강원 영동지역 지상 강풍과 상층 대기 특성과의 연관성 분석

1. 서 론

강원 영동지역은 서쪽에 태백산맥과 동쪽에 해안이 위치한 지리적인 특징으로 인하여 봄철에 강한 바람이 부는 현상이 나타난다(Lee, 2003; Lee and In, 2009; Cho et al., 2015). 이러한 바람은 대부분 태백산맥을 넘으며 풍속이 강하고 건조한 성질을 동반하기 때문에 산불 발생 위험을 높이며 대형산불의 확산의 주된 원인으로 꼽히고 있다. 또한 풍속이 강하기 때문에 건물의 외벽이 뜯기거나 나무가 쓰러지는 등 물리적인 피해도 발생한다. 1979~2023년 강원도 내에서 30 ha 이상의 피해가 발생한 대형산불의 약 66%는 영동지역에서 발생했으며(Yum et al., 2024), 2017년 이후 피해규모가700 ha (약 70 km²) 이상인 사례는 총 6건으로(Forest Fire Center Of Gangwon State, 2024) 이들은 모두 영동지역에서 발생하였다.

이처럼 산으로 인해 발생하는 강풍은 전세계에서 나타나는 중규모 산악기상 현상이며(Bozkurt et al., 2018; Romanic, 2019; Whiteman, 2000), 활강풍·활강강풍(downslope wind or downslope windstorm)으로 불린다. 유사한 바람으로는 로키산맥 동사면의 치누크(Chinook), 미국 캘리포니아의 산타아나(Santa Ana), 안데스산맥 동쪽 아르헨티나의 존다(Zonda) 등이 있다(Park, 2020). 국외에서도 한국과 유사하게 산불 발생의 호조건을 유발하는 바람이 존재하며(zigner et al., 2020, 2022), 산악파 및 파동 파괴와 연관되어(Duine et al., 2019; Carvalho et al., 2020) 산불을 강화시킨다(Duine, 2021). 이와 같은 특징을 가지는 캘리포니아의 내리막 강풍(downslope windstorms)인 Sundowners(Smith et al., 2018)의 메커니즘 규명 및 예측성 향상을 위해 미국 국립 과학 재단(national science foundation; NSF)의 지원으로 10개의 기관들이 협력하는 관측 캠페인(sundowner winds experiment; SWEX) 이 수행되고 있다(Carvalho et al., 2024).

이와 유사하게 우리나라에서도 국립기상과학원, 강릉원주대학교, 강원지방기상청 등 다양한 기관들이 봄철 강풍 현상의 예측을 위해 강릉을 중심으로 지상과 상층 대기에 대해 특별관측을 수행하는 강원영동 강풍 관측(Gangwon Yeongdong wind experiments; G-WEX)을 2020~2024년까지 약 5년에 걸쳐 추진하였다. 이는 영동 해안과 산지 그리고 동해상을 포함하는 복잡한 지형에서의 다양한 관측기기(윈드라이다, 레윈존데, 드론 등)를 활용하는 입체기상 관측이며(Kwon and Kim, 2021), 해당 캠페인 자료를 활용한 영동지역 강풍 현상에 대한 연구들이 이루어졌다(Kim et al., 2021; Kim and Kwon, 2021; Kwon and Park, 2021; Park and Han, 2021).

캠페인 첫 해인 2020년은 총 5개 사례를 관측하였고 이 중 4개 사례는 강풍 발생에 유리한 남고북저형의 종관 기압배치를 보였으나, 영동 해안 평지에서 강풍이 발생하지 않았고 산지에서만 강풍이 나타난 사례였다. 이때 특징은 높은 고도의 산 정상에서 강풍이 나타났을 때 대기 상층 2~3 km 부근에 하강풍이 관측되고, 이로 인해 건조단열적으로 공기 온도는 상승해 고도 약 2.5 km에 역전층을 생성했다. 이 역전층의 고도가 지상 가까이 형성될 때 서풍 계열의 바람은 강화하며 역전층 변화와 강풍대 형성이 맞물리지만, 바람의 하강 성분으로 인해 생성되는 역전층(기온상승 구역) 고도 아래서 강풍이 나타남을 발견하였다(KMA, 2020; Kim et al., 2021; Kim and Kwon, 2021).

Kim and Kwon (2021)은 위 사례와 2019년 고성-옥계 산불 사례의 비교를 통해 영동지역 강풍이 나타날 때 1) 상층의 기온상승 구역, 2) 역전층의 강도 및 하강 고도, 3) 바람의 하강 성분의 변화가 지상 풍속과 연관성이 있음을 보였고, 산악파와 연관하여 상층의 파동 파괴로 인하여 풍하측인 북강릉 지점에 강풍이 발생하고 발달했을 가능성을 제안하였다. 또한 KMA (2022)에서는 남고북저형 기압 배치에서 산악파의 임계고도 반사가 집중되어 발생하고, 2019년 고성-옥계 산불 사례에서 고도 2~5 km , 14~16 km에서 파동 파괴가 나타나 풍하측 강풍은 물뜀으로 인해 발생하며(2~5 km) 산악파의 임계고도 반사(14~6 km)로 인해 강화될 수 있음을 보였다.

산악파와 관련된 강원 영동지역의 활강풍에 대해 Jang and Chun (2008)은 역전층이 풍하측 강풍의 형성에 부분적으로 영향을 미치며, Lee and In (2009)는 대기의 안정도와 관계없이 풍하측 바람을 강화시킬 수 있으나 역전층의 위치는 대기의 안정도에 따라 다소 다르게 나타남을 보였다. 이러한 연구들을 통해 영동지역 강풍 현상은 종관 기압배치, 연직바람, 상층의 기온상승 및 역전층의 변화 등과 관련이 있음을 보였으나, 강한 지상저기압과 남쪽의 이동성 고기압이 있더라도 전부 영동 강풍이 발생한다고 정의할 수 없으며(KMA, 2020; Park and Han, 2021), P-속도만(연직풍)으로 강풍의 시종 신호 및 최대풍과 관련성을 단정하기 어려움이 나타났다(Kwon and Park, 2021).

그러나 영동 강풍을 목적으로 한 위 선행된 연구들은 약 1년(2020년) 동안의 캠페인 자료 및 적은 영동 평지 강풍 사례만을 고려했기 때문에 산지 강풍에서의 특성만이 중점적으로 분석되었다. 이 연구에서는 선행 연구 결과를 토대로 2023년까지 추가로 수행한 관측 캠페인 자료를 사용하여, 강원 영동에서 발생하는 평지 강풍 사례에 대해 지상 강풍과 상층 기상 특징과의 연관성을 파악하고자 하였다.

2. 자료 및 연구방법

이 연구에서는 강원 영동지역을 중심으로 고해상도 관측을 수행한 "강원영동 공동 입체기상관측 캠페인" 중 강풍관측(G-WEX) 자료를 사용하였다. 이 켐페인은 2020~2023년까지 수행되어 총 12개(2020: 5개, 2021: 3개, 2022: 3개, 2023: 1개)의 관측이 이루어졌다. 이전 논문(Kim and Kown, 2021)에서는 2020년 캠페인 사례들과 2019년 고성-옥계 산불 사례의 분석을 통해 영동의 평지와 산지 강풍의 차이점을 나타냈으나, 한 개의 평지 강풍 사례로부터 분석되었으며 관측자료의 부족으로 수치모델에서 모의된 결과가 중점적이었다. 그러나 2020년 이후 추가 관측이 이루어져 사례 선정을 통해 2개의 영동 평지 사례(2021. 05. 07, 2023. 04. 11)를 추가하여 고해상도의 관측자료를 통한 분석을 진행하였다.

영동 평지에 강풍이 나타날 때를 예상하여 집중 관측 계획을 수립하고, 레윈존데, 윈드라이다, AWS 등 다양한 지상 및 상층 기상 관측자료를 확보하였다(Table 1). 레윈존데는 높은 시간 해상도를 확보하기 위해 6시간 간격의 관측이 수행되고 특히 강릉원주대에서는 북강릉 관측시간과 3시간 차이를 두고 관측되어 영동 해안은 3시간 간격의 고해상도 관측자료가 존재한다. 대관령, 북강릉 지점에 설치된 윈드라이다 및 윈드프로파일러는 10분 간격으로 고도별(윈드라이다: 약 40~2,600 m, 윈드프로파일러: 약 150~4,000 m) 바람의 수평·연직 성분에 대한 높은 시간해상도 자료를 생산한다.

Table 1.

Information of Upper and Surface air observation for Cases in the study.

G-WEX는 강풍 발생이 예상되는 기간에 진행하였으며 총 13개의 사례가 존재하나 일부 사례는 실제 강풍이 관측되지 않았다. 따라서 영동 해안인 북강릉 및 강릉 지점의 자동기상관측장비(automatic weather system; AWS) 일 최대 순간 풍속자료를 사용하여 실제 강풍이 발생한 분석사례를 선정하였다. 선정된 사례의 종관 기압배치 분석을 위해 지상 일기도를 수집하고, 지상 바람의 특징 분석을 위해 강원 산지 및 해안 AWS 6지점[속초(SC), 강릉(GN), 북강릉(BGN), 대관령(DGY), 선자령(SJY)]과 강원 영서 2지점[원주(WJ), 영월(YW)]의 바람, 상층 기상 변화 분석을 위해 레윈존데[북강릉(BGN), 강릉원주대(GWNU), 속초(SC), 대관령(DGY)]와 연직 바람관측장비[대관령(DGY), 북강릉(BGN)] 자료를 사용하였다(Fig. 1).

Fig. 1.

Network of surface and upper observation sites used in this study. Stations is indicated by abbreviations: Sokcho (SC), Bukgangneung (BGN), Gangneung-wonju national university (GWNU), Gangneung (GN), Seonjaryeong (SJY), Jinbu (JB), Daegwallyeong (DGY), Donghae (DH), Wonju (WJ), Yeongwol (YW). Color is orography (m) of LDAPS data.

이러한 관측자료는 기존의 상시 관측과 비교하였을 때 상대적으로 고해상도 자료이다. 그러나 서쪽에 위치한 산맥의 영향을 고려한 상층 대기의 변화를 파악하기에는 많은 공백이 존재한다. 이러한 관측 공백 해소를 위하여 재분석장인 ERA5와 한반도를 중심으로 구축된 고해상도 모델인 LDAPS를 사용하였다. ERA5은 1시간 간격의 재분석장 자료를 생산하나 공간 해상도가 약 25 km, LDAPS는 6시간 간격의 분석장을 생산하나 공간 해상도는 1.5 km로 두 수치모델의 시·공간 해상도에 장·단점이 존재한다.

지형과 기상자료의 고도는 National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)의 환산식(hPa→m)을 사용하였다. 해당 식의 경우 1013.25 hPa를 0 m로 가정한 공식이며, 연구에 사용한 수치모델 자료는 1,000 hPa가 최저고도로 설정되어 1013.25 hPa를 1,000 hPa으로 변환하였다. 여기서 p_sta, h_alt, h_m는 각각 station pressure (hPa), pressure altitude (feet), pressure altitude (m)를 의미한다.

3. 결 과

3.1 사례 선정 및 종관 분석

2019~2023년 총 13개의 관측 사례 중 강풍 사례 선정을 위해 영동 해안(북강릉, 강릉)지점에서의 일 최대 순간풍속 자료를 수집하였고, 지상 강풍주의보 기준(일 최대 순간풍속 20 m s⁻¹ 이상)을 적용하였다(Table 2). 또한 기압배치 조건을 확인하기 위해 일 최대 순간 풍속 시간과 근접한 시점의 지상 일기도를 Fig. 2에 나타냈다.

Table 2.

Daily maximum instantaneous wind speed at AWS locations in Bukgangneung and Gangneung. Shading indicates when the Daily maximum instantaneous wind speed at both locations was over 20 m s-1.

Fig. 2.

Synoptic weather charts (surface) of selected cases.

분석 결과 지상 강풍주의보 기준에 도달하는 사례는 총 4개(2019, 2020, 2021, 2023)였다. 해당 사례들의 지상 종관일기도에서는 일본 먼 남동쪽에 고기압, 한반도 북동쪽에 저기압이 위치해 동해 앞바다에 기압골을 생성하며, 남고북저형 기압배치를 만족하나 사례별 저기압의 위치와 강도는 다소 차이를 보였다.

2019, 2021년 저기압 중심은 블라디보스토크의 북서쪽에 위치해 유사하였고, 2023년은 한반도와 가장 먼 하얼빈 부근에 나타났다. 2020년은 한반도와 가장 가까운 동한만 부근에 저기압 중심이 위치하고, 기압골로 인해 강한 기압경도가 나타나는 것이 다른 사례와 차이를 보인다. 이 경우 중부지역 전체에서 강풍이 나타날 가능성이 있으며, 상층일기도에서 나타나는 저기압의 위치를 통해 저기압 강도의 확인이 필요하다.

3.1 지상 바람 특징

영동지역의 산지와 평지 등 지점에 따른 지상바람 분석을 위해 강풍이 유지되는 시간에서의 최대풍(maximum wind)을 정의하였다. 강풍 유지 시간은 10분 평균 풍속을 사용하여 기준 값(평지 8 m s⁻¹, 산지 10 m s⁻¹)이 15분 이상 유지되는 경우를 시작 시간, 기준 값의 미달 시간이 15분 이상일 때 종료시간으로 가정하였다. 산지의 경우 대관령은 산지의 평지, 선자령은 산의 정상이다. 해안의 경우 북강릉은 해안 평지, 강릉은 해안의 도심지, 동해와 속초는 해안가이다. 원주와 영월은 영서 내륙으로 각 지점의 최대 풍속이 나타날 때를 Table 3에 나타냈다.

Table 3.

Maximum wind information for AWS in Yeongdong and Yeongseo, Gangwon region.

2020년 사례와 나머지 3개 사례(2019년, 2021년, 2023년)로 나누어 각각의 바람 특징을 분석하였다. 2020년은 영서 풍속이 7.1 m s⁻¹ 이상이며 영서와 영동의 관측 지점들 중 가장 낮은 풍속을 비교하였을 때 그 차이는 약 1.6 m s⁻¹(속초: 8.7 m s⁻¹, 원주 7.1 m s⁻¹)으로 두 지역의 풍속차는 매우 작았다. 선자령 풍속은 27.4 m s⁻¹로 타 사례(25~30 m s⁻¹)와 유사하지만, 대관령은 타 사례의 최대풍속(13.5 m s⁻¹) 보다 약 3.5 m s⁻¹ 강한 17.0 m s⁻¹의 최대 풍속이 관측되었다. 특히 대관령과 북강릉 풍속을 비교하였을 때 약 5.7 m s⁻¹의 큰 차이를 보였다.

2020년을 제외한 3개 사례의 경우 영서 풍속은 6m s⁻¹ 미만, 속초를 제외한 영동 풍속은 9 m s⁻¹ 이상이고, 두 지역의 가장 낮은 풍속을 비교하였을 때 4.6~6.6 m s⁻¹로 두 지역의 풍속차는 비교적 크게 나타났다. 산지인 대관령과 선자령의 풍속은 각각 12 m s⁻¹, 25 m s⁻¹ 이상이며, 선자령 풍속이 2배 이상 강했다. 또한 북강릉과 대관령의 풍속을 비교하였을 때 0.9~1.7 m s⁻¹의 매우 작은 차이를 보이며 산지 평지와 해안 평지에서의 최대풍 강도는 유사하였다.

지상바람 분석 결과 저기압의 영향이 강한 2020년은 3개 사례(2019, 2021, 2023)와 달리 두 지역(영동, 영서) 모두 풍속이 7.0 m s⁻¹ 이상이며 풍속의 강도는 선자령, 대관령, 북강릉 순서로 강했다. 그러나 나머지 3개 사례에서는 영동에만 8.7 m s⁻¹ 이상의 강풍이 나타나고, 북강릉과 대관령 풍속 차이가 0.9~1.7 m s⁻¹로 매우 작았다. 이처럼 2020년 사례는 태백산맥의 동쪽에서만 나타나는 영동 풍하측 강풍 현상과 다른 양상이 나타나 분석에서 제외하였으며, 총 3개 사례(Case1: 2019, Case2: 2021, Case3: 2023)에 대한 상층 대기 특성 분석을 수행하였다.

3.2 상층 대기 특징

영동의 지상 강풍, 상층 바람 분포 그리고 바람의 연직성분과의 관계를 확인하기 위해 해안 평지인 북강릉과 산지인 대관령의 바람 관측자료를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타냈다. 왼쪽은 바람의 수평성분, 오른쪽은 바람의 연직성분으로 단위는 각각 kt와 cm s⁻¹이다. Case2는 북강릉과 대관령 지점에 모두 관측자료가 존재하나, Case1과 Case3에는 대관령에서의 관측이 이루어지지 않았다.

Fig. 3.

Time (LST)-Alt (m) cross section of horizontal and vertical wind speed observed by Bukgangneung wind profiler. The left side of the figure is a horizontal wind and the right is a vertical wind.

Fig. 4.

The same as in Fig. 3. Except at Daegwallyeong lidar.

Figure 3의 Case1은 1800 LST 부터 고도 약 1,000 m 이하에서 상층보다 더 강한 풍속이 나타나고, 지상 최대풍 시간 부근(0000 LST)에 60 kt (30 m s⁻¹) 이상의 강한 바람이 고도 약 500 m까지 관측되었다. 연직바람에서는 지상 최대풍 시간 이전(1900~2000 LST)에 고도 약 500 m 이상에서 강한 상승류(400 cm s⁻¹ 이상), 최대풍 시간 이후(0100~0300 LST)에 강한 하강류(−300 cm s⁻¹ 이하)가 관측되었으나 지상 강풍 시간에는 상층(고도 약 1,000~2,500 m) 관측이 정상적으로 이루어지지 않았다.

Case2와 Case3도 Case1과 유사하게 지상 최대풍 시간 부근(Case2: 1700 LST, Case3: 1000 LST)에 60 kt (30 m s⁻¹) 이상의 바람이 지상 가까이 도달하는 것을 확인하였다. 또한 60 kt (30 m s⁻¹) 이상의 강한 상층 수평풍이 고도 약 500 m까지 하강하는 현상의 시작 또는 종료 시간(Case2: 1800~1900 LST, Case3: 0600~0700 LST)에 고도 약 500~2000 m 에서 400 cm s⁻¹ 이상의 강한 상승류, 지상 강풍시간(Case2: 1700 LST, Case3: 1000 LST)에 고도 약 500 m 이하는 −200 cm s⁻¹의 비교적 약한 하강류만 나타났다. 고도 약 600 m 이상에서는 관측이 이루어 지지 않아 강한 하강류의 존재를 확인하기 어려웠으나, Case1의 지상 강풍시간 고도 약 500 m 이상에서는 상승류에서 하강류로 전환되는 모습이 나타났다.

Figure 4의 대관령 지점(Case2)은 1200~2000 LST에 고도 약 500~1,000 m에서 40 kt (20 m s⁻¹) 이상의 상층보다 더 강한 강풍대가 나타났다. 이때 연직성분에서는 고도 약 500~2,500 m에 −200 cm s⁻¹ 이하의 강한 하강류가 존재하였다. 대관령 최대풍 시간인 2000 LST에 상층 관측이 이루어지지 않았으나 최대풍 시간 전·후로 50 kt (25 m s⁻¹) 이상의 바람이 유지되는 경향을 보여 강한 바람이 지상에 도달하였을 가능성이 높다.

북강릉과 대관령 두 지점 모두 지상 최대풍 시간 부근에서 고도 약 1.0 km 이상의 관측이 정상적으로 수행되지 않았다. 이는 하강풍과 관련된 영동 지역의 강풍이 매우 강한 강도의 바람으로 인해 기기 내부에서 오류로 받아들였을 가능성이 있다. 그러나 상층 강풍대 고도 하강 직전 또는 직후 시간에 고도 약 500 m 이상부터 400 cm s⁻¹ 이상의 강한 상승류가 관측되고, Case1은 강풍시간 이전(1900~2300 LST)부터 약한 상승 및 하강류의 교차, 지상 강풍시간 직후에 고도 약 1,000~2,000 m에서 강한 하강류가 나타난다. 또한 Case2와 Case3도 강풍시간 이전(Case2: 0400~1000 LST, Case3: 0000~0700 LST)부터 Case1 보다 강한 강도의 상승 및 하강류가 교차하는 모습이 나타나며, 강한 상승류가 나타나기 직전에 −400 cm s⁻¹ 이하의 강한 하강류를 동반하였다.

Case1은 강풍시간 이후 Case2와 Case3은 강풍시간 이전부터 강한 상승류가 나타나기 직전에 −400 cm s⁻¹ 이하의 강한 하강류를 동반하였다. 또한 대관령 지점에서 강풍이 고도 약 1,000 m 아래에 나타날 때 바로 위 고도에서 −200 cm s⁻¹ 이하의 하강류가 나타나는 특징들을 보았을 때 지상 강풍은 바람의 연직 성분의 변화와 연관성이 있음으로 파악하였다.

지상 강풍이 나타나는 시간의 대기 연직 구조 파악을 위하여 북강릉 AWS 최대풍 발생 시간과 가까운 시간대의 북강릉, 강릉원주대, 속초 지점의 단열선도(Skew T-Log P diagram)를 Fig. 5에 나타냈다. 각 사례의 지상 최대풍 시간은 Case1: 0031 LST, Case2: 1715 LST, Case3: 1011 LST으로 Case1의 북강릉은 약 2시간 30분, Case3의 강릉원주대는 약 2시간, 이외 지점들은 약 1시간의 레윈존데와 관측 시간 차이를 보인다.

Fig. 5.

Skew T-Log P diagram for Rawinsonde measurements obtained at BGN, GWNU, SC site on each Cases. Solid line, Dotted line indicate temperature, dew point, respectively.

Case1의 역전층 상부는 고도 약 880 hPa, 하부는 고도 약 900 hPa에 나타나며 고도 약 900 hPa 이하에서 기온선은 건조단열선과, 이슬점선은 습윤선과 평행한 혼합층의 특징을 보인다. 이슬점 온도는 역전층 상부 아래에서(고도 약880, 600 hPa) 급격히 감소하는 분포를 보였다. 또한 고도 약 900~700 hPa에서는 25 m s⁻¹ 이상의 강한바람이 관측되며 700 hPa 상부의 바람보다 강한 강도를 가지는 풍속이 관측되었다.

Case2는 Case1과 유사한 고도인 약 900 hPa에 약 5 K 강도의 강한 역전층이 나타났고 바로 위 고도부터 건조단열적으로 기온이 감소하였다. 또한 하층보다 더 강한 역전층이 고도 800~700 hPa 사이에 존재하였으며, 레윈존데 관측 고도 하강이 나타났다. 또한 이 고도의 아래는 상층(25 m s⁻¹)보다 더 강한 강도를 가지는 바람이 역전층 하층(900 hPa)까지 도달하였다.

Case3은 3지점(속초, 북강릉, 강릉원주대) 모두 약간의 차이는 있으나 고도 약 900~750 hPa에 강한 역전층이 나타났고 그 아래는 혼합층이 존재하였다. 혼합층 고도 바로 위에서는 급격한 상대습도의 하강이 나타났고 역전층 상부(고도 약 800~780 hPa) 이상 고도에서 기온은 건조단열적으로 하강하였다. 특히 속초와 강릉에서 유사한 고도에 2개의 역전층 그리고 강릉원주대 지점에서는 앞 지점과 고도가 다르고 강도가 강한 2개의 역전층이 뚜렷하게 관측되었다.

3개의 사례를 비교하였을 때 공통적으로 지상 강풍과 가까운 시간에서 산맥과 유사한 고도인 약 900 hPa에 뚜렷한 역전층 하층을 확인하였다. 역전층 상층(최대 기온상승 구역)의 고도는 지점 및 사례별로 차이를 보였으나, 이 고도 이상에서는 기온이 건조단열선과 평행하고 급격한 이슬점온도의 하강이 나타난다. 지상강풍 시간(Case1: 0000 LST, Case2: 1700 LST, Case3: 1000 LST)과 고층 관측시간(Case1: 0300 LST, Case2: 1800 LST, Case3: 0900 LST, 강릉원주대 제외)이 1시간을 초과하는 Case1을 제외하고, 위 특징이 나타나는 시간대에 강한 역전층 고도(약 800~700 hPa)아래에서 상층 바람의 세기보다 강한 바람이 지속적으로 관측되었다.

특히 Case2에서 레윈존데의 하강과 강한 역전층(기온상승구역)이 나타나는 고도가 유사하였으며, 강한 하강류로 인해 상층의 공기가 단열적으로 가열되어 역전층을 만들고 그 부근에서 강풍이 나타나는 구조로 추정하였다. 따라서 하강류와 역전층 그리고 지상 강풍 사이에 연관이 있음을 파악하였으며, 역전층과 풍속 사이의 연관성을 파악하기 위한 분석을 수행하였다.

Figure 6는 고도에 따른 풍속과 기온의 변화를 나타낸 것이다. 빨간 실선은 기온, 초록 실선은 풍속이며, 초록, 파란, 붉은 음영은 각각 강풍대와 역전층 그리고 최대풍속의 고도를 나타낸 것이다. 강풍대의 범위는 하층에 25 m s⁻¹ 이상의 풍속이 나타나는 고도부터 풍속의 감소가 나타나는 최상층 고도 사이로 가정하였으며 최대풍과 역전층 등 구체적인 고도를 Table 4에 확인할 수 있다. 지상 최대풍 시각은 Case1: 0031 LST, Case2: 1715 LST, Case3: 1011 LST이며, 레윈존데 관측시각은 Case1: 0300 LST, Case2: 1800 LST, Case3: 0900 LST으로 Case2와 3은 약 1시간, Case1은 약 2시간 30분 차이가 난다.

Table 4.

Altitude information for the inversion layer, maximum wind, and strong wind zone in Fig. 6.

모든 사례에서 2개의 역전층이 존재하며(Fig. 6, 파란 음영) 공통적으로 가장 낮은 역전층은 고도는 약 1,000 m로 산 정상의 고도와 비슷하였다. 2021년과 2023년 사례에서 최대풍이 관측된 고도(Fig. 6, 붉은 음영)는 하층 역전층(Table 4, A)의 상부(고도 약 1,021~1,132 m) 바로 위(고도 약 1,070~1,180 m)에 존재하였다. 강풍대는 두개의 역전층을 포함하며 상층 역전층(Table 4, B) 고도는 약 1,350~2,882 m로 산맥 고도 부근부터 3.0 km 이하에 나타나며, 풍하측 상공 및 산악 높이 근처에서 나타나는 산악파의 파동파괴 (Han et al., 2007; Kim and Chung, 2006)와 관련되어 있을 것으로 본다.

Fig. 6.

Vertical temperature and wind speed distributions near maximum winds. Red solid line, green solid line, green shade, blue shades, pink shades indicate temperature, wind speed, strong wind band, inversion layer, upper of Maximum wind speed, respectively.

Case3의 기온, 이슬점 온도, 풍속 분포(Fig. 7)에 따르면 강릉원주대 역전층은 산정상(약 1.0 km)과 약 2,000~2,300 m 높이에 총 2개 존재하였다.

이를 Fig. 6의 북강릉과 비교하였을 때 낮은 역전층(산정상 부근)의 고도는 유사하며, 높은 역전층의 경우 북강릉이 강릉원주대보다 약 600~500 m 낮은 고도에서 나타난다. 이슬점 온도는 상층 역전층이 나타나고 풍속이 약화되는 고도(약 2,100~2,200 m)에서 급격하게 감소했다. 또한 최대풍속 고도(붉은 음영)는 강풍대(초록 음영)에 포함되며, 하층 역전층 상부(고도 약 1,000 m) 위(고도 약 1,600 m)에 존재하였다.

Fig. 7.

The same as in Fig. 6. Except at green solid l ine is Dew point temperature.

Figure 7의 대관령은 고도 약 1,500~2,000 m에 1개의 역전층이 존재하고 강풍대와 역전층 일부가 동일 고도에 나타난다. 특히 이 역전층 하부와 최대풍속, 이슬점의 급격한 감소가 나타나는 구간의 고도가 일치하였다(붉은 음영). 북강릉과 강릉원주대와 비교하였을 때 두 지점에서 역전층은 2개(약 1,000 m, 2,000~2,300 m), 최대풍속은 각각 33.7 m s⁻¹, 35.4 m s⁻¹, 강풍대는 고도 약 200~2,200 m에 존재한다.

그러나 대관령은 역전층 1개, 최대풍 고도는 역전층 하부고도(약 1,500 m)와 일치하고 최대풍속은 31.15 m s⁻¹며, 풍속이 30 m s⁻¹ 이상일때 강풍 범위는 강릉원주대: 800~2,000 m, 대관령: 1,400~1,600 m로 대관령이 작았다(약 1,000 m). 이와 같이 강릉원주대 관측에서 상대적으로 강풍의 범위가 넓고 강풍대가 하층 약 800 m까지 내려온다. 또한 약 2.0 km 이하 동일 고도에서의 풍속은 대관령(산지)보다 강릉원주대(영동 평지)에서 더 강하다.

선행연구(KMA, 2020; Kim and Kwon, 2021)의 산지 강풍 사례 대관령/진부(영동 산지) 연직 관측자료 분석에 따르면 IOP-5를 제외하고 역전층 상부 고도는 약 2,500 m (2,400~2,600 m), 최대풍속은 30~33 m s⁻¹, 선자령 최대 풍속은 24.0~26.8 m s⁻¹로 선자령과 상층의 최대풍속은 평지 강풍 사례보다 약간 낮거나 유사한 경향을 보였다. 그러나 상층 최대풍의 고도는 산지 강풍에서 고도 약 2,000~2,500 m, 평지 강풍에서 고도 약 1,500 m로 나타나며 평지 강풍 발생 시 더 낮은 고도에 최대풍이 나타나는 것을 확인하였다.

이러한 결과를 토대로 구체적인 상층 기상 요소의 시간에 따른 변화를 파악하기 위해서 레윈존데 자료를 사용하여 연직시계열 자료 분석을 실시하였다. Figure 8은 강릉원주대와 북강릉 지점에서의 온위와 풍속의 연직시계열이다. 빨간선은 온위, 컬러는 풍속이며 단위는 각각 K와 kt이다. 강릉원주대학교와 북강릉 지점은 관측 시간을 3시간 간격으로 교차하여 나타내었고, Case2의 경우 일부 고도에서 하강류로 인한 레윈존데의 고도 하강이 나타나기 때문에 관측이 중복되는 일부 고도 자료를 제거하였다.

Fig. 8.

Temporal variation of vertical profiles of potential temperature (red solid line) and wind speed (colors) at the BGN and GWNU sites. Dense red solid lines indicate inversion layers.

Case1의 2100 LST는 상층의 온위상승 구역이 존재하며 295 K의 공기가 고도 약 1500 m까지 하강해 약한 역전층을 생성하고, 0300 LST까지 유지되며 지상 부근의 기온이 하강해 1,000~1,500 m 고도에서 강화되는 특징을 보였다. 특히 고도 약 1,500 m 부근의 20 m s⁻¹ 이상의 강풍이 0300 LST에는 역전층 부근에 나타나고 고도 약 500 m 이하에서 약 12.5 m s⁻¹ 이상의 강풍이 지면 가까이 나타났다.

Case2는 1800 LST에 약 300 K 이상의 강한 기온 상승구역이 고도 약 2.5 km에 역전층을 생성하였고, 그 아래인 고도 1,000 m 부근까지 기온상승부가 하강하여 또 하나의 역전층이 생성되었다. 특히 상층 강한 역전층의 고도(약 2,500 m)는 앞에서 레윈존데의 하강이 나타난 고도(800~700 hPa)와 유사하였다. 이때 수평 바람은 고도 2,500 m 아래에서 25 m s⁻¹ 이상의 강풍대가 나타났고 고도 1,000 m 부근 기온상승구역 아래에도 10 m s⁻¹ 이상의 강한 바람이 지면까지 하강하여 도달하는 특징을 보였다.

Case3도 Case2와 유사하게 상층의 기온상승구역의 하강이 고도 약 2,000 m까지 나타났고 그 아래는 30 m s⁻¹ 이상의 강풍대, 그 위는 비교적 약한 바람구간이 존재하였다. 또한 고도 약 1,000 m에 하나의 약한 역전층이 나타났고 해당고도부터 지면까지 약 20 m s⁻¹ 이상의 강한 바람이 나타난다(1200 LST). 그러나, 풍속의 강도는 Case3이 Case2보다 강했지만, 상하층의 역전층 강도에 비례하지 않았다. 이는 Case3에서 1200 LST 부근에 지상 강풍이 나타나며, 푄 현상 및 낮 시간의 가열로 인해 기온이 상승하였기 때문에 하층 역전층이 뚜렷하게 나타나지 않은 것으로 추정하였다.

역전층의 강도 및 고도의 변화와 바람 사이의 관계를 보았을 때 Case2와 Case3의 경우 역전층이 존재하고 강풍의 위치 및 강도와 맞물리며 서로 상관성이 뚜렷함을 보였다. Case1은 위에 언급된 특징이 상대적으로 뚜렷하지 않으나 역전층의 강화 및 상층 강풍대의 하강을 확인할 수 있었다. 또한 산맥 동쪽에 위치한 영동지역에서 산맥의 정상과 유사한 고도인 900hPa(약 1,000 m)에 역전층 하층이 지속적으로 나타남을 보았을 때 태백산맥과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 영동과 영서 사이의 산맥으로 인한 기상요소 변화를 파악하기 위해 수치모델 자료를 사용하여 동서방향의 연직 기상요소 분석을 통해 지상 강풍과의 연관성을 분석하였다.

3.3 수치모델 자료를 이용한 상층 기상특성 분석

지상 최대풍이 나타날 때의 상층 기상특성분석을 위해 시간 해상도가 낮은 LDAPS의 분석장 시간(Table 5), 관측자료가 가장 많은 북강릉 지점을 기준으로 동서방향에서의 연직 기상 특징 분석을 수행하였다. Figures 9-11의 왼쪽은 바람의 수평성분, 오른쪽은 바람의 연직성분이며 AWS 지점과 가까운 격자 지점은 빨간색 반원으로 표시하였다. 또한 Figs 9-10는 ERA5, Fig 11은 LDAPS이며 Fig. 9와 Fig. 11은 4.0 km , Fig. 10은 12 km까지 나타냈다.

Table 5.

Numerical model time information used in the study considering AWS maximum wind time in North Gangneung.

Fig. 9.

Vertical cross section from surface to 4 km MSL for (a) horizontal wind speed, (b) vertical velocity (downdraft: blue area, updraft: red area) of ERA5. The red semicircle marks the AWS point.

Fig. 10.

Same as in Fig. 9. Except for to 12 km MSL.

Fig. 11.

The same as in Fig. 9. Except at LDAPS.

ERA5를 사용한 분석 결과 4,000 m 이하 수평 풍속(Fig. 9a)에서 3개 사례 모두 17.5 m s^-1 이상의 강한 바람이 고도 약 1,500 m 이하까지 나타났다. 그러나 3개 사례 중 최대풍이 10.3 m s^-1로 가장 약했던 Case2는 고도 약 1,000 m 이하에 강풍 중심이 존재하지 않았으며, 최대풍이 11.5 m s^-1 이상이었던 Case1과 Case3은 고도 약 1,000 m 이하에서 25 m s⁻¹ 이상의 강풍 중심이 나타났다. 또한 가장 강한 지상 최대 풍속을 보이는 Case1의 강풍대 중심 고도는 Case3보다 낮고, 1,000 m를 기준으로 상·하층의 풍속차도 가장 크게 나타났다.

이때 바람의 연직성분(Fig. 9b)에서는 3개 사례 모두 산사면에 하강류, 동해안에 상승류가 강하게 나타났다. 연직류 중심(하강류: −3.0 m s⁻¹ 이하, 상승류: 1.13 m s⁻¹ 이상의) 최저 고도는 Case2 약 1,000 m로 가장 높았고, Case1과 Case3는 600~700 m로 비슷하지만 강도는 Case3이 강하게 나타났다. 특히 Case1는 −1.13 m s⁻¹ 이하의 하강류가 지상~3,500 m, 1.13 m s⁻¹ 이상의 상승류는 500~3,500 m에 나타나지만 Case3은 동일 강도의 연직성분이 4,000 m 이상 고도까지 나타나는 차이를 보였다.

12,000 m 이하의 수평 풍속(Fig. 10a)에서는 모두 상층의 강풍대가 하층으로 내려오며 영동 해안 평지에서 강풍대의 도달 고도가 가장 낮았다. 이 중 영동 평지에 강풍 중심이 나타난 Case1과 Case3를 비교하였을 때 Case1은 지상 가까이 존재하는 강풍 중심과 유사한 경도에서 고도 약 1,0000 m 이상에 40 m s⁻¹를 초과하는 강풍 영역이 나타난다. 그러나 Case3은 35 m s⁻¹ 이상의 강한 바람이 산 정상을 넘으며, 고도 약 5,000~10,000 m에서 급격하게 하강해 고도 약 5,000 m까지 도달하는 특징을 보였다. 또한 이 두 사례는 북강릉 지점(붉은 반원)과 동일한 경도에서 보았을 때 1) 고도 약 2,000 m 이하 강풍과 2) 바로 위는 약한 풍속, 3) 고도 약 1,0000 m 이상 강풍이 존재하며 유사하였다.

바람의 연직성분(Fig. 10b)에서는 Case2와 Case3은 하강류와 상승류 중심은 평행하며, −1.13 m s⁻¹ 이하의 하강류가 고도 약 6,000 m까지 나타나고 Case3이 강도가 강하고 도달 고도도 낮았다. 이와 다르게 Case1은 하강류가 지상에서 고도 약 4,000 m까지 나타나며, 이 고도 바로 위는 상승류가 존재하였다. 연직성분과 풍속의 위치를 비교하였을 때 하강류 앞쪽(동쪽)에서 강풍대가 형성되며 -3.0 m s^-1 이하의 강한 하강류가 1,000 m 이하 고도까지 도달할 때 영동 해안 및 평지에 강풍의 중심이 나타났다. 또한 하강류 위에 바로 상승류가 나타날 때 1,000~2,000 m 사이의 풍속차가 크게 나타났다.

ERA5보다 공간해상도가 높은 LDAPS 자료를 사용하여 동일하게 나타낸 결과(Fig. 11) Fig. 9와 유사하게 4,000 m 이하에서 지면 가까이 강한 수평바람과 산사면에 하강류가 존재하고 Case1, Case3에 고도 약 1,000 m 이하에서 25 m s^-1 이상의 강풍 중심이 나타났다. 그러나 연직성분에서 지상 강풍이 강한 Case1은 가장 약한 바람이 나타난 Case2보다 상승 및 하강류의 강도가 약하고 1,000 m 이하의 강풍 중심이 약한 Case3에서 Case1보다 연직류 강도가 2배 이상 강하게 나타남을 보였다. 연직바람은 산사면에 하강류와 동해안에 상승류가 나타나지만 연직류 변화에 따른 풍속 강도의 연관성을 확인하기는 어려웠다.

Case3 (2023.04.11)에서 이례적으로 하강류의 존재를 간접적으로 확인할 수 있는 현상이 발생하였다. 속초 AWS 지점에서 강풍이 관측된 시간인 0928 LST 부근 천리안 위성(GK2A)의 황사탐지 자료와 기상청 실황 관측자료에서 영동 해안지역을 중심으로 황사가 나타남을 확인하였다(Fig. 12). 일반적으로 황사는 한반도로 유입되면서 서쪽인 백령도에서부터 동쪽까지 서서히 이동되는 형태로 관측되나 이번 사례의 경우는 4월 11일 0400~1200 LST에 속초(90) 지점에서 PM₁₀이 200 μg m^-3 이상이 관측되었음에도 백령도는 4월 10일부터 100 μg m^-3 이하의 농도를 유지하며 변화가 없었다. 또한 산지인 대관령에서도 강풍시간에 고농도의 PM₁₀이 관측되지 않은 점을 고려하였을 때, 상층으로 이동해오던 황사가 태백산맥을 넘어 하강풍을 타고 지상에 영향을 준 것으로 파악하였다. 이러한 결과를 통해 영동지역에서 발생하는 봄철 강풍은 태백산맥으로 인한 연직 변화와 밀접한 관련이 있음을 간접적으로 파악할 수 있었다.

Fig. 12.

Yellow dust information observed by (a) satellite (GK2A) and (b) AWS. The purple area in (a) is yellow dust, and 90, 100, 102 in (b) indicate Sokcho, Daegwallyeong, Baengnyeongdo site, respectivel.

4. 요약 및 결론

이 연구에서는 강원영동 공동 입체기상관측 캠페인 중 강풍관측(G-WEX)에서 관측된 평지 강풍에 대한 특징을 나타내고자 하였다. 2020년 선행 연구를 토대로 2021~2023년에 관측된 영동 강풍2개 사례를 추가하여 2019년을 포함한 총 3개 (Case1: 2019, Case2: 2021, Case3: 2023)의 사례를 비교 분석하였다. 이를 위하여 지상 강풍 발생 시간을 중심으로 관측(지상, 상층) 및 수치모델(ERA5, LDAPS) 자료를 사용하여 강원 영동에서 발생하는 지상 강풍과 상층 기상 특징의 연관성을 조사하였다.

3개의 사례 모두 AWS영서지역 풍속은 6 m s⁻¹ 미만, 영동 평지는 대부분 10 m s⁻¹ 이상으로 두 지역의 풍속의 차이는 최대 2배 이상 차이를 보이며, 영동에서만 강풍이 나타났다. 북강릉 지점의 고도별 풍속에서는 3사례 모두 약 30 m s⁻¹ 이상의 강풍대가 지면 가까지 도달하며 하층은 하강류, 지상 강풍시간 전·후로 상승류가 관측되었다. 이 중 Case3에서는 지면 부근에만 하강류, 그 위는 약한 상승류가 나타난다. 대관령 지점에서는 20 m s⁻¹ 이상의 상층보다 더 강한 강풍대가 나타날 때 이 위 고도인 약 500~2,500 m에 하강류가 존재하였다.

지상 강풍 시간과 레윈존데 관측 시간이 근접한 사례(Case2, Case3)의 영동 평지(북강릉, 속초, 강릉원주대)에서는 2개의 역전층이 관측된다. 이 중 낮은 역전층은 대관령(산지) 고도와 유사한 1,000 m (900 hPa) 부근, 높은 역전층은 고도 약 1,350~2,882 m에 나타난다. 최대풍 고도는 약 1,070~1,180 m며 대관령 고도 바로 위에 존재하고, 25 m s⁻¹ 이상 강풍대는 두 개의 역전층을 포함하며 약 1.0~2.5 km의 두께를 가진다.

동일한 시각에서 산지에 위치한 대관령 레윈존데 관측자료에서 역전층은 1개(고도 약 1,500~2,000 m), 최대풍속은 31.15 m s⁻¹(북강릉: 33.7 m s⁻¹)로 역전층 하부(약 1,500 m )와 유사한 고도에 나타났다. 또한 강풍대 두께는 약 200 m로 영동 평지보다 강풍의 범위가 좁고, 약 2.0 km 이하 동일 고도에서의 풍속은 대관령(산지)보다 강릉원주대(영동 평지)에서 더 강했다.

선행연구(산지 강풍)와 본 연구(평지 강풍)을 비교하였을 때 산 정상인 선자령 최대 풍속은 산지 강풍이 24.0~26.8 m s⁻¹, 평지 강풍이 25.0~30.0 m s⁻¹로 평지 강풍 사례가 약간 높거나 유사하였다. 또한 상층 최대풍의 고도는 산지 강풍에서 고도 약 2,000~2,500 m, 평지 강풍에서 고도 약 1,070~1,340 m, 북강릉 지점에서 관측한 하층 역전층 고도는 산지 강풍 사례(선자령 최대풍 근접시간)는 1,440~3,110 m, 평지 강풍 사례(북강릉 최대풍 근접시간)는 762~1,070 m로 평지 강풍이 나타날 경우 더 낮은 고도에서 역전층과 최대풍이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 산지와 평지 모두 상층 역전층이 산맥 고도 부근~3.0 km 이하에 나타나며, 이는 풍하측 상공 및 산악 높이 근처에서 나타나는 산악파의 파동파괴와 관련되어 있을 것으로 본다.

수치모델(ERA5, LDAPS) 분석 결과 ERA5에서는 모든 사례 산사면에 하강류, 동해안에 상승류가 존재하고 하강류 바로 앞(동쪽)에 강풍대가 위치하였다. 또한 강한 하강류(약 -3.0 m s⁻¹ 이상)가 고도 약 1,000 m 이하까지 도달할 때 지상~고도 1,000 m 이하에 강풍의 중심이 나타나며, 상층의 고도보다 높은 풍속이 지면 가까이 도달함을 확인하였다. LDAPS의 경우 하강류와 상승류가 각각 산사면과 동해안에 존재하는 특징은 유사하였으나 하강류의 강도에 따른 풍속과의 연관성을 확인하기 어려웠다.

이러한 결과들을 종합하였을 때 영동 해안에 강풍이 나타날 때 상층에 2개의 역전층이 관측되고, 역전층 아래 강풍대가 형성되며 이는 산사면에서 나타나는 강한 하강류와 연관이 있음을 보였다. 또한 -3.0 m s⁻¹ 이하 강도의 하강류가 고도 약 1,000 m 이하에 도달할 때 지상 가까이 강풍 중심이 생성되고, 하강류 바로 앞(동쪽)에 위치하며 하강류와 강풍의 연관성을 확인하였다. 그러나 이는 영동 강풍이 나타났을 때의 결과이며, 정확한 예측을 위해서는 강풍시간 이전에서부터 예측인자 변화에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.

Acknowledgments

이 연구는 기상청 국립기상과학원「기상업무지원 기술개발연구 재해기상·목표관측·분석 활용기술 개발(KMA2018-00123)」의 지원으로 수행되었습니다.

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