Current Issue

지면-대기 상호작용은 기후 시스템에서 중요한 역할을 하며, 폭염, 가뭄, 폭우와 같은 극한 기상 현상의 발생과 강도에 큰 영향을 미친다(Santanello et al., 2018). 이러한 상호작용은 대기와 토양 간의 복잡한 에너지 및 물질 교환 과정을 포함하며, 특히 토양수분, 증발산, 지표 온도, 강수량 등 여러 변수와 밀접한 관련이 있다(Seo et al., 2019; Seo and Dirmeyer, 2022a; Hsu et al., 2024). 이러한 변수들 간의 상호작용은 기후 변화와 극한 기상 현상을 예측하고, 발생 메커니즘을 이해하는 과정에 중요한 역할을 한다(Seo et al., 2020; Yoon et al., 2024).

지면과 대기 간 에너지 교환은 주로 잠열 플럭스(latent heat flux; LH)와 현열 플럭스(sensible heat flux; SH)를 통해 이루어진다. 지면이 태양 복사를 흡수하여 생성된 열 에너지는 대기 경계층의 안정성, 대류 활성화, 구름 형성과 같은 대기 과정을 직접적으로 조절하며 다양한 피드백 과정에 영향을 준다(Schär et al., 1999). 이러한 피드백은 토양의 수분 상태에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 토양수분 임계점(critical soil moisture)을 기준으로 습한 토양은 충분한 증발산을 지원하며 에너지 제한 체제(energy-limited regime)를 형성하는 반면, 건조한 토양에서는 증발산이 토양수분에 의해 제한되며 수분 제한 체제(water-limited regime)를 나타낸다(Brubaker and Entekhabi, 1996; Teuling et al., 2009; Miralles et al., 2019; Seo et al., 2024).

에너지 제한 체제에서는 잠열 플럭스가 토양수분(soil moisture, SM) 변동성에 영향을 미치며 주로 얕은 경계층과 높은 상대 습도가 형성되어 있는 지역에서 나타나고, 수분 제한 체제에서는 토양수분 변동성이 지표면으로 들어온 순 복사량의 대기로의 방출을 현열과 잠열의 비율에 영향을 미친다(Seo et al., 2024; Fig. 2 참고). 특히, 수분 제한 체제에서 지면-대기 상호작용은 토양수분 임계값(breakpoint)보다 더 건조해지는 경우 토양수분-온도 간의 비선형적으로 결합이 강하게 나타나는데, 이는 폭염과 가뭄 서로 간의 다른 이상현상이 각 현상을 심화시키는 중요한 역할을 한다(Benson and Dirmeyer, 2021). 이러한 지면-대기 결합 특성은 가뭄 및 폭염과 같은 여름철 극한 기상 현상의 계절규모 예측성능 개선에 중요한 역할을 한다(Roundy and Wood, 2015; Benson and Dirmeyer, 2023). 예를 들어, 북유럽 2018년 폭염 사례에서 건조한 토양 상태는 강렬한 지면-대기 피드백을 유발하며 극심한 고온을 가속화한다(Dirmeyer et al., 2021; Tak et al., 2024).

앞선 선행 연구들은 넓은 지역적 범위와 시간적 스케일을 다루기 위해 대부분의 연구에서 격자화 된 위성 혹은 모델기반의 자료를 활용하였다(Spennemann et al., 2018). 위성은 직접관측이 아닌 전자기파를 탐지하여 변수를 추정한 결과이기 때문에 전파 탐지과정에서 대기와 토양의 복잡성으로 인한 오차가 발생하며, 변수를 추출하는 알고리즘이 불완전하다(Seo and Dirmeyer, 2022b). 또한, 위성의 특징에 따라 가용한 시공간 해상도가 다양하여 이로 인한 자료의 결측이 나타나고, 위성의 수명에 따른 장기간 데이터 수집이 어렵다. 지면 모델의 경우 지면변수를 계산하는 과정에서 자연현상을 모의하기에 매개변수들이 고정되어 있거나 물리과정이 단순하고, 경계자료인 대기 강제력 또한 대기모델의 산출물을 사용하기 때문에 오차가 발생한다(Lee and Seo, 2024). 나아가 이런 위성과 모델의 문제점을 개선하기 위하여 두 자료를 동화하여 부족한 부분을 보완하여 개선된 재분석 자료를 생산하려는 노력이 지속되고 있지만, 여전히 실제 관측을 모의하는데 제한이 있다(Hersbach et al., 2020; Seo et al., 2021).

앞선 자료들이 가지고 있는 문제점과 한반도의 지역적 특성 때문에 지면-대기 상호작용에 대한 이해가 부족하다. 한반도는 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 해양과 대기의 상호작용이 뚜렷하며, 이러한 지리적 특징은 지역 기후와 강수 패턴에 중요한 영향을 미친다. 여름철 몬순의 영향으로 고온 다습한 기후가 나타나고, 겨울철에는 대륙성 고기압의 영향으로 저온건조한 기후가 나타나 계절적으로 뚜렷한 변동성을 나타낸다. 앞서 설명한 모델이나 위성자료의 구조적 문제점과 한반도의 지역적, 계절적 다양성으로 인해 격자자료를 기반으로 한반도의 지면-대기 상호작용의 특성을 이해하기에 제한된다. 따라서, 본 연구에서는 해륙풍의 영향과 계절별 변화를 뚜렷하게 관측할 수 있는 한반도 남부 해안의 보성 지역에 위치한 종합기상탑(307 m) 관측자료를 활용하여, 한반도에서 유일한 고도별 직접 관측 데이터를 기반으로 지면-대기 상호작용의 계절적 특징을 이해하고자 한다.

보성 종합기상탑에서 계절별 대기 열-수분 플럭스의 연직 분포와 시간 변화에 대한 관측자료를 통해 지면-대기 상호작용의 계절적 특징을 확인할 수 있다 (Fig. 2). 한반도 모든 계절에서, 일사량이 높은 오후 (1200~1700 LST)에는 지표면 온도가 상승하며, 야간 (일몰 이후~0600 LST)에는 지표면이 냉각되어 역전층이 형성된다. 이러한 역전층은 야간 동안 증발 냉각을 유도하며, 이로 인해 수증기가 응결되어 비습이 감소하는 현상이 모든 계절에서 나타난다. 낮(1200~1400 LST)에는 태양 복사에 의한 지표면이 가열되면서 강한 대류가 발생하고, 이에 따라 대기 상층의 건조 공기가 하층으로 유입되는 현상이 관측되었다.

Fig. 2. 
Diurnal variations of vertical profile (11 altitude levels: 2.5~300 m) of (a-d) potential temperature and (e-h) specific humidity with sensible and latent heat fluxes (black line), respectively, during January 2016~December 2019. Each column represents seasonal climatology for spring (March~May), summer (June~August), autumn (September~November), and winter (December~February).

여름철(JJA)에는 잠열이 지배적이지만 겨울철(DJF)에는 잠열보다 현열이 더 우세하게 나타난다(Figs. 2b, d, f and h). 이는 농경지의 증발산에 의한 영향으로 여름철에는 현열 플럭스가 상대적으로 낮지만, 겨울철에는 낮은 일사량으로 인한 증발산 및 포화 수증기압 감소로 잠열 플럭스가 더 낮게 나타난다. 여름철에는 대기 하층의 불안정성이 증가하여 잘 혼합된 상태가 유지되며, 지표면 부근의 습도가 비교적으로 일정하게 유지되고 약 10 m 고도에서 습도가 최대값을 나타낸다(Fig. 2f). 반면, 봄(MAM)과 가을(SON)에는 대기 하층이 상대적으로 안정적이기 때문에 고도가 증가함에 따라 습도가 점차 감소한다(Figs. 2e, g). 습도는 하루 중 두번의 최대값(야간과 오후)을 보인다. 야간(0000~0800 LST)에는 이전 날 형성된 잔류층이 점진적으로 하강하면서, 습한 공기가 140 m에서 40 m 고도까지 하강한다. 일출 후 대류 활동이 시작됨에 따라 잔류층이 혼합층과 섞이고 약 180 m 고도까지 습도가 증가한다. 이러한 결과는 대기 안정도와 에너지 분포가 계절 및 시간대에 따라 변화하며, 이는 일사량과 증발산, 대기 혼합층의 발달에 크게 의존함을 시사한다. 특히 여름철에는 증발산에 의한 에너지 소모가 두드러지며, 이는 주변 농경지의 수문 과정과 밀접한 연관이 있는 것으로 보인다.

Power spectral density (PSD)는 주파수 도메인에서 신호의 에너지 분포를 분석하여 특정 주파수 대역에서 변동성이 가장 크게 나타나는지를 구분하는 데 유용한 방법이다. 풍속 PSD 분석 결과, 일 변동 주기에서 풍속 변동성이 크게 나타나는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 일 변동에 해당하는 주파수 대역에 band-pass filter를 적용하여 일 변동과 계절 변동의 특성을 분석하였다. 하층 2.5 m의 풍배도 (windrose)를 보면, 보성 지역의 지형적 특징이 잘 나타남을 알 수 있다(Fig. 3). 낮 시간에는 Fig. 1에서 보이는 것처럼, 관측소를 포함한 북서쪽의 지면이 남동쪽 해양보다 비열이 낮아 빠르게 가열되면서 해풍이 형성된다. 이에 따라 낮 시간(1200~1400 LST) 동안 습도가 증가하는 경향을 보인다(Figs. 2e-h). 반대로, 밤 시간(0000~0200 LST)에는 해양보다 육지가 더 빠르게 냉각되면서 육풍이 나타난다. 이러한 해륙풍의 영향은 사계절 내내 나타나지만, 겨울철에는 낮 기온이 낮아 그 영향이 가장 작게 나타난다(Figs. 2a-d). 또한, 해륙풍의 영향으로 인해 모든 계절에서 풍향의 일 변동이 낮과 밤에 따라 크게 나타나며, 진폭 또한 뚜렷하게 증가한다.

Fig. 3. 
Power spectral density (PSD) analysis of wind speed and seasonal climatology of windrose for daytime (1200~1400 LST; middle row) and nighttime (0000~0200 LST; bottom row), observed at 2.5 m height. The green shaded areas represent the frequency bands corresponding to diurnal variability. The climatology is calculated with full season of 4 years (2016~2019).

한반도에 대한 기단의 영향은 300 m 고도의 풍향을 통해서 확인할 수 있다. 가을철에는 남서쪽에서 우세한 양쯔강 기단의 영향을 받아 남서풍이 불며, 겨울철에는 시베리아 기단의 영향이 강해지면서 여름에 우세했던 남동풍이 겨울로 갈수록 북서풍으로 전환된다. 300 m 고도에서도 해륙풍에 따른 하층 2.5 m와 유사한 일 변동과 기단에 따른 계절적 변동이 나타난다(Fig. 4). 그러나, 300 m에서는 풍향과 풍속의 분포가 더 넓게 나타나며, 기단의 영향이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상층에서는 바람의 방향이 보다 다양한 패턴으로 분산됨을 알 수 있다.

Fig. 4. 
Same as in Fig. 3, but for the result observed at 300 m.

보성 지역의 계절 변동성을 살펴보기 위해 에너지에 대한 변수와 수분 변수의 월평균 값을 분석하였다(Figs. 5a, b). 지표의 가용 에너지인 순복사량에 대한 잠열의 비율인 증발분율(evaporative fraction; EF)은 에너지 분할에 대한 정보를 나타낸다. 지표에서 측정된 순복사량은 여름철까지 상승하다 6월에 정점에 도달한 후에 감소한다. 이를 지표 플럭스 현열과 잠열로 나누어 보면 현열은 5월에 가장 크게 나타났으며, 잠열은 순 복사량과 유사하게 7월부터 9월 사이에 가장 높게 나타난다. 이는 여름철 에너지와 가용 수분량의 증가로 식생 활동이 증가하여 대부분의 지표 플럭스가 잠열의 형태로 방출된다. 5월과 같이, 증발분율은 토양수분이 감소하고 현열이 정점에 도달하는 경우에 감소한다. 반면, 현열이 감소하고 잠열이 상승하는 여름철에는 증발분율이 증가하는 경향을 보인다(Fig. 5a). 몬순 기간동안 장마전선이 북상하는 초여름과 남하하는 늦여름에 많은 양의 강수를 동반하고 토양수분 메모리 효과에 의해 토양수분이 높게 유지된다(Fig. 5b). 토양수분은 강수량에서 증발산을 제외한 값을 시간에 대해 적분하여 구한다. 따라서 여름철에 토양수분이 장마기간을 제외하고 건조한 이유는 순 복사량 증가에 따른 증발산량 증가로 인해 지면에서 대기로 방출되는 수분량이 많아지기 때문이다. 반면 여름을 제외 한 나머지 계절은 지표 잠열 플럭스가 여름철과 비교하였을 때 상대적으로 작게 나타나 토양수분의 손실이 적게 나타난다.

Fig. 5. 
Seasonal variation of (a) radiation variables (net radiation, sensible and latent heat fluxes, and evaporative fraction) and (b) moisture variables over 2016~2019.

앞서 확인한 토양수분과 증발분율의 관계를 통해 각 계절별 지면 결합 체제를 진단할 수 있다. 각 결합 체제는 시간과 공간에 따라 변하기 때문에 각 계절별로 보성 지역의 지면-대기 상호작용에 대한 체제의 변화를 확인하였다(Fig. 6). 봄철에는 증발분율이 증가하기 시작하며 순 복사량과 강수량이 많은 여름철에 증발분율이 최대값을 나타낸다. 하지만, 여름철에는 강수와 증발산양이 토양수분에 영향을 미치는 에너지 제한 체제의 특징이 나타내며, 토양수분과 증발분율 간의 상관성이 작게 나타난다(Fig. 6b). 여름철을 제외한 나머지 계절에서는 수분 제한 체제의 특징이 나타나고, 토양수분과 증발분율이 유의미한 양의 상관성을 나타낸다. 겨울철 토양수분 변화에 대한 증발산의 민감도가 가장 크며, 사계절 중 수분 제한 체제의 특성이 가장 뚜렷하게 나타난다.

Fig. 6. 
Scatter plot between SM (x-axis) and EF (y-axis), where daily samples are colored by each month, and the samples are grouped by each season (a: March~May, b: June~August, c: September~November, and d: December~February). Each scatter point represents the mean value for each day of the year, computed by averaging daily data across the entire study period. A regression line is fitted in each season, with shading around the regression lines indicating 95% confidence intervals. In the bottom corner of each panel, the slope and y-intercept of the regression line are shown, and the correlation coefficient between both variables and its p-value are shown in parentheses.

잠열 플럭스의 계절별 변동성을 분석한 결과, 순 복사량이 가장 많은 여름에 최대값을 나타낸다(Fig. 7c). 이러한 뚜렷한 계절성은 여름철의 강한 태양복사와 활발한 지면-대기 에너지 교환에 기인한다. 특히 여름철에는 여러 요인들이 복합적으로 작용하여 잠열 플럭스의 변동성을 증가시킨다. 장마로 인한 잦은 강수 현상은 토양수분을 증가시켜 지표면 증발과 식물의 증산 작용을 활발하게 하며, 높은 대기 온도는 대기의 수분 보유 능력을 증가시키고 식물의 증산 작용을 활성화한다. 또한, 상대습도의 변화는 대기와 지표면 사이의 수증기압 차이에 영향을 미쳐 증발 속도를 조절한다. 이러한 요인들의 복합적인 상호작용으로 인해 여름철 잠열 플럭스는 높은 변동성을 나타낸다. 반면, 겨울철의 낮은 표준편차는 제한된 순 복사량과 지면-대기 상호작용의 약화가 잠열 플럭스의 변동성을 약하게 한다. 잠열 변동성뿐만 아니라, TCI(SM, LH)를 구성하는 R(SM, LH)도 뚜렷한 계절성을 나타낸다(Fig. 7b). 특히 여름철 토양수분과 잠열이 음의 상관성을 나타내는데, 이는 여름철 대기 조건에 의해 토양수분이 변화하는 에너지 제한을 의미한다. 따라서, 앞서 설명한 강한 잠열 변동성과 결합하여 여름철 강한 음의 TCI(SM, LH) 나타낸다. 반면, 봄철과 겨울철의 두 변수간 양의 상관관계는 토양수분이 증발산을 직접적으로 조절하는 수분 제한 체제의 특성을 보여준다. 가을이 봄철보다 더 큰 잠열 변동성을 나타내지만, 두 변수 간의 낮은 상관관계로 인해 상대적으로 약한 지면-대기 상호작용을 나타낸다. 에너지 제한을 나타내는 TCI(Rn, LH)는 모든 계절에서 강한 양의 값을 보이며, 특히 여름철에 강한 결합력을 나타낸다 (Fig. 7d). 이는 순 복사량이 연중 잠열 플럭스의 주요한 에너지원임을 시사하며, 여름철 매우 습한 기후 특성으로 인해 순 복사량 대부분이 잠열을 통해 대기로 전달된다. 겨울철의 낮은 TCI(Rn, LH)은 주로 제한된 증발산으로 인한 작은 변동성으로 이해할 수 있다.

Fig. 7. 
Colored square for (a, d) TCI and its components (d, e: correlation coefficient, and c: standard deviation of LH) for water-limited (upper row: SM-LH coupling) and energy-limited (bottom row: Rn-LH coupling) coupling processes. Each square is divided into four triangular segments for four seasons (MAM: left, JJA: top, SON: right, DJF: bottom). Color scales indicate magnitude and direction of coupling strength, with units in W m^-2 for TCI and σ(LH), while R is dimensionless.

지면-대기 상호작용은 극한 기상 현상이나 계절적인 예측을 이해하는 데 핵심 과정이지만, 한반도 지역 관측기반의 결과를 제시한 연구가 부족하다. 이에 본 연구에서는 2016년부터 2019년까지 307 m 높이의 보성 종합기상탑에서 수집된 고도별 직접 관측 자료를 활용하여, 한반도 지면-대기 상호작용의 계절적 변동성을 진단하였다.

열 및 수분 플럭스의 계절적 특징을 분석한 결과, 일사량과 증발산에 따라 대기 안정도와 에너지 분포가 계절별로 달라진다. 온도 측면에서, 모든 계절 동안 낮에는 온도가 상승하며 강한 대류현상이 발생하고, 야간에는 증발 냉각이 나타난다. 또한, 습도는 하루 중 두 번의 최대값을 나타내고, 계절적으로 여름철 강수로 인한 토양수분 증가가 증발산을 증가시켜 증발분율이 크게 나타난다. 즉, 잠열 플럭스가 현열 플럭스보다 여름철 더 큰 변동성을 나타낸다. 따라서, 여름철에는 에너지 제한 체제가 우세하게 나타났으며, 강한 음의 TCI(SM, LH)와 함께, 에너지 제한을 나타내는 TCI(Rn, LH)가 높은 값을 보인다. 이러한 결과는 여름철 강수 집중과 보성 종합기상탑 주변 농경지의 수문 과정의 영향을 반영하는 것으로 판단된다. 반면, 봄·가을·겨울철에는 현열 플럭스가 더 우세하게 나타났으며, 토양수분과 증발분율 간의 유의미한 양의 상관성을 나타낸다. 이는 수분 제한 체제가 주요한 영향을 미치는 계절적 특성을 반영한다. 특히, 겨울철에는 토양수분에 대한 증발산의 민감도가 가장 높아 수분 제한 체제가 두드러지게 나타난다. 또한, 보성 지역은 바다와 산과 맞닿아 있는 지형적 특성으로 인해 바람의 영향도 뚜렷하게 받는 것으로 나타난다. 육지와 바다의 비열 차이로 인해 발생하는 해륙풍이 사계절 내내 관측되었으며, 이에 따른 습도 증가 또한 확인되었다. 특히, 계절별로 한반도 주변에서 우세하게 나타나는 기단의 영향을 받을 뿐만 아니라, 고도에 따른 바람의 변화도 뚜렷하게 나타난다.

본 연구는 보성 지역에 한정된 관측 자료를 기반으로 수행되었기 때문에 지역적 대표성의 한계가 있을 수 있다. 그러나, 종합기상탑을 활용하여 고도별 기상 변수를 분석함으로써 한반도 지면-대기 상호작용의 계절적 특성을 이해하는 데 기여한다는 점에서 의의가 있다. 나아가, 본 연구 결과는 한반도 기후 특성을 보다 정밀하게 파악하는데 도움을 줄 뿐만 아니라, 이를 기반으로 수치모델 성능 개선에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.