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우리나라의 여름철에는 집중호우가 빈번히 발생하고 이로 인해 많은 인적, 물적 피해가 발생하고 있다. 집중호우는 단시간에 발생하는 중규모 기상(Mesoscale Meteorology) 현상으로서, 뇌우 구름, 즉 중규모 대류계(Mesoscale Convective Systems, MCSs)에서 많이 발생한다. 집중호우의 사전적 의미는 짧은 시간 동안에 좁은 지역에서 많은 양의 비가 단기간에 내리는 것을 의미하며, 일반적으로 1시간에 30 mm 이상이나 하루에 80 mm 이상의 비가 내릴 때, 혹은 연 강수량의 10% 정도의 비가 하루 동안에 내리는 것을 말한다. 집중호우는 주로 강한 상승기류에 의해 형성되는 적란운에서 주로 발생한다. 적란운이 짧은 시간 동안 비를 내리면 보통 소낙성 강수라고 하고, 1~2시간 정도의 수명을 가진다. 하지만 적란운이 주변의 기상조건에 의해 한곳에 정체하여 생성과 소멸 과정을 수없이 반복하면서 오랜 기간(1일~수일) 동안 강한 강수를 내리는 경우도 있다. 적란운이 크게 발달하려면 풍부한 수증기의 공급이 있어야 하며, 온난 다습한 공기가 상승할 수 있는 조건이 형성되어야 한다. 온난 다습한 공기와 접하고 있는 해안 부근이나 지형에 의한 강제 상승을 유발하는 지역에 집중호우 발생 가능성이 높다. 그러나 성질이 다른 커다란 공기 덩어리가 만나는 경계면인 전선이나 하층에서 공기가 모여들어 수렴하는 수렴대 등에서는 지리적 여건과 상관없이 집중호우가 발생한다.

중규모 대류계는 주로 스케일의 크기에 따라 meso-α 스케일(200~2000 km), meso-β 스케일(20~200 km), 그리고 meso-γ 스케일(2~20 km)로 나누어진다(Orlanski, 1975). 우리나라에서는 라인형태의 meso-β 스케일 시스템은 자주 나타나고, 이들의 발달 메커니즘에 관한 관측학적 분석이나 개념 모델 연구 등은 다양하게 수행되었다(Sun and Lee, 2002; Shin and Lee, 2005; Kim and Lee, 2006, 2010; You et al., 2010; Ha et al., 2011; Jeong et al., 2012, 2013; Jang et al., 2013). 장마가 끝난 후 우리나라의 여름철에 주로 발생하는 집중호우는 대부분 불안정한 대기상태에서 대류가 활발해지고, 남서류(하층제트)에 의한 지속적인 수증기의 유입으로 지속적으로 발달되며, 상층 제트(Upper Level Jet, ULJ)와 하층 제트(Low Level Jet, LLJ)의 존재에도 영향을 받는다(Lee et al., 1998; Lee, 1999). 또한 중위도에 위치한 일본, 중국 등에서도 저층에서의 습윤한 공기가 남서류의 하층제트에 의해서 수렴대가 형성되고 수직적 불안정이 라인형태 대류시스템(Line-Shaped Convective Systems, LSCSs)의 발달에 중요한 요인이라고 하였다(Kato, 1998, 2006; Seko et al., 1999; Kato and Goda, 2001; Geng et al., 2004, 2009; Schumacher and Johnson, 2008; Shinoda et al., 2009). 고도로 발달한 교통, 통신과 함께 수백만 인구가 밀집되어 사는 대도시에 유형별 기상현상이 발생할 경우, 복합적인 재해가 유발되므로 자연재해에 대한 방재 목적에서 위험기상의 메커니즘 규명이 필요하다. 특히, 서울 도심부는 라인형태의 대류 시스템에 동반된 중규모 대류계에 의한 집중호우로 피해가 자주 발생하고 있다. 특히, 2011년 7월 26일 오후부터 27일 오전까지 이틀간 서울 도심부에서 라인형태의 대류시스템에서 발생된 집중호우로 인하여 침수와 산사태가 발생하였으며, 특히 우면산에서 발생한 산사태로 인근 거주지역에 토사 등이 흘러 내려와 많은 인명 피해와 재산 피해를 야기하였다.

본 연구에서는 우면산 산사태가 발생할 정도로 많은 양의 강수가 단기간에 내린 집중호우 사례의 발생, 발달 메커니즘 규명과 집중호우 유발시의 기상 조건 등을 알아보기 위하여 고해상도의 KLAPS 재분석 자료(5 km × 5 km 간격의 수평해상도, 50 hPa 간격으로 1~23개 층의 연직해상도)의 3차원 분석을 통하여 집중호우의 특성을 다각적으로 분석하였다.

KLAPS 재분석 자료는 초단기 기상분석 및 예측시스템(Korea Local Analysis and Prediction System, KLAPS) 기반으로 다양한 관측자료를 추가하여 한반도 중심의 공간영역에 대해 기상자료를 재생산한 것이다(NIMS, 2006, 2009). KLAPS 재분석 자료는 현업 분석에서 시간적 제약으로 수집하지 못했던 관측 자료와 특별 관측 기간에 관측된 자료를 추가함으로써 좀 더 자연에 가까운 대기 상태를 구현하고자 하였으며, 이러한 고해상도 재분석 자료는 관측 자료만으로 분석하기 어려운 역학 지수를 직접 계산할 수 있는 장점이 있어 위험기상 사례의 역학적 특성을 분석하거나 강수 메커니즘을 이해하는 데 매우 유용한 자료로 활용될 수 있다(NIMS, 2012). 또한 KLAPS의 구름분석 과정이 재분석 자료에도 포함되어 있기 때문에 기존의 다른 재분석 자료와 달리 구름에 관한 분석장도 유용하게 활용할 수 있다(Ha et al., 2010). KLAPS 재분석 자료 생산을 위해 사용되는 자료는 AWS(Automatic Weather station), AMeDAS (Automated Meteorological Data Acquisition System), METAR(METeorological Aerodrome Report), 수직측풍장비, 레이더, 위성, 낙뢰 자료 등이다. KLAPS 재분석 자료는 모델의 예측장을 배경장으로 사용하였기 때문에 다양한 역학 변수 계산이 용이하며, 기상현상의 수평 및 연직 특성을 이해하는데 도움을 줄 수 있다(Lee et al., 2010). KLAPS 재분석 자료는 한반도 영역을 중심으로 5 km 간격의 수평해상도와 50 hPa 간격의 연직해상도로 1시간 간격으로 생산되는 자료이다. Figure 1은 KLAPS 재분석 자료의 수평 영역과 연직 영역을 나타낸 것으로서, 한반도를 중심으로 사각형의 공간영역(31.344~44.283 N, 119.799~133.619 E)에 하나의 층이 235 × 283의 수평 격자(약 5 km의 공간해상도)로 구성되어 있으며, 변수에 따라 1~23개의 연직 층(1100 hPa~50 hPa까지 50 hPa 간격)으로 각각 구성되어 있다. KLAPS에서 산출되는 변수는 기온, 습도, 바람, 기압, 강수량, 비습, 구름에 관한 정보(운저, 운고, 수액 함량 등) 등 총 46 종류의 자료를 생산한다.

Fig. 1. 
Schematic diagram of the re-analysis data region and grid in the Korea Local Analysis and Prediction System (KLAPS) very short-term meteorological analysis and prediction system.

본 연구에서는 2011년 7월 26일 0100 LST부터 7월 27일 2300 LST까지의 KLAPS 재분석 자료를 분석하였으며, 그 중 강수량이 가장 많이 내린 7월 27일 0800 LST와 0900 LST에 대해서 중점적으로 분석하였다. Table 1은 본 연구에서 집중호우의 3차원 분석에 사용된 기상 변수로서, 각각의 기상 변수명, 수평 및 연직 해상도 등을 나타낸 것이다. 또한, KLAPS 재분석 자료에서 생산되는 강수량(pc)은 레이더 자료의 처리과정과 품질관리 과정을 개선하여 새롭게 생산된 강수량 재분석 자료(Nam et al., 2012)로 대체하여 사용하였다.

2011년 7월 26일부터 28일까지 서울, 경기, 강원도 영서지역을 중심으로 막대한 양의 강수가 내렸다. 특히 27일 오전에 서울특별시 관악구에 시간당 113 mm(남현동, 오전 8시 41분), 서초구에 86.0 mm(서초동, 오전 8시 43분)의 집중호우가 내리는 등 중부지방을 중심으로 시간당 수십~113 mm의 비가 내렸다. 또한 동두천과 문산에서는 449.5 mm와 322.5 mm의 일강수량을 기록하였다. 이러한 국지적 집중호우의 영향으로 주택과 도로가 침수되면서 피해가 발생하였으며, 2011년 7월 27일 0900 LST 전후로 서울특별시 서초구 우면산 지역에 산사태가 발생하였고, 산사태로 인해 흘러내린 토사 등이 인근 거주지역까지 흘러 내려와 아파트를 덮치는 등의 인명과 재산 피해가 발생하였다.

집중호우가 발생한 2011년 7월 27일의 지상일기도(Fig. 2)를 보면, 한반도 지역에 기압골이 걸쳐져 있으며, 오른쪽에 고기압이 위치하고 있음으로 인해 라인 형태 혹은 밴드 모양의 강수시스템이 발달하기에 좋은 조건을 가지고 있다(Lee, 2014). 또한 필리핀 지역에 위치한 열대성 저기압(TS)인 NOCK-TEN이 북서쪽으로 이동하고 있어 한반도 지역의 하층에 따뜻하고 습윤한 공기를 수송하는데 중요한 역할을 하고 있다. Figure 3은 시간당 80 mm 이상의 집중호우가 내린 2011년 7월 27일 0830 LST에서의 기상레이더 영상(Fig. 3(a))과 2011년 7월 27일 0845 LST에서의 위성영상(Fig. 3(b))이다. 서울과 경기 북부 지역을 중심으로 얇고 강한 서해안 지역으로부터 지속적으로 라인형 강수밴드가 형성되어 유입되고 있으며, 강도가 강한 대류셀에 의해 국지적으로 강수가 내렸다.

Fig. 2. 
The surface weather map at 0600 LST on 27 July 2011.

Fig. 3. 
(a) Weather radar image at 0830 LST on 27 July 2011, and (b) a satellite image at captured at 0845 LST on the same day prior to the Woomyeonsan landslide.

산사태가 발생한 우면산의 근접 거리에 위치한 남현동(37'' 27' N, 126'' 59' E)과 서초구(37'' 29' N, 127'' 00' E)에 설치되어 있는 자동 기상관측 시스템(AWS)의 2011년 7월 26일부터 7월 27일까지의 시간당 강수량과 일누적 강수량의 시간변화는 Fig. 4와 같다. 7월 26일 1600 LST 경부터 강수가 내리기 시작하여 2300 LST 경까지 지속되다가 잠시 소강상태 후, 7월 27일 0100 LST부터 다시 강수가 내렸다. 7월 27일 0100 LST 부터 다시 시작된 강수는 시간당 약 15 mm hr^-1 이상의 강수가 거의 9시간 이상 지속되었으며, 산사태가 발생하기 전인 0800 LST(남현 - 86.5 mm hr^-1, 서초 - 62.5 mm hr^-1)와 0900 LST(남현 - 80.5 mm hr^-1, 서초 - 68.5 mm hr^-1)에 가장 많은 강수가 내렸다. 일누적 강수량도 7월 26일에는 100 mm 정도였으나, 7월 27일에는 약 280~360 mm를 기록하였다. Figure 5는 강수량 재분석 자료를 이용하여 2011년 7월 27일 0800 LST와 0900 LST에서의 1시간 강수량 분포를 나타낸 것이다. 서울과 중부지방을 중심으로 라인형 강수가 주로 분포하여 있고, 특히 서울지역 인근에 국지적으로 강한 강수대가 보이고 있으며, 이는 레이더에서 관측한 1시간 누적강수량과 유사한 분포를 보이고 있다. 이렇게 단시간에 국지적으로 내린 집중호우는 우면산에서 산사태가 발생하는 주요한 요인 중에 하나라고 해석할 수 있다.

Fig. 4. 
The distribution of hourly precipitation and cumulative daily precipitation measured by automatic weather systems (AWSs) in Namhyeon and Seocho stations near Woomyeonsan showing from 0100 LST on 26 July to 2300 LST on 28 July 2011.

Fig. 5. 
The distribution of hourly precipitation by precipitation reanalysis data at 0800 LST and 0900 LST on 27 July 2011.

본 연구에서는 국지성 집중호우가 내린 2011년 7월 11일 사례에 대한 주변 기상 조건과 강수시스템의 특성에 대해 알아보았다. 일반적으로 여름철 중위도에서 집중호우의 발생은 중규모 대류시스템에 의한 것으로서, 불안정한 대기조건, 고도별 풍향의 차이, 상층제트와 하층제트의 존재, 하층제트에 의한 지속적인 수증기의 공급, 상당온위의 수평 혹은 연직 분포, 수증기의 수렴과 상승류의 존재, 저지고기압에 의한 지속적 강수 발생 등에 영향을 받는다. 국지적 집중호우는 짧은 생존 기간(Lifetime)을 가지면서 단시간에 국지적으로 많은 강수를 내리면서 피해를 증대시킨다. 중위도에서 발생하는 대류시스템으로부터의 국지적 집중호우는 아시아 지역에서 빈번히 발생하고 이에 대한 연구도 중국, 일본, 한국 등에서 활발히 진행 중이다. 2011년 7월 26일부터 27일까지 서울 도심지 인근에 국지적으로 집중호우(시간당 약 100 mm)가 내리면서, 침수 피해와 산사태 등이 발생하여 많은 인명과 재산 피해를 가져왔다. 집중호우를 유발하는 기상 조건을 알아보기 위하여 KLAPS 재분석 자료에서 산출되는 3차원 변수를 활용하여 분석을 수행하였다. 온위와 상당온위의 분포, 상승지수, 수증기수렴 등의 열역학적 특성 분석을 통하여 한반도 주변의 기단의 분포, 대류불안정 및 전선 형성 등의 주변 조건을 살펴보았다. 그리고 3차원 바람 분석을 통하여 상층제트기류와 하층제트기류가 존재할 때, 집중호우가 발생 및 발달한다는 선행연구를 확인하였다. 더불어 하층제트기류에 의해 따뜻하고 습한 남서류의 유입이 대류시스템을 지속적으로 발달시키며, 고도에 따른 수평 풍향의 차이에서 야기되는 라인형태의 대류시스템의 발생 및 발달에 관한 선행연구와의 일치성도 찾았다. 또한 연직 상승류의 3차원 분석을 통하여 대류불안정에 따른 대류시스템의 발달에 대해서도 살펴보았으며, 대류불안정을 판별하는 SRH의 수평분포분석을 통하여 대류시스템이 발달할 수 있을 만큼 강한 SRH (200 m² s^-2)가 집중호우를 유발한 중부지역을 중심으로 분포함을 확인하였다. 이러한 복합적인 주변 기상 상황이나 열역학적, 운동학적 특성 등이 종합적으로 작용하여 집중호우를 유발하게 된 것이다. 최종적으로 KLAPS 재분석 자료의 3차원 분석을 통한 집중호우 메커니즘의 모식도를 Fig. 14에 나타내었다.

Fig. 14. 
3-Dimensional schematic representation of the heavy rainfall system on 27 July 2011.

본 연구에서는 5 × 5 km 수평해상도와 연직 50 hPa의 연직해상도를 가지는 고해상도의 KLAPS 재분석 자료를 활용한 3차원 표출과 분석 등을 통하여 국지성 집중호우의 생성 및 발달에 관한 분석을 좀 더 세밀히 수행하였다. 기상자료의 3차원적 표출과 분석은 집중호우를 유발하는 대류시스템의 발생, 발달 메커니즘 규명 등에 활용성이 매우 높으며, 향후 KLAPS 재분석 자료를 활용한 보다 세밀한 연구(구름물리, 대기물리, 메커니즘 규명 등)를 수행할 수 있는 응용 연구로서 활용성이 높을 것으로 생각된다. 또한 본 연구 방법은 3차원 자료 생산이 가능한 다른 수치모델들의 결과물을 이용한 연구에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.