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2 목차 1. 사례개요 / 개요 / 언론보도 / 주요기록 /05 2. 실황분석 / 일기도분석 / 위성분석 / 레이더분석 /35 3. 예측자료분석 / 수치예보모델특성분석 : 지역수치예보모델 (RDAPS) 와국지수치예보모델 (LDAPS) / 예측시간에따른예측결과분석 /51 4. 사례발생원인 / 종관및중규모기상환경 / 대기불안정 / 호우시스템발달과정 / 호우발생의역학및열역학적원인 /70 5. 사전예측을위한검토자료 / 일기도 / 위성 / 레이더 / 수치모델 / 이번사례가다른사례와구별되는특성 / 향후예보를위한점검사항 /100 참고문헌 /102

3 1 사례개요 1.1. 개요 1.2. 언론보도 1.3. 주요기록

4 1. 사례개요 1.1. 개요 2010 년추석연휴시작일인 9 월 21 일서울 경기도에집중호우가발생하여광화문일대가잠 기고지하철운행이중단되었으며, 중심가도로및주택침수등큰피해가발생하였다. 9 월 21 일강수량분포 21 일 13 시레이더영상 이날서울에내린 259.5mm의비는서울의 9월평균강수량인 170mm의 1.5배에이르는정도로서, 9월하순일강수량으로는 1907년관측시작이래가장많은비가내린것으로기록되었다. 이번호우는대부분의강수가오후시간에만 (12~18시) 집중되어강수강도가매우강해도심의침수피해가많이발생하였고사망 2명, 593억원의재산피해를입었다. 서울관측소에선 21일 259.5mm를기록하여관측이래 9월일최다강수량 2위기록을경신하였으며, 영월 (153.0mm) 은관측이래 9월일최다강수량 1위기록을경신하였다. 경기도이천은 1시간최다강수량 98.0mm를기록하여관측이래최고기록을경신하였다. 단시간에하수배수관이감당할수없는양의비가내릴때발생하는도심홍수의특징을잘보여준사례로서, 일반적으로서울시의하수처리능력은시간당 75mm 정도로, 이를초과하는양의비가내릴경우도심홍수가발생하므로단시간집중호우의사전예측의중요성을보여준사례였다. 03

5 1. 사례개요 1.2. 언론보도 (a) 9 월 21 일강수량분포 (b) 21 일 13 시레이더영상 21 일오후서울지역에내린국지성집중호우로지하철과국철도곳곳에서운행이중단되거나무정차로통과 ( 출처 : 연합뉴스 ) 물흘러들어가는광화문역지하도 ( 출처 : 연합뉴스 ) 21 일쏟아진집중호우로침수된신길역환승통로 ( 출처 : 동아일보 ) 04

6 1. 사례개요 집중호우사례 1.3. 주요기록 1시간최다강수량 (mm) 극값경신 지점명 경신값 종전기록 1위극값 관측개시일 이천 98.0 (1위) 69.0 ( ) 영월 62.5 (2위) 51.5 ( ) 76.0 ( ) 제천 64.0 (3위) 64.0 ( ) 92.5 ( ) 월일최다강수량 (mm) 극값경신 지점명 경신값 종전기록 1위극값 관측개시일 서울 (2위) ( ) ( ) 원주 (2위) ( ) ( ) 영월 (1위) 97.0 ( ) 양평 (3위) ( ) ( ) 제천 (2위) ( ) ( )

7 2 실황분석 2.1. 일기도분석 2.2. 위성분석 2.3. 레이더분석

8 2. 실황분석 2.1. 일기도분석 일기도및관측자료분석개요 한반도에서의집중호우는보통 1뚜렷한경압또는열적불안정과같은강한종관규모강제력을동반하는중위도저기압혹은장마전선의영향, 2태풍과같은열대성저기압의한반도직 간접영향, 3장마종료이후북태평양고기압가장자리에서발생하는열적불안정혹은대류잠재불안정에의해좁은지역에서중규모대류계 (MCSs) 로불리는강한대류활동에동반되어발생한다. 3가지형태의중규모대류계에동반된집중호우중에서기억에남는집중호우사례들은태풍 루사 와같은열대성저기압에동반된집중호우나장마전선활동에의한집중호우사례들도있겠지만, 예보관들을가장힘들게하는집중호우사례는아주좁은지역에돌발적으로일시에많은비를내려홍수와산사태를일으키고, 이로인해많은인명피해가발생하여국민적인관심과비판이집중되는사례이다. 돌발적인집중호우현상은특히 1990년대중반이후크게증가하였는데, 1996년철원 연천지역, 1998년지리산, 2010년수도권, 2012년우면산등의집중호우는많은인명피해와재산피해를발생시킨대표적인천재지변급집중호우로기억된다. 그렇다면앞에서언급된이들집중호우의사례들의공통점은무엇일까? 최근수치예보예측성능의향상, 기상위성등관측시스템의발달로장마전선이나태풍에동반된집중호우는길게는 72시간늦어도 24시간전에는그발생가능성과발생지역, 예상강수량도매우높은신뢰도로예보할수있을정도로예보능력이향상되었다. 그러나서해상이나서해안부근에서갑자기발생하여매우좁은지역에집중호우를발생시키는경우는 72시간전은고사하고 12시간전에도발생지역이나예상강수량을정확하게예측하기어려운것이현실이기때문에여전히예보관들을괴롭히는존재로남아있다. 그렇지만이러한집중호우사례들모두발생가능성조차예측불가능한것은아니다. 결국예보관들에게제공되는다양한분석및예측자료들을통해서예보관들이얼마나많은유용한정보를확보하고이를예보에반영할수있는가, 그리고얼마나빠르게상황에대처할수있는가하는것이집중호우예보의핵심키라고할수있다. 따라서예보관들은먼저일기도와관측자료들로부터집중호우와관련된적절한시그널들을찾아내는능력을구비해야한다. 08

9 2. 실황분석 그림 2.1.1은 2012년기상청에서발간한 최근 20년사례에서배우다집중호우 Top 10 에서제시된 2010년 9월 21일수도권집중호우발생원인을나타낸간단한모식도이다. 몽골지방에중심을두고있는차갑고건조한대륙고기압이한반도북부지방까지그영향을확대하고있고, 대륙고기압에비해서상대적으로습윤하고따뜻한북태평양고기압이한반도를향해서확장하고있다. 이두개의기단이한반도중부지방에서균형을이루고충돌하면서서울지역을중심으로정체전선이형성되었고, 정체전선주변의불안정구역에서중규모대류계 (MCSs) 가발생하였다. [ 그림 2.1.1] 2010 년 9 월 21 일수도권집중호모식도 이모식도는중규모대류계와관련된대류성스톰들은좁은밴드형으로발달하면서오랜시간동안지속되었는데주요한에너지공급원이북태평양고기압가장자리를따라형성된하층제트를따라중국남부에상륙한열대저압부와괌북쪽해상에서북서진하는제 12호태풍말라카스로부터공급된수증기였다는사실을잘보여주고있다. 그렇지만이러한간단하게보이는모식도도쉽게만들어진것이아니다. 대기하층, 상층의기압배치와기류의흐름등을종합적으로분석하고, 3차원적으로개념화하여간단한그림으로구체화하는복잡한과정을거쳐야한다. 지금부터 2010 년 9 월 21 일수도권집중호우사례에대한상하층대기의구조와집중호우의발 생원인을분석일기도를통해살펴본다. 09

10 2. 실황분석 집중호우사례 지상및하층일기도분석 그림 2.1.2는집중호우발생전일 12UTC와실제로중규모대류계에의한집중호우가시작된 9월 21일 00UTC 지상분석일기도를보여준다. 일반적으로 9월하순으로접어드는시기에는북태평양고기압의세력이크게줄어드는반면, 대륙고기압은아직까지제대로발달하지못하는상태이기때문에주로이동성고기압의영향을받는다. 그런데 2010년수도권집중호우사례에서는특이한형태의지상기압배치가나타나고있다. 9월 20일 12UTC 지상일기도를살펴보면북태평양고기압의중심이북위 30 부근에위치하면서고기압가장자리가한반도남부지방까지확장되어있고, 습윤구역 ( 초록색선 ) 이남부지방까지확장되어있다. 또한서해상으로는약한저기압중심이발생하여한반도부근으로이동하고있으며, 이저기압과고기압가장자리를따라남서기류가한반도로유입되면서수증기의공급에유리한조건이형성되어있다. 또한하늘상태를보면북한, 한만국경및중국북부를따라하늘이완전히차폐되어 15 에서 20 미만의기온분포를보이고있는반면, 한반도남부지역은구름이거의나타나고있지않으며, 야간임에도불구하고남한지역으로는영상 25 이상의열대야가나타나고있다. 이러한큰남북온도경도와구름의덮임차이는한반도남부와북부사이에뚜렷한종관규모경계 (Boundary) 가형성되어있는모습을잘보여주고있으며, 이러한경계의존재는지상기압계의발달여부에따라중규모대류불안정의형성과중규모대류계의발생에매우유리한종관환경을제공하고있다. 9 월 21 일 00UTC 일기도에서는여러가지드라마틱한변화가나타나고있다. 먼저북태평양고기압세력은열대성폭풍에서열대저압부로발달하고있는 12 호태풍말라카스 [ 그림 2.1.2] 2010 년 9 월 20 일 12UTC( 좌 ), 9 월 21 일 00UTC( 우 ) 지상일기도 10

11 2. 실황분석 의북상에따라 12 시간전에비해서가장자리가한반도중부까지북상하였고, 이에동반되어습 윤한공기의경계또한북한남부지역까지확대되고있다. 이러한북태평양고기압의확장과아 울러시베리아에중심을두고있는대륙성고기압의확장이매우뚜렷하게나타나고있다. 전일북경북쪽에위치한기압골의영향으로남쪽으로의확장이제한되었던대륙성고기압이 21 일 00UTC에는중심이북위 50 N 부근까지남하하면서산둥반도에서옹진반도에이르는지역에서강한남북기압경도력을형성하고있다. 이에따라한반도중부지방을중심으로북쪽에는차갑고건조한대륙성기단에의해서강한남북기압경도력과온도경도를가지는경압불안정구역이발달하고있는반면, 한반도남부지방에는온난습윤한북태평양기단에의한강한대류불안정을동반한잠재불안정구역이형성되고있다. 이러한뚜렷한성질차이를가지는기단이집중호우가발생한한반도중부지방에서만나종관규모경계를만들고, 전일야간에서해안에서발생했던기압골은더욱발달하여뚜렷한정체전선을형성한다. 위성사진을보면이정체전선을따라강한중규모대류계에동반된대류운들이발달하고있다. 장마전선을포함한정체전선은대기최하층에서의뚜렷한남북온도차이보다는뚜렷한습기차이에의해서발달하고유지되면서강한대류불안정을형성한다는일반적인상식이일기도에서잘나타나고있다. 이러한일기도패턴에서중규모대류계가발생하면지속적인수증기공급과불안정이유지되어그후방으로연속적인강한대류성구름들이발생하는후방발달 (Back-building) 형태의전파 (Propagation) 패턴으로발달한다. 후방전파패턴을따르는중규모대류계는선형으로발전하여정체되는것이일반적인데, 위성영상과레이더영상분석에서도그형태가잘나타난다. 지상일기도분석을통해서찾을수있었던 2010년 9월 21일수도권집중호우사례의특이한점은종관기압계가 9월중순의정상적인패턴과명확하게다르다는것이다. 먼저북태평양고기압이비정상적으로발달하여그경계가한반도중부지방까지북상하는전형적인여름철기압배치를나타낸다. 그리고대륙고기압도비정상적으로발달하여그경계가한반도중부지방까지확장되었다. 만약예보관들이이러한특별한기압배치의차이와같은종관규모시그널을정확하게인지하지못했다면비록저기압이한반도를통과할것으로예상한다고하더라도여름철집중호우와비슷한시간당 50mm 이상의강수량을예측하기는불가능했을것이다. 11

12 2. 실황분석 집중호우사례 그림 2.1.3은 9월 20일 12UTC와 21일 00UTC 925hPa 분석일기도이다. 925hPa 고도는하계집중호우예보에있어서하층에서의지속적인수증기및열에너지공급과대류잠재불안정구역의판단에주로활용한다. 9월 20일 12UTC 925hPa 분석일기도에서한반도는남쪽에서확장하는북태평양고기압과대륙에중심을두고있는대륙성고기압그리고오호츠크해기단과중국양자강기단사이의안장부에위치한다. 한반도서쪽으로는약한남서기류에동반된수증기가공급되고있으며, 중국남부로상륙한열대저압부로부터북동쪽으로온난구역이한반도방향으로발달하고있다. 한반도가안장부상에놓이면뚜렷한지배세력이없어한반도주변에상대적으로큰종관규모불안정이형성되는데유리하다. [ 그림 2.1.3] 2010 년 9 월 20 일 12UTC( 상 ), 9 월 21 일 00UTC( 하 ) 925hPa 분석일기도 9 월 21 일 00UTC 일기도에서특 징적으로보이는것은수증기와 열에너지의공급이한반도중부지 방으로집중되고, 남북온도경도 가크게확대되어대류불안정이더욱증가하여중규모대류계의발생과발달에매우유리한조건 을제공한다는점이다. 전일야간에상대적으로약하게형성되어있던온난구역이중국동부해안 까지확대 ( 붉은색 W) 되었고한반도서해안의남서기류도약 15m/s 로강화되어있으며, 수증기 가아주좁고긴형태로발달하면서한반도중부지방으로유입되고있다. 또한전일야간한반도 남부지방으로 21 등온선이북부지방으로는 18 등온선이지나가고있었는데, 21 일 00UTC 에는 21 등온선이북태평양고기압의북상과함께약간북쪽으로이동한반면, 전일야간몽골 부근에위치했던 12 등온선이대륙고기압의확장과함께빠르게남하하여한반도북부에위 치하면서남북온도경도가 3 /500km 에서 9 /500km 로 3 배이상강화되고있다. 12

13 2. 실황분석 시베리아기단이지배하는겨울철과달리여름철에는일반적인경우한반도에서의남북온도경도가 2 /500km를거의넘지않는점을감안하면 21일 00UTC의 9 /500km는비정상적으로높은값이다. 흔히전선 (Front) 을기단과기단사이의물리적불연속선으로정의하지만, 대기역학에서전선은제트기류 (Jet Stream) 와마찬가지로남북온도경도와수증기경도가밀집되는지역으로정의하고이러한현상이발생하는지역을전선발생 (Frontogenesis) 이라고부르는데, 925hPa 분석일기도에서한반도중부지방에서강한전선발생구역이형성되고있음을알수있다. 수증기영상에서의암역 ( 하강기류 ) 이북태평양고기압가장자리와대륙고기압전면에서뚜렷하게나타나는데, 이러한하강기류영역에서강제적으로하강한공기가수증기와열에너지가모이는중국산둥반도와한반도중부지방에상승운동을만들면서강한대류활동이발생하는데크게도움을준것으로판단할수있다. 925hPa 분석일기도에서는강한온난이류에동반된지속적인수증기공급, 남북온도경도강화 에따른전선발생구역의형성으로지상에서발생한정체전선상부에서강한상승운동과대류잠 재불안정구역이형성되고있음을잘보여준다. 13

14 2. 실황분석 집중호우사례 그림 2.1.4는 9월 20일 12UTC와 21일 00UTC 850hPa 분석일기도이다. 850hPa 분석일기도에서도앞선 925hPa 분석일기도처럼종관규모특성들이잘표현되어있다. 중규모대류계발생및발달기인 21일 00UTC에접근할수록대륙에서발달하는상대적으로차갑고건조한대륙고기압의영역이몽골지방에서한반도방향으로확장되면서, 북쪽으로확장하는온난하고습윤한북태평양고기압의가장자리와균형을이루면서한반도중부지방으로강한남북온도경도와수증기경도를만들어내고있다. 850hPa 분석일기도에서주목해 야할것은하층제트 (LLJ; Low- Level Jet) 의발생과한반도북동 쪽오호츠크해에중심을둔기압 골의발달이다. 중규모대류계가 발생하기전날인 20 일 12UTC 850hPa 분석일기도에서는북태 평양고기압의가장자리를따라 한반도로불어오는남서기류의강 도가 5~10m/s 정도로하층제트 의기준 ( 절대적인기준은아니지 만, 보통 25kts(12.5m/s) 이상의 등풍속선을가지는좁은강풍속 띠를하층제트로규정 ) 에는미치 지못하는수준이었으나, 21 일 00UTC 에는풍속이 10~15m/s 로증가하고그끝단이한반도중 부를향해위치한다. 또한이지역과강한온도및습도경도지역이일치하면서강제상승을만 들어낸다. 그리고주목해야할것은상대적으로한랭하면서습윤한오호츠크기단의확장으로 인해한반도주변에는대륙고기압과북태평양고기압의경계와오호츠크기단과북태평양기단 의경계가동시에형성되고있다는것이다. [ 그림 2.1.4] 2010 년 9 월 20 일 12UTC( 상 ), 9 월 21 일 00UTC( 하 ) 850hPa 분석일기도 14

15 2. 실황분석 북동쪽에중심을둔온도골 (Thermal Trough) 의존재는한반도집중호우발생에있어서매우중요한역할을한다. 상대적으로차갑고밀도가높은공기가한반도북동쪽으로부터확장하는상태에서상대적으로따뜻하고수증기도많아밀도가낮은공기가한반도남서쪽으로부터유입되면이공기는자연스럽게강제단열상승하게되고수평운동이연직운동으로전환하여유지되면서이부근에강한조건부대류잠재불안정을형성하게된다. 21일 00UTC 850hPa 분석일기도를보면중규모대류계가발달하고있는한반도중부지방의남서쪽에서는강한온난이류가북동쪽으로한랭공기의확장이이루어지면서이지역에서강제상승운동이강하게유지되고있다. 이러한분석은등온위면일기도분석을통해서더욱잘표현되고있다 ( 부록발표자료참조 ). 850hPa 고도분석일기도를통해서는 925hPa 분석일기도에서보였던종관규모강제력과전선발생에유리한조건이외에도하층제트, 공기의강제단열상승에의한연직운동발달패턴이한반도중부지방을중심으로형성되면서중규모대류계의발생과지속적인발달에큰도움을주는환경을제공하고있었다. 15

16 2. 실황분석 집중호우사례 중상층일기도분석 그림 2.1.5는 9월 20일 12UTC와 21일 00UTC 700hPa 분석일기도이다. 700hPa 고도는행성경계층에서의일사나마찰의영향을거의받지않으면서동시에상층의편서풍대의영향도거의받지않기때문에기단의경계를판단하는데매우중요한정보를제공한다. 따라서지상일기도에비해서형태가매우간략하고상층기압골과기압능의위치를판단하는데유리하며중층운구름대의위치와역할을확인하는데좋은정보를제공한다. 20일 12UTC 일기도에서한반도는북태평양고기압의가장자리에위치하고있으며전체적으로는기압능에위치하고있다. 아울러대부분의한반도북부지방과한만국경을중심으로습윤구역이위치하면서우리나라에중층운성구름들이지속유입되고있는위성영상과잘일치한다. [ 그림 2.1.5] 2010 년 9 월 20 일 12UTC( 상 ), 9 월 21 일 00UTC( 하 ) 700hPa 분석일기도 중층운구름이존재하여일사의 영향을받지않는지역과구름이 존재하지않는지역의경계가기 단의경계와일치하면수증기영 상에서중층운분포지역의남쪽 의암역 ( 하강기류 ) 전면에서강한 중규모대류계가발생하게되는데 이러한조건에잘만족하고있음 을알수있다. 21 일 00UTC 일기 도에서는한반도남부지방까지북태평양고기압이빠르게확장하면서기류가서풍으로전환되고 있으며, 고기압가장자리를따라온난구역이존재하면서상대적으로온난이류가한반도남부지 16

17 2. 실황분석 방으로유입되고있다. 대기하층의바람방향이남풍에서남서풍인점을감안할때대기중층의전초에해당하는 700hPa 고도에서의서풍으로의전환은전체적으로바람이순전 (Veering) 하고있음을의미하며 ( 예보관훈련교재대기역학 5장 4절그림 5.8 참조 ) 이러한형태의연직시어는기단경계를따라발생한중규모대류계의조직적인발달과유지에크게도움을준다. 850hPa 분석일기도와마찬가지로북태평양고기압의확장과대륙고기압의확장에서기인한강한남북온도경도에따른전선발생구역이한만국경부근에형성되어있어서전체종관규모시스템이남동쪽에서북서쪽으로기울어짐에따라경압불안정이한반도중북부지방에강화되고있다 ( 예보관훈련교재대기역학 12장 3절그림 12.6 참조 ). 또한오호츠크해에중심을둔저기압에서기인한상층기압골이발달하고한반도주변에서 3개의기단이충돌하면서강한조건부대류잠재불안정구역을형성하고있다. 습윤구역도전시간에비해서매우뚜렷하게좁아지면서한만국경지역으로강화되고있는데, 이 습윤구역의바로남쪽에하강기류가강화되면서한반도남부지방의하강기류와합쳐져풍선효과 로인해한반도중부지방에서의상승운동이상대적으로강화되고있다. 17

18 2. 실황분석 집중호우사례 그림 2.1.6은 20일 12UTC와 21일 00UTC 500hPa 분석일기도이다. 여름철집중호우예보에있어서 500hPa 일기도는북태평양고기압주변의불안정구역의위치와강도를해석하는데좋은정보를제공한다. 보통여름철장마전선은 500hPa 5820gpm 선을따라형성되는하층의습기불연속선이남북으로진동하면서오랜기간동안영향을미친다. 기후학적으로장마가종료된이후 8월말까지한반도는북태평양고기압의영향권에들어가면서 5880gpm 선과 5820gpm 선사이에서강한대류불안정이형성되게되는데, 고기압의중심으로갈수록강한하강기류가존재한다는점에서상대적으로 5880gpm 선과 5820gpm 선사이의폭이좁아지면이는곧등온위면의경사가급해지면서상대적인상승운동으로인한대류잠재불안정구역이강화되어강한중규모대류계의발생가능성이매우높아짐을의미하게된다. 20일 12UTC에한반도북부지방으로는 5820gpm 선이지나가고남부지방으로는 5880gpm 선이지나가면서비교적좁은지역에대류불안정구역이형성되고있다. 그리고한반도중북부지방대부분이 -5 보다낮은지역에위치하고있으며, 상대적으로온난한 0 등온선을가진온난구역이산둥반도지역에위치하고있다. 그런데 21일 00UTC가되면 5820gpm 선은거의그자리에머물러있는반면북태평양고기압중심이남해안부근까지확장하면서 5880gpm 선이한반도중부지방까지북상하게되어아주좁은지역에기압경도력이강화되게되고, 강제상승에의한대류잠재불안정정도가강화된다. 또한우리나라중북부지방까지남하했던 -5 등온선이북태평양기단의확장과함께한만국경부근까지밀려올라가면서한반도대부분의 [ 그림 2.1.6] 2010 년 9 월 20 일 12UTC( 상 ), 9 월 21 일 00UTC( 하 ) 500hPa 분석일기도 18

19 2. 실황분석 지역은 0 부근의기온분포를보인다. 이러한등고도선배치와온도배치는중규모대류계의유 지와발달예측에중요한시그널을제공한다. 등고선이동서로가로지르면서좁아지게되면이에따라상층의동서기류가강화되게되고강화된동서기류는하층에서수렴된수증기와공기가상층발산구역으로전달되는데중요한상대와도의발달을유도한다. 이러한종관규모환경은이미발생한중규모대류계의지속적인발달과유지에중요한역할을수행하게된다. 일반적인저기압의경우에는대기하층에서대기상층까지기압골이동에서서쪽으로기울어져강한경압불안정을동반하면서발달하는형태를보이지만, 대부분의중규모대류계에동반된집중호우는대기하층에는기압골이나안장부가형성되지만대기중층이상에서는동서기류는강하면서동시에대류불안정구역이좁아지는형태를가진다. 등온선의변화도주목해야한다. 기후학적으로 9월하순경에는 500hPa 고도에서는한반도상공에 -10 에서 -15 의등온선이통과하는것이정상적인패턴이라고할수있다. 그런데이사례의경우에는대륙고기압에비해서키가큰고기압인북태평양고기압의비정상적인확장으로인해빙결고도 (Freezing Level) 가여름철과비슷한 500hPa 고도까지높아져있음을알수있다. 이렇게상층까지따뜻한공기가배치된상태에서는보통중규모대류계내부의온도가외부의온도에비해서상대적으로높다. 따라서중규모대류계에동반되어내리는강수현상이대부분충돌 병합에의해수적들이성장하기때문에짧은시간에많은강수량을기록할수있는 ' 따뜻한비 (Warm Rain)' 과정을통해서이루어진다. 따뜻한비과정은강수효율을증가시키는데중요한역할을한다. 결론적으로 500hPa 일기도에서는중규모대류계의발생에필요한좁은잠재불안정구역의확인과중규모대류계의발달과유지에필수적인강한동서기류의존재, 높은강수효율을가지는따뜻한비과정에따라중규모대류계에의한집중호우발생가능성에대한시그널들을확인할수있다. 19

20 2. 실황분석 집중호우사례 그림 은 20 일 12UTC 와 21 일 00UTC 200hPa 분석일기도이다. 여름철에는대류권계면고 도가약 15km 고도까지발달하기때문에 300hPa 보다는 200hPa 이상고도의제트기류위치와 등풍속선및등고도선을분석하는것이예보에유리하다. 20일 12UTC에는한반도가북서기류의영향권에놓여있다. 따라서한반도상공에서는상층발산역보다는하강역이발생할가능성이높다. 그런데 21일 00UTC에는한반도상층의기압배치가크게변화한다. 먼저북위 50 N을지나던제트기류의축이북위 45 N 부근까지하강하고, 등고도선배치의변화에따라한반도주변의기류가북서기류에서서풍기류로바뀌면서풍속도점차강화된다. 이것은한반도상공에서제트기류에의한발산역이형성되기시작하고상층동서기류의강화에의해서하층수렴과상층발산이서로커플링되기시작하였다는것을의미한다. 비록일반적인강한중위도기압골에비해서경압불안정의강도는약하지만, 하층과상층의상호작용에의해서중규모대류계가발생하면지속적인발달과유지에유리하게작용하였음을의미한다. [ 그림 2.1.7] 2010 년 9 월 20 일 12UTC( 상 ), 9 월 21 일 00UTC( 하 ) 200hPa 분석일기도 한반도주변하층과상층일기도분석을통해서대기하층에서집중호우사례발생시기에접근할수록중규모대류계에의한집중호우발생과유지에필수적인수증기와온난이류그리고대류불안정을강화시키는종관규모강제력이뚜렷하게강화되기시작한다. 대기중 상층에서는집중호우시간에가까워질수록하층의방아쇠작용들에의해서발생한중규모대류계가더욱발달하고유지되는데유리한종관규모대류잠재불안정과상층발산이점차강화되는데이는집중호우자체를유도한중규모대류계가종관규모강제력의영향에의해발생한것임을의미한다. 20

21 2. 실황분석 단열선도분석 단열선도는특정한지점에서의대기의연직구조와대기불안정정도를파악하는데유용하게활 용되는분석자료이다. 2010년 9월 21일단열선도에서지상에서부터 700hPa 고도까지많은수증기가유입되면서상대습도가 90% 를넘고 500hPa 고도까지고려할때도 70% 이상의상대습도를보여비교적풍부한수증기가하층의남서기류를타고한반도중부지방으로유입되고있다. 가강수량 (PW; Precipitable Water) 은대기하층에서최상부까지공기기둥에포함되어있는수증기전체가물로응결되었을때내릴수있는총강수량을의미한다. 가강수량은시간당강수량을말하는강수효율과총강수량을평가하는데매우유용하다. 기후학적으로지구평균값은약 26mm이다. [ 그림 2.1.8] 2010 년 9 월 20 일 18UTC( 청색 ), 9 월 21 일 00UTC( 적색 ) 오산단열선도 21 9월 21일집중호우사례에서관측된가강수량값은 20일 18UTC 45mm, 21일 00UTC 47mm의값을기록하였다. 일반적으로 40mm가중위도에서의충분히집중호우를유도할수있는기준값으로제시되는점을감안할때매우높은값이다. 비록라디오존데관측이정해진시간과제한된지역에서의순간적인관측값일지라도일정한시간동안 45mm 이상의값이나타났다는것은제한된지역에시간당 50mm 이상의강한집중호우가발생할수있었으며, 중규모대류계가지속되는동안계속해서비슷한수준의강수효율을유지할수있었고, 결과적으로 200mm 이상의총강수량을기록하게하는데크게일조한것이다.

22 2. 실황분석 집중호우사례 단열선도에서또하나주목해야할것은상승응결고도 (LCL) 와자유대류고도 (LFC) 의높이이다. 온도와노점온도의연직프로파일구조에따라서상승응결고도와자유대류고도가이번사례와같이큰차이를보이는경우도있겠지만, 상승응결고도와자유대류고도의높이가대기권하부에수백m 이하에위치한다는것은아주작은강제상승에도충분히응결이발생할수있고, 응결된수증기에서방출되는잠열의영향으로주변공기보다상대적으로온난한공기덩어리가지속적인상승운동을만들어낼수있었다는것을의미한다. 이와함께다양한불안정지수들을통해얼마나중규모대류계를발생시키는주변공기의불안정도가컸었는지확인할수있다. 보통의경우대류가용잠재에너지 (CAPE; Convective Available Potential Energy) 는열적불안정도를나타내는대표적인지수로서, 9월 21일집중호우의경우에는 CAPE가 100J/kg에도못미치는아주낮은값이관측되었다. 이것은흔히장마철이후부터 8월말까지북태평양고기압가장자리에서발생하는중규모대류계에의한집중호우사례들에서 CAPE 값이평균 1,500J/kg 이상의값을가지는것에비해서매우낮은값으로, 이사례가강한일사에의한잠재불안정보다는주변종관규모불안정에의한역학적대류잠재불안정에기인한것이라는것을의미한다. 이러한상황에서주목받는불안정도지수가 Lifted Index(LI) 와 K-Index(KI) 이다. 500hPa 고도의주변공기와지표면에서 500hPa 고도까지건조단열상승한공기가가지게되는온도와의차이를나타내는 LI 값은음의값을가질때공기덩어리의온도가상대적으로높기때문에지속적인상승운동을가질수있다는점에서강한뇌우발생가능성을나타내는데, 본사례에서는음의값은가지지못했지만 0에가까운값을보였다는점에서중립적인수준이었음을알수있다. 반면 KI 값은대기하층과중층의온도와노점온도들을활용하기때문에단순한온도프로파일뿐만아니라수증기의존재에따라값의변화가크게나타날수있다. 보통의경우 20 이상의값을가지면독립적인뇌우발생가능성이높고, 40 이상의값이면뇌우발생가능성이 100% 에도달하며, 보통중규모대류계의지속적인발생과유지를위해서는 30 이상의값이필요한것으로알려져있다. 9 월 21 일수도권집중호우사례의경우 KI 값이지속적으로 30 이상의값이관측되어중규모대 류계에의한집중호우발생에매우유리한조건이었다. 22

23 2. 실황분석 2.2. 위성분석 개요 천리안과같은정지궤도기상위성의최대장점은관측주기가 1 시간에 8 회정도로매우짧아서중 규모대류계와같이짧은시간내에국지적인규모로발달하는악기상을실시간으로감시하고나 아가초단기예측의기본자료를제공할수있다는점이다. 천리안과같은대부분의정지궤도기상위성에는가시, 적외 1, 2, 수증기그리고단파적외채널센서가탑재되어있다. 현재가장앞서가는유럽의 MSG/MTG(Meteosat Second/Third Generation) 에는 12 채널의 SEVIRI(Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) 가탑재되어있으며 ( 미국 (GOES-R) 과일본그리고우리나라정지궤도기상위성 2호에는 16개채널을갖는 ABI(Advanced Baseline Imager) 가탑재될예정이다. ( 미국이나유럽등위성및초단기예보분야선진국에서는정지궤도위성들이갖는이러한장점과레이더그리고수치모델자료들을통합적으로이용하여강우강도추정에서부터 1~3시간의초단기예측을위한다양한시스템들을개발하여현업운용중이다 (Vincente et al., 1988; Huffman et al., 1997; Roberts and Rutledge, 2003; Scofield et al., 2003; Koenig and de Coning,2008; Sieglaff et al., 2011). 정지궤도위성자료로부터강수추정은대부분적외영상의휘도온도자료를이용하며대류시스템탐지또한적외채널휘도온도의시공간적변화율을이용한다 (Vincente et al., 1988; Huffman et al., 1997; Suh et al., 2004; Sieglaff et al., 2011). 그결과두꺼운권운이나고층운그리고강한대류계가발달함에따라대류권계면고도에서편서풍의영향으로풍하쪽에광범위하게분포하는모루운등과같이휘도온도가낮으면서도강수를유발하지않거나강수를유발하여도약한강수를유발하는경우에는강수추정및대류탐지수준이낮게된다. 또한위성자료만을이용할경우대부분의경우대류탐지선행시간이 1시간이내로짧은것으로알려지고있다 ( 예 : Sieglaff et al., 2011). 특히, 상층에권운이있거나대류시스템이연속적으로발생할경우탐지수준이더욱낮은것으로알려지고있다. 최근에는구름이없는환경에서도상층수증기분포에서부터중-상층대기의 3차원구조와흐름에대한정보를제공해주는수증기채널을이용하여암역, 상층제트, 잠재와도이상 (Potential Vorticity Anomaly), 경계 (Boundary) 등을분석하고이로부터전선등다양한종관및중규모현상들의발생및발달에대한정보를취득한다 ( 국가기상위성센터, 2012; Roberts and Rutledge, 2003; Brunner et al., 2007; Sieglaff et al., 2011; Cintineo et al., 2013; _vapor_imagery_analysis_for_severe_weather/). 여기서는천리안과일본의 MTSAT-1R 자료를이용하여최근남한지역에집중호우와폭설을유발시켰던중규모대류계의특성을분석한다. 23

24 2. 실황분석 집중호우사례 국가기상위성센터에서는천리안외에도일본의 MTSAT-2, 중국의 FY-2D 그리고 Terra/Aqua 등정지및극궤도위성자료를수신하여기본적인영상자료외에도해수면온도, 바람장, 운량, 운 정온도, 운형, 운상, 가강수량, 안개, 황사, 태풍중심등다양한산출물자료를제공하고있다. 국가기상위성센터에서제공하는자료들을최대한많이이용하여기상현상을분석하는것이필요 하지만여기서는중규모대류계현상의분석과예보에중요한것으로판단되는적외영상, 적외강 조영상, 수증기그리고합성영상을중심으로설명한다. 24

25 2. 실황분석 대류세포발생전후위성영상의특성 대류세포발생전위성영상의특징을파악하기위해대류세포발생 3시간전인 2010년 9월 21일 0100KST부터 0333KST까지한반도와동아시아지역의적외영상과수증기영상을분석하였다. 적외영상그림 2.2.1(a) 와그림 2.2.2(a) 에서서해상과남해안곳곳에하층운들이존재하고있으며시간이지남에따라고기압성순환을보이면서시스템들이동진하고있다. 또한산둥반도근방의하층운들이회색에서점차밝아지는것으로보아서서히발달하 (a.1) IR1-0100KST (b.1) WV-0100KST 기시작한것으로판단된다. 수증기영상인그림 2.2.1(b) 와그림 2.2.2(b) 에서서해상과한반도주변에광범위하게상층에수증기가존재하고있으며발해만에서평안도를잇는강한암역이존재한다. 시간이지남에따라암역이남동진하여동해상까지확장하고강화되었으며서해상을중심으로대기의중 상층에고기압성순환이나타났다. 적외영상에서서해상에하층운의존재와, 수증기영상에서서해상의상층에수증기의존재를알수있었으며이두영상을통하여대기의하층부터중 상층까지다량의수증기가존재하는것을알수있다. 또그후면으로암역이다가오면서하강하여전방의상승역을유도할가능성이있는것으로판단된다. (a.2) IR1-0200KST (a.3) IR1-0333KST (b.2) WV-0200KST (b.3) WV-0333KST [ 그림 2.2.1] 대류세포발생전한반도영역의 (a) 적외영상 (b) 수증기영상 25

26 2. 실황분석 집중호우사례 적외영상과수증기영상을이용하여제트기류, 대기중 상층의기압능또는기압골, 대기시스템의이동방향등에대한정보를얻을수있지만수증기영상에서암역의암화를통하여건조공기의침강에대한정보외에대류세포의발생위치와시각과관련된뚜렷한특징은사전에찾을수없다. 다만하강기류의가장자리건조역이북동진하는전면상승기류쪽에서대류셀이발달한것을알수있었다. (a.1) IR1-0100KST (b.1) WV-0100KST (a.2) IR1-0200KST (b.2) WV-0200KST (a.3) IR1-0333KST (b.3) WV-0333KST [ 그림 2.2.2] 대류세포발생전동아시아영역의 (a) 적외영상과 (b) 수증기영상 26

27 2. 실황분석 대류세포발생후위성영상의특징을파악하기위해대류세포가생성된후동진하여경기만부근 으로들어오기전인 2010 년 9 월 21 일 0433KST 부터 0833KST 까지한반도영역의적외영상과 수증기영상을분석하였다. 적외영상그림 2.2.3(a) 에서서해상과한반도내륙지방에광범위하게하층운이존재하는것을볼수있으며산둥반도에서 2개의대류세포가생성된것을확인할수있다. 시간이지남에따라대류세포는동진하며후방에있던대류세포는 0633KST에소멸되었으나전방에있던대류세포는발생후부터 0733KST까지급격하게발달하였다. 동시에그전방에새로운대류세포가생성되었다. 그후두대류세포는계속해서동진하면서발달하여그크기가증가하였으며 0833KST에두대류세포가합쳐지며병합하였다. 이사례에서적외영상을보았을때 3개의대류세포모두하층운이존재하는곳에서생성되는것을확인할수있었다. 수증기영상그림2.2.3(b) 에서초기 2개의대류세포는명역과암역의경계 (Boundary) 에서생성되었다. 한반도중부지역상층에서대류세포발생전과같이고기압성순환이존재하며암역또한계속해서동진하며강화되는경향을보였다. 특히대류시스템주위에암역이광범위하게존재하고있다. 이는대류세포주변의하강류로인해상승류가유도 ( 풍선효과 ) 되어대류세포가잘발달할가능성이있는것으로판단된다. 앞에서언급한바와같이대류세포가어디에서생성될것인가에대한위성영상의특징을사전에찾아낼수없었지만그림 2.2.3의적외영상과수증기영상을종합하여보았을때이사례에서대류세포는대기의하층에수증기가존재하며동시에그상층에는경계가존재하는곳에서발생하는특징을보였다. (a.1) IR1-0433KST (b.1) WV-0433KST (c.1) EIR-0433KST 27

28 2. 실황분석 집중호우사례 (a.2) IR1-0533KST (b.2) WV-0533KST (c.2) EIR-0533KST (a.3) IR1-0633KST (b.3) WV-0633KST (c.3) EIR-0633KST (a.4) IR1-0733KST (b.4) WV-0733KST (c.4) EIR-0733KST (a.5) IR1-0833KST (b.5) WV-0833KST (c.5) EIR-0833KST [ 그림 2.2.3] 대류세포발생후한반도영역의 (a) 적외영상, (b) 수증기영상, (c) 적외강조영상 28

29 2. 실황분석 집중호우시위성영상의특성 그림 는 2010 년 9 월 21 일대류세포병합전부터병합시 (1333KST) 까지의적외강조영상 과수증기영상그리고 AWS 강수분포를나타낸것이다. 적외영상그림 2.2.4(a) 의 1100KST에산둥반도와경기만중간위치인서해상에서새로운대류세포가생성되었다. 이대류세포는점차발달하여크기가증가하였으며전방에있던대류세포보다이동속도가빨라경기북서부지역의대류운과병합되었다. 동시에대류세포가급격히발달하였으나이동속도는느려졌다. 병합후상승풍의영향으로모루운이동쪽으로확장되었으며뚜렷하지는않지만적란운형태로발달하기시작하였다. 특히병합이이루어진이후부터후방생성 (Back-building) 형태로새로운대류세포가시스템후면에서지속적으로발달하면서동진하였다. 한반도영역의수증기영상그림 2.2.4(b) 에서는한반도북서쪽에위치하던암역이한반도중북부지역으로이동 / 확장하며암화현상이발생하였다. 시간이지남에따라암역이동서형태로되며축소 / 약화되었다. 서해상에서새롭게생성된대류세포역시적외강조영상과수증기영상을종합하여보았을때대기의하층에수증기가존재하며대기의상층에경계가존재하는곳에서발생하였다. 아시아영역수증기영상그림 2.2.4(d) 에서는중국화남지방에열대저압부가위치하고있으며지상일기도의풍향을통하여열대저압부에서한반도로다량의수증기가공급된것을알수있었다. 따라서대류권중하층에서의다량의수증기공급이대류세포의발달 / 생성을도운것으로판단된다. 그림 2.2.4(c) 는 AWS 1시간누적강수를나타낸다. 1시간누적된강수이므로위성영상과같은시간이아닌 30분후자료를사용하였다. 1130KST과 1200KST에대류세포와관련된강수는대류세포의북쪽에위치하고있다. 1330KST에서해상으로부터유입되는대류세포의영향으로서울 경기지역의두곳에강한강수가존재한다. 1430KST에병합된두개의세포와관련된강수가뚜렷하게나타나고있으며강원도에서남쪽으로볼록하게튀어나온구름은모루권운으로해당지역에강수가없었다. 29

30 2. 실황분석 집중호우사례 (a.1) EIR-1100KST (b.1) WV-1100KST (c.1) AWS-1130KST (d.1) WV-1100KST (a.2) EIR-1200KST (b.2) WV-1200KST (c.2) AWS-1230KST (d.2) WV-1200KST (a.3) EIR-1300KST (b.3) WV-1300KST (c.3) AWS-1330KST (d.3) WV-1300KST (a.4) EIR-1333KST (b.4) WV-1333KST (c.4) AWS-1400KST (d.4) WV-1333KST [ 그림 2.2.4] 2010 년 9 월 21 일 1333KST 대류세포병합과정 ( 한반도영역 (a) 적외강조영상, (b) 수증기영상, (c)aws 강수분포와아시아영역 (d) 수증기영상 ) 30

31 2. 실황분석 그림 는 2010 년 9 월 21 일대류세포병합전부터병합시 (1800KST) 까지의적외강조영상 과수증기영상그리고 AWS 강수분포를나타낸것이다. 적외영상그림 2.2.5(a) 의 1300KST의병합때와마찬가지로경기만앞바다에서새로운대류세포가생겼으며전방의대류세포보다빠르게이동하여병합하였다. 첫번째병합보다기존의대류세포와새로운대류세포의거리가가까워많이발달하지못한채병합이되었으며병합까지걸린시간은 1시간으로비교적짧았다. 수증기영상그림 2.2.5(b) 에서암역은한반도를관통하고있으며강하게발달되어있다. 여기서 도마찬가지로새로운대류세포는하층에수증기가존재하고그상층의 Boundary 근처에서생 성되었다. (a.1) EIR-1700KST (b.1) WV-1700KST (c.1) AWS-1730KST (d.1) WV-1700KST (a.2) EIR-1733KST (b.2) WV-1733KST (c.2) AWS-1800KST (d.2) WV-1733KST (a.3) EIR-1800KST (b.3) WV-1800KST (c.3) AWS-1830KST (d.3) WV-1800KST [ 그림 2.2.5] 2010 년 9 월 21 일 1800KST 대류세포병합과정 ( 한반도영역 (a) 적외강조영상, (b) 수증기영상, (c)aws 강수분포와아시아영역 (d) 수증기영상 ) 31

32 2. 실황분석 집중호우사례 그림 2.2.5(c) 는 AWS 1시간누적강수를나타낸다. 1730KST부터 1830KST에대류세포와관련된강수는대류세포위치와잘일치한다. 1800KST와서해상에서유입되는대류세포의강수가경기만앞바다에서나타났다. 또한 1800KST에두개의대류세포가병합된특징이 1830KST AWS 강수분포에서잘나타났다. 대류세포의발달구조를알기위해휘도온도 45 를임계값으로설정하여대류핵의시간적변화과정을분석하였다. 이분석에서초기대류세포를탐지한후추적하면서대류세포의화소수, 최소휘도온도, 평균휘도온도를구하였다. 해당영역은그림 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5의적외강조영상에붉은색원으로표시하였고동아시아영역위성자료를이용하였다. [ 그림 2.2.6] 대류세포의화소수와최소휘도온도의시간변화 그림 2.2.6은대류세포의공간면적과최소휘도온도의시간변화를나타낸다. 그림 2.2.4에서본것처럼해당집중호우사례에서뚜렷한대류세포의병합은 1333KST와 1800KST에서두차례나타나는그림 2.2.6에서붉게표시된부분이대류세포가병합되는시간이다. 대류세포가경기만으로들어오는시각인 1000KST부터대류세포의면적이확대되기시작함과동시에최소휘도온도는감소하였다. 첫번째병합이나타나는 1333KST에대류세포의화소수는 1191개에서 1465개로증가하였으며최소휘도온도는감소하였다. 첫번째병합이나타나는 1333KST에대류세포의화소수는 1191개에서 1465개로증가하였으며최소휘도온도또한급격히감소하였다. 두번째병합이일어나는 1800KST에서대류세포의화소수는 1184개에서 1572개로증가하였다. 동시에최소휘도온도도감소하였으나첫번째병합에서는병합 30분후최소휘도온도가증가한반면두번째병합에서는병합 30분후최소휘도온도가감소하였으며해당집중호우발생기간중가장낮은최소휘도온도 (-77 ) 를보였다. 또한최소휘도온도가 70 이하인시간이 14회나타났으며이것으로대류세포가매우급격하게발달한것을알수있다. 32

33 2. 실황분석 그림 은대류세포의공간면적과휘도온도가 45 이하인대류세포내에있는 AWS 평균 강수량의시간변화를나타낸다. 첫번째병합후 AWS 평균강수량은약 10 에서약 17 로급격하 게증가하였으며두번째병합후에는강수의변화가거의없었다. [ 그림 2.2.7] 대류세포화소수와휘도온도 45 이하에위치한 AWS 평균강수량의시간변화 33

34 2. 실황분석 집중호우사례 그림 2.2.8은대류세포의공간면적과시간별 AWS 최고강수의시간변화를나타낸다. 첫번째병합후시간별최고강수는매우급격하게증가한후 20mm/h 정도감소하였으며 3시간가량비슷한강수강도를유지하였다. 두번째병합후에도시간별강수강도가급격하게증가하였으며첫번째병합후강수강도 (98.5mm/h) 와일치하였다. 그림2.2.7과달리그림2.2.8에서는두번째병합후강수강도의증가를더욱잘나타내었다. 이는강수를평균함으로써상대적으로낮은강수값들의영향으로최고강수강도의영향이감소한것으로판단되며이것으로대류세포가좁은지역에강한강수를내렸다는것을알수있다. 또한그림 2.2.8에서대류세포의화소수와강수량의관계가그림 2.2.7의평균강수보다더욱잘일치하였다. [ 그림 2.2.8] 대류세포화소수와휘도온도 45 이하에위치한 AWS 평균강수량의시간변화 그림 에서대류세포화소수는 0933KST부터지속적으로증가해 1차병합과정을거치고일정하게유지되다가 1700KST에급격히감소한다. 그후 2033KST까지화소수가증가한후급격하게화소수가감소한다. 최소휘도온도의경우 0733KST부터 1100KST까지급격하게하강한후증가감소를반복하다가두번째병합이된후 1833KST까지하강한다. 따라서대류세포의화소수와최소휘도온도를기준으로 0933KST부터 1900KST까지대류세포의발달단계, 1900KST 이후부터는대류세포의소멸단계로분류할수있다. 하지만대류세포의화소수는선택영역을어떻게하느냐에따라달라질수있음에유의하여야한다. 34

35 2. 실황분석 2.3. 레이더분석 레이더수평반사도 그림 2.3.1은 2010년 9월 21일 1000KST에서 2100KST까지 1.5km CAPPI영상을나타낸것으로서울및경기지역에지속적으로머무르고있는강한선형강수시스템을확인할수있다. 1000KST에서 1200KST까지북동방향으로형성된선형의강수시스템이 1300KST부터 1800KST까지동쪽으로길게위치하고있고후면에서계속적으로생성되는셀이기존의셀과병합함으로써 50dBZ이상의강한에코강도가유지되었다. 이후후면에서생성되는셀이사라지고강수시스템은주풍을따라북동쪽으로이동하면서점차세력이약화되었다. [ 그림 2.3.1] 2010 년 9 월 21 일 1000KST 부터 2100KST 까지 1.5km CAPPI 영상 35

36 2. 실황분석 집중호우사례 그림 2.3.2에나타난것과같이강수시스템의후면에서지속적으로새로운셀이발달하며, 후면에서생성된셀은기존의강수시스템보다이동속도가빨라기존의셀과병합하였다 (Backbuilding Type의 Quasi-linear Convective Cells). 1300KST에존재하고있는대류세포들은 45dBZ 이상의강한반사도영역이고도 5km보다높게나타나는종모양의강한대류성세포의형태를나타내었다 ( 그림 2.3.3). [ 그림 2.3.2] 1300KST, 1330KST 의 1.5km 반사도 CAPPI 영상 ( 좌 ) 과 Scheumacher and Johnson(2005) 이제시한 Back-building/Quasi-stationary 모식도 ( 우 ). CAPPI 영상의흰색원과검은색원은각각 1300KST 에존재하고있는셀과 1330KST 에새로생성된셀을나타냄 [ 그림 2.3.3] 1300KST 의 1.5km 와 5km 고도의반사도 CAPPI 영상 36

37 2. 실황분석 레이더반사도의연직단면분석 선형대류시스템의수평반사도분포와연직반사도분포를살펴보면, 외부메커니즘에의한강제된소규모다중세포뇌우와유사하다 ( 그림 2.3.4). 1230KST의경우, 후면의강한유입류와함께새롭게발생된대류세포가기존의대류세포와병합하여소규모다중세포를이루고 50dBZ이상의강한반사도가 3km부근의상공에위치하고있다. 또한그림 2.3.5의 1300, 1400, 1500KST 1.5km 반사도 CAPPI와연직반사도단면도에서나타나듯이셀의후면에서지속적으로셀이발달하여강수시스템으로유입되어기존의셀과병합하고있으며셀의높이 (45dBZ 기준 ) 는평균적으로 5km 이상이었다. [ 그림 2.3.4] 레이더 1.5km 반사도 CAPPI 영상과점 A-A 의연직반사도단면도 ( 좌 ). 외부메커니즘에의해강제된소규모다중세포뇌우의모식도. A) 위에서본모식도로갈색선은강제력을나타냄 ( 우 ). 한기역은푸른색음영, 구름경계는회색음영으로강조되었음. 초록, 황갈색, 붉은색점선은각각 20, 40, 50dBZ 반사도를나타냄. 하층유입류 ( 유출류 ) 는붉은색 ( 푸른색 ) 유선으로표시됨. 옅은양방향화살표는그림 B) 의연직단면위치를나타냄. B) 에서붉은색 ( 푸른색 ) 은상승기류 ( 하강기류 ) 를나타냄 ( 예보관훈련용기술서 ) 37

38 2. 실황분석 집중호우사례 [ 그림 2.3.5] 1300, 1400, 1500KST 의 1.5km 반사도 CAPPI 영상과 A-A 의연직반사도단면도. C 로나타낸네모상자는단일대류셀을나타냄 38

39 2. 실황분석 레이더시선속도 [ 그림 2.3.6] 1200KST( 위쪽 ) 와 1230KST( 아래쪽 ) 의 1.5km 반사도와시선속도 1.5 PPI 영상 북동방향으로형성된선형의강수시스템이동서방향으로회전할때 1.5 PPI의시선속도분포를그림 2.3.6에나타내었다. 1200KST와 1230KST에모두 21~27ms -1 의범위로하층제트가관측되었다. 또한 1200KST에레이더를중심으로 S 모양의영 (Zero Line) 도플러선이존재한다. 이러한패턴은저층에서는남서풍, 중층에서는서풍의바람이존재하여연직바람프로파일이고도에따라시계방향으로회전하는순전을나타낸다. 이러한순전은전형적으로온난이류가존재하는것으로해석할수있다 ( 예보관훈련용기술서-레이더기상학참조 ). 39

40 2. 실황분석 집중호우사례 이중바람장분석 이중도플러레이더분석방법으로강수시스템의 3차원바람분포를그림 2.3.7과그림 2.3.8에나타내었다. 1310KST 1.5km 수평분포에서나타난선형의다중대류셀서쪽끝에는북서쪽과남서쪽에서부터바람이유입되고있으며북서풍과남서풍이만나는지역을기점으로선형의다중대류셀이분포하고있다. 이같이대류셀서쪽에서생겨나는수평적인윈드시어 (Wind Shear) 는그림 2.3.4의외부메커니즘에의해강제된소규모다중세포뇌우의모식도에나타나는서쪽끝바람방향과유사한형태를보이고있다. 선형의다중대류셀을중심으로하여동서방향의수직류연직단면도 (A-A ) 를나타낸그림 2.3.7에는셀의상승류지역 (Upstream Region) 을위주로 1~3ms ¹ 의상승류가존재하고있으며 6km 고도이상의높이에서는하강류가지배적으로나타나고있다. 특히, 대류셀의서쪽끝모서리부분 (A로부터동쪽으로 25km 지점 : 붉은색네모영역 ) 은 5ms ¹ 이상의강한상승류가새로운대류셀의발달에영향을미치고있는것으로나타난다. 또한, 발산분포도 ( 그림 2.3.8) 에서나타나듯대류셀내부의하층에는수렴지역이지배적으로나타나고있으며새로운셀이발달하는지역의풍상쪽하층에보다강한수렴지역 ( s ¹) 이존재한다. 다중대류셀내부에강하게발달한셀을중심으로나타낸남서-북동방향의연직단면도 (B-B ) 는 A-A 의연직단면도에나타나는상승류지역의상승류분포와유사하게나타나며, 좁은규모의연직단면도이므로셀의상승류지역에나타나는강한상승류와대류셀풍상측하층에나타나는수렴지역을보다뚜렷이확인할수있다. [ 그림 2.3.7] 이중도플러레이더분석결과 ( KST). 1.5km 고도의 CAPPI 반사도와수평바람분포 ( 좌 ). A-A 와 B-B 선에따른수직류 (Shaded) 와반사도 (Contour) 에대한연직단면도 ( 우 ) 40

41 2. 실황분석 [ 그림 2.3.8] 이중도플러레이더분석결과 ( KST). 1.5km 고도의 CAPPI 반사도와수평바람분포 ( 좌 ). A-A 와 B-B 선에따른발산 (Shaded) 과반사도 (Contour) 에대한연직단면도 ( 우 ) 41

42 3 예측자료분석 3.1. 수치예보모델특성분석 : 지역수치예보모델 (RDAPS) 와국지수치예보모델 (LDAPS) 3.2. 모델의강수예측결과분석

43 3. 예측자료분석 3.1. 수치예보모델특성분석 : 지역수치예보모델 (RDAPS) 와국지수치예보모델 (LDAPS) 운동에너지스펙트럼분석 ( 모델유효해상도분석 ) 다양한관측자료로부터대류권의자유대기및하부성층권의대기는운동에너지스펙트럼에서뚜렷한특성을가지고있다 (e.g., Nastrom and Gage, 1985; Lindborg, 1999; Cho et al., 1999). 대규모이상의대기운동에너지분포는 κ -3 기울기를나타내고중규모이하규모에서는 κ -5/3 기울기를가진다 ( 그림 3.1.1). 대규모대기운동에서나타나는 κ -3 기울기는 2차원난류이론에기초하여작은규모로의엔스트로피전달 (Downscale Enstrophy Cascade) 을통해해석된다. 반면중규모운동에서나타나는 κ -5/3 기울기는 3차원난류운동에서나타나는운동에너지스펙트럼특성과유사하다. 중규모영역 (2-2000km) 에서의대기의운동은안정성층화의영향으로인해 2차원적인특성이크게나타나지만운동에너지-파수기울기가대규모운동에비해작은값을가지는것은정확히그이유가밝혀져있지않으며강한중규모대류계발달에의한운동에너지상향전달이나내부중력파에의한것으로추정하고있다. 일반적으로수치예보모델은예보영역을일정한크기의격자간격 ( 격자해상도 ) 을이용하여수치적분을수행한다. 이과정에서수치해의안정성을확보하기위해평활이나필터를적용하여적분과정에서발생하는작은규모의운동에너지를제거하게된다. 따라서수치모델이실제모의가능한운동규모는이론적최소규모인 (4 X) 보다는큰값을가진다. 이를수치예보모델의유효해상도라하고, 모델에서계산된운동에너지의스펙트럼분석을통해파악할수있게된다 (Skamarock et al., 2004). 따라서모델의유효해상도를파악하는것은모델의기본적인특성을이해하는일이다. [ 그림 3.1.1] 관측및수치모의된운동에너지스펙트럼비교 (Skamarock et al., 2004) 44

44 3. 예측자료분석 그림 는 UM 기반의 12km 격자해상도를가지는기상청지역수치예보모델 (RDAPS) 의운 동에너지스펙트럼을보여주고있다. 동서 (U), 남북 (V), 연직 (W) 방향바람성분의운동에너지스펙트럼과총운동에너지스펙트럼은시간 (24시간) 과공간 ( hPa) 에대한평균값을나타낸다. 대규모에서의운동스펙트럼 (κ -3 기울기 ) 은관측과유사하게나타나지만약 250km(~20 X) 보다작은운동규모에대해서는관측 (κ -5/3 ) 에비해강한감쇄가일어나고있다. 이로부터지역수치예보모델 (RDAPS) 은 Meso-α 이상의운동규모는잘모의할수있으나 Meso-β나 Meso-γ 이하의대기운동은강한운동에너지의감쇄로인해적절히모의하지못하고있음을알수있다. 사례발생당시현업으로사용되고있던지역수치예보모델은관측자료를이용한자료동화과정을포함하고있지않았으며, 40km 격자해상도의전지구예보모델의예측결과를초기장과경계장으로활용하였다. 따라서기상관측네트워크에의해분해가능한중규모대기운동성분이초기장및배경장에포함되지않음으로인해모의된에너지스펙트럼분포에영향을주었으리라판단할수있다. [ 그림 3.1.2] UM 기반 RDAPS( X=12km) 에의해모의된평균운동에너지스펙트럼분포. 각각의스펙트럼은공간 ( hPa) 과시간 (+00-24hr) 평균값을나타냄 (2010 년 9 월 21 일수도권호우사례모의결과 ) 45

45 3. 예측자료분석 집중호우사례 시간에따른운동에너지스펙트럼분포특성을분석하여이런모형의특성을구체적으로파악할수있다. 그림 3.1.3은지역수치예보모델 (RDAPS) 에의해모의된총운동에너지스펙트럼의시간별변화특성을나타낸다. 앞서간략히설명하였듯이적분초기시각 (+00hr) 에서의운동에너지스펙트럼은 ~400km 이하의중규모영역에서관측에비해강한감쇄를보여주고있다. 초기시각으로부터적분이진행됨에따라중규모영역의운동에너지가증가하는변화를보이며, 이는지역수치예보모델의역학에의해형성된다. 모델의적분시작 3~6시간이내에서상대적으로중규모운동에너지증가가뚜렷하게나타나며이후에는스펙트럼의변화가적다. 이는모델내바람장의 Spin-up 시간이수시간정도임을의미하며그이후에는모델의유효해상도에도달하는것으로해석할수있다. [ 그림 3.1.3] UM 기반 RDAPS( X=12km) 에의해모의된평균총운동에너지스펙트럼의시간별특성. 각각의스펙트럼은공간 ( hPa) 에대한평균값을나타냄 (2010 년 9 월 21 일수도권호우사례모의결과 ) 46

46 3. 예측자료분석 그림 3.1.4은 UM 기반국지수치예보모델 (LDAPS: X=1.5 km) 과지역수치예보모델 (RDAPS: X=12km) 에의해모의된고도별평균운동에너지스펙트럼분포를나타낸다. 한반도중심의좁은모의영역을가지는국지수치예보모델에의해계산된운동에너지스펙트럼은중규모와미세규모의대기운동영역에서관측에의해얻어지는스펙트럼특성 ( 기울기 κ -5/3 ) 을잘모의하고있다. 국지수치예보모델의유효해상도는 10~15km(6~8 X) 이며, RDAPS( 유효해상도 :~250km) 에비해 Meso-β 및 Meso-γ규모이하의대기운동을더정확하게모의할수있음을의미한다. [ 그림 3.1.4] UM 기반국지수치예보모델 (LDAPS: X=1.5km) 과지역수치예보모델 (RDAPS: X=12km) 에의해모의된고도별평균운동에너지스펙트럼분포. 각각의스펙트럼은시간 (24 시간 ) 에대한평균값을나타냄 47

47 3. 예측자료분석 집중호우사례 지역수치예보모델 (RDAPS) 의강수모의특성 ( 명시적구름 물리과정과적운모수화 ) 지역수치예보모델은성긴격자해상도 (12km) 를설정하고있어, 격자규모의 ( 명시적 ) 구름물리 과정과아격자규모의구름물리과정 ( 적운모수화 ) 을통해지상강수량을계산한다. 그림 와 은 2010 년 9 월 21 일수도권집중호우사례와 2011 년 8 월 9 일전라북도호 우사례에대한지역수치예보모델 (RDAPS) 에의해모의된총강수량, 격자규모구름물리과정 에의해계산된강수량, 적운모수화에의해계산된강수량을각각비교하고있다. 모델에의해모의된강수에서두드러지는특징은두사례모두대류성강수가모의되는지역에서는대부분의강수량은적운모수화에의해계산됨을알수있다. 이지역에서명시적구름물리과정에의한강수는상대적으로약하게모의하고있다. 이는집중호우와관련된중규모대류계를명시적으로모의하기에는다소성긴격자크기 ( 낮은모델유효해상도 ) 와이로인한수렴 / 발산바람장의과도한감쇄를원인으로생각할수있다. 또한, 명시적구름물리과정과적운모수화에의해계산된강수의차이는강수발생영역에서도특징을보이는데, 적운모수화에의한강수의경우지형고도에의한영향 ( 지형에의한하층수렴 ) 에민감한것으로보여진다. 이런특징은 9 월 21일사례 ( 그림 3.1.5) 의경우모델이명시적구름물리과정으로계산된강수영역에서는전남 / 경남등남부지역에강수가없는것으로모의하나적운모수화는남부지역을포함한전국에강수가있는것으로예측하는결과를통해, 8월 9일사례 ( 그림 3.1.6) 의경우에도산둥반도를포함한육지지역에서명시적구름물리과정과적운모수화에의한강수의차이를통해알수있다. 9월 21일수도권집중호우사례의경우에는실제남부지방에는강수가거의내리지않았으며, 지역수치예보모형의명시적물리과정에의한강수과정은이런특징을적절히모의하였으나적운모수화에의한강수는한반도의강수구역을과대모의하였다. 국지수치예보모델의강수모의특성및지역수치예보모델과의차이는 3.2절과 2011년 8월 9일전라북도호우사례분석서를참고하도록한다. 48

48 3. 예측자료분석 [ 그림 3.1.5] 지역수치예보모델 (RDAPS) 에의해모의된총강수량 ( 좌 ), 명시적물리과정에의한강수량 ( 중 ), 적운모수화에의한강수량 ( 우 ) 비교 (2010 년 9 월 21 일수도권집중호우사례 ) [ 그림 3.1.6] 지역수치예보모델 (RDAPS) 에의해모의된총강수량 ( 좌 ), 명시적물리과정에의한강수량 ( 중 ), 적운모수화에의한강수량 ( 우 ) 비교 (2011 년 8 월 8 일전라북도집중호우사례 ) 49

49 3. 예측자료분석 집중호우사례 RDAPS 의강수모의특성 : 초기 / 경계조건의존성 지역수치예보모델의모의성능은초기장 / 배경장을제공하는전지구수치모델의예측결과에따라따라달라질수있다. 그림 3.1.7은지역수치예보모델 (RDAPS) 의 2010년 9월 21일수도권집중호우사례에대한 3시간 (12-15KST) 누적강수량모의결과를적분시작시각에따라비교하고있다. 지역수치예보모델의수치적분시작시각의차이에따라모의된강수영역 ( 한반도 / 수도권지역 ) 에큰차이가나타남을보여주고있다. 호우발생전일 09KST( UTC 적분시작 ) 예측결과에서는한반도에강수가발생하지않는것으로예측하고있으나, 전일 21KST ( UTC 적분시작 ) 예측결과에서는강수영역이수도권지역을포함하여충청 / 전라 / 경상지역까지확대되는것으로예측하고있다. 호우발생당일 09KST( UTC 적분시작 ) 예측결과에서도강원 / 경상도일부지역을제외한한반도전지역에서강수가발생할것으로예측하고있으며, 수도권영역의강수대는전시각예보에비해북쪽에위치하고있다. 이러한모델예측시각의변화에따른모델의예측결과의차이는전지구예측모델에의해제공되는초기장 / 배경장의차이에서기인하며, 이외에도지역수치예보모델의적분시간이길어짐에따라수치해의불확실성이커지는것을이유로들수있을것이다. 종관규모관점에서보면전일예측 ( 그림 ( 중 )) 과당일예측 ( 그림 ( 우 )) 결과는유사하나, 사례와같이중규모예보관점에서는큰차이를야기할수있음을보여준다. 이들지역수치예보모델의결과를초기장 / 배경장으로하여국지수치예보모델을활용할경우그차이는더욱명확할것으로예상할수있다. (2011년 8월 9일전라북도호우사례분석서 3.1.4절참조 ). 따라서집중호우와같은대기예측성이낮은중규모현상을수치모델을이용하여예측하고자할경우지속적인종관패턴분석을적극활용하여모델의불확실성을보완할필요가있다. [ 그림 3.1.7] 지역수치예보모델 (RDAPS) 의적분시작시각에따른 3 시간누적강수량비교 (2010 년 9 월 21 일 15KST 예측결과 ) 50

50 3. 예측자료분석 3.2. 모델의강수예측결과분석 정체전선상에서발달한중규모저기압및대류계에의한강한강수가수도권지역을중심으로나타났으며, 일누적강수량이 30mm 이상인강수영역이남-북방향으로좁게, 동-서방향으로길게뻗어있다 ( 그림 3.1.8). 지역수치예보모델 (RDAPS) 과국지수치예보모델 (LDAPS) 에의해모의된강수예측결과를보면이러한종관규모의특징은두모델이적절히반영하고있으나, 강수강도와강수량에서는큰차이를보이고있다. 지역수치예보모델의경우모의된강수구역에서 ~50mm/day 이내의적은강수량을예측하고있으며, 태백산맥부근에서는국지적으로많은강수 ( 최대 190mm/day) 를예측하고있다. 또한앞서언급한것과같이적운모수화에의한강수에의해한반도전역에강수가발생할것으로예측하고있다. 이에비해국지수치예보모델은보다세밀한모델의유효해상도를바탕으로수도권지역에서 100mm/day 이상의집중호우특성을잘모의하고있으며, 한반도의강수영역도지역수치예보모델의결과에비해더욱정확하게모의하고있다 ( 그림3.1.8). 국지수치예보모델에의해모의된강수량은관측누적강수량에비해다소적게모의하고있으나, 지역수치예보모델에비해집중호우특성을잘모의하고있어, 모델에의한호우예측성이높은사례로볼수있다. [ 그림 3.1.8] 관측및수치모의강수량비교 AWS 24 시간누적강수량 (00-24KST)( 좌 ), 국지수치예보모델 12 시간누적강수량 (06-18KST)( 중 ), 지역수치예보모델 24 시간누적강수량 (00-24KST)( 우 ) 51

51 3. 예측자료분석 집중호우사례 시간대별관측강수량분포를살펴보면 2010년 9월 21일 10-11KST에는수도권지역에약한강수가기록되었으며, 12KST부터서울북쪽으로 20-50mm/hr의강한강수대가남하하기시작하여 18KST까지서울지역부근에정체하면서 200mm/day 이상의많은강수가발생하였다 ( 그림 3.1.9). 특히, 13-18KST동안강수는 50-75mm/hr 강한강수셀이나타나며서울화곡동의경우 101mm/hr을기록하기도하였다. 이렇게국지적으로발생한강한강수는중규모 (Meso-β 이하 ) 대류계에의한것으로판단할수있다. 충청도와경상도지역으로는강수가거의기록되지않은점도특징이다. [ 그림 3.1.9] 2010 년 9 월 21 일시간대별지상 AWS 관측강수공간분포 52

52 3. 예측자료분석 지역수치예보모델의강수예측결과와예측선행시간에따른강수량의예측특성을파악하기위 해적분시작시각이다른모의결과를그림 에비교하였다. 호우발생 1 일전예측결과 ( UTC 적분시작 ) 에서는장마전선의위치가북쪽으로 치우치면서남한지역에강수가발생하지않는것으로예측하였다. 12 시간후예측결과 ( UTC 적분시작 ) ( 집중호우발생 15 시간전 ) 에서는장마전선 의위치가이전예측결과에비해남쪽으로이동하면서수도권지역과충청 / 전라도지역을중심으 로약한강수가내리는것으로예측하고있다. 호우발생당일 09KST 적분시작결과 ( UTC 적분시작 ) 에서는장마전선에연관된 강수대가전시간예측결과에비해다소북쪽으로위치하는것으로나타나며, 시간당 10mm 이 내의약한강수가발생하는것으로예측하고있다. 동서로뻗어있는강수대는종관규모로구분할수있지만그위치가모델적분선행시간에따라큰차이를보이고있음에유의할필요가있다. 호우발생약 15시간전모델예측결과에서나타나는강수역을바탕으로고려할때비교한다른모의결과들에비해사례시종관상황을더잘모의한것으로판단된다. 지역수치예보모델의예보결과는장마전선상의대기불안정으로인한강수는모의하였으나, 장마전선상에서발생한강한수평수렴을적절히모의하지못함으로인해강수량과강수강도를실제보다과소모의하였고결과적으로수도권집중호우발생을예측하지못하였다. 53

53 3. 예측자료분석 집중호우사례 [ 그림 ] 지역수치예보모델 (RDAPS) 에의해모의된 3 시간누적강수량 KST( 좌측열 ), 12-15KST( 중앙열 ), 15-18KST( 우측열 ) UTC( 상단행 ), ( 중간행 ), ( 하단행 ) 54

54 3. 예측자료분석 그림 은국지수치예보모델 (LDAPS) 에의해모의된 9월 21일의시간대별강수량을보여주고있다. 지역수치예보모델과는달리, 국지수치예보모델 ( UTC 적분시작결과 : 호우발생당일 06KST) 은강수강도 20mm/hr( 최대 48mm/hr) 이상의강한강수가수도권지역을중심으로집중될수있음을모의하고있다. 특히장마전선상에서지속적으로발생하는중규모대류계에의한강한강수를잘모의하고있으며, 낮시간동안 (10-13KST) 수도권에정체하는특성도보여주고있다. 또한관측강수량공간분포에서보였던강수영역이수도권을중심으로동-서로뻗어있는특징과남부지방으로강수가없었던특징을아주정확하게모의하고있다. 강수가서울지역에집중되었던 12KST와 15KST의국지수치예보모델의예측결과는레이더영상과지상 AWS 강수량관측과비교할때아주뛰어나다 ( 그림 와 ) UTC( 호우발생당일 03KST) 적분시작한국지수치예보모델의예측결과도일관성을유지하면서관측된특성을잘모의하고있다. 국지수치예보모델의좋은강수예측결과는유효해상도를고려할때모델이중규모대류계의생성 / 발달 / 소멸단계를명시적으로잘모의한결과라기보다는대류성강수가발달하기좋은종관장하에서중규모수렴 / 발산에의해명시적구름물리과정이역할을하였다고해석할수있다. [ 그림 ] 국지수치예보모델 (LDAPS) 에의해모의된시간별 (10-18KST) 강수량 ( UTC 적분시작 ) 55

55 3. 예측자료분석 집중호우사례 [ 그림 ] 국지수치예보모델 (LDAPS) 의적분시각에따른 13KST 예측강수량과관측 ( 레이더영상과지상관측강수량 ) 비교 56

56 3. 예측자료분석 [ 그림 ] 국지수치예보모델 (LDAPS) 의적분시각에따른 15KST 예측강수량과관측 ( 레이더영상과지상관측강수량 ) 비교 57

57 3. 예측자료분석 집중호우사례 그림 는국지수치예보모델의적분시각에따른시간대별 (12, 15, 18, 21KST) 예측강수량을비교하고있다. 동일예측시각에대한모델예측강수량의일관성이아주높은것을볼수있으며, 이는집중호우발생의확률이높은것으로해석할수있다. 이사례의경우지역수치예보모델에서는강한강수를예측하지못하였으나, 동일한종관장하에서국지수치예보모델은중규모대류계발생규모의수렴 / 발산바람장과명시적구름물리과정을통해강수패턴을매우정확하게모의하고있어정량적집중호우예보를위한자료로활용하기에충분함을보여주고있다. 이사례의경우사례일당시국지수치예보모델 (LDAPS: 2011년 7월 1일시험운영 ; 2012년 5월 15일현업활용 ) 이운용되지못하였다는점이아쉽다고하겠다. [ 그림 ] 국지수치예보모델 (LDAPS) 의적분시각에따른예측 (12, 15, 18, 21KST) 강수량비교 ( , , , UTC 적분시작 : 상단 하단 ) 58

58 4 사례발생원인 4.1. 종관및중규모기상환경 4.2. 대기불안정 4.3. 호우시스템발달과정 4.4. 호우발생의역학및열역학적원인

59 4. 사례발생원인 4.1. 종관및중규모기상환경 강수계 수도권지역에강한강수벨트가유입되면서서울에 60mm/h 이상의강수가 3시간 (9월 21 일 13-16KST) 이상지속되었다. 중규모저기압중심의서쪽활성정체전선에서발달하는밴드형중규모대류계 (Band-type MCS) 가서울호우에주로기여하였다. 종관기압배치 ( 그림 4.1.1) 한반도의남쪽에북태평양고기압이그리고북서쪽에대륙고기압이발달해있으며, 그사이로중국남부로부터캄차카반도로이어지는긴종관규모기압골이존재하였다. 한반도는기압골중심에놓이며, 9월 21일 08-09KST에는중부지방서해안에중규모저기압이발달하기시작하였다. 대륙고기압이얕기때문에종관규모기압골의존재는 700hPa를넘어서면서부터사라진다. [ 그림 4.1.1] 2010 년 9 월 21 일 09KST 의등압면일기도 : (a) 1000, (b) 850, (c) 500 (d) 300hPa. 실선은기압고도, 점선은등온선, 그리고 300hPa 일기도의 Shading 은풍속을나타내며, 등치선은 30m/s 부터시작되고, 10m/s 간격 61

60 4. 사례발생원인 하층바람과열역학적조건 ( 그림 4.1.2) 925hPa 바람 : 중부지방북쪽에는북풍계열의하층바람, 남쪽에는북태평양고기압가장자리의강한남서풍대가존재한다. 열역학적조건 - 하층기압골을따라강한 θ e925 수평경도지역이나타나고있다. - 잠재불안정이강하고상당온위 (>335K) 가높은지역에서저기압과강수계가발달한다. - 시간이지남에따라북풍지역과강한 θ e925 수평경도지역이남하하였다. [ 그림 4.1.2] 9 월 21 일 9KST ( 좌 ) 와 15KST ( 우 ) 의 925hPa 등압면에서의바람과상당온위 (θ e925 )( 실선 ) 그리고 (θ e500 θ e925 )(Shaded) (Jung & Lee, 2013) 핵심환경요소 대륙고기압과북태평양고기압사이의종관규모기압골과바람의수렴지역이존재하였고, 이지역에서대류계와중규모저기압이발달하였다. 저기압중심의서쪽에북쪽의북풍계열바람과남쪽의남서풍대가만나정체전선이발달하였다. 정체성북태평양고기압과강한남서풍대의존재로인해전선이정체하였고, 동시에풍부한수증기의공급이지속적으로이루어졌다. 62

61 4. 사례발생원인 집중호우사례 종관및중규모환경분석에서의경계분석의중요성 집중호우를유도하기위해서는아주특수한경우를제외하고일반적으로깊은대류활동을동반하는중규모대류계를동반하는데, 중규모대류계를유도하기위해서필요한 3대조건은풍부한수증기, 불안정한환경, 그리고상승운동이다. 강수현상이발생하기위해서는반드시수증기의응결작용이있어야하기때문에풍부한수증기 의존재는필수불가결한요소라고할때, 불안정한환경과대기의상승운동을유도하는것은종 관규모에서중규모그리고스톰규모까지다양한규모를가지는경계 (Boundary) 들이다. 경계란물리적인성질을달리하는주변과뚜렷하게구분되는특정한영역을의미하며집중호우 나대설을야기하는중규모대류계나저기압계의발생과지속적인발달을유도한다. [ 그림 4.1.3] 다양한경계 (Boundary) 의예시 그림 4.1.3은종관규모에서스톰규모까지쉽게찾아볼수있는전선, 다양한지형, 돌풍전선 (Gust Front) 그리고중규모고기압 (Meso-high) 과중규모저기압 (Meso-low) 등과같은다양한경계들의예시이다. 일반적으로예보관들에게가장익숙한경계는분석일기도에서쉽게볼수있는두개의물리적성질이다른기단의경계면에서발생하는한랭전선과온난전선이다. 종관규모전선은중규모대류계의발생과유지에필요한대규모강제력을제공한다는점에서매 우중요한역할을수행하므로예보관들이기상분석을할때가장먼저그리고가장신중하게분 63

62 4. 사례발생원인 석해내야하는요소이다. 그리고중규모대류계를구성하는뇌우가발달하여강수와함께강한하강기류가형성되면이하강기류는지표면을따라빠르게사방으로퍼져나가면서돌풍전선을형성한다. 돌풍전선은새로운스톰이연속적으로발생하는데중요한방아쇠작용을한다. 아울러강한강수현상은상대적으로밀도가높은하강기류를유도하여그지역에서국지적인스톰규모의중규모고기압 (Meso-high) 을형성하고그주변에상대적인중규모저기압 (Meso-low) 을형성하기도한다. 이러한중규모고 저기압은스톰주변에서 2차순환을형성하여스톰의생명을연장시킴과동시에종관규모운동과상호작용하여종관규모기압계의발달에도영향을미친다. 이러한명시적인경계들이외에도육지와해양차이, 평지와산악지역, 강수지역과비강수지역, 구름이덮인지역과일사지역등과같은요소들도중규모기압계의발달에중요한경계가될수있다. 특히집중호우와대설사례와같이종관규모강제력과메조베타혹은메조감마규모의중규모역학이결합되어나타나는경우에는종관규모 ( 전선 / 기압골 ), 중규모 ( 강수-비강수, 구름경계, 육지-물분포 ), 스톰규모 ( 돌풍전선, 중규모고저기압등 ) 경계를명확하게구분하고그역할이무엇인지인지하고있어야한다. 또한일기도나지역규모수치모델자료만으로는중규모혹은스톰규모경계분석에한계가있으므로, 종관규모에서뚜렷한강제력이무엇인지조사한이후에는국지분석, 위성및레이더자료분석등을통해서정확한경계의위치와형태를찾아내는것이중규모대류계의발생과발달그리고이동및전파를예측하는데매우중요하다. 이번사례분석에서다루어진집중호우들에서종관규모전선만큼중요한역할을한것이북태평 양고기압과 Dry Slot 에의한상승운동과태풍이었다. 64

63 4. 사례발생원인 집중호우사례 그림 4.2.4는 10년평균북반구아열대고기압의분포와강수빈도및일강수량분포이다. 북태평양고기압 (A와 A*) 은여름철에거의반영구적인형태로태평양지역을지배하고있으며, 5880gpm으로대표되는북태평양고기압의확장과축소에따라그연변에서강한강수가발생하는데, 그강수는대부분북태평양고기압중심의하강기류를보상하기위한상승운동과북태평양고기압연변에서발생하는조건부대류잠재불안정의결과이다. 그림 4.1.4(c) 에서볼수있듯이한반도를포함한아시아지역의강수빈도는북태평양고기압으로갈수록급격하게줄어들고북태평양고기압과대륙고기압의사이에서점진적으로증가하고있는것을알수있다. 그리고여기에서주목해야할것은마지막그림 (d) 이다. 북태평양고기압의연변을따라강한강수강도가나타나는데특히일본남해에서한반도에이르는지역에서일강수량의강도가강수빈도의증가에비해서크게나타나고있다. 이것은여름철한반도에서의집중호우의중요한기작으로작동하는것이북태평양고기압연변에서의상승운동과조건부불안정에의한중규모대류계였다는사실을통계적으로잘보여준다. [ 그림 4.1.4] 여름철 10 년평균 (a) 500hPa 등고도선, (b)850hpa 등고도선, (c) 강수빈도, 500hPa 5880gam, 850hPa 1540gam, (d) 일강수량, 500hPa 5880gam, 850hPa 1540gam 65

64 4. 사례발생원인 그림 4.2.5는 2010년 9월 21일 00UTC와 2011년 8월 9일 00UTC 위성영상에 500hPa 5880gpm 선을합성한것이다. 두사례모두특징적인것은북태평양고기압중심으로는강한하강기류와함께구름이없는지역이나타나고북태평양고기압가장자리와북쪽의암역 (Dry Slot) 사이에서집중호우와직접관련된강한중규모대류계가발달하고있는것이다. 이는북태평양고기압의가장자리가한반도집중호우발생이중요한경계로작용했다는것을의미한다. 여기에서주목해야할중요한경계가북태평양고기압가장자리북쪽에위치한 Dry Slot이다. Dry Slot은상대적으로건조한하강기류로 Dry Slot의침입과함께발생하는강한하강운동이북태평양고기압주변의상승운동과조건부잠재불안정을더욱강화시켜특정한방아쇠작용에의해서발생한중규모대류계가급격하게발달하는데기여한다. 태풍의역할도중요하다. 수도권집중호우사례에서는중국에상륙한태풍이한반도남서쪽에위치하면서강한수증기와열을한반도남쪽으로공급하고있으며, 전북지역집중호우사례에서는전날서해상을통과하여한만국경부근에서열대저압부로약화된태풍에의해서한반도주변에많은수증기와열이공급되었다. 태풍은적도지방에서발원해서북상하기때문에적도의열과수증기를그대로중위도지역까지수송함과동시에중위도지역에형성되어있던기압배치를교란하는역할을한다. 안정된기압배치를깨뜨림과동시에주변과확실하게구분되는수증기와열의경계를형성하여상대적으로건조하고차가운대륙고기압과의사이에수증기와온도경도를강화시켜전선발생과조건부대류불안정을강화시키는데중요한역할을한다. 북태평양고기압가장자리와태풍이라는중요한종관규모및중규모경계를적절하게탐지하고이동경향을추적한다면집중호우가발생할수있는지역과강도를예보하는데큰도움을줄것이다. [ 그림 4.1.5] 2010 년 9 월 21 일 00UTC 위성영상 ( 상 ), 2011 년 8 월 9 일 00UTC 위성영상 ( 하 ) 66

65 4. 사례발생원인 집중호우사례 4.2. 대기불안정 수도권집중호우사례의경우집중호우를유도하는데중요한요소중에하나로풍부한수증기공급을들수있다. 지상에서부터 700hPa 고도까지많은수증기가유입되면서상대습도가 90% 를넘고 500hPa 고도까지고려할때도 70% 이상의상대습도를보여비교적풍부한수증기가하층의남서기류를타고한반도중부지방으로유입되고있었다. 특히시간당강수량을말하는강수효율과총강수량을평가하는데매우유용한가강수량이중위도집중호우기준인 40mm 넘어 45mm에서 47mm 분포를가졌다. 상승응결고도 (LCL) 와자유대류고도 (LFC) 의높이가수백m 이하에머물러지속적인상승운동을만들어낼수있었다. 대류가용잠재에너지 (CAPE; Convective Available Potential Enery) 는 100J/kg에도못미치는아주낮은값을보였는데이것은흔히장마철이후부터 8월말까지북태평양고기압가장자리의대류불안정에의해서발생하는중규모대류계에의한집중호우사례들에서평균 1,500J/kg 이상의 CAPE 값이관측되는것에비해서는매우낮은값으로, 이사례가강한일사에의한잠재불안정보다는주변종관규모불안정에의한역학적대류잠재불안정에기인한것이라는것을의미한다. LI 값은음의값은가지지못했지만 0에가까운값을보였다는점에서중립적인수준이었던반면 KI 값은 30 이상의값이관측되고있었다는점에서중규모대류계에의한집중호우발생에매우유리한조건이었음을시사하고있다. 집중호우사례들은그종관환경은완전히다를지라도대기하층의풍부한수증기공급, 대류불안정, 강한상승운동유도등집중호우를유도하는중규모대류계발달에충분한불안정한환경을가지고있었다. 67

66 4. 사례발생원인 4.3. 호우시스템발달과정 (21 일 05KST 17KST) 지상일기도와위성영상 ( 그림 4.4.1) 그리고레이더영상 ( 그림 4.5.2) 에따르면서해상에서의호우시 스템의발생과진화및이동은다음과같이진행되었다 : 05-07KST : 기압골수렴구역에서대류계가발생하여동진하였다. ( 산동반도동쪽과부근서해상에서발생 ) 08-09KST : 동진하는대류계가발달하면서경기도서해안부근해상에서중규모저기압발생을유도하였다. 중규모저기압중심의서쪽에서정체전선이발달하였다 ( 활성정체전선 ). 08KST ~ : 활성정체전선에서대류계가발달하였고, 전선을따라이동하면서대류계는다세포시스템으로구성된밴드형 MCS로발달하였다. 밴드형 MCS가육지로들어오면서호우밴드가더욱강화되었다 KST : 정체전선을따라이동해온호우시스템 ( 호우밴드 ) 의지속적수도권통과에따라수도권에서호우가발생하였다. 강수계이동속도 : 15m/s 내외 (50-60km/h) 68

67 4. 사례발생원인 집중호우사례 06 KST 기압골수렴지역에서대류계발생 07 KST 이대류계동쪽에새대류계발생 두대류계의동진 09 KST 중규모저기압발생두대류계의합병산동반도에서먼저발생한대류계는약화된상태 10KST 에하나의강한대류계발달 12 KST - 저기압은느리게동진 - 저기압서 / 남서쪽에정체젂선 - 저기압중심과동쪽부분에강하고큰대류계 - 정체젂선상에서강한대류계발달 15 KST - 저기압은느리게동진 - 정체젂선계속유지 - 저기압중심부근과동쪽부분에 - 강한대류계 - 정체젂선을따라약한밴드형대류계발달 [ 그림 4.3.1] 2010 년 9 월 21 일, 서해상의대류계발생으로부터중규모저기압발달과호우시작까지의지상일기도와위성사진 69

68 4. 사례발생원인 4.4. 호우발생의역학및열역학적원인 2010년 9월 21일의수도권호우는정체전선에서발달한밴드형 MCs가전선을따라동진하면서더강하게발달하였고, 그러한호우계가수시간지속적으로수도권을통과하면서 200mm가넘는강수를초래하였다. 이러한호우계의발달은종관규모기압골이존재하는상황에서기압골내의수렴구역 ( 서해상 ) 에서발달한대류계들로부터시작되는것으로판단된다. 호우계의역학적과정발생은다음과같다 : 1 기압골에서의대류계발달 (06-08KST, 서해상 ) ( 그림 4.3.1) - 하층의종관규모기압골과연관된바람수렴지역에서대류계가연속발생하여발달하였다. - 바람의수렴, 충분한수분공급, 잠재불안정성존재등강한대류계와중규모저기압이발달하기좋은환경을갖추고있다. 2 대류계에의한중규모저기압발달 (08-09KST, 경기도부근해상 ) ( 그림 4.3.1) - 기압골내의수렴구역에서발달한대류계들은강하게발달하면서응결잠열방출에의해중규모저기압을발생시킨다 (Jung and Lee, 2013). 3 활성화된정체전선발달 ( 그림 4.3.1과 4.4.1) - 중규모저기압이발생하면서저기압북서쪽에북풍계열바람을강화시키고 ( 결국, 대륙고기압과연관된북풍계열바람과연결되면서 ) 남쪽의강한남서풍대경계면에전선을발생시킨다 ( 변형류에의한전선발생 ). - 활성화된정체전선의구조 ( 그림 지상전선에서의하층바람의강한수렴, 그림 지상전선위 925hPa에서남서풍이불고있음 ) 를가지면서도정체하고있다. 4 정체전선에서의조직화된대류계의발달 ( 그림 4.4.2) - 활성화된정체전선에서하층공기의강한수렴과함께남쪽의공기가상승하면서다세포시스템으로구성된밴드형강수계가발달한다. 5 밴드형강수계의동진과호우시스템으로의발달 ( 그림 4.4.2) - 정체전선을따라동진하는밴드형대류계는이동중수렴이강한지역을통과하면서강한호우시스템 ( 고강수율밴드, 13KST와 14KST의서해안부근내륙에위치 ) 으로발달하였다. 6 수도권호우 - 강한밴드형강수계가 13KST 경에서울에도달하면서시간당 60mm 이상의호우가시작되어 3시간이상지속되었다. 70

69 4. 사례발생원인 집중호우사례 08KST - 저기압성순환 - 저기압중심부근의강수계 (B 부근 ) 10KST - 연평도에서풍 - 저기압중심과동쪽의강수계와젂선강수계 12KST - 저기압중심의상륙 - 정체젂선에서의다세포 MCS 발달 - 육지, 저기압중심과동쪽의강수계 ( 대류강수 + 층운강수 ) 38N 36N 38N 36N 38N 36N 13KST - 정체젂선의발달 - 젂선에서동진하며발달한강수계의서울도착및호우시작 - 서울에접근하는강수계가좁아지며, 강해짐 15KST - 정체젂선의유지 - 젂선강수계의지속적발달과서울통과에의해호우유지 17KST - 밴드형강수계의지속적정체 - 호우밴드의남동진과서울호우의종료 - 해상, 강수계밴드가좁아짐 레이더강수율 (mm hr ¹) 과지상바람지상 AWS 관측소 : 백령도 (A), 연평도 (B), 목덕도 (C), 서산 (D) [ 그림 4.4.1] 2010 년 9 월 21 일의레이다영상과지상바람의분포 71

70 4. 사례발생원인 38N 36N 정체젂선에서발생및이동하여수도권에도달한강수계 저기압순환과한랭젂선순환에의한강수계발달 정체젂선에서의 Multicell MCS (Red Circle) 젂선동쪽강수계의강화와서울도달, Multicell MCS 와의연결 38N 36N 38N 36N 38N 36N 정체젂선으로부터대류계가계속동진, 발달하면서수도권통과 Single Cells 로부터 Narrow Convection Band 로의발달 ( 해상 ) [ 그림 4.4.2] 정체전선에서발달하는다세포대류계로구성된밴드형대류계의동진및강화의모습 72

71 5 사전예측을위핚검토자료 5.1. 일기도 5.2. 위성 5.3. 레이더 5.4. 수치모델 5.5. 이번사례가다른사례와구별되는특성 5.6. 향후예보를위핚점검사항

72 5. 사전예측을위핚검토자료 5.1. 일기도 예측일기도를활용핚집중호우사례매개변수분석 (1) 집중호우를유도하는매개변수들 수도권집중호우와전라북도집중호우의공통적인특징은집중호우를야기한중규모대류계를구성하고있는대류성스톰의규모가 Meso-β와 Meso-γ 규모이고그생애가 10시간이내였다. 따라서 24시간혹은 12시간전에중규모대류계의발생시기와위치및그강도를정확하게예보한다는것은현실적으로불가능에가까운일이며, 두사례모두수치예보모델에서적절히모의하지못했기때문에예보관들은큰어려움을겪었다. 그렇지만예보관들이한반도에서발생하는중규모대류계의 3가지패턴즉, 하계전선 ( 장마 ) 및경압불안정에동반된중규모대류계, 하계태풍을동반중규모대류계, 장마후북태평양고기압가장자리의불안정에의한중규모대류계의특성을충분히이해하고, 연속적인추적과지속적인감시를통해종관규모환경과중규모환경변화에실시간대응한다면자연재해로인한피해를최소화하는데도움을줄것이다. 종관규모환경과중규모대류계내부의역학에대한지식함양은집중호우예보의필수조건이라고할수있다. 집중호우분석과예보를위해서는사전시그널에대한이해가필요하다. 정확한시그널을잡아내기위해서는집중호우를야기한기존사례들에대한통계학적기후학적패턴들에대한이해, 언제, 어디서, 얼마나많은비가내릴것인가에대한판단력, 집중호우발생지역, 규모, 강도와관련된물리과정과종관규모-중규모-스톰규모상호작용이해, 예보에활용하고있는수치예보모델의장단점이해, 중규모대류계발생전 중집중호우관련성을결정하기위한종관-중규모-스톰규모분석기술그리고정해진지역에서의강수량결정을위한중규모대류계운동및전파에대한충분한이해가필요하다. 예보자의집중호우예측능력은정확한패턴인식에서시작되며, 단계별규모분석, 그리고사례 의자기화를통해집중호우를야기한매개변수들에대한이해를통해서완성된다. 패턴인식과규 모분석은집중호우가능성판단에있어서매우중요한절차이다. 먼저큰그림차원에서종관규모분석을실시하는데, 이과정에서는관측및모델자료를통해기 압골, 상층제트, 하층제트등과같은종관규모강제력과불안정도, 수증기공급과상승운동, 대기 상하층온도및수증기분포등과같은중규모 - 스톰규모대류활동의상관관계분석이중요하다. 좀더세부적인그림을그리는과정인중규모분석과정에서는국지일기도, 단열선도, 중규모수치모델자료, 위성 / 레이더자료를통해서중규모대류계발달가능성과집중호우로의발전가능성을분석하여야한다. 이과정에서는특히하층경계, 상하층전선들간의상호작용, 유입 / 유출기류흐름, 수증기와불안정도의시간변화에주목해야한다. 마지막으로실제로대류활동이발생한이후에는위성 / 레이더자료를활용하여중규모대류계의수평및연직구조변화, 돌풍전선과경계발달에의한새로운스톰발생, 스톰병합과스톰이동및전파경향등에대한상세한분석이필 75

73 5. 사전예측을위한검토자료 요하다. 결론적으로집중호우예보에있어서예보관은단계별규모분석을통해집중호우발생가 능성을탐지하고실시간예보를동시에진행할수있는역량을구비하고있어야한다. 일반적으로한지역에서의강수량결정요소는상대습도, 가강수량, 하층습수등가용한수증기량수증기의연직분포, 하층제트와상층기압골에의한지속적인에너지공급과관련된대기하층과중층의수증기수송정도, CAPE, LI, KI 등과같은불안정도, 중규모대류계시스템의무게중심, 충돌-병합강수과정, Back-building 과정등강수강도 ( 효율 ) 와국지적인집중정도분석, 시스템전체의이동속도와후방전파벡터의지속여부를포함하는중규모대류계의이동과전파경향등을들수있다. 집중호우를유도하기위해서는큰강수효율을가지는중규모대류계가상대적으로긴시간동안일정한장소에머물러있어야한다. 강수효율은풍부한수증기의공급과관련되어있는데, (1) 850hPa 고도에서의높은수분속 (Moisture Flux), (2) 지상에서 500hPa 까지의높은상대습도, (3) 40mm 이상의가강수량, (4) 장시간동일지역으로수증기공급지속등의조건이충족되어야한다. 중규모대류계가지속적으로발달하기위해서는강한대기불안정이필요한데가장많이사용되는불안정도지수가대류가용잠재에너지 (CAPE) 이다. 한반도집중호우에있어서 CAPE는중위도전선이나태풍과같이매우강한종관규모강제력이존재하는경우에는비교적낮게나타나며, 국지성집중호우가자주발생하는장마종료후에서 8월말까지는대부분의경우 1,500J/kg 을넘고강한경우에는 4,000J/kg에달하는경우도있다. 이번집중호우사례들의경우에는 CAPE의값이유의미한수준에도달하지못했는데이는집중호우를유도한중규모대류계가강한열적불안정이아닌종관규모환경에의한조건부대류불안정에의한것이었음을의미한다. CAPE의값이낮은경우주로사용되는것이 LI와 KI 인데, (1) 하층제트를동반한가운데 LI가음의값을보이거나, (2) KI 값이 30을넘는경우수증기가풍부하면충분히강하게연직운동을유도할수있다. 집중호우를유도하는중규모대류계가강하게발달하기위해서필요한대기의하층변수들을정리하면, (1) 하층제트의축이나출구에집중호우구역이위치하여야하고, (2) 상당온위의값이높고수평경도가큰상당온위가좁은지역으로유입되며, (3) 수증기수송벡터의풍하측과수증기수렴구역에집중호우지역이일치하여야하고, (4) 강한온난이류와등온위상승구역이존재해야한다. 대기중 상층변수들로는 (1) 500hPa 고도에서는약한상층기압골을동반하고기압능을따라 중층에남서에서서풍기류가형성될필요가있으며, (2) 상층제트기류의입구와출구혹은최 대상층발산구역이나그남쪽에집중호우구역이위치하여야한다. 이러한집중호우를유도하는매개변수들의시간적인변화를적절하게분석하고판단하는능력이예보관들의예보능력과직결된다. 보통의경우많은예보관들이수치예보모델에서제공되는누적강수량과강수구역유입시간만을토대로강수량과강수시작및종료시간을예보하는데이 76

74 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 는돌발적인집중호우와같은특이한기상현상들을놓치는결과를초래할수도있다. 따라서예 보관들은수치예보모델에서제공되는다양한예측자료들을토대로적절하게집중호우와관련 된매개변수들을찾아내고이를분석하여예보에반영할필요가있다. (2) 기단경계에서발생핚수도권호우의매개변수분석 RDAPS 모델예측장을이용한수도권집중호우사례에대한매개변수분석은 24시간, 12시간전에모의한자료들을통해서사전예측을위한시그널들을분석하고자하였으나, 적절하게모의된매개변수들을찾는데실패하였다. 따라서여기에서는집중호우가발생하기약 3시간전에모의된 2010년 9월 21일분석장을통해서매개변수를분석한다. [ 그림 5.1.1] 850hPa 수분속과수렴 ( 좌 ) 850hPa 온도와 700hPa 상승온도 ( 우 ) 그림 5.1.1은 850hPa 수분속과수렴그리고 850hPa 온도와 700hPa 연직속도이다. 앞에서언급했듯이높은강수효율을위해서는하층수증기의공급이중요한데 850hPa 수분속을보면중국남부에상륙한태풍에서남서기류를타고많은수증기들이공급되고있으며특히경기만부근으로수증기공급이집중되고있다. 그리고한만국경부근에수분속이집중된것은대륙고기압과북태평양고기압의수렴에의한것이다. 850hPa 등온선은양자강부근에온난핵을두고남서기류를따라온난이류와함께수증기가한반도중부지방으로유입되고있음을보여준다. 700hPa에서의강한연직운동이경기만부근에서발생하여강한대류활동이발생과유지에도움을준모습을잘보여준다. 이는풍부한수증기가온난이류를통해서집중되는구역에집중호우가발생한다는사실과일치한다. 77

75 5. 사전예측을위한검토자료 그림 5.1.2는지표면에서대기상단까지의총가강수량의수평분포이다. 단열선도분석에서지상에서 700hPa 고도까지의평균상대습도가 90% 이상이고, 500hPa 까지평균상대습도가 70% 이상이었음을고려했을때, 50mm 이상의높은가강수량을가진공기가한반도상에위치하고있다는것은많은강수량이발생할수있었음을의미한다. 관측값기준으로 40mm 가집중호우를야기할수있는가강수량의기준이라고보았을때모델예측에서 50mm는매우높은값으로하층의수증기공급과온난이류가지속되는상태이기때문에강한비가내릴수있는충분한조건이었다. [ 그림 5.1.2] 가강수량, 해면기압 [ 그림 5.1.3] 불안정도지수 LI( 좌 ), KI( 우 ) 그림 5.1.3은 RDAPS에서모의된불안정도지수 LI와 KI의수평분포이다. LI가 3이하인구역이한반도중부지방에위치하고 LI가 0보다작은구역이한반도남쪽에위치한다. 이지역에강한남서기류가존재하고있다는점을감안하면불안정한공기가한반도중부지방으로유입되어대기가불안정구역에놓일가능성이높음을의미한다. 단열선도관측자료분석과마찬가지로강한대류가발생하고있는지역에서 KI 값이최대 35를보이고있으므로한반도중부지방에지속적으로강한대류불안정이발생할수있었다. 78

76 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 [ 그림 5.1.4] 850hPa 유선, 등풍속선 (725kst)( 좌 ), 층후, 850hPa 상당온위 ( 우 ) 하층제트는집중호우발생에필수적인요소인풍부한수증기, 불안정도, 상승운동에모두관여하는중규모대류계의발달과유지과정에서절대적인영향력을가지는매개변수이다. 850hPa 유선에서고기압성회전의중심이일본남서쪽에위치하고한반도는고기압능에위치한다. 그리고풍속 25kts(12.5m/s) 이상의하층제트가경기만부근에보인다. 집중호우를동반한중규모대류계가발생하는데유리한지역이 850hPa 하층제트의축이나출구지역이라는점과잘일치한다. 또한대륙의상대적으로한랭건조한공기와구별되는 330K 이상의온난습윤한공기가좁은지역에위치하면서이지역을중심으로종관규모조건부대류잠재불안정이존재하고있었음을보여준다. 1000~700hPa 층후선도를보면서해안을중심으로발해만부근에는좁은층후지역즉기온의변화가큰지역이위치하고한반도부근에서일본까지는층후의간격이급격하게넓혀진다. 이러한층후의분류 (Diffluence) 는한반도중부지방에서의전선발생에도움을주고좁고강한중규모대류계의지속적인발달에좋은조건을제공한다 ( 예보관훈련교재대기역학 6장 2절그림 6.3 참조 ). 79

77 5. 사전예측을위한검토자료 [ 그림 5.1.5] 925hPa 고도, 온도, 바람 ( 좌 ), 700hPa 고도, 온도, 상당온위 ( 우 ) 대기하층의매개변수들중에서수증기의수송벡터형태와위치도매우중요하다. 그림 5.1.5는대기하층의온난이류구역과강도, 그리고이류된온난공기가불안정한대기중층구역인등온위면상승구역으로유입되는지를보여준다. 그림에서 925hPa의온난이류구역이한반도남서쪽에서한반도를가로질러흘러가는반면북한북부와동해쪽을중심으로는한랭축이분포한다. 그리고이기류는 700hPa 고도의상당온위경도가큰구역으로유입되고있다. 상당온위의남북경도가크다는의미는서해상에서한반도내륙까지는강제단열상승구역이, 한반도동북부지역은강제단열하강구역이존재한다는것을의미하며, 이러한환경에서는대기하층에서유입되는온난한남서기류가상대적으로한랭한공기를타고강제상승하여조건부대기불안정조건에놓이기때문에강한중규모대류계를발달시키는데매우적합한환경을제공한다. 남서쪽으로부터많은수증기를함유한수송벡터의중심이한반도에지속적으로유입될것으로예상되기때문에한번발생한중규모대류계는후방에서지속적으로새로운스톰들이발생함으로인해오랜시간동안세력을유지할수있었다. 80

78 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 [ 그림 5.1.6] 500hPa 유선, 등풍속선 (>25kst)( 좌 ), 300hPa 발산, 등풍속선 (50>kts)( 우 ) 그림 5.1.6은중규모대류계의발달에적합한대기의흐름을추적하기위해서 500hPa 유선과 200hPa 제트기류및발산구역을분석한것이다. 중규모대류계의발달과유지를예측하기위한대기중층및상층매개변수는 500hPa에약한상층기압골을동반하면서그전면에서남서에서서풍기류가지속적으로유입되고, 300hPa 고도제트기류의출구에놓이면서, 동시에상층발산구역과일치하는것이다. 그림에서볼수있듯이 500hPa에서약한기압골이몽고부근에위치하고있고그전면에서유선을따라남서풍에서서풍계열의기류가지속해서유입되고있다. 대기중층에서의지속적인남서에서서풍기류의유입은대기중층에서의양의와도영역을강화시키게된다. 300hPa 고도의제트기류중심축이북위 45 N에위치하고한반도주변에서는동서성분이크게나타나고있으며한반도상공에약하지만발산구역이발견되고있다. 대기중층과상층의기류와발산역의위치와대기하층의저기압발생구역, 온난이류및강제상승구역과잘일치한다. 따라서이지역에서중규모대류계가발생하면그내부의대류성스톰들이빠른시간내에대류권계면까지발달할수있으며, 상대적으로오랜시간동안그세력이유지되어국지적인집중호우를야기하는데매우유리한조건이형성되었다. 81

79 5. 사전예측을위한검토자료 5.2. 위성 2010년 9월 21일집중호우사례는중국내륙에위치한열대저압부로부터다량의수증기가북태평양고기압의순환에동반되어한반도로공급된사례이다. 또한산둥반도에서부터발생된중규모대류시스템들이서해상을통과하면서병합됨과동시에전선을동반하며 확대 V형 (Enhanced V Shape) 의형태로매우강하게발달하여한반도로접근하였다. 그림 5.2.1은대류세포발생시까지아시아영역과한반도영역의적외, 수증기영상을나타낸것이다. 적외영상그림 (a) 에서산둥반도에서한반도영역까지광범위하게하층운이분포하고있는것으로대기하층에다량의수증기가존재하는것을할수있다. 또한아시아영역의적외영상에서화남지방에열대저압부가위치하고있어다량의수증기가한반도로유입되고있음을알수있다. 수증기영상그림 5.2.1(b) 와 (d) 에서산둥반도로부터암역이동진하고있고한반도북쪽에방패권운 (Cirrus Shield) 이존재하는것을볼수있다. 이것으로상층제트의위치를알수있다. 특히일본남쪽해상상층에저기압성순환이존재하며이것으로지상의북태평양고기압의위치를알수있다. 이러한정보를종합하여대략적인상층의종관장을파악할수있다. 이사례에서대류세포는하층에다량의수증기가존재하며그상층에명역과암역의경계 (Boundary) 에서생성되었다. 대류세포발생의탐지와초단기예측을위해서는먼저일기도를분석하여종관장을파악한후만약대류시스템발생가능성이있다면집중호우와관련된대류세포의발생가능성을염두에두고대류세포발생전적외영상과가시영상을이용하여안개또는하층운의존재유무와그면적의크기로하층의수증기분포를파악하며수증기영상을활용하여상층의암역의분포와이동방향 / 속도그리고암화, 상층제트의존재여부와기압골등의위치등을집중적으로파악해야한다. 82

80 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 (a.1) IR1-0100KST (b.1) WV-0100KST (c.1) IR1-0100KST (d.1) WV-0100KST (a.2) IR1-0200KST (b.2) WV-0200KST (c.2) IR1-0200KST (d.2) WV-0200KST (a.3) IR1-0333KST (b.3) WV-0333KST (c.3) IR1-0333KST (d.3) WV-0333KST (a.4) IR1-0500KST (b.4) WV-0500KST (c.4) IR1-0500KST (d.4) WV-0500KST [ 그림 5.2.1] 대류세포발생시까지동아시아영역의 (a) 적외영상, (b) 수증기영상과한반도영역의 (c) 적외영상, (d) 수증기영상 83

81 5. 사전예측을위한검토자료 그림 5.2.2는대류세포의화소수와최소휘도온도의시간변화를, 그림 5.2.3은대류세포화소수와휘도온도 45 이하에위치한 AWS 평균강수량의시간변화를나타낸것이다. 대체적으로최소휘도온도가감소할수록평균강수량은증가하였다. 특히첫번째병합후두번째로낮은휘도온도 (-76.2 ) 를보였고두번째병합후가장낮은휘도온도 (-77.1 ) 를보였으며강수강도는증가하는경향을보였다. 따라서외삽을통해최소휘도온도의변화를예측할수있다면강수강도또한예측이가능할것으로판단된다. [ 그림 5.2.2] 대류세포의화소수와최소휘도온도의시간변화 [ 그림 5.2.3] 대류세포화소수와휘도온도 45 이하에위치한 AWS 평균강수량의시간변화 84

82 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 사전예측을위한검토자료요약이번사례와 2011년 8월 9일전라북도호우사례의중규모대류시스템 ( 클러스터 ) 발생시위성영상에서공통적으로나타났던특징은적외및가시채널등에서중국산둥반도-서해상-한반도에이르는광범위한하층운 ( 또는다량의수증기 ) 과함께수증기채널에서나타나는상층의암역이동진함과함께암화가발생한점이다. 즉, 대류세포는대류권중하층에다량의수증기가존재할때서쪽에서동진하는암역의경계또는암역내에서발생하고있다. 따라서대류세포발생의탐지와초단기예측을위해서는먼저일기도를분석하여종관장을파악한후하층의제트와그상층에제트의존재여부와위치를확인한다. 이때대류시스템발생가능성이있다면집중호우와관련된대류세포의발생가능성을염두에두고위성영상해석시다음을고려해야한다. 대류세포발생전적외영상과가시영상을이용하여안개또는하층운의존재유무와그면적의크기로하층의수증기분포를파악한다. 또수증기영상을활용하여상층의암역의분포와이동방향 / 속도그리고암화, 권운줄기 (Cirrus Streak) 와가로구름선 (Transverse Line) 의위치를참고하여상층제트의존재여부와기압골등의위치를파악한다. 대류세포가생성된후에는적외강조영상을이용하여대류세포의면적의증가와운정최소휘도온도의감소로대류세포의발달정도를확인한다. 특히, 적외영상에서하나의대류세포로이루어진것처럼보이나실제로는대류세포내에여러개의작은대류세포로구성되어있으므로적외강조영상의밝기를기준으로대류세포를분리하여면밀하게분석할필요가있다. 85

83 5. 사전예측을위한검토자료 수증기영상에서그림 5.2.4와 5.2.5에서보는바와같이일종의풍선효과에의해대류세포가급격히발달할가능성이있으므로암역과경계의위치를찾는것이중요하다. 또가시영상을이용하여하층운, 안개, 구름의요철이나그림자등으로대류세포의주변환경및발달정도를확인한다. 특히두집중호우사례에서대류세포의병합과강수강도의증가는밀접한관련이있었다. 따라서대류세포가후방생성 (Back-building) 형태로새로운세포가지속적으로생성된다면대류세포의이동속도를외삽하여이동방향, 속도등을예측한후대류세포들의병합여부를판단한다. 또한비슷한종관적특징을가졌던기존의사례의위성영상을참조한다면예보에도움이될것이다. [ 그림 5.2.4] 풍선효과모식도 (a) 2010 년 9 월 21 일 1333KST (b) 2011 년 8 월 9 일 1133KST [ 그림 5.2.5] 풍선효과예시 86

84 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 특히이번에선정된사례들과같이강한중규모대류현상이발생하여수시간이상지속되기위해서는기본적으로상하층제트로대표되는역학적배경장과함께다량의수증기및수증기공급시스템이필요하다. 이러한집중호우와같은기상재해를유발하는중규모대류계뿐만아니라모든기상현상을정량적으로예보하기위해서는 1차적으로기상현상의발생예정위치와시각을판단해야하며향후에는이현상의발달여부와함께이동특성 ( 방향과속도 ) 을분석해야한다. 여기에서는천리안위성에서제공되는 5개채널영상중이러한정보를제공할수있는가장기본적인채널인적외와수증기영상자료로부터중규모대류계현상의발생위치와시각, 발달여부및이동특성의사전예측을위한검토방안을요약한다. 여기서제시되는검토방안은 3개사례의분석결과에기초한것이므로이를일반화내지는예보지침으로향상시키기위해서는보다많은사례에대해심도있는분석이필요하다. 1) 일차적으로수증기영상에서암역과명역의경계, 상층제트유무등을확인한다. 또한수증기영상의동화를통해서암역의이동특성 ( 방향, 암화강도 ) 을분석한다. 사실위성영상만으로는대류세포의발생위치와시각을예측하는것은거의불가능하다. 하지만 3개사례모두암역과명역의경계또는암역내에서대류세포가발생한후암역의이동과함께동진하면서발달하였다. 2) 적외또는적외강조영상 ( 낮에는가시영상도활용 ) 을통해서하층의수증기 ( 구름 ) 분포와대류세포발생여부를분석한다. 하층에다량의수증기또는구름이분포하고상층에암역 ( 건조하거나하강기류존재 ) 이광범위하게분포할경우대류세포가국지적으로발생할확률이높다. 3) 대류세포의발생이확인되면적외영상에서제공되는휘도온도자료를이용해특정임계휘도온도이하화소수의증감, 최저휘도의변화경향등을분석한다. 또한대류세포가 2개이상일경우영상동화를통해이동속도차를분석하여병합가능성을판단하고하층에서의지속적수증기유입여부를분석한다. 4) 수증기영상의동화를통해대류세포주위의암역이동방향과속도그리고강도변화 ( 암화 ) 를분석한다. 대류세포후면 / 주위에서의암역의강화는한랭전선후면에서의한기유입효과또는풍선효과를통해서대류계의발달을강화시킬수있다. 87

85 5. 사전예측을위한검토자료 5.3. 레이더 초단기예측모델중 MAPLE(MaGil Algorithm for Precipitation Nowcasting by Lagrangian Extrapolation) 과 KONOS(Korea NOwcasting System) 는각각레이더합성장과레이더-AWS 강우강도 (Radar-AWS Rain Rate; RAR) 에의해주어진강우패턴의이동벡터장을변분에코추적기법 (VET) 을사용하여에코이동벡터를산출하고 Semi-Lagrangian 기법을적용하여수시간이내의예측장을생성한다. MAPLE과 KONOS 예측자료는알고리즘특성상신규시스템의발달은예측되지않으며, 존재하는시스템의발달과소멸만예측가능하다. 사전예측을위한검토자료로써초단기예측모델을사용하기위해서는예측장자료와레이더자료를이용하여강수시스템의발달및소멸, 이동등에대한비교및검토가요구된다. 88

86 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 1200KST에서 1400KST까지예보 2시간에대한레이더관측자료와 MAPLE의예측강수시스템분포를나타낸것이다 ( 그림 5.3.1). 레이더관측자료에서 1200KST 강수시스템은서해안에서부터서울및경기지역으로길게늘어선선형의강수밴드를형성하고이후강수시스템후면에서계속적으로발생하는셀이앞쪽의셀과병합하여 1400KST까지선형의강수밴드가서울및경기지역에위치하고있다. 그러나 MAPLE의예측강수시스템은시스템의후면에서발달하는셀을모의하지못하여초기장에서생성된서울지역의강한강수셀이시간이지남에따라동쪽으로이동하였다. 1400KST부터 1600KST까지예보 2시간에대한레이더관측자료와 MAPLE의예측강수시스템분포를나타낸그림 5.3.2에서는 1400KST에선형의강수밴드후면에존재하고있던강수셀이 1500KST에강한강수셀로발달하여 1530KST에기존의강수밴드와병합하였다. MAPLE에서예측된강수시스템은예측 1시간이내에서레이더에서관측된강수시스템과유사한형태를보였지만 1500KST에후면에서발달한강수셀과기존의강수밴드의병합을모의하지못하였다. [ 그림 5.3.1] 2010 년 9 월 21 일 1200KST 에서 1400KST 까지 30 분간격의레이더합성장 ( 위 ) 와 1230KST 에실시된 30 분간격의 MAPLE 예측장 ( 아래 ) 89

87 5. 사전예측을위한검토자료 [ 그림 5.3.2] 2010 년 9 월 21 일 1400KST 에서 1600KST 까지 30 분간격의레이더합성장 ( 상 ) 과 1400KST 에실시된 30 분간격의 MAPLE 예측장 ( 하 ) 종합의견레이더는다른원격탐사장비에비해관측반경및관측주기가우수하고실시간으로위험기상현상을모니터링할수있으며, 집중호우의탐지및예보에도그효율성이입증되었다. 특히레이더수평자료 (CAPPI) 는에코강도, 이동방향, 이동속도를관측하여새로발생한에코강도, 이전에코와병합유 / 무, 이동방향을분석하고에코의형태학적분류에사용된다. 레이더연직자료 (RHI) 는에코의이동방향으로연직단면도를생성함으로서대류형과층상형을구분하고 CAPPI와마찬가지로새로발생한에코강도, 이전에코와의병합유 / 무를판별할수있다. 시선속도는에코에서유도된바람강도와방향을분석하여와도형성유무를판별하는데사용된다. 그리고이중바람장자료는강수시스템의운동학적특성을분석하여발달메커니즘을규명하는데도움을준다. 이들레이더자료 (3차원 CAPPI, RHI, VIL, 시선속도, 이중바람장 ) 와초단기레이더강수예측자료인 KONOS, MAPLE, VSRF를참고자료로활용하여집중호우의예보지표로활용할수있다. 90

88 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 레이더자료를이용한집중호우가능성예측방법은아래와같다 ( 그림 5.3.3). 1. CAPPI자료를이용한대류형 / 층상형구분 2. CAPPI와이전레이더영상자료를이용한에코강도 / 이동방향 / 이동속도계산 3. CAPPI와 RHI자료를이용한새로생성되는에코형성 / 병합여부파악 4. 시선속도자료및이중바람장자료를이용한에코발달여부파악 5. 집중호우가능성예측 [ 그림 5.3.3] 레이더자료를이용한집중호우가능성예측방법흐름도 대륙고기압과북태평양고기압사이의강한정체전선에서발달하였으며, 태풍의간접영향으로많은수증기가공급되어약 3시간동안서울및경기지역의좁은영역에집중적인강수가발생한사례이다. 레이더를이용한강수구조분석에서정체전선에서발생한강한선형의강수구름형태를잘나타내고있고, 외부강제력에의해 45dBZ가넘는새로운강한대류운이강수시스템후면에서계속적으로생성되었다. 강수시스템의높이는 9km 고도이고 35dBZ 이상의대류운은 5km 고도이상으로발달하였다. 1300KST에서 1600KST 사이에약 10ms -1 의속도로동쪽으로이동하였으며, 강수시스템후면으로 20ms -1 의강한바람이지속적으로유입되었다. 이로인해 Back-building Type의 Quasi-linear Convective Cells이형성되었다. 이중바람장분석을통해고도 6km를기준으로상층의하강류와하층의상승류로인한활발한대류가강수시스템의발달을유도하고해양에서계속적인수렴을통해새로운대류셀이발달함을알수있었다. 91

89 5. 사전예측을위한검토자료 본사례에대하여레이더자료를이용한집중호우가능성예측방법흐름도를적용하여단계별검토결과를나타내었다. 1. CAPPI자료를이용한대류형 / 층상형구분 1230KST 에강한반사도가나타나는영역에대하여 RHI분석을수행하여구름의유형을판별하였다. AA 에대한 RHI 영상에서고도 12km 이상으로수직으로높게발달한대류셀 (C1, C2) 들이관측되었다. C2 C1 dbz [ 그림 5.3.4] 1230KST 의레이더 1.5km 반사도 CAPPI 영상 ( 좌 ) 과 A-A 의연직반사도단면도 ( 우 ) 92

90 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 2. CAPPI와이전레이더영상자료를이용한에코강도 / 이동방향 / 이동속도계산 1230KST에관측된 50dBZ 이상의강한반사도를가지는대류셀 ( 흰색원 ) 의움직임을추적하여이동방향및이동속도를계산하였다. 1230KST에흰색원의직교점에위치하고있는반사도에코는 1300KST에동쪽으로약 35km 이동하였고, 1330KST에는비슷한방향으로약 56km 정도이동하였다. 이를통해산출된대류셀의이동속도는 56kmh -1 으로추정된다. dbz [ 그림 5.3.5] 1230KST, 1300KST, 1330KST 의 1.5km 반사도 CAPPI 영상과강수시스템의이동벡터 93

91 5. 사전예측을위한검토자료 3. CAPPI와 RHI자료를이용한새로생성되는에코형성 / 병합여부파악 1250KST에강수시스템은크게 3개의강수시스템 (45dBZ 이상 ; R1, R2, R3) 으로구성되어있으며, 각강수시스템내에서도 50dBZ 이상의반사도를가지는강한대류셀들이존재하였다. 1300KST에 R1과 R2는하나의강수시스템 (R1) 으로병합되었으며, R1 내에존재하던일부대류셀들은 1310KST에병합되면서발달하였다 KST R2 R1 A A 1250 KST R KST R KST A A R KST R3 A R1 A 1310 KST [ 그림 5.3.6] 1250KST, 1300KST, 1310KST 의레이더 1.5km 반사도 CAPPI 영상 ( 좌 ) 과 A-A 의연직반사도단면도 ( 우 ) 94

92 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 4. 시선속도자료및이중바람장자료를이용한에코발달여부파악 1230KST, 1300KST, 1330KST에모두서해안부근에 21~27ms -1 의범위의빠른시선속도가나타나므로, 바람이해양에서부터육지로강한바람이계속적으로불어오고있음을보여준다. 시선속도분석을통하여강수시스템의이동경향및바람패턴을파악하는데활용할수있으나, 1300KST와 1330KST의경우선형의다중대류셀이존재하는영역에서일부분의시선속도자료만관측되어자세한구조를분석하기어려우므로, 이중바람장자료를활용하여강수시스템의 3차원적인바람장구조를추가적으로검토하였다. ms -1 [ 그림 5.3.7] 1230KST, 1300KST, 1330KST 시선속도 1.5 PPI 영상 95

93 5. 사전예측을위한검토자료 이중바람장분석결과 1250KST에선형의다중대류셀에북서풍과남서풍이유입되고있고, 이러한패턴은 1310KST에도계속적으로관측되었다. 1250KST의수렴과연직류의연직단면도에서대류셀의하층에서강한수렴이지배적으로나타나지만부분적으로발산이존재하고, 강한상승류와함께하강류가관측되므로이대류셀은많은강수를내리는성숙단계의대류셀에해당한다. 1310KST에선형다중대류셀의후면에서하층수렴의강화와함께강한상승류가관측되었다. [ 그림 5.3.8] 1250KST 레이더 1.5km 반사도 CAPPI 영상 ( 좌 ) 과 A-A 의수렴과연직류의연직단면도 ( 우 ) [ 그림 5.3.9] 1310KST 레이더 1.5km 반사도 CAPPI 영상 ( 좌 ) 과 A-A 의수렴과연직류의연직단면도 ( 우 ) 96

94 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 본사례는대륙고기압과북태평양고기압사이의강한정체전선에서발달하였으며, 태풍의간접영향으로많은수증기가공급되어약 3시간동안서울및경기지역의좁은영역에집중적인강수가발생한사례이다. 레이더를이용한강수구조분석에서정체전선에서발생한강한선형의강수구름형태를잘나타내고있으며, 외부강제력에의해 45dBZ가넘는새로운강한대류운이강수시스템후면에서계속적으로생성되었다. 강수시스템의높이는 9km고도이고 35dBZ이상의대류운은 5km고도이상으로발달하였다. 1300KST에서 1600KST 사이에약 10ms -1 의속도로동쪽으로이동하였으며, 강수시스템후면으로 20ms -1 의강한바람이지속적으로유입되었다. 이로인해 Back-building Type의 Quasilinear Convective Cells이형성되었다. 이중바람장분석을통해고도 6 km를기준으로상층의하강류와하층의상승류로인한활발한대류가강수시스템의발달을유도하고해양에서계속적인수렴을통해새로운대류셀이발달함을알수있었다. 2010년 9월 21일호우사례의경우, ( 모식도를그림 에나타낸바와같이 ) 남서풍과북서풍이강수시스템의후면에서수렴하여 45dBZ가넘는강한반사도를가진대류운이나타나고, 시스템의후면에서계속적으로새롭게생성되는셀과병합하여대류운이발달하는형태를갖게될때, 집중호우를일으킬수있음에유의할필요가있다. [ 그림 ] 2010 년 9 월 21 일호우사례모식도 97

95 5. 사전예측을위한검토자료 5.4. 수치예보모델 전일 (D-1) 지역수치예보모델 (RDAPS) 예측결과에서정체전선과중규모저기압의위치와발달가능성이분석된다. 모델에서적운모수화에의해형성된강수영역은대기불안정이강한지역을보여주므로이지역에서중규모대류계발달가능성이있다. 이를국지수치예보모델 (LDAPS) 에의한예측강수량분석을통해강한중규모강수계의발생여부판단된다 ( 그림 5.4.1). [ 그림 5.4.1] 2010 년 9 월 21 일수도권호우사례에대한전일국지수치예보모델 (LDAPS) 과지역수치예보모델 (RDAPS) 에의해모의된누적강수량비교. 국지수치예보모델의결과는 12 시간누적강수량 (06-18KST)( 좌 ) 이며, 지역수치예보모델의결과는 24 시간누적강수량 (00-24KST)( 우 ) 대기불안정이강한기상상황하에서는지역수치예보모델 (RDAPS) 와국지수치예보모델 (LDAPS) 의예측성 / 일관성이낮아져, 중규모기상상황은물론이고종관규모 ( 정체전선과저기압의위치와발달정도 ) 의기상상황도모델의예측선행시간에따라그결과가큰차이를보일수있다. 일기도분석을토대로지역수치예보모델에나타날수있는종관규모의예측오차 ( 정체전선이나저기압위치와강도등 ) 를보완하여판단할필요가있다 ( 그림 ). 지역수치예보모델에서적운모수화에의해발생하는강수는약한하층수렴에도민감하여지형에의한영향이크게나타나는경향이있으므로강수영역의과대모의가능성에대한판단이필요하다 ( 그림 3.1.5과 ). 집중호우발생이예측될경우에는국지수치예보모델에의해모의된강수량, 강수강도, 강수영역을예보에적극적으로반영하되, 정량적차이가있을수있음을인지할필요가있다. 사례의경우 ( 그림 5.4.1), 지역수치예보모델의예측은호우를예측하지못하고있으나, 국지수치예보모델은수도권호우를잘예측하고있다. 하지만모의된강수량은관측에비해다소적은것으로예측하고있다. 98

96 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 5.5. 이번사례가다른사례와구별되는특성 종관환경호우발달지역의남쪽은일반호우발달상황과유사한종관기상조건 ( 북태평양고기압과그북서쪽가장자리의강한남서풍대 ) 을보여주고있으나, 북쪽의조건 ( 대륙고기압 ) 은일반호우와구별되는부분이다. - 이같은북쪽조건의차이는전선의성격과강도를일반저기압에연관된전선과유사하게만들어주는영향이있을것으로보인다. 예를들어, 북쪽의북풍계열바람이저기압발달과함께빠르게전선과연결됨으로인해한랭전선의생성과전선순환의발달등이빠르게이루어져전선활성화에중요한역할을했을것으로판단된다. - 두대규모고기압이모두이동이적은경우여서그사이기압골에서의중규모저기압과전선역시정체가가능했을것으로판단된다. 호우발생과정과발생원인본사례의강수계는중규모저기압중심의서쪽전선에서발생한경우이다. 일반적으로는중규모저기압동쪽부분의하층제트전면에서호우시스템발달이더자주관측되고저기압과함께비교적빠르게동진하는경향도보이는반면, 중규모저기압서쪽전선에서의강수계로인한호우발생빈도는적은편이다 ( 저기압서쪽의전선에서도강수계는흔히발달하지만 ). 본사례의경우는열역학적불안정조건이갖추어진상황에서전선이활성화되면서동시에정체하였기때문에 3-4시간의지속적호우가가능했던것으로보인다. 99

97 5. 사전예측을위한검토자료 5.6. 향후예보를위핚점검사항 호우관련현상의이해개선 본조사에서다룬두호우사례는모두독특한환경에서독특한조건들로인해호우시스템이발 달한경우들이어서이들과같은호우의발생을적절히예보하기위해서는이들호우의발생과정 과역학에대한이해를갖추어야겠다. - 대류계가어떻게중규모저기압발생및발달을가져오는가에대한이해 - 전선의발달과정과구조에대한이해 - 정체전선에서발생한대류계가동진하면서어떻게강한호우시스템으로발달하는지에대한이해 예보관련검토사항 수치예보 본사례의경우, 호우시스템이두개의대규모고기압사이의기압골에서발생하였기때문에, 수치모델에의한호우시스템발생예측가능성이상대적으로높은것으로생각될수도있다. 이를반영하듯본사례에서 1.5km 격자를사용한 LDAPS의경우는성공적으로예측하였으나, 12 km 격자를사용하고적운모수화를가동한 RDAPS 예측은실패하였다. RDAPS 예측의실패원인이해를위해서는격자, 적운모수화의역할, 초기장의적절성에대한검토가필요한것으로판단된다. - 밴드형대류계모사연구 (Yu and Lee, 2010) 에따르면적운모수화는그것의강력한대기안정화효과로인해밴드형대류계모사에는부정적효과를보인경우들이있었으며, 격자는 3km 이하가적절한것으로보인다. 이때문에 RDAPS 예측이실제와많은차이를보였던것이아닌가판단되므로, 앞으로밴드형대류계의수치예측방법론에대한검토가필요한것으로보인다. - RDAPS 재분석장에서기압골의위치가중규모시스템발달위치와의불일치를보이는부분이있어서초기장오차에의한예측오류가능성도보였다. 분석장과중규모시스템의위치불일치는세사례모두나타나고있어분석장에대한검토가필요한것으로보인다. 100

98 5. 사전예측을위한검토자료 집중호우사례 호우예측의안정성개선본사례와같은경우는물론호우시스템의수치모사는항상실패가능성을갖고있기때문에호우예측의안정성을높이기위한노력이요구된다. - 가장중요한것은안정된실황파악능력과실황예보능력이라판단된다. 사례에대한경험과이해를갖춘다면본사례의경우 4-6 시간선행시간을갖는실황예보가가능할수있는것으로판단된다. - 앙상블예보도통계적가능성예측개선을통해호우시스템예보의안정성에기여할것으로보인다. - 호우예측의안정성개선을위한위의언급은 2010년 9월 21일수도권집중호우사례와 2011년 8월 9일전라북도호우사례, 2010년 1월 4일중부지방대설사례모두에해당되는것으로생각된다. 101

99 참고문헌 1. 국가기상위성센터, 2011: 기상위성영상의이해 (I), 국가기상위성센터, 2011: 기상위성영상의이해 (Ⅱ), 권태영, 이정순, 2013: 2010 년 9 월 21 일추석호우와관련된대류세포의위성영상분석. 대한원격탐사학회지, 29(4), 기상청, 2011: 손에잡히는예 / 보 / 기 / 술, ( 제 2 호 ) 5. 기상청, 2011: 손에잡히는예 / 보 / 기 / 술, ( 제 4 호 ) 6. 기상청, 2011: 손에잡히는예 / 보 / 기 / 술, ( 제 8 호 ) 7. 김덕래, 권태영, 2011: 대류세포의발달단계별위성휘도온도와강우강도의특성 - 사례연구. 한국기상학회지, 21(3), 김형우, 2010: 한반도집중호우를야기하는 MCS 내부의대류성스톰들의발달기구연구, 서울대학교대학원박사학위논문. 9. 예보관훈련용기술서 - 레이더기상학. 10. 이광재, 허기영, 서애숙, 박종서, 하경자, 2010: 호우사례분석을위한개념모델구성에위성영상과위성자료의활용연구. 한국기상학회지, 20(2), 이우진, 2006: 일기도와날씨해석, 광교이텍스. 12. 홍성길, 1995: 기상분석과일기예보, 교학연구사. 13. Cho, JYN, Newell, RE, Barrick JD, 1999: Horizontal wavenumber spectra of winds, temperature, and trace gases during the Pacific Exploratory Missions: 2. Gravity waves, quasi-two-dimensional turbulence, and vortical modes. J. Geophys. Res. 104, Cintineo, J. L, M. J. Pavolonis, J. M. Sieglaff, and A. K. Heidinger, 2013: Evolution of Severe and Nonsevere Convection Inferred from GOES-Derived Coloud Properties. J. Appl. Meteor., 52, Davis, R., 2001, Flash Flood forecast and detection methods, Severe Convective Storms, Meteor. Monogr., 28, No. 50, Amer. Meteor. Soc., Djuric, D., 1994: Weather Analysis. Prentice Hall, Texas A&M university 17. Doswell, C.A. III, H.E. Brooks and R.A. Maddox (1995): Flash flood forecasting: An ingredients-based methodology. Preprints, 5th CMOS Workshop on Operational Meteorology (Edmonton, Alberta, Canada, 28 Feb-3 Mar), Canadian Meteor. and Oceanogr. Soc., Estelle de Coning, 2013: Optimizing Satellite-Based Precipitation Estimation for Nowcasting of Rainfall and Flash Flood Events over the South African Domain. Remote Sens, 5, FENG Sha, LIU Qi, and FU Yun-Fei1, 2009: Precipitation under Subtropical High Conditions: Evidence and Implications, ATMOSPHERIC AND OCEANIC SCIENCE LETTERS, 2009, VOL. 2, NO. 4, Jung, W., and T.-Y. Lee, 2013: Formation and evolution of mesoscale convective systems that brought the heavy rainfall over Seoul on September 21, Asia- Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 49, Lindborg, E, 1999: Can the atmospheric kinetic energy spectrum be explained by two-dimensional turbulence? J. Fluid. Mech. 388, Mon. Wea., Rev. 132, Nastrom, GD, Gage, KS, 1985: A climatology of atmospheric wavenumber spectra of wind and temperature observed by commercial aircraft. J. Atmos. Sci. 42, NOAA, 1999: COMET program, Mesoscale Convective Systems: Squall Lines and Bow Echoes NOAA, 2004: COMET program, Severe Convection II: Mesoscale Convective Systems

100 참고문헌 26. NOAA, 2006: COMET program, Skew-T Mastery Parker, M. D. and R. H. Johnson, 2000; Organizational Modes of Midlatitude Mesoscale Convective Systems, Monthly Weather Review, 128, Rabin, R. M, 2007: A Quantitative Analysis of the Enhanced_V Feature in Relation to Severe Weather. J. Appl. Meteor., 22, Roberts, R. D, D. Burgess, and M. Meister, 2006: Developing Tools for Nowcasting Storm Severity. J. Appl. Meteor., 21, Schumacher, R. S. and R. H. Johnson, 2005; Organization and Environmental Properties of Extreme-Rain-Producing Mesoscale Convective Systems, Monthly weather review, 133, Sieglaff, J. M, L. M. Cronce, and W. F. Feltz, 2011: Nowcasting Convective Storm Initiation Using Satellie-Based Box-Averaged Cloud-Top Cooling and Cloud-Type Trends. J. Appl. Meteor., 50, Skamarock, WC, 2004: Evaluating mesoscale NWP models using kinetic energy spectra. 33. Suh, M. S, J. R. Lee, and C. H. Kwak, 2004: Evaluation of NOAA/NESDIS Autoestimator for heavy rainfall events over Korean peninsula. J. Korean Meteor. Soc., 40(6), Ted Funk, 2003: Heavy Convective Rainfall Forecasting: A Comprehensive Look at Parameters, Processes, Patterns, and Rules of Thumb. 35. Yu, X., and T.-Y. Lee, 2010: Role of convective parameterization in simulations of a convection band at grey-zone resolution. Tellus Series A-Dynamic Meteorology And Oceanography, 62A,

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