et al., 2001; Baelen et al., 2005; Ha et al., 2010). Ha et al. (2007)은 MWR과 더불어 GPS로부터의 가강수량 비교를 통한 정밀도 검증에서 표준 편차와 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE) 모두 1 mm 내외로 정밀한 가강수량 값이 산출됨을 밝힌 바 있다.

본 연구에서 가강수량 및 구름 특성을 파악하기 위해 주로 사용한 구름 원격관측장비는 MWR, GNSS, 라디오존데, 운고계(Ceilometer) 등이다. MWR은 북강릉(BGN)에 위치한 강원지방기상청과 대관령(DGR)에 위치한 구름물리선도센터에 위치하며, RPG-HATPRO 기기의 22~31 GHz의 주파수 대역에서 대기로부터의 장파복사를 수신하여 얻은 밝기 온도를 통해 산출된 가강수량(Integrated Water Vapor, IWV) 자료를 사용하였으며, GNSS으로부터의 가강수량과 비교 검증을 위해 1시간 평균 자료를 사용하였다. 또한, MWR은 지상에서 관측하는 장비로 강설 시 관측 오차에 의한 잡음을 제거하기 위해 GNSS의 PWV (Precipitable Water Vapor) 값과 비교하여 20 mm 이상의 이상점(Outlier)들은 제거한 후 내삽(Interpolation)하였다. GNSS는 3개 이상의 GPS 위성을 이용하여 대기 중에 존재하는 수증기에 의해 GPS 신호 경로가 굴절되어 지상의 수신기까지 도달하는데 지연되는 정도로 가강수량(PWV)을 산출한다. GNSS로부터의 가강수량(PWV)은 국토지리정보원의 GPS 상시관측소 시스템으로부터 제공되며, 강릉원주대학교 자연과학 1호관 앞에 설치되어 있는 GNSS 수신기와 대관령 기상대에 위치한 수신기로부터 산출된 가강수량의 시간 자료를 사용하였다. 또한 MWR과 GNSS로부터의 가강수량과의 비교를 위해 라디오존데를 통해 관측한 연직 10 km 내의 누적 가강수량을 계산하였다. 라디오존데로부터의 가강수량(PWV_radiosonde)은 라디오존데 관측 값으로부터 산출한 혼합비를 통해 아래 식을 이용하여 계산하였다.

여기서 ω는 수증기의 혼합비(g kg^-1), g는 중력 가속도(9.8 m s^-2)이고 p₀와 p는 각각 지상 기압과 상층 기압이다.

라디오존데 관측과 더불어 강릉원주대학교 생명과학 1호관 옥상에 설치되어있는 운고계(Ceilometer)를 이용하여 운저고도(CBH)를 관측하였다. 라디오존데 관측과 북강릉 지역의 위 · 경도를 사용하여 내삽한 지역예보모델(Regional Data Assimilation and Prediction System, RDAPS)로부터 영동지역 강설 구름이 주로 존재하는 약 1.5 km (850 hPa) 고도의 온도 변화를 살펴보았다. 또한, 강설 기간동안 북강릉 지역에서의 라디오존데 관측으로부터 얻은 연직 프로파일을 활용하여 연직 바람 변화에 따른 수증기량의 이동 및 변화를 살펴보았다. 강수량은 북강릉과 대관령에서 종관 기상관측시스템(Automated Synoptic Observing System, ASOS)으로 관측한 시간 강수량을 사용하였다. 본 연구가 강설 사례임에도 불구하고 신적설량 대신 시간 강수량을 사용한 이유는 겨울철 강설은 대기 하층의 온도에 의존하여 기온이 낮으면 눈으로 관측되고, 기온이 높으면 비로 변환될 수 있기 때문이다. 또한 연직 수증기로부터 강수로 변환되는 양을 정량화하는 과정에서 온도에 대한 의존도를 줄일 수 있다. 본 연구에서 주로 사용된 관측 기기와 사양을 Fig. 2와 Table 1에 각각 제시하였다.

Fig. 2. 
The instruments mainly used in the ESSAY campaigns (Radiosonde, GNSS, MWR, Ceilometer).

본 연구에서는 ESSAY 2012~2015 캠페인 동안 관측된 강설 사례들을 중심으로 3 가지 분류 방법을 통해 분석하였다. 먼저, 강설 전 · 후로 ± 1일(총 3일) 동안 저기압이 한반도를 통과하는 경로에 따라 세 가지 종관 패턴으로 분류하였다. 중국 내륙으로부터 한반도를 가로지르는 저기압에 의해 강수가 관측된 경우를 “저기압 관통형(Low Crossing, LC)”으로 명명하였다(Fig. 3a). 또한, 한반도 남해상을 통과하는 저기압 시스템에서 강수가 관측된 경우를 “저기압 남해상 통과형(Low Passing, LP)”으로 명명하였으며(Fig. 3b), 시베리아 고기압의 한반도 확장 및 동해상에 정체한 저기압의 영향으로 강수를 유발시킨 패턴을 “정체형(Stagnation, ST)”으로 명명하였다(Fig. 3c). 다음으로 일 강수 분포도를 참조하여 종관 패턴을 분류하였는데(Fig. 4), LC형의 경우 한반도 중부지역을 포함하여 전국적으로 강수가 관측된 사례들을 선정하였고(Fig. 4a), LP형의 경우 한반도 중부지역을 제외하고 남부 및 제주와 영동지역에 강수가 관측된 사례들을 선정하였다(Fig. 4b). 또한 ST형의 경우, 영동 해안지역에 만 강수가 국한되어 관측된 사례들을 선정하였다(Fig. 4c). 마지막 절차로써 강설 기간동안 라디오존데를 통해 관측한 북강릉의 연직 구조를 활용하여 구름 층이 존재하는 약 1.5 km 고도(850 hPa)의 풍향을 참조하였다. Figures 5-7은 각 종관 유형별 라디오존데로 관측한 기상변수의 연직구조를 나타낸 것이다. LC형의 경우, 서쪽으로부터 상대적으로 두꺼운 구름의 유입과 함께 남서 · 서풍계열의 바람이 관측되었다(Fig. 5). 한편, 동쪽 시스템에 의한 LP형의 경우, 북동 · 동풍계열의 바람과 함께 지상에서부터 2 km 이내에 구름이 관측되었고(Fig. 6), ST형의 경우는 주로 북풍계열의 바람과 함께 2 km 두께의 하층운이 관측되었다(Fig. 7).

Fig. 3. 
Representative synoptic patterns of LC (a; Low Crossing), LP (b; Low Passing), and ST (c; Stagnation) types.

Fig. 4. 
Typical horizontal distribution of daily precipitation amount for LC (a; Low Crossing), LP (b; Low Passing), and ST (c; Stagnation) types.

Fig. 5. 
Vertical profiles of potential temperature (dot), equivalent potential temperature (line), wind (wind flag), mixing ratio (dot), saturation mixing ratio (line) during 11 and 12 December 2013 belonging to the Low Crossing synoptic pattern.

Fig. 6. 
Same as Fig. 5, except for on 17 February 2014 in the Low Passing synoptic pattern.

Fig. 7. 
Same as Fig. 5, except for during 16 and 17 January 2013 in the Stagnation synoptic pattern.

이 세 가지 분류 방법을 통해 선정된 강수 및 강설 사례는 각각 5사례씩 총 15가지 사례이며(Table 2), 다음 절에서는 각각의 종관 유형별 수증기량 및 강수량의 연관성에 대하여 분석하고자 한다.

본 연구에서는 2012~2015년 ESSAY (Experiment on Snow Storms At Yeongdong) 캠페인 기간 동안 강원 영동지역의 대관령과 북강릉의 가강수량과 강수 특성을 파악하고자 다양한 구름 원격관측기기(MWR, GNSS, Radiosonde, Ceilometer 등)를 통해 비교 분석하였다. MWR과 GNSS 및 Radiosonde로부터 산출한 각각의 가강수량 값들은 높은 상관성(R = 0.89~0.94)을 보였다. MWR과 GNSS를 활용한 북강릉과 대관령의 가강수량의 연 변화 경향은 상호 유사하나 가강수량 값은 북강릉 지역이 대관령보다 항상 큰 것을 알 수 있었다. 특히 본 연구가 이루어지는 겨울철의 가강수량 평균은 북강릉 지역(약 5.2 mm)이 대관령 지역(약 3.8 mm) 보다 큰 것을 확인할 수 있었는 데, 이는 북강릉보다 대관령이 해발 고도가 약 800 m로 높기 때문에 연직 공기 기둥 내 누적 수증기량이 적은 것으로 추정된다.

ESSAY 2012~2015기간 동안 관측된 강설 사례의 가강수량과 강수량의 연관성 분석을 위해 세 가지 단계를 통해 종관 사례를 구분하였다. 먼저 저기압 시스템의 한반도 통과 경로에 따라 저기압 관통형(LC), 저기압 남해상 통과형(LP), 정체형(ST)으로 분류하였다. 또한, 이동하는 저기압 시스템에 의해 한반도 지역에 강수가 관측된 지역을 나타낸 일 강수 분포 및 라디오존데를 통해 관측한 연직 프로파일을 통해 구름 층이 존재하는 1.5 km 부근의 풍향을 참조하여 분류하였다. 그 결과, 영동 지역에서 세 가지 종관 패턴에 따른 가강수량은 LC형, LP형, ST형의 순으로 감소하는 반면에, 시간 당 강수량은 역순으로 ST형, LP형, LC형 순으로 나타났다.

종관 패턴 별 강수 사례의 시계열 분석을 통해 강수 이전에 가강수량의 증가 경향이 선행하고, 강수가 관측되면서 가강수량이 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 서쪽으로부터 유입된 구름에 의해 강수가 유발되는 LC형의 경우 수증기에서 강수로의 변환은 산악 효과에 의해 대관령(약 5%)지역이 북강릉(약 2%)지역보다 강수로의 변환율이 큰 것으로 나타났다. 상층 850 hPa의 온도는 270 K로 나머지 유형에 비해 약 6 K 만큼 더 높았으며, 북강릉 지역의 경우 세 가지 패턴중 가장 큰 가강수량이 관측됨에도 불구하고 가장 낮은 강수 변환율(약 2%)을 보였다. 반면, 동쪽 해상으로부터 유입된 눈구름에 의해 강수가 관측되는 LP형과 ST형의 경우 서쪽에서부터 유입된 LC형보다 낮은 가강수량이 관측되었지만, 북강릉 지역에 강한 강수 강도가 관측되었다. 특히, ST형의 경우 가강수량이 가장 낮은데도 강한 강수 강도가 관측된 것은 상층 850 hPa의 풍향이 북풍계열로써 상층의 한기 유입으로 인해 상층 온도와 해수면 온도의 차이가 증가하면서 인접한 동해상으로부터 하층 대기로 수증기와 열이 공급되고, 한기로 인한 수증기 냉각으로 눈구름의 생성 및 성장을 촉진하였을 것으로 추정된다. 그래서 수증기에서 강수로의 상 변환은 북강릉 지역에서 약 10%로 다른 유형에 비해 가장 활발했던 것으로 생각된다.

결국 강설 전에 수증기 증가가 먼저 선행되지만 강설로 변환되는 양은 구름 층의 온도, 과포화도 등의 대기 조건에 따라 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 북강릉과 대관령의 수증기에서 강수로의 지연 시간(Time lag)은 시간 지체를 고려한 상호 상관계수(R)를 통해 분석한 결과, 서쪽으로부터 유입된 LC형의 경우, 산악 효과에 의해 북강릉 지역보다 대관령에서 상 변화 시간이 가장 짧게 나타났고 대기 중의 가강수량이 가장 컸음에도 불구하고 강수로 변환되는 양이 가장 적었다(약 2%). 이는 대기 중의 가용 가능한 수증기량이 많고, 수증기에서 강수로의 지체 시간이 가장 짧았던 점을 고려하면 향후 인공증설 실험 성공을 위한 조건 선정 시에 본 연구 결과를 참조할 수 있을 것이다. 또한 본 연구와 같은 겨울철 수증기와 강수량과의 정량적인 연관성 분석결과는 강설 예측 정확도 향상에도 기여할 수 있을 것으로 생각한다.