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영운 저
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이번호에서는토네이도의발생특징과구조를알아보고, 2014년 6월 10일고양시에서발생한용오름사례를중심으로대기구조와기상요소별특징에대해서소개한다.

1 손에잡히는예 / 보 / 기 / 술 ( 제 25 호 ) 우리나라내륙에서발생한용오름의발생특징및분석 발행 : 예보국 문의 : 예보기술분석과 ( 내선 1657) 발행일 : 2014 년 8 월 14 일 ( 목 ) 용오름이란강한바람에의해지표면으로부터말아올리는모래먼지및지상물체의파편, 수면으로부터의물방울등을수반하는강한소용돌이를말하며 ( 기상학사전 1992), 우리나라에서는용오름, 미국에서는토네이도 (tornado) 라고부른다. 이번호에서는토네이도의발생특징과구조를알아보고, 2014년 6월 10일고양시에서발생한용오름사례를중심으로대기구조와기상요소별특징에대해서소개한다. 발생특징및구조 (tornado-genesis) 1) 뇌우규모에서토네이도발달과정 토네이도는기본적으로지표부근의하층대기에서따뜻하고습한공기가집중적으로유입되는지역에서발생하며, 토네이도의서쪽 ( 후면 ) 은한랭하고건조한공기의침강이나타난다. 이런구조는뇌우발달구조와일치하는데, 토네이도는그림 1과같이거대세포뇌우 (super cell storm) 내부에위치하는것이일반적이다. 그림 1. 토네이도모식도 (Houze 1993)

2 발달된거대뇌우에서토네이도는호우지역과구분이된다. 호우는그림 1 과같이뇌우의전 방에서강한상승류가존재하는지역에서발생하고, 토네이도는이호우지역의후면 ( 그림 1 에 서호우의서쪽 ) 에위치한다. 그림 2. 그림 1 의토네이도발생지역을중심으로기류의수렴에따른연직와도대 (vertical vortex) 의변화에의한토네이도 ( 강한상승기류 ) 생성과정 (Markowski and Richardson 2009) 그림 2는토네이도형성과정을설명하는모식도이다. 그림 1의토네이도발생지역을중심으로지표부근기류의수렴과연직와도의움직임을그림 2를보면서생각해보자. 그림 2의 a) 는그림 1의토네이도발생구역으로서, 뇌우에의해강한비가내리는지역의후면 ( 서쪽 ) 이다. 기류 ( 지향류 ) 는뇌우의수렴구역을향해진행한다. 즉, 서풍의기류가지나가며, 이때연직와도 (vertical vorticity) 의회전방향은그림과같다. 전방 ( 동쪽 ) 에발달한뇌우에의해서강한비가내리면하강기류가동반되면서후방 ( 서쪽 ) 으로기류가발산한다. 이때, 그림 2의 b) 와같은동풍이발생하고서풍과합류하면서상승기류를이끈다. 이상승기류로적운계열의대류운이발생한다. 그림 2의 c) 와같이상승기류가강해지면구름은적란운의형태로발달한다. 그러나여기까지의과정은새로운뇌우의형성과정 (Back-Building 형태 ) 과크게다르지않다. 토네이도는그림 2의 d) 와같이상층의무거운공기 ( 건조공기또는찬공기 ) 가지상까지침강하였을때발생한다. 강한하강기류 (downdraft) 가지상에도달하면서에서동으로이동하던기류가지상에부딪친후상승한다. 이후그림 2의 e) 와같이수렴지역에강한상승기류가만들어지며, 이때연직와도는상승기류주변에강한저기압성와도지역으로바뀐다. 이저기

압성와도는전방에서수렴하는고기압성와도지역과톱니바퀴형태로결합하면서더욱강화된다. 일반적으로대류성구름대가발생한후뇌우로발달하는경우에는폭이넓은상승기류 ( 그림 2의 b) 와 c)) 가만들어지나, 밀도가큰건조공기가지면까지침투할경우폭이좁은상승기류가그림 d) 와 e) 의과정과같이만들어진다.

3 압성와도는전방에서수렴하는고기압성와도지역과톱니바퀴형태로결합하면서더욱강화된다. 일반적으로대류성구름대가발생한후뇌우로발달하는경우에는폭이넓은상승기류 ( 그림 2의 b) 와 c)) 가만들어지나, 밀도가큰건조공기가지면까지침투할경우폭이좁은상승기류가그림 d) 와 e) 의과정과같이만들어진다. 2) 토네이도의형성 앞서그림 2 의예에서설명한폭이좁은강한상승기류가만들어지는과정이토네이도 발생에중요한원인이며, 각운동량보존으로서설명할수있다. a) b) 그림 3. 각운동량보존의예 (Ackerman and Knox 2007) 그림 3과같이저기압성회전을하는피겨스케이터선수를생각해보자. 2명은모두무게가같다고가정하고, 선수의머리는저기압의상부즉, 대류권계면이라고가정하자. 그림 3의 a) 는키가작고회전반경이크다. b) 는키가크고팔과다리를오므리고있어서회전반경이작다. 이 2명중누가더빠른속도로회전할까? 당연히 b) 와같이몸을오므리고회전하는키가큰선수일것이다. 식 1은각운동량보존 (Conservation of Angular Momentum) 을요약한것이다. 총회전수 constant 식 (1) 저기압높이 식 1 의각운동량보존에의해서저기압높이와총회전수가비례함을보여준다. 상대와도 행성와도 잠재와도 constant 식 (2) 저기압높이 식 2 의잠재와도 (potential vorticity) 관점에서살펴보면, 저기압성와도가강하다는것은저 기압의높이와상관성을갖게된다. 저기압성와도는곡률반경이작을수록, 즉그림 3 의 b) 와

4 같이회전반경이작을수록와도가증가한다. 결국, 좁은범위의저기압성회전은저기압의높 이를증가시켜토네이도와같은강한대류성스톰을만들어낸다. 3) 요약지금까지소개한토네이도발생원인을요약하면, 1기본적으로뇌우를발생시킬수있는열적 ( 상 하층온도차이 ), 운동학적 ( 연직바람시어 ) 대류불안정이필요하며, 2불안정한대기구조에서강한호우대가위치해야한다. 다음으로 3강한호우지역의후면 ( 서쪽혹은남쪽 ) 에지표부근의기류가수렴하는구역이존재해야한다. 4상층의공기 ( 건조하거나찬공기 ) 가이수렴지역의지면으로침강하면, 폭이좁은강한상승기류가발생하면서 5토네이도가발생할수있다. 그렇지만토네이도는중규모기상현상중에서도가장작은규모 ( 일반적으로 Meso-γ(2~20km 수평규모 ) 이나, 우리나라사례는 1km 이하임 ) 로서, 관측자료를이용해서수평적으로수렴하는기류나지면으로하강하는기류를명확하게찾아내기는어렵다. 토네이도발생사례분석 이번장에서는 2014 년 6 월 10 일경기도고양시 ( 일산서구지역, 19:20~19:50, 30 분간발생 ) 에서발생한용오름사례에중점을두어분석결과를소개한다. 이번용오름사례는그림 4와같이이례적으로내륙에서발생하여고양시 ( 일산서구 ) 에비닐하우스 48동, 3.9ha 면적에서 15억정도의재산피해가발생했다 ( 소방방재청집계 ). 그림 년 6 월 10 일고양시용오 름발생지역 (X 는발생지역 ) 과 19 시 30 분상대습도분포도 그림 5 는용오름이발생했던시각과가까운 21 시에관측된위성영상 ( 수증기 ) 과수치모델분 석장이다. 그림 5 a) 를보면, 500hPa 고도에차가운공기 (-15 이하 ) 를가진절리저기압이

수증기영상에서서해상과우리나라에건조한공기가지배하고있음을알수있다. 한반도내륙에위치한구름대는대부분발달한적란운으로서, b) 의불안정지수 (SSI) 에서이지역은 0 이하의불안정구역임을확인할수있다.

종관일기도와위성영상의분석결과는우박발생의특징과비슷하다. 실제로경기도고양시에용오름이발생한 2014년 6월 10일원주, 용인, 충주, 철원등지에우박이내렸다.

5 a) b) 그림 년 6 월 10 일 21(KST) a) 수증기영상과 500hPa 일기도, b) SSI a) b) 요동반도에중심을두고우리나라에영향을미치고있으며, 수증기영상에서서해상과우리나라에건조한공기가지배하고있음을알수있다. 한반도내륙에위치한구름대는대부분발달한적란운으로서, b) 의불안정지수 (SSI) 에서이지역은 0 이하의불안정구역임을확인할수있다. 일몰후기온이하강하는시간대임에도불구하고불안정한대기를나타냄으로서, 강한대류성구름대를발달 유지시킬수있었는데, 불안정한대기구조의주원인이지면의가열효과가아닌상층찬공기의이류였음을알수있다. 종관일기도와위성영상의분석결과는우박발생의특징과비슷하다. 실제로경기도고양시에용오름이발생한 2014년 6월 10일원주, 용인, 충주, 철원등지에우박이내렸다. 우박이내리는지역은강한하강기류 (Micro Burst) 가동반되므로, 그림 2에서설명한지표부근의수렴기류를만드는중요한역할을한다. 그림 년 6월 10일 19:30(KST) a) 레이더영상과 AWS 바람장, b) AWS 상대습도분포 (x표시는한국건설기술연구원의저고도레이더가관측한용오름관측지점인고양시일산서구에해당함 ) 그림 6은용오름발생시각에관측된레이더영상과 AWS 바람장및상대습도를보여준다. 강한뇌우구름대가경기도고양시에위치하고있다. 이뇌우구름대를기준으로서쪽에서바람이유입되고있으며, 남쪽과북쪽에위치한뇌우지역에서강한강수와함께하강한바람이지표부근에

서퍼져나가고양시에위치한뇌우로유입되고있음을볼수있다. 같은시각에관측한상대습도분포 (b) 를살펴보면, 고양시에중심을두고있는뇌우는주변의다른지역에비해낮은습도분포를보인다. 앞서소개한토네이도발생에중요한역할을담당하는건조공기가지표까지하강하였음을추정할수있다. 그림 7. 오산단열선도 (2014.6.10.

6 서퍼져나가고양시에위치한뇌우로유입되고있음을볼수있다. 같은시각에관측한상대습도분포 (b) 를살펴보면, 고양시에중심을두고있는뇌우는주변의다른지역에비해낮은습도분포를보인다. 앞서소개한토네이도발생에중요한역할을담당하는건조공기가지표까지하강하였음을추정할수있다. 그림 7. 오산단열선도 ( 시 ) 그림 7의 6월 10일 15시에관측된오산단열선도에서, LCL( 상승응결고도 ), CCL( 대류응결고도 ), LFC( 자유대류고도 ) 가모두같은고도인 1304gpm에위치한다. LFC 고도이후부터는상승하는공기의온도가실제대기기온보다높은양의부력구간 ( 대류가용잠재에너지 : CAPE) 이대류권계면고도 ( 약 10km) 까지위치하기때문에강제상승효과가발생하거나가열에의한대류가발생할경우쉽게권계면고도까지구름이발달할수있는구조를보인다. 또한, 지상의기온이 25 ( 대류온도 ) 이상이면어떠한외부의작용이없어도상승하여약 1km 부근의고도부터 10km까지대류형구름이만들어질수있다. 고도 3~7km(700~400hPa) 에는고도증가에따라바람이북서풍에서남서풍으로전환되면서반시계방향으로회전하는 (Backing) 한랭이류형구조를보여준다. 구간은하층에비해기온과이슬점온도의차이가큰건조한구역이여러층으로구성되어있다. 상층저기압주변으로건조공기의유입이일어나고있음을알수있다.

그림 8 의한반도수증기영상에서도고양시부근의발달한대류운역서쪽으로암역 ( 하강역 ) 이위치하고있어, 고양시용오름형성에영향을준상층건조역의하강을추정해볼수있다.

19:3) 과수증기영상으로추정한대기연직운동개념도 그림 9는용오름이발생하기약 1시간전인 18시에관측된 AWS 지상기온분포도이다.

10. 18시 (KST) AWS 기온분포 ( 노란색은 25 이상구역 ) 따라서, 이번고양시에서발생한용오름은미국에서발생하는토네이도의발생원인과대기구조가비슷하다.

7 그림 8 의한반도수증기영상에서도고양시부근의발달한대류운역서쪽으로암역 ( 하강역 ) 이위치하고있어, 고양시용오름형성에영향을준상층건조역의하강을추정해볼수있다. a) b) 그림 8. 천리안위성수증기영상 ( :3) 과수증기영상으로추정한대기연직운동개념도 그림 9는용오름이발생하기약 1시간전인 18시에관측된 AWS 지상기온분포도이다. 경기북부지역과서해안으로 25 가넘는기온을보이고있다. 용오름이발생한고양시일산서구지역은지면부근의공기가상대적으로건조하고기온이높았던것을알수있다. 그림 시 (KST) AWS 기온분포 ( 노란색은 25 이상구역 ) 따라서, 이번고양시에서발생한용오름은미국에서발생하는토네이도의발생원인과대기구조가비슷하다. 1지상풍은경기만과그북서쪽에서서 ~ 북서풍이고양시로유입되었으며, 고양시의북동쪽과남쪽에발달한뇌우에의해발생한바람 ( 기류 ) 이고양시로유입되면서지상의기류가수렴하 는구조를보였다. 이때, 2상층의공기가하강하여지면에도달한후상승운동으로전환하여반경폭이좁은저기압성상승운동이발생한것으로추정되며, 3호우구역의하강기류가발산

8 하면서유입된기류가상승하면서저기압성회전을가속화시킨것으로보인다. 또한, 4종관장의상층절리저기압에의한저기압성와도는용오름이발생할수있는적합한배경장으로작용한것으로보인다. 그림 10은이번고양시에서발생한용오름사례의대기구조를요약한모식도이다. 그림 년 6 월 10 일경기도고양시용오름사례의대기구조모식도

9 표 1 우리나라내륙에서발생한주요용오름사례의기상요소별특징요약 순번사례일발생지역 : : : :00 인천김포당진 합천 고양 광주 단열선도특징 오산 (15 시 ) CAPE2041 SRH279 SSI-0.3 하층동풍 ( 지상 ~925hPa) 상층 ( 남 ~ 남서풍 ) LCL401 CCL522 LFC602 (gpm) 지상기온 28.2 대류온도 29.2 광주 (15 시 ) CAPE2070 SRH136 SSI+3.9 지상무풍, 850hPa 하층제트 LCL833 CCL833 LFC833 (gpm) 지상기온 30.2 대류온도 30.6 포항 (21 시 ) CAPE3 SRH202 SSI-3.9 하층북동풍 ( 지상 ~925hPa) 오산 (15 시 ) CAPE559 SRH9 SSI-2 하층동풍 ( 지상 ~850hPa) 하층습윤, 중층건조층분포권계면고도 10km LCL1304 CCL1304 LFC1304 (gpm) 지상기온 26.0 대류온도 27.6 광주 (15 시 ) CAPE3041 SRH0 SSI+0.5 하층습윤, 중층건조층분포권계면고도 10km 이하지상북동풍, 상층북서풍 LCL1370 CCL1370 LFC1370 (gpm) 지상기온 25.6 대류온도 25.6 상층대기특징 200hPa 발산구역 ( 중규모 β) 700hPa 강한상승구역 500hPa 강한와도 streak 내부 200hPa 중규모발산구역 700hPa 중규모상승구역 850hPa 수렴구역 200hPa 중규모발산구역 700hPa 중규모상승구역 500hPa 와도 streak 내부 850hPa 중규모수렴 200hPa 약한발산구역 700hPa 약한상승구역 500hPa 와도 streak 내부 표 1은우리나라내륙에서발생한것으로추정되는용오름사례를요약한것이다. 대부분사례들이최고기온이나타나는시간대인오후 2시이후부터일몰시간사이에서발생했다. SSI 불안정지수는 0 이하, CAPE도높은값을보여불안정한대기구조를나타낸것이확인된다. 이외에단열선도분석에서특별한특징이발견되는데, LCL, CCL, LFC 고도가모든사례에서 1.5km(850hPa) 이하에서같은값을보였다. 수렴에의한강제상승효과로구름이발생하는고도와지면가열에의한대류상승효과로구름이형성되는고도가모두일치하면서낮은고도에위치한다는것은강한뇌우발달에더할나위없이좋은배경조건이된다. 왜냐하면, 상승하는공기의응결고도가낮을경우대류가용잠재에너지가그만큼더커지기때문이다. 특히, 각사례별지상기온과대류온도가같거나비슷하므로, 수렴에의한상승효과가없더라도현재의연직기온분포만으로도충분히 CCL 고도부터대류권계면고도까지발달한구름을만들수있는기온구조를보였다. 상층의대기는우박이발생하는특징과비슷하다. 상층의절리저기압이나기압골에동반된차가운공기의이류, 저기압성와도, 상승기류, 상층발산등은우박이발생하는중 상층대기의특징과일치한다. 따라서우박과용오름의차이는지표와하층대기에서찾을수있다. 봄과가을에발생하는우박은강한한랭이류를동반하므로우박을동반한뇌우의진행방향을기준으

로그후면에서는큰폭의기온하강이발생한다. 그렇지만표 1의사례들과같이 6, 7월에발생하는용오름현상은큰규모의한랭이류가나타나지않고, 우박발생주변에높은기온분포를보임으로서, 불안정한대기가계속유지될수있었다.

미국의토네이도예측 미국은오클라호마에위치한폭풍예측센터 (Storm Prediction Center) 에서개발한확률예측모델을이용하여단기예보자료를생산하고있다. 앞서소개한바와같이토네이도의발생특징이뇌우시스템에귀속되어있다. 즉, 뇌우내부에서우박이발생하고, 우박의대기구조는토네이도발생의배경장으로서작용한다.

우리나라에서용오름은토네이도 (Tornado), Waterspout, Landspout를통칭하여사용하고있다. 그러나기상학적으로용오름은 Waterspout 현상이라고할수있다.

10 로그후면에서는큰폭의기온하강이발생한다. 그렇지만표 1의사례들과같이 6, 7월에발생하는용오름현상은큰규모의한랭이류가나타나지않고, 우박발생주변에높은기온분포를보임으로서, 불안정한대기가계속유지될수있었다. 대기불안정이해소되지않으면서, 우박을동반한뇌우에서하강기류에의해퍼져나간공기가수렴하는지역은용오름과같이규모는작지만강한강도를가진스톰이발생할수있는좋은조건이된다. 미국의토네이도예측 미국은오클라호마에위치한폭풍예측센터 (Storm Prediction Center) 에서개발한확률예측모델을이용하여단기예보자료를생산하고있다. 앞서소개한바와같이토네이도의발생특징이뇌우시스템에귀속되어있다. 즉, 뇌우내부에서우박이발생하고, 우박의대기구조는토네이도발생의배경장으로서작용한다. 그림 11은폭풍예측센터에서생산하는예측자료로서뇌우는강도분포를, 우박과토네이도는확률분포형태의자료를생산및제공하고있다. a) 뇌우 b) 우박 c) 토네이도 그림 11. 미국의폭풍예측센터에서발표하는뇌우, 우박, 토네이도예측자료 토네이도와용오름의차이? 우리나라에서용오름은토네이도 (Tornado), Waterspout, Landspout를통칭하여사용하고있다. 그러나기상학적으로용오름은 Waterspout 현상이라고할수있다. 토네이도는거대적란운구름대가합쳐서발생하는강력한소용돌이형태인데반하여, Waterspout은적운형의구름대에서하층수렴에의해상승하는공기가포화되어생기는소용돌이현상으로구분할수있다. 토네이도는강한연직대기불안정조건이갖추어진상태에서하층수렴지역에건조공기가침강후상승하는기상조건이갖추어져야한다. 반면, Waterspout은육지근처의해상에서주로발생하며, 해륙풍 (sea/land breezes) 의영향력이큰것으로알려져있다 (Ackerman and Knox 2007). 미국멕시코만연안지역에서는자주일어나는 (fairly common) 현상이다. 2012년 10월 11일 07시 10분에울릉도기상대에서용오름이관측되었는데, 그림 12의일기도와 AWS 관측바람장을살펴보면, 해륙풍의특징이발견된다. 종관일기도에서주풍향은북 ~ 북동풍이

지만, 울릉도는용오름발생시간대에육풍에의해바람이육지에서해상으로불어나가는형태를볼수있다.

해상에서소용돌이구름이육상에비해관측이많이되는이유는해수면부근에풍부한수증기양에서찾을수있다.

바람장을, e) 는용오름촬영사진임 ( 울릉도기상대제공 ). Waterspout의풍속은토네이도에비해약하다.

F2급이하의풍속이나타난다 (Ackerman and Knox (2007) 는시속 160km 이하의풍속으로기술 ).

11 지만, 울릉도는용오름발생시간대에육풍에의해바람이육지에서해상으로불어나가는형태를볼수있다. 지상의바람이수렴하고, 700hPa에상승류와 500hPa에양의와도가이지역에위치했으므로수렴한공기가상승할수있는조건이갖추어져있었다. 해상에서소용돌이구름이육상에비해관측이많이되는이유는해수면부근에풍부한수증기양에서찾을수있다. 해수면부근에수렴한공기가상승할경우단열냉각과정을거치면서쉽게응결이되기때문이다. a) b) c) d) e) 그림 년 7 월 11 일 07 시 10 분에발생한용오름사례. a) 지상일기도, b)700hpa 상승속도, c)500hpa 와도 는 09 시 (00UTC) 분석장이며, d) 는발생위치와 AWS 바람장을, e) 는용오름촬영사진임 ( 울릉도기상대제공 ). Waterspout의풍속은토네이도에비해약하다. 강한상승류가없고회전율이토네이도에비해약하기때문인데, 토네이도의풍속에의한피해정도를구분한 Fujita 등급기준에서 F2급이하의풍속이나타난다 (Ackerman and Knox (2007) 는시속 160km 이하의풍속으로기술 ). 표 2는미국에서토네이도의예측및분석에사용하는 Fujita 등급을보여준다. 이표는최조에 Fujita (1971, 1981) 가고안한토네이도등급을재구성한것이다 (WSEC 2006). 이등급은현재미국, 호주, 일본, 중국, 브라질등에서토네이도예보및연구의기준으로활용하고있다. Landspout은육지에서발생하는 Waterspout으로볼수있으며, 모래먼지등이동반되어상승하는현상을말한다.

12 표 2 Fujita 등급을강화한토네이도등급요약 (WSEC 2006) 등급 풍속 (km/h) 피해범위 (m) F0 64~116 10~50 F1 117~180 30~150 F2 181~ ~250 F3 254~ ~500 F4 333~ ~900 F5 419~ ~ 참고문헌 김광식, 1992: 기상학사전, 향문사. Ackerman, S. A., and Knox, J. A. 2007: Meteorology(Understanding the Atmosphere). Thomson edu, AMS Glossary, 2000: AMS 전자기상사전. Fujita, T. T., 1971: Proposed characterizations of tornadoes and hurricanes by area and intensity, SMRP Research Rep. 91, The University of Chicago, IL. 15p. Fujita, T. T., 1981: Tornadoes and downbursts in the context of generalized planetary scales. J. Atmos. Sci., 38, Houze, R., 1993: Cloud Dynamics. Academic Press, 573pp. Markowski, P. M., and Richardson. Y. P., 2009: Tornadogenesis: Our current understanding, forecasting considerations, and questions to guide future research. Atmospheric Research, 93, NOAA/NWS storm prediction center: WSEC, 2006: A recommendation for an enhanced Fujita scale (EF-Scale). Texas Tech, University Wind Science and Engineering Center Tech. Rep., 95 pp.

주요불안정지수정의와활용사례 KI (K-Index) KI(George, 1960) 는주로여름철해양성열대기단의영향을받을때나타나는호우와뇌우를진단하기위해개발되었다. 이지수는중층이하대기층에서불안정요소를진단하기위해 3 개층의기온과 2 개층의노점온도를사용한다. 현재의기상상태에서역학

주요불안정지수정의와활용사례 KI (K-Index) KI(George, 1960) 는주로여름철해양성열대기단의영향을받을때나타나는호우와뇌우를진단하기위해개발되었다. 이지수는중층이하대기층에서불안정요소를진단하기위해 3 개층의기온과 2 개층의노점온도를사용한다. 현재의기상상태에서역학 손에잡히는예 / 보 / 기 / 술 ( 제 3 호 - 2011 년 5 월 ) 필수예보요소활용법과정의 불안정지수 (Instability Index) 발행 : 예보국 문의 : 예보기술팀 ( 내선 657/658) 발행일 : 2011 년 5 월 11 일 ( 수 ) 불안정지수 불안정지수는두개이상의임의의기압면의온도, 이슬점온도등을차로표현하여대기의불안정한정도를나타내는지수를의미한다.