Sounding Observation with Wind Profiler and Radiometer of the Yeongdong Thundersnow on 20 January 2017

2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례에 대한 연직바람관측장비와 라디오미터 관측 자료의 분석

Abstract

On 20 January 2017, the fresh snow cover which is more than 20 cm, accompaning with lightning occurred over Yeongdong coastal region for the first 3-hour of the heavy snowfall event. This study analyzed sounding observations in the heavy snow period which were including the measurements of wind profiler, radiometer and rawinsonde. The features examined from the vertical wind and temperature data at the two adjacent stations, Bukgangneung and Gangneung-Wonju National University, are summarized as follows: 1) The strong (30-40 kts) north-east winds were observed in the level from 2 to 6 km. The Strong atmospheric instability was found from 4 to 6 km, in which the lapse rate of temperature was about $-18^{\circ}C\;km^{-1}$. These features indicate that the deep convective cloud develops up to the height of 6 km in the heavy snowfall period, which is shown in the satellite infrared images. 2) The cooling was observed in the level below 1 km. At this time, the surface air temperature at Bukgangneung station decreased by $4^{\circ}C$. The narrow cooling zone estimated from AWS and buoy data was located in east-west direction. These are the features observed in the cold front of extratropical cyclone. The distributions of radar echo and lightning also show the same shape in east-west direction. Therefore, the results indicate that the Yeongdong thundersnow event was the combined precipitation system of deep convective cloud and cold frontal precipitation.

2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례는 강수 초기 3시간 동안 20 cm 이상의 강한 강설이 낙뢰와 함께 영동 해안 지역에 나타났다. 이 연구에서는 강한 강수 기간 동안 고층 관측 자료를 이용하였고, 고층 관측 장비는 북강릉 지점의 연직바람관측장비, 라디오미터 그리고 레윈존데를 사용하였다. 북강릉과 강릉원주대학교에서 강한 강수가 나타났을 때 연직 바람과 기온의 특징을 조사한 결과는 다음과 같다: 1) 2~6 km에서 강한 북동풍 그리고 4~6 km에서 $-18^{\circ}C\;km^{-1}$ 이상의 기온 감률을 보이는 강한 대기불안정이 관측되었다. 이러한 특징은 대류운이 6 km 이상 고도까지 발달하였음을 나타낸다. 2) 1 km 이하에서 기온의 감소가 나타났으며, 이것은 북강릉 지점 AWS 지상 기온이 약 30분 동안 $4^{\circ}C$ 감소한 것과 잘 일치한다. 이러한 기온 감소는 동서 방향의 좁은 영역에서 나타나고 레이더 에코와 낙뢰 분포 영역도 동일한 위치에서 관측되었다. 이것은 중위도 저기압의 한랭전선형 강수의 특징과 유사하다. 결과적으로 영동 뇌설 사례는 한랭전선형 강수와 대류성 강수의 영향이 결합된 시스템으로 분석하였다.

1. 서론

2017년 1월 20일 영동 해안 지역은 일강수량 25~33mm 그리고 일신적설 약 30 cm와 함께 낙뢰가 관측되었다(이 연구에서 이 사례를 영동 뇌설 사례라 한다). 영동뇌설 사례에서 강수 초기 약 3시간 동안 강한 강수(20cm 이상의 신적설)가 관측되었다. 이때 강한 강수 영역은 영동 북부 지역에서 발생하여 시간이 경과함에 따라 영동 중부 지역으로 이동하였고, 이 강한 강수 영역에서는 낙뢰가 관측되었다. 따라서 영동 뇌설 사례는 강한 강수 영역이 좁고 짧은 시간 동안 급격한 변화가 발생하는 중규모 시스템으로 볼 수 있다. 이러한 시스템을 이해하기 위해서는 시간 분해능이 높은 관측 자료를 이용하여 강한 강수 전·후의 짧은 기간에 대한 연직 바람과 기온의 변화를 분석할 필요가 있다.

Kwon et al.(2014)는 12년(2001~2012년) 동안 3개의 영동 극한 대설 사례(일신적설 50 cm 이상)를 선정하고 일기도와 수치모델 자료의 진단 변수를 이용하여 종관 규모의 변화를 조사하였다. 분석 결과 영동 극한 대설은동해상에 위치한 부저기압(seconday cyclone) 혹은 소용돌이의 발달과 관련되어 있으며, 상층 일기도에서 기압골과 온도골이 나타난다고 보고하였다. 또한 최대 강수 시각에 영동 부근의 위치소용돌이도는 500~600 hPa 고도까지 1~2 PVU 값이 분포하였다. Cho andKwon(2014)은 위성과 레이더를 이용하여 극한 대설 사례 기간 동안 영동 지역에 대설을 유발시킨 구름덩어리의 특성을 조사하였다. 이 연구를 통하여 극한 대설 사례와 연관된 구름덩어리가 동한만 부근에서 발생하여 영동 지역으로 이동해 들어오는 잘 발달되고 크기가 작은 대류운과 관련됨을 밝혔다. 주강수 시기에 최저 휘도온도는-50~-40°C로 낮고, 위성의 휘도온도가 -35°C 혹은 -40°C 이하인 구름 크기가 약 17,000~40,000 km²로 중규모 대류복합체보다 작은 크기로 나타났다. 그리고 이때 0.5mm hr^-1이상의 레이더 강수 면적도 약 4,000~8,000 km²로 작고 독립된 형태를 보임을 밝혔다.

동해상의 부저기압 및 극저기압 연구로 Heo et al.(2005)는 2005년 3월 5일 영동 지역 및 부산에 대설을 발생시킨 원인에 대하여 종관 및 RDAPS 10 km 분석장을 이용하여 연구를 수행하였다. 그 결과 저기압 후면의 부저기압이 남동해안에서 부산으로 접근하여 상층 한기와 하층 난기에 따른 불안정을 야기시켰다고 보고하였다. 또한 부산의 폭설의 가장 중요한 원인은 지형효과로 인한 영동 지역 대설과는 다르게 부산 앞바다에 CSI(조건부 대칭불안정)가 750~800 hPa 층으로 습윤공기를 유입시킨 것이라고 하였다. Lee et al.(2016)은 2011년 2월 11~12일 부산 근해에서 발달한 극저기압의 영향으로 동해안 지역에 최대 1 m에 가까운 최심 적설량을동반한 대이 발생하였다고 보고하였다. 이 극저기압은 Rasmussen and Cederskov(1994)과 Rasmussen and Turner(2003)가 언급한 정의와 거의 일치하는 전형적인 극저기압으로서, 종관 일기도와 위성 적외 영상 그리고 ERA-Interim 재분석 자료를 이용하여 분석한 결과, 대류권계면 접힘(tropopause folding) 현상에 따른 하부 성층권 공기의 유입으로 인해 상대 소용돌이도의 빠른 증가가 극저기압의 발달을 촉진시켰다고 하였다.

기존의 영동 대설과 연관된 연구는 주로 종관분석과 더불어 수치모델 자료를 사용하거나 위성과 레이더 자료를 이용하여 왔다(Park et al., 2009; Lee et al., 2012; Jung et al., 2015). 그러나 레윈존데(속초-북강릉 이전) 관측은 12시간 간격으로 관측이 이루어져 (00 UTC와 12 UTC) 단시간 동안 나타나는 변화를 탐지하기는 어려운 단점이 있다. 따라서 영동 뇌설 사례와 같은 현상에 대해서는 시간 분해능이 높은 고층 관측 자료가 필요하다. 2004년 이후 강릉(북강릉) 지점에 연직바람관측장비가 설치되면서 10분 간격의 시간분해능을 가진 연직 바람 자료가 생산되고 있다. 또한 2010년 이래로 라디오미터가 함께 설치되면서 마찬가지로 고분해능의 연직 기온 및 습도를 관측할 수 있게 되었다. 그러나 겨울철 자료검증이 충분히 이루어지지 않아 연구에 사용된 연직바람관측장비 바람 자료는 대체로 정성적으로 분석되었으며(Lee andKim, 2008; Cho et al., 2015; Kwon et al., 2015), 라디오미터 자료는 연구에 거의 사용되지 않고 있다. 이번 대설 사례에서는 강릉원주대학교에서 3시간 간격으로 겨울철 강원 영동 지역의 강설 전·후를 포함하는 기간 동안 라디오존데 관측을 실시하는 집중 관측 캠페인(Experiment on Snow Storms At Yeongdong, ESSAY)을 실시하였다(Ko et al., 2016). 따라서 위 사례에서는 두 원격 탐사 자료의 검증뿐만 아니라 원격 탐사와 직접 관측 자료를 결합하여 분석할 수 있게 되었다.

이 연구에서는 2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례의 강한 강수 시각에 나타나는 연직 바람과 기온의 특징을 조사하기 위하여 연직바람관측장비, 라디오미터 그리고 레윈존데 자료를 분석하였다. 2장에서는 2017년 1월 20일 사례의 강수 특징 및 종관장을 분석하고, 위성 적 외 영상과 레이더 반사도 그리고 낙뢰 자료를 이용하여 강한 강수와 연관된 구름 및 강수와 낙뢰 분포의 특징을 분석하였다. 3장에서는 북강릉 지점의 연직바람관측장비, 라디오미터의 자료를 검증하고 영동 뇌설 사례에서 강한 강수가 나타난 시간에 연직바람관측장비, 라디오미터 그리고 강원기상청과 강릉원주대의 레윈존데 자료를 사용하여 바람과 기온의 연직 분포 특징을 분석하였다. 또한 영동 뇌설 사례와 선행 연구의 극한 대설 사례의 특징을 비교하여 차이점을 조사하였다. 4장에서는이 연구의 주된결과를 요약하였다.

2. 2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례

1) 강수와 종관장의 분석

2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례에서 특히 주목할 부분은 영동 지역에서 낙뢰와 함께 짧은 시간 동안 강한 강수가 나타났다는 것이다. Fig. 1a와 b는 2017년 1월 20일 영동 4개 지점(속초, 양양, 북강릉, 강릉)의 AWS 15분 강수량과 3시간 누적강수량의 시계열 분포이다. 3시간 누적강수량을 표기할 때는 만약 1100 KST부터 1400KST까지의 누적강수량일 경우 1230 KST에, 즉 중앙 시각에 강수량을 표기하였다. 영동 지역의 강수는 영동 북부(속초)에서 가장 먼저 0900 KST에 시작되어 영동 남부 지역에 순차적으로 발생하였으며, 초기에 상대적으로 강한 강수가 집중적으로 나타났다. 또한 3시간 누적강수량은 속초로부터 영동 중부 지역으로 내려올수록 강화되었고, 북강릉에서 최대가 되었다. 3시간 최대 누적강수량은 속초(0900~1200 KST)와 양양(1000~1300KST) 지점에서 각각 21.3 mm, 21.5 mm로 나타났으며,북강릉 지점에서는 1100 KST부터 1400 KST까지 3시간 동안 24.2 mm의 최대 강수량을 보였다. 북강릉 지점의신적설 자료를 살펴보면 같은 시간 동안 20.9 cm의 신적설이 관측되었다. 이것은 현재 기상청의 대설 경보(24시간 이내 20 cm 이상의 대설 관측)에 해당하는 강한 적설이 3시간이라는 짧은 시간 동안 집중적으로 발생하였음을 의미한다. 이후 북강릉 지점의 15분 강수량은 대부분 1 mm 이하의 비교적 약한 값을 보이며 점차 약화되었다.

Fig. 1. Time Series of (a) 15 min and (b) 3 hour accumulated precipitation on 20 January 2017 at the 4 Yeongdong stations (Sokcho (SC), Yangyang (YY), Bukgangneung(BGN), Gangneung (GN)).

Table 1은 2017년 1월 20일 강원도 지점들의 ASOS 시간강수량 자료이다. 강원도를 영동 해안, 영서, 산간 지역으로 나누어 영동 해안 지역과 영서 지역의 시간강수량을 비교할 경우 지역에 따른 확연한 차이를 알 수 있다(Table 1). 먼저 영서 지역(춘천, 원주, 영월 지점)은 기압골의 영향으로 05~07 KST 사이에 강수가 시작되었다. 그러나 1 mm hr^-1 이하로 강수 강도가 매우 약하고 대체로 5시간 이내에 강수가 종료되었다. 일강수량 역시 영서의 모든 지점에서 4 mm 이내로 영동 지역에 비하여 매우 약한 강수가 관측되었다. 영서와 영동 지역 사이 산간 지역에 위치하는 대관령 지점은 북강릉과 동일하게 11 KST부터 강수가 시작되었고, 12 KST부터 14 KST까지 3시간 동안 9.5 mm로 영서 지역보다 비교적 강한강수가 나타났다. 그러나 영 지역에 비해 상대적으로 강수 속시간이 짧고 강도가 약함을 확인할 수 있었다. 영동 남부 지역에 해당하는 동해 지점은 영동 지역 중 가장 늦은 시각인 16 KST에 강수가 시작되었다. 또한 강수 강도가 매우 약하고 지속 시간은 4시간으로 짧아 북강릉 이남에서 강수가 약화됨을 알 수 있다. 따라서 영동 뇌설 사례는 영동 북부 및 중부 해안 지역에 강수가 집중되었음을 알 수 있다.

Table 1. Distribution of the hourly rainfalls (mm hr^-1) at Yeongdong and Yeongseo weather stations on 20 January 2017

*CC: Chuncheon WJ: Wonju YW: Yeongwol SC: Sokcho BGN: Bukgangneung GN: Gangneung DGL: Daegwallyeong DH: Donghae

위의 영동 뇌설 사례의 종관적 특징을 조사하여 보면 지상 일기도에서 뇌설이 나타나기 하루 전인 19일에는 한반도 전역이 약한 기압골의 영향을 받고 있다. 그 후19일 15 UTC에 영동 앞바다에 중심 기압이 1015 hPa인 저기압이 위치한다. 20일 00 UTC에서는 저기압이 발달(중심 기압 1006 hPa)하여 울릉도 동쪽 근해에 위치한다. 이때 925 hPa과 850 hPa 일기도에서 같은 위치에 저기압 중심이 위치하고 700 hPa과 500 hPa 일기도에서는 한반도 중북부 지역에 기압골이 위치하고 있다. 특히 500hPa 일기도에서는 백두산 부근에 한랭핵이 위치한다(일기도 그림 생략).

2) 위성 영상, 레이더 반사도 그리고 낙뢰 분석

영동 뇌설 사례에서 강한 강수가 나타난 기간을 중심으로 COMS 위성 적외 1채널 영상에 나타난 휘도온도를 분석하였다. 이 분석에서는 Cho and Kwon(2014)의 구름 추적과 분석 방법을 사용하여 임계 휘도온도를 적용해 탐지된 여러 구름덩어리 가운데 영동 지역에 영향을 주는 주된 구름덩어리를 선정하였다. 이때 임계 휘도온도는 동해 먼 바다에 위치한 저기압 구름과 구분하기 위하여 -40°C로 적용하였다. 선정된 구름덩어리는 그 이동을 추적하며 최저 휘도온도와 구름 크기(면적)를 조사하였다. 구름 크기는 화소수에 25 km²를 곱하여 계산하였다. 분석 기간은 -40°C의 구름덩어리가 최초로동한만 부근에서 관측되는 2017년 1월 20일 0545 KST부터 북강릉 지점에서 강한 강수가 종료되는(1 mm 15min^-1 이상의 강수 종료) 20일 1530 KST까지이다. 그리고 분석영역은 동한만 주변과 영동 지역 및 일부 동해상을 포함하는 위도 36~40°N, 경도 127~131°E로 선정하였다.

Fig. 2는 구름 발달 초기인 0700 KST와 최저 휘도온도의 극값이 관측된 0900 ST 그리고 북강릉 지점에서 강한 강수가 나타나는 간인 1145 KST의 적외 영상이다. 휘도온도가 -40°C 이하인 작은 구름덩어리는 0545 KST에 동한만 부근에서 최초로 나타나며 점차 발달하며 이동하여 0700 KST에 고성 북동쪽 앞바다에 위치한다. 이 구름덩어리는 남하하여 0900 KST에 속초 북동쪽 앞바다에서 발달한다. 그 이후 계속해서 남하하면서 구름덩어리는 여러 덩어리로 나누어지면서 점차 소산되는 모습을 보인다(Fig. 2c).

Fig. 2. Infrared (IR1) satellite images at the developing stages of convective cloud-cell. Black point indicates the location of Bukgangneung station.

Fig. 3에서 시간에 따른 구름덩어리의 최저 휘도온도와 구름 크기 변화를 나타내었다. 최저 휘도온도는 0700KST에 약 -46°C이고, 점차 감소하여 0900 KST에는 -49.1°C로 최소값을 보이고 그 이후 계속 증가하는 경향을 보인다. 이때 0900 KST에 속초 지점에 강수가 시작되었다. 한편 구름덩어리의 크기는 마찬가지로 0700 KST에 약 2,500 km²이고 점차 증가하여 0930부터 1045 KST까지약 9,600~15,000 km²로 나타난다. 그 후 구름덩어리는 분열하여 그 크기는 약 3,000~4,000 km²로 감소한다. 위의 분석에서 최저 휘도온도가 뚜렷하게 낮고 구름덩어리의 크기는 상대적으로 크게 나타나는 기간(0900~1045 KST)에 속초 지점에서 강한 강수가 나타났다. 또한 구름덩어리가 분리된 직후 1100 KST부터 북강릉 지점에 강수가 시작되었다.

Fig. 3. Time series of minimum brightness temperature (°C) and the area of cloud-cell (≤-40°C) on 20 January 2017.

속초 지점과 북강릉 지점에서 강한 강수가 시작된 시간에 강수의 공간 분포를 조사하기 위하여 북강릉 레이더 1.5 kmCAPPI noQC반사도 영상을 비교하였다(Fig. 4). 속초에 강한 강수가 나타난 20일 0900 KST를 살펴보면 레이더의 강한 강수대는 속초에서 영동 북부 해안을 따라 분포하고, 또한 속초에서 동해상까지 나선형의 분포를 보인다. 이후 이 강수대는 강수의 영역이 넓어지며 남하하여 북강릉 지점에서 강한 강수가 시작된 1130 KST에는 북강릉을 중심으로 영동 북부 해안 그리고 북강릉에서 동해상으로 연결된 선형의 강수대가 나타난다. 이때 낙뢰 자료에서도 영동 해안에서 동해상으로 연결된 선형 강수대와 동일한 위치에 주된 낙뢰가 관측되었고,낙뢰의 빈도와 강도 또한 점차 증가하였다(낙뢰 이미지 생략).

Fig. 4. Radar reflectivity (dB) images at the height of 1.5 km for maximum precipitation time of (a) Sokcho and (b) Bukgangneung stations.

3. 2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례에서 고층 바람과 기온 자료 분석

1) 자료 소개 및 검증

2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례 기간에 영동 지역의 고층 관측은 서로 인접한 북강릉 지점과 강릉원주대학교에서 수행되었다. 북강릉 지점은 기상청에서 연직바람관측장비, 라디오미터, 레윈존데의 상시관측을 수행하고 있고, 강릉원주대학교는 영동 뇌설 사례 기간 동안 레윈존데 특별 관측을 수행하였다. 연직바람관측장비는 독일 Scintec 사의 제품으로 모델명은 LAP 3000이며,2016년 12월에 교체된 장비이다. 1290 MHz 주파수를 사용하여 두 가지 관측모드(Low mode, High mode)로운영된다. 연직 해상도는 관측모드에 관계없이 50 m로 동일하며, 관측고도는 Low mode에서 150~1,500 m,High mode에서 1~6 km이다. Low mode는 총 28개 고도에서, High mode는 총 101개 고도에서 10분 간격으로 풍향, 풍속, 동서 바람 성분(U 풍속), 남북 바람 성분(V 풍속), 연직 바람 성분(W 성분) 자료를 생산한다.

라디오미터는 독일 RPG 사의 RPG-HATPRO 모델이다. 이 장비는 수증기 대역과 산소 대역에서 각각 7개씩 총 14개 채널 관측을 수행한다. 그리고 이 자료를 이용하여 10분 간격으로 연직 기온과 절대습도 자료를 산출한다. 관측고도는 총 39개이고 연직 분해능은 고도에 따라 다르다. 낮은 고도에서는 분해능이 높고 고도가 높아질수록 분해능이 낮아진다. 고도 1,000 m 이하에서는 10~100 m 간격 그리고 고도 7,000 m 이상에서는 1,000m 간격으로 자료를 생산한다.

강원기상청은 한국 진양의 RSG-20A 센서를 사용하여 북강릉 지점에서 0900과 2100 KST에 상시 관측을 수행하고 있으며 위 대설 사례 기간에는 1500 KST에 악기상 특별 관측을 수행하였다. 강릉원주대학교는 독일GRAW사의 DFM-09 모델을 이용하며, 위 사례 기간에 대학교 내에서 3시간 간격(0900, 1200, 1500 KST 등)으로관측을 수행하였다. 강릉원주대학교는 북강릉 지점에서 남남동쪽으로 4 km 거리에 위치한다. 북강릉 지점에서 강한 강수가 나타났을 때 이 시간의 전후 기간에 관측한 레윈존데 자료는 북강릉 지점에서 강원기상청이 관측한 0900과 1500 KST 자료(강원기상청 자료, GKMA)와 강릉원주대학교에서 대기환경과학과가 관측한 0900, 1200 그리고 1500 KST 자료(강릉원주대 자료, GWNU)이다.

연직바람관측장비와 라디오미터를 사용하기 전 자료의 정확도를 알아보기 위하여 먼저 연구 기간 동 북강릉 지점의 레윈존데 원시 자료를 사용하여 검증을 수행하였다. 자료의 상호 비교를 하여 레윈존데 자료를내삽하여 연직바람관측장비 관측 고도에서의 바람 성분(U 풍속과 V 풍속)과 라디오미터 관측 고도에서의 기온을 계산하고 검증에 사용하였다. 이때 레윈존데와의 비교 시 실제 레윈존데의 비양 시각을 기준으로 동일한시각에서 비교를 수행하였다. 0900 KST와 1500 KST의 실제 레윈존데 비양 시각은 각각 0808 KST, 1555 KST이다. 따라서 레윈존데 관측자료와 비교에 사용한 자료는 0810과 1600 KST에 연직바람관측장비와 라디오미터에서 관측한 자료이다.

Fig. 5a는 2017년 1월 20일 0810 KST와 1600 KST에 연직바람관측장비와 레윈존데 연직 바람의 비교 자료를 250 m 간격으로 비교한 것이다. 이때 연직 바람 성분(W 성분)이 결측된 경우는 검증에서 제외하였다. 육안으로비교하였을 때 두 관측 장비의 바람 자료는 0810 KST의 5 km 이상 고도에서 그리고 1600 KST의 약 2.4 km에서 나타난 풍향의 급변을 제외하고 대략적으로 일치함을 알 수 있다. U 풍속과 V 풍속에 대한 정량적인 비교(50m 간격)에서 두 시각에 대한 확연한 차이를 나타내었다(Fig. 5b, c). 0810 KST에서는 약 5 km 이하의 고도에서는 U, V 풍속에 대한 두 장비의 오차값이 거의 대부분 1.5m s^-1 이하로 양호한 값을 보이는데, 이것은 Gangwon regional office of Meteorology(2017)에서 나타난 검증 결과와 유사하다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 약 5 km 이상의 고도에서는 절대값 10 m s^-1 이상의 급격한 오차의 증가가 나타난다. 1600 KST에서는 약 2 km 이하에서절대값 1~3 m s^-1로 나타나지만, 2~3.5 km에서 2~5 m s^-1로 비교적 큰 오차값이 나타난다. 이 결과를 통해 강수가 나타나지 않는 시각인 0810 KST에 비해 강설이 발생하는 1600 KST의 오차 범위가 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Comparison (Wind profiler-Rawinsonde) of wind data from Wind profiler and Rawinsonde at 0810 and 1600 KST;Wind barb (a), differences of U and V wind speed (b, c).

연직 기온 자료를 비교하였을 경우 모든 고도에서 라디오미터의 기온이 레윈존데 관측 자료에 비해 과소추정하는 경향이 나타난다(Fig. 6). 5 km 미만 고도에서는 대부분 -4~-2°C의 오차가 나타나지만, 6 km 이상의 고도부터는 -10~-4°C로 하층에 비해 큰 오차값을 보인다. 또한 약 5 km에서는 두 시각 모두 가장 낮은 오차를 보인다. 두 시각을 비교하여 보면 2 km 이하 고도에서는 1600 KST의 오차가 0810 KST에 비해 크지만, 그 이상의 고도에서는 강설 관측되는 1600 KST의 오차가 뚜렷하게 작은 경향이 나타난다. 이러한 결과는 라디오미터의 기온이 레윈존데와 비교하여 과소추정하는 경향을 보이는 Gangwon regional office ofMeteorology(2017)의 검증 결과와 유사하다.

Fig. 6. Comparison (Radiometer-Rawinsonde) of temperature data from Radiometer and Rawinsonde at 0810 and 1600KST; distribution of temperature (a, b) and differences of temperature (c).

2) 연직바람관측장비와 라디오미터 자료 분석

영동 뇌설 사례에서 연직 바람과 기온 분포의 변화와 특징을 조사하기 위하여 북강릉 지점의 강한 강수 기간(1100~1300 KST)을 중심으로 고층 자료를 분석하였다. 이때 연직바람관측장비는 0900~1500 KST에서의 자료를 사용하였다. Fig. 7은 북강릉 지점 연직바람관측장비의Highmode와 Lowmode 수평 바람의 시계열 자료이다. 자료의 시간 분해능은 10분이나 이 그림에서는 30분 간격의 자료를 사용하였다. 그리고Highmode의 경우(Fig. 7a) 1,000~6,000 m구간에서, Lowmode의 경우(Fig. 7b) 250~1,500 m구간에서 250 m간격의 자료이다. 그림에서 풍향이 20~70도 사이인 바람은 검은 실선으로 표시하였다. 강수 시작 시간인 1100 KST를 경계로 전후의 바람에서 뚜렷한 차이가 나타난다. 북강릉 지점에 강수 관측되기 전에는 1 km 이상 모든 고도에서 북서풍이 주로 나타나고, 1 km 이하의 고도에서는 서풍이 나타난다. 그 후 강수 시작 시간(1100 KST)에는 대부분 북풍이 나타나며 1130 KST부터 1330 KST까지는 2~6 km 고도에서 강한 북동풍(30~40 kts)이, 1 km 이하의 고도에서 북서풍(10~25 kts)이 나타난다. 이러한 북동풍이 나타나는 기간은 북강릉 지점에서 강한 강수가 관측된 시기(1100KST~1300 KST)와 잘 일치한다.

Fig. 7. Time series of vertical distribution of wind profiler measurements (a; High mode, b; Low mode) in the Yeongdong thundersnow event.

Fig. 8은 0900 KST부터 1600 KST까지 북강릉 지점의 라디오미터 연직 기온의 시계열 자료이다. 지상에서 기온은 1020 KST부터 감소하기 시작하여 1200 KST까지약 2.1°C 감소한다. 이러한 기온 감소는 약 1,000 m 고도까지 잘 나타나며 감소 폭은 상층으로 갈수록 줄어든다. 그러나 2,000 m 이상 고도에서는 약 1030 KST부터1500 KST까지 상대적으로 높은 기온 분포를 보이고 1300 KS에서 최대값을 보인다. 이 때 4,400 m에서 기온의 상승폭은 약 10.5°C이다. 이러한 상층의 기온 상승은 지상 부근의 기온 하강이 나타나는 기간보다 약 10~30분 이후에 나타난다. 따라서 최대 강수 시각은 대기 하층(1,000 m 이하)에서 기온 감소가 나타난 이후 대기 상층(2,000 m 이상)에서 기온 상승이 나타나는 시기와 대략적으로 일치한다.

Fig. 8. Time series of vertical distribution of radiometer measurements in the Yeongdong thundersnow event.

대기 하층의 기온 감소를 이해하기 위하여 지점에 따른 기온의 변화를 분석하였다. Fig. 9는 영동 지역 4개 관측 지점(속초, 양양, 북강릉, 강릉)의 AWS 기온의 10분 이동평균 시계열 자료이다. 모든 지점에서 짧은 시간 동안 기온의 급격한 감소가 관측되는데, 기온 감소의 폭은 북강릉에서 약 4°C로 가장 크고 속초에서 상대적으로 가장 작다. 기온 감소가 시작되는 시간은 속초에서 0835 KST이고 북강릉에서 1020 KST이다. 또한 기온 감소가 끝나는 시간은 속초와 북강릉에서 각각 0910와 1125 KST이다. 기온 최저값은 기온 감소가 시작된 후 약 30분에서 1시간 후에 나타난다. 즉 지상 기온의 감소는시간적으로 영동 북부 지역(속초)에서 먼저 나타나고 남부 지역(강릉)으로 내려오면서 지연되어 나타난다. 기온감소의 폭 또한 북부 지역(속초 2.3°C)에서 남부 지역으로 내려오면서 증가하다가 북강릉에서 최대값인 4°C를 보인다.

Fig. 9. AWS 10 min moving average temperature in the Yeongdong thundersnow event of the 4 Yeongdong stations (Sokcho (SC), Yangyang (YY), Bukgangneung (BGN), Gangneung (GN)).

Fig. 10은 동해 중부(위도 37.5, 경도 130)에 위치한 동해 부이의 30분 기온 시계열 자료이다. 여기서 기온 감소가 시작되는 시간과 종료되는 시간을 정확히 파악하기는 어렵다. 그러나 기온의 최소값은 1000 KST에서 3.9°C와 1200 KST에서 3.6°C로 관측되었다. 동해 부이 기온 자료에서 기온의 감소 폭은 약 2.6°C이고, 정성적으로 분석해 볼 때 기온 감소가 종료되는 시간은 1200KST로 추정할 수 있다. 따라서 동해 부이 지점의 기온감소 시간은 북강릉과 강릉 지점의 값들과 대략적으로 일치한다. 결론적으로 이러한 자료들을 종합해볼 때 급격한 기온 감소가 나타난 시각 이후 강한 강수가 시작되었고, 강수량은 기온 하강의 폭과 비례하게 나타났다. 지상 기온 분로부터 큰 온도 경도가 좁은 영역에 나타나며 이 영역은 영동 북부 지역에서 점차 남하하고 있음을 알 수 있다. 또한온도 경도가 큰 좁은 영역은 영동 해안 지역에서 동해상으로 연결되어 동서 방향으로 기온 경도가 큰 선형대를 이루고 있다고 추정할 수 있다. 그리고 이러한 추정은 레이더 강수 에코대와도 잘 일치한다. 이때 기온 하강 및 강한 강수의 시간적 분포 특성은 한랭전선이 통과할 때 나타나는 현상과 유사하다. 앞서 분석한 라디오미터 기온 자료의 기온 하강은 지상 기온 하강과 밀접하게 연관되며 기온 하강의 폭은 지상에서 가장 크고 상층(1,000 m)으로 갈수록 감소한다.

Fig. 10. Time series of surface air temperature of Donghae buoy in the Yeongdong thundersnow event.

3) 레윈존데 자료 분석

Fig. 11와 12은 강원기상청과 강릉원주대학교에서 동시에 관측한 0900과 1500 KST에서 레윈존데 자료(바람과 기온)를 비교한 결과이다. 이때 두 자료를 비교하기 위하여 10 m간격으로 선형 내삽하였고, 같은 고도의 바람과 기온 자료를 각각 비교하였다. 강원기상청의 실제 비양 시각은 각각 20일 0808과 1555 KST이고 강릉원주대학교는 각각 20일 0830과 1430 KST이다. 위의 두 시간대 가운데 0900 KST는 북강릉 지점에서 강한 강수가 나타나기 전 시간이고 1500 KST는 강한 강수가 끝나는 시간이다. 두 시간대의 바람을 비교하면 전체적으로 비슷한 연직 바람 분포(250 m 간격)를 보인다(Fig. 11a). 그러나 고도 5 km 이하에서 두 지점 모두 0900 KST 보다 1500 KST에서 풍속이 강해짐을 알 수 있고, 강릉원주대에서는 1500 KST에 북풍이 나타나는 고도 영역이 넓어짐을 알 수 있다. 또한 강원기상청과 강릉원주대의 바람을 비교해보면 0900 KST에는 풍속(U 풍속과 V 풍속)의 차이는 대부분 2 m s^-1이하로 작다(Fig. 11b). 그러나 1500 KST에는 풍속의 차이가 2 m s^-1 이상으로 크게 나타나는데, 이러한 원인은 레윈존데 비양 시각의 차이(1시간 25분)에 기인한다고 볼 수 있다(Fig. 11c).

Fig. 11. Comparison (GWNU-GKMA) of rawinsonde wind data from GWNU and GKMA at 0900 and 1500 KST; Wind barb(a), differences of U and V wind speed (b, c).

위와 같은 방법으로 두 시간대의 기온을 비교하면 전체적으로 비슷한 연직 분포를 보인다(Fig. 12). 0900과1500 KST 기온 차이는 1500 KST의 약 6 km 고도를 제외하면 대체로 강릉원주대의 기온이 강원기상청의 기온보다 약 1°C 높다. 러한 기온 차이와 관련하여 0900KST는 태양 복사에 의한 지면 가열 그리고 1500 KST는비양 시간의 차이로 설명할 수 있을 것이다. 0900 KST의 경우 강릉원주대가 강원기상청보다 내륙에 위치하여 태양 복사에 의한 가열이 상대적으로 크고, 1500 KST의 경우 비양 시각이 강릉원주대가 더 이른 오후이기 때문에 강릉원주대의 기온이 강원기상청보다 높을 것이다. 시간에 따른 자세한 비교는 3시간 간격의 강릉원주대 기온 자료에서 분석하였다.

Fig. 12. Comparison(GWNU-GKMA) of Rawinsonde temperature data from GWNU and GKMA at 0900 and 1500 KST; distribution of temperature (a, b) and differences of temperature (c).

북강릉 지역을 대표하는 레윈존데 자료의 시간 변화는 강한 강수 시각을 포함하는 3시간 간격의 강릉원주대 자료를 사용하여 분석하였다. Fig. 13과 14는 강릉원주대학교에서 관측한 0900, 1200 그리고 1500 KST의 레윈존데 자료(바람과 기온) 결과이다. 바람 자료(250 m간격)에서 1200 KST에 약 1.5~6 km 사이에 20~40 kts의강한 북동풍이 나타난다. 이러한 바람 특징은 북강릉 지점의 연직바람관측장비 바람 자료와 잘 일치한다. 단열 선도를 이용한 기온의 비교에서는 오전(0900 KST)에서정오(1200 KST)로 시간이 변할 때 약 4 km 부근에서 최대 약 8°C의 기온 상승이 나타나며 그에 따라 고도 4~6km 사이에 강한 대기불안정이 나타난다(Fig. 14). 절대불안정이 나타나는 최상층 고도와 북동풍이 나타나는 최상층 고도 역시 잘 일치한다. 그리고 1200 KST의 기온과 이슬점 자료에서 구름의 운고는 약 9 km이다. 또한 1200 KST와 0900 KST 자료에서 500 hPa 부근의 기온자료를 비교해보면 1200 KST에서 대류권계면의 고도는 높아지고 기온 감률 또한 커진다. 이러한 온도 변화는 대류운이 대류권계면을 뚫고 올라올 때 나타나는 overshooting과 관련될 수 있다. 그리고 그 위 고도의 구름은 cirrus plume으로 볼 수 있다. 따라서 이 연구에서는 강수와 연관된 구름의 운정 고도는 약 6 km로 분석하였다. 0900 KST와 1200 KST 사이의 정량적인 기온 비교에서는 500 m 고도 이하에서 약 2°C의 기온 하강이 나타나고 고도 약 4 km 부근에서 약 4~8°C의 기온 상승이 나타난다(Fig. 15). 이러한 기온 변화는 북강릉 라디오미터 자료에 나타난 기온 변화와 잘 일치한다. 반면 1500KST의 기온을 0900KST와 비교하여 보면 약 1 km 이하의 고도를 제외한 1 km 이상의 상층의 경우 0900 KST기온 연직 분포와 거의 유사한 값을 보인다.

Fig. 13. Vertical distribution of rawinsonde wind measurements at GWNU in the Yeongdong thundersnow event.

Fig. 14. Skew T-log P charts of rawinsonde measurements at GWNU in the Yeongdong thundersnow event at 0900 (black),1200 (red), and 1500 (blue) KST.

Fig. 15. Temperature differences of Rawinsonde measurements at GWNU in the Yeongdong thundersnow event;(a) temperature differences (a) between 1200 and 0900 KST and (b) between 1200 and 0900 KST.

4) 영동 뇌설 사례의 연직 기상 자료 특성

영동 뇌설 사례에서 강한 강수가 나타난 기간에 북강릉 지점의 연직 바람과 기온의 특징은 다음과 같다. 1) 1130 KST부터 1330 KST에서 2~6 km에서는 강한 북동풍(30~40 kts)이 그리고 지상부터 1 km에서는 북서풍 혹은 북풍이 나타났다. 2) 1000 KST부터 1230 KST에 약 1,000 m 이하의 고도에서 약 2°C의 기온 하강이 그리고 1030~1300 KST에 약 4 km부근에서 4~8°C의 기온 상승이 관측되었고 4~6 km 사이에 강한 대기불안정이 나타났다. 지상 기온 자료 분석에서는 기온의 하강이 영동 북부 지역부터 영동 남부까지 순차적으로 관측되었고 북강릉 기온 하강 폭이 약 4°C로 가장 컸다. 이때 동해부이 기온 자료에서도 비슷한 시간대에 기온 하강이 관측되었다.

위의 분석 결과에서 나타난 영동 뇌설 사례와 관련된연직 바람과 기온의 특징은 위성 적외 영상과 레이더 반사도 자료 그리고 낙뢰 분포에 나타난 특징과 연관시켜 다음과 같이 해석될 수 있다. 북강릉 지점에서 북동풍이 약 6 km까지 나타난 시기는 강한 강수가 나타난 시간과 동일하다. 그리고 북동풍이 나타나는 최고고도(6km)의 기온은 위성의 휘도온도(-45~-40°C)와 일치한다. 약 4 km 부근에서 상층의 기온 상승(4~8°C)에 의한 4~6km의 강한 대기불안정이 나타나는 시기와 약 6 km까지 북동풍이 나타나는 시기 그리고 북강릉의 강한 강수 시기 역시 잘 일치한다. 또한 대기 하층에서 나타난 좁은 영역에서의 큰 기온 경도는 동서 방향(영동 해안에서동해상으로)의 선형대를 이루고 있으며 이는 한랭전선과 유사한 기온 변화를 보인다. 이러한 기온의 급변 지역은 레이더 반사도 영상의 강수대 낙뢰 분포 위치와 잘 일치한다. 따라서 이 연구에서는 영동 뇌설을 1) 대기 하층에서 기온이 급감한 후 한랭 영역에서 강수가 발생하는 한랭전선형 강수의 영향과 2) 상층에서 강한 대기불안정과 북동풍이 연관되어 있는 6 km 이상까지 발달하는 대류운과 관련된 대류성 강수의 영향이 결합되어 나타나는 현상으로 분석하였다.

이러한 영 뇌설 사례의 특징들을 앞서 Cho and Kwon (2014)과 Kwon et al.(2014)에서 연구된 극한 대설사례와 비교해 보았다(Table 2). 영동 뇌설 사례 구름덩어리의 최저 휘도온도는 -49.1°C로 낮고 -40°C 이하의 구름 크기는 약 15,000 km²으로 작았다. 또한 이 대류운이동한만 부근에서 발생하여 영동 해안을 따라 발달하는 특징을 보였다. 종관장 역시 500 hPa에서 기압골과 한기핵이 존재하며 강수가 발생하기 12시간 전과 비교하였을 때 500 hPa에 8°C의 기온 하강이 나타났다. 따라서대류성 강수와 관련된 특징은 영동 뇌설 사례와 다른 극한대설 사례에서 모두 비슷하게 나타났다. 그러나 지상부터 약 1,000 m 고도까지 나타나는 1~2시간에 2~4°C의 기온 하강과 기온 하강 후에 한기 영역에서 나타나는 강한 강수는 전선성 강수의 특징을 보인다. 또한 레이더 반사도 분포 분석에서 cell 모양으로 나타나는 다른 극한 대설 사례와 달리 영동 뇌설 사례에서는 동서 방향의 띠 모양 강수 에코가 관측되었다. 낙뢰 또한 강수 에코와 동일한 지점에서 관측되었다. 영동 뇌설 사례에서는 다른 극한 대설 사례와 다르게 한랭전선성 강수의 특징이 나타난다.

Table 2. Features of the thundersnow event on 20 January 2017 and the 3 extreme heavy snowfall events in Yeongdong region

5. 요약 및 결론

2017년 1월 20일 영동 뇌설 사례에서는 강수 초기 3시간 동안 20 cm 이상의 강한 강설이 영동 해안 지역에 나타났으며, 대설과 함께 낙뢰가 관측되었다. 이러한 강설은 대설 경보에 해당하는 일신적설 20 cm가 3시간 동안 나타났다는 것을 의미한다. 이 연구에서는 연직바람관측장비, 라디오미터 그리고 레윈존데 자료를 이용하여 영동 뇌설 사례에서 강한 강수가 나타나는 시기에 연직 바람과 기온의 특성을 분석하였다. 북강릉 지점에 강한 강수가 나타났을 때, 연직 바람을 조사한 결과 2~6km에 강한 북동풍(30~40 kts)이 관측되었고 1 km 이하에서는 20~30 kts의 북서풍 혹은 북풍이 관측되었다. 이때 약 4 km 부근의 대기 상층에서는 4~8°C의 기온 상승이 관측되었으며, 이로 인해 4~6 km 고도에서 -18°C km-1상의 기온 감률을 보이는 강한 대기불안정이 나타났다. 이러한 특징은 기존의 극한 대설 사례와 유사하게 발달한 대류운과 연관되어 있음을 나타낸다.

강한 강수 전에 지상부터 약 1 km 이하에서는 기온의 급격한 감소가 나타났으며, 이것은 북강릉 지점에서 AWS 지상 기온이 약 30분 동안 4°C 감소한 것과 잘 일치한다. 이러한 기온 감소는 부이 자료와 함께 분석하였을 때 동서 방향의 좁은 영역에서 나타남을 확인하였고, 레이더 에코와 낙뢰 분포 영역도 동일 위치에서 관측되었다. 이것은 다른 극한 대설 사례와 다르게 중위도 저기압의 한랭전선형 강수의 특징과 유사하게 나타남을 알 수 있다. 결과적으로 영동 뇌설 사례는 한랭전선형강수와 대류성 강수의 영향이 결합된 시스템으로 분석하였다. 이러한 결과는 3시간 간격의 레윈존데 관측과 라디오미터 기온 자료의 활용으로 발견되었다. 따라서 앞으로 극한 기상 현상의 연구를 위해서는 시간적으로그리고 공간적으로 높은 분해능의 연직 바람과 기온 자료의 분석이 절실히 요구된다.