The Generation of Westerly Waves by Sobaek Mountains

The westerly waves generation is described in the advanced earth science textbook used at high school as follows: as westerly wind approaches and blows over large mountains, the air flow shows wave motions in downwind side, which can be explained by the conservation of potential vorticity. However, there has been no case study showing the phenomena of the mesoscale westerly waves with observational data in the area of small mountains in Korea. And thus the wind speed and time persistency of westerly winds along with the width and length of mountains have never been studied to explain the generation of the westerly waves. As a first step, we assured the westerly waves generated in the downwind side of Sobaek mountains based on surface station wind data nearby. Furthermore, the critical or minimum wind velocity of the westerly wind over Sobaek mountains to generate the downwind wave were derived and calcuated tobe about $0.6m\;s^{-1}$ for Sobaek mountains, which means that the westerly waves could be generated in most cases of westerly blowing over the mountains. Using surface station data and 4-dimensional assimilation data of RDAPS (Regional Data Assimilation and Prediction System) provided by Korea Meteorological Agency, we also analyzed cases of westerly waves occurrence and life cycle in the downwind side of Sobaek mountains for a year of 2014. The westerly waves occurred in meso-${\beta}$ or -${\gamma}$ scales. The westerly waves generated by the mountains disappeared gradually with wind speed decreasing. The occurrence frequency of the vorticity with meso-${\beta}$ scale got to be higher when the stronger westerly wind blew. When we extended the spatial range of the analysis, phenomena of westerly waves were also observed in the downwind side of Yensan mountains in Northeastern China. Our current work will be a study material to help students understand the atmospheric phenomena perturbed by mountains.

소백산맥에 의한 서풍 파동 발생

등학교에서 사용되는 고급지구과학 교과서에서는 서풍이 대규모 산맥을 넘어갈 때 풍하측에 파동이 발생하는 현상을 개략적인 그림으로 제시하여 간략히 이론적으로만 설명하고 있다. 이 현상은 편서풍 파동 현상으로 산을 넘어가는 공기 기둥의 소용돌이도(잠재와도) 보존 이론으로 설명될 수 있다. 그러나 우리나라와 같이 소규모 산맥이 존재하는 지역에서 관측자료를 바탕으로 중규모 편서풍 파동 현상에 대한 사례 연구는 부재하였다. 또한 서풍에 의한 파동이 형성되는 조건인 산맥의 폭과 길이에 따라 서풍의 풍속, 지속시간을 명확히 규정한 선행연구는 미미하다. 따라서 본 연구에서는 우선적으로 소백산맥을 대상으로 근처의 지표 관측소에서 관측한 지역별 상세관측자료를 이용하여 파동이 실제로 형성되는 지 확인하였다. 또한 소백산맥에 의하여 지표 근처에서 서풍 파동이 생성되기 위한 서풍의 최저속도인 임계 속도를 이론적으로 유도하여, 대략 $0.6m\;s^{-1}$의 값을 구하였다. 더 나아가 기상청 2014년 지역예보모델의 4-차원 자료동화 자료를 추가하여 소백산맥 풍하측 서풍 파동 발생의 연중 빈도와 서풍 파동의 진행 발달과정을 고도별로 분석하였다. 발생한 서풍 파동은 meso-${\beta}$ 또는 -${\gamma}$ 규모였다. 파동의 생성 및 소멸은 풍속 또는 풍향과 밀접한 관계가 있으며, 풍속이 감소함에 따라 산맥에 의한 서풍 파동은 점차 소멸되었다. 서풍이 강할수록 상층에 meso-${\beta}$ 규모의 파장을 갖는 와도 생성 비율이 높았다. 분석 범위를 동아시아 권역으로 넓혔을 때 중국 동북부 옌산 산맥에서도 서풍 파동 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 유체지구에 대한 이론과 현상의 이해, 특히 우리나라 산맥에 의해 발생하는 대기의 파동 현상을 실제 관측 자료를 바탕으로 이해를 돕는 교육 자료로 활용될 수 있다.