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병국 위
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1 Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 23, No. 2 (2013) pp 연구논문 해수면온도변화가서해상강설에미치는영향연구 정재인 박록진 * 서울대학교지구환경과학부 ( 접수 : 2013 년 1 월 9 일, 수정 : 2013 년 4 월 6 일, 게재확정일 : 2013 년 4 월 16 일 ) A Study of the Effects of SST Deviations on Heavy Snowfall over the Yellow Sea Jaein Jeong and Rokjin Park* School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul, Korea (Received: 1 January 2013, Revised: 6 April 2013, Accepted: 16 April 2013) Abstract We examine the effects of the sea surface temperature (SST) distribution on heavy snowfall over the Yellow Sea using high-resolution SST products and WRF (Weather Research and Forecasting) model simulations in 30 December First, we evaluate the model by comparing the simulated and observed fresh snowfall over the Korean peninsula (Ho-Nam province). The comparison shows that the model reproduces the distributions and magnitudes of the observed snowfall. We then conduct sensitivity model simulations where SST perturbations by ±1.1 o C relative to baseline SST values (averaged SST for 5~15 o C) are uniformly specified over the region of interest. Results show that ±1.1 o C SST perturbation simulations result in changes of air temperature by +0.37/ 0.38 o C, and by ±0.31 hpa for sea level pressure, respectively, relative to the baseline simulation. Atmospheric responses to SST perturbations are found to be relatively linear. The changes in SST appear to perturb precipitation variability accounting for 10% of snow and graupel, and 18% of snowfall over the Yellow Sea and Ho- Nam province, respectively. We find that anomalies of air temperature, pressure, and hydrometeors due to SST perturbation propagate to the upper part of cloud top up to 500 hpa and show symmetric responses with respect to SST changes. Key words: Heavy snowfall, OSTIA, sea surface temperature, WRF, yellow sea 1. 서론 한반도는지형이복잡할뿐만아니라삼면이바다로둘러싸여있어다양한강설형태가나타나며지역에따라적설량의편차가큰특징이있다 (Cheong et al., 2006). 적설량의편차는대륙과해양의온도차, 해양에서의충분한수증기공급, 바다위에서의기단변질, 바람장에의한수렴효과, 산악효과등에의해서나 *Corresponding Author: Rokjin J. Park, Atmospheric Chemistry Modeling Laboratory, School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, 599 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul , Korea. Phone : , Fax : rjpark@snu.ac.kr 타난다. 이중서해안에서나타나는주된강설발생요인은시베리아고기압이강화되면서북서풍계열의찬공기가상대적으로따듯한서해상을지날때해수면으로부터열과수분을공급받게되고, 그로인한하층대기의불안정과구름줄 (cloud street) 과같은층적운형구름발생이강설로이어지는기단변질형강설로알려져있다 (Cheong et al., 2006; Seol and Hong, 2006). 해수면온도는해양과대기예보에중요한요소이다 (Donlon et al., 2012). 해수면온도는수증기, 열속등의교환을통해서해양 - 대기상호작용을일으키며그로인한해양대기경계층내에서의온도, 기압, 바람등대기장의변화로인해해양대기열속및경계층안정도에도다시영향을끼친다 (Song et al., 2006; Liu 161

162 해수면온도변화가서해상강설에미치는영향연구 et al., 2007). 이에대한영향은여러선행연구에서제시되었다. Minobe et al. (2008) 은멕시코만류로부터방출된잠열에의해서대기순환이영향을받고국지적으로대류성강수가증가함을보였다. 또한 Park et al.

2 162 해수면온도변화가서해상강설에미치는영향연구 et al., 2007). 이에대한영향은여러선행연구에서제시되었다. Minobe et al. (2008) 은멕시코만류로부터방출된잠열에의해서대기순환이영향을받고국지적으로대류성강수가증가함을보였다. 또한 Park et al. (2011) 은국지대기모델인 MM5 를이용하여서해상해수면온도의균일한증가 / 감소및해수면온도장의수평분포민감도실험을통해대기기온, 대기안정도그리고연직수증기속은해수면온도증가및감소에큰영향을받으며, 반면에바람장의변화는주로해수면온도장의수평분포에민감한영향을받음을제시하였다. 그러나해수면온도자료의중요성에도불구하고중규모기상모델이기본적으로사용하는해수면온도자료는약 100 km 공간해상도를가지기때문에서해안과같은복잡한해안선형태에따른정확한해수면온도분포를표현하기힘들고상세한공간해상도를이용한둥지격자모의에서격자간의세밀한온도변화를제대로반영하지못하는한계가있다. 또한중규모기상모델과해수면온도자료를이용한한반도주변의강설에대한기존선행연구는각기다른기관에서제공하는해수면온도자료를이용하여대기장의민감도분석을수행하였거나, 동일한해수면온도자료를이용하였더라도서로다른기간에대한강설현상을모의하여기간별강설의특성을분석하였거나, 혹은영동지방및동해상에서일어나는강설모의에대한내용이주로이루어졌다 (Kang and Ahn, 2008; Lee and Ryu, 2010; Cha et al., 2011; Yamamoto, 2012). 특히다른기관에서제공하는다른종류의해수면온도자료를이용한민감도분석은사용하는해수면온도자료에따라상이한결과를나타낸다 (Lee et al., 2010; Cha et al., 2011). 하지만동일한해수면온도자료를이용하여유의미한해수면온도변화의민감도실험을통해서해상대기장및강설에끼치는실험은부족한실정이다. 따라서본연구에서는약 5km 의상세공간해상도를가지며한반도주변의해수면온도와가장유사한것으로알려진 Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis (OSTIA) 상세해수면자료를이용하여 2010 년 12 월 30 일전라도, 충청도등서해안지역에내린강설사례에대해해수면온도민감도에따른서해상대기장및강설의영향을분석하였다. 본사례는한반도가저기압의이동통로가되면서서해안과중부지방으로눈구름이지속적으로유입되어전라도를중심으로많은눈이내린사례이다. 2 장에서는본연구에서사용한해수면온도자료, 기상모델, 그리고규준및민감도실험에대해설명하고 3 장에서는연구결과를제시한다. 마지막으로요약과결론을 4 장에기술한다. 2. 수치모델및자료 2.1. 수치모델본연구에서사용된수치모형은 UCAR/NCAR (University Corporation for Atmospheric Research/National Center for Atmospheric Research) 에서개발된 WRF (Weather Research and Forcasting) 의연구용모델인 ARW (version 3.4.1) (Skamarock et al., 2008) 로수평격자는 Arakawa-C 격자좌표계, 연직격자는 Eulerian 질량좌표계를사용하는완전압축성비정수계모델이다. 수치계는 3차 Runge-Kutta split-explict 시간적분을이류항에대해서는 6차중심차분법을사용한다. 또한플럭스형태의진단방정식을사용하여질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라양을보존한다. 본연구에서는해수면온도의영향에따른기상장의변화를분석하기위해서규준실험과세가지민감도실험을수행하였다. 해수면온도의영향을분석하기위한모델수행영역은동아시아영역, 중국동부와한반도가포함된영역, 그리고서해를중심으로한영역등총 3개로구성되어있으며격자간격은각각 18 km, 6 km, 2 km의양방향둥지격자체계 (two-way nesting) 로구성하였다 (Fig. 1). Lee (2002) 의연구결과에따르면구름줄의발생은수치모델의물리과정보다는해상도에의존적이며 3km 이하의공간해상도를가지는고해상도모의에서구름줄이잘나타나는것으로알려져있다. 따라서본연구에서는고해상도인 2km 공간해상도결과를규준실험및민감도실험분석에사용하였다. 초기자료와측면경계자료는격자간격 1 o 1 o 수평해상도를가지는 NCEP (Na- Fig. 1. Model domain for the 18 km resolution, grids (Domain 1), 6 km resolution, grids (Domain 2) and 2 km resolution, grids (Domain 3). 한국기상학회대기제 23 권 2 호 (2013)

정재인 박록진 163 tional Centers for Environmental Prediction) 의전구모델인 GFS (Global Forecasting System) 자료를이용하였고적분시간은 2010 년 12 월 29 일 0000 UTC 부터 2010 년 12 월 31 일 0000 UTC 까지 48 시간이다. 본연구에서사용한물리과정은다음과같다.

3 정재인 박록진 163 tional Centers for Environmental Prediction) 의전구모델인 GFS (Global Forecasting System) 자료를이용하였고적분시간은 2010 년 12 월 29 일 0000 UTC 부터 2010 년 12 월 31 일 0000 UTC 까지 48 시간이다. 본연구에서사용한물리과정은다음과같다. 구름물리과정은 6 개의대기수상 ( 수증기, 구름, 아이스, 눈, 비, 싸라기 ) 의혼합비와함께구름응결핵의수농도를예단하는 WDM6 (WRF Double-Momentum 6-Class Microphysics scheme) (Lim and Hong, 2010) 를사용하였다. 적운대류모수화과정은 18 km 격자와 6km 격자에대해서 Kain-Fritch (Kain, 2004) 를사용하였으며대부분의연구에서 1~2.5 km 의해상도에서는적운대류모수화방안을사용하지않아도된다고알려져있기에 (Hong and Dudhia, 2012) 2 km 해상도에서는적운대류모수화과정을사용하지않았다. 행성경계층모수화방법은 YSUPBL (Hong et al., 2006), 복사모수화방안으로는장파복사에대해서는 RRTM (Rapid Radiative Transfer Model) (Malwer et al., 1997), 단파복사에대해서는 Simple Shortwave Radiation (Dudhia, 1989) 방안을사용하였다 해수면온도자료본연구에서사용된해수면온도자료는공간해상도 0.05 o 와시간해상도 1 일을가지는 OSTIA (Stark et al., 2007; Donlon et al., 2012) 를사용하였다. OSTIA 는영국 Met office 에서개발된고해상도해수면온도와해빙자료로전지구규모에대해거의실시간으로제공되고있어영국 Met Office, 유럽중기예보센터 (ECMWF), 프랑스기상청 (Meteo France) 등의여러기관에서수치예보목적으로사용하고있다. 또한 OSTIA 해수면온도자료는위성에서산출한다양한자료중에서한반도인근에서관측과비교하여가장유사한시공간적인분포를보이는것으로알려져있다 (Xie et al., 2008; Lee et al., 2010). 본연구의모의기간중 OSTIA 해수면온도자료의정확도검증을분석하기위해부이관측값과비교하였다. 부이는일평균자료를사용하였으며공간적으로는 0.05 o 이내의가장가까운 OSTIA 자료를선택하였다. Table 1 은 2010 년 12 월 29 일과 12 월 30 일동안서해의경기만에위치한덕적도 (37.2 o N, o E) 와충남보 령서쪽에위치한외연도 (36.2 o N, o E) 부이에서관측한해수면온도자료와 OSTIA 값을비교한것이다. 상대적으로덕적도가외연도에비해서관측과 OSTIA 와의해수면온도차이가크게나타났으며약 0.9 o C 의오차수준을보였다. 그러나외연도의경우 OSTIA 해수면온도와부이값의차이가 0.21 o C, 0.01 o C 로써 OSTIA 해수면온도자료가실제관측과상당히유사하였다. Figure 2a 는 2010 년 12 월 29 일부터 12 월 30 일까지평균 OSTIA 해수면온도를나타내었다. 모의기간중서해상해수면온도는남북으로큰온도경도가나타났고지역에따라 5~15 o C, 그리고모델영역평균 9.44 o C 를보였다. Fig. 2b 는 2010 년과평년과의해수면온도를비교하기위해 2006 년에서 2011 년까지 6 년동안 12 월 29~30 일의평균해수면온도를나타낸것이다. 그리고 Fig. 2c 는평년 (Fig. 2b) 과 2010 년 (Fig. 2a) 의해수면온도차를나타낸것으로평년이 2010 년에비해서 0.72 o C 높은해수면온도를보였다. 충청도와전라도앞서해상에서온도차가크게나타남을볼수있으며특히 36 o N, 125 o E 부근에서는해수면온도의차이가약 2 o C 가나타났다. 공간적으로다르게나타난해수면온도차이에대한영향은 3 장에서분석하였다 실험구성본연구의목적은상세해수면온도자료의민감도실험을통하여해수면온도의변화가서해상대기장및강설에끼치는영향을분석하는것이다. 따라서일별 OSTIA 상세해수면자료를이용한수치모의를규 Fig. 2. Averaged SST distributions of OSTIA on 29~30 December a) 2010, b) 2006~2011 and c) the difference between b) and a). Table 1. Comparison between buoy and OSTIA sea surface temperature ( C) at Deokjeokdo and Oeyeondo on 29 and 30 December Deokjeokdo Oeyeondo Buoy OSTIA Buoy - OSTIA Buoy OSTIA Buoy - OSTIA 2010/12/ /12/ Atmosphere, Vol. 23, No. 2. (2013)

4 164 해수면 온도 변화가 서해상 강설에 미치는 영향 연구 준 실험 (CTL)으로 사용하였고 민감도 실험은 세 가 지로 나누어 수행하였다. 우선 2006년에서 2011년까 지 6년간 평균된 OSTIA 해수면 자료를 이용하였다 (YSST). YSST와 CTL 모의를 비교함으로써 평균 해 수면 온도장과 2010년 해수면 온도장간의 차이에 따 른 강설 및 대기장의 영향을 분석하였다. 위성으로 산출한 해수면 온도자료는 위성 측기의 문 제, 대기 효과, 해양 경계층 조건, 그리고 해양 상층부 상태에 따라 오차를 가지게 된다 (Donlon et al., 1999). Park et al. (2008)은 1994년부터 2003년까지 10년간 위 성과 해양 관측 자료의 해수면 온도를 비교한 결과 북 동아시아 해양에서 0.89oC의 평균 제곱근 오차 (Root Mean Square Error; RMSE)가 발생하는 것으로 보고하 였다. Park et al. (2011)은 Park et al. (2008)이 제시한 오차를 기반으로 해수면 온도에 대한 민감도 수치 모 의를 수행하였고 서해상 해수면 온도를 균일하게 0.9oC 증가/감소하는 것만으로도 해양 대기 온도 및 열속에 직 접적인 영향을 끼침을 보였다. 또한 본 연구에서는 2006 년부터 2011년까지 6년간 한반도 근해에서 관측한 부 이 자료와 해당 지점에 대한 일별 OSTIA 해수면 온도 자료의 차이를 비교한 결과 RMSE가 약 1.1oC임을 발 견하였다. 따라서 민감도 실험에서는 모의 영역 전체에 해수면 온도를 일률적으로 1.1oC씩 증가시키거나 (WSST) 감소시키는 (CSST) 방법으로 유의미한 해수면 온도차 가 대기장 및 강설에 끼치는 영향을 비교 분석하였다. 3. 결 과 Figure 3은 모의기간 동안 지상일기도를 나타낸 것 이다. 12월 29일 0000 UTC에 발해만에 저기압이 자리 잡고 있으며 바이칼호 서쪽에는 찬 대륙성 고기압이 발달하고 있다. 12월 30일 0000 UTC에는 시베리아 고 기압이 확장하여 중국 화남지방까지 영향을 끼치고 있 으며 동해상에는 중심기압 1005 hpa의 저기압이 형성 되어 우리나라에는 서고동저형의 전형적인 겨울철 기 압배치를 보이고 있다. 이러한 서고동저형 기압배치는 12월 31일 0000 UTC까지도 유지되어 한반도 부근은 등압선이 남북으로 서는 패턴임을 볼 수 있다. 또한 강한 기압경도력으로 인해 차가운 공기가 지속적으로 유입됨으로써 서해상 및 충청, 호남 지방에 많은 눈이 내리는 환경이 조성되었다. Fig. 3에서는 호남 지방에 많은 눈이 내렸던 12월 30일 0000 UTC의 850 hpa, 500 hpa, 300 hpa의 상층 일기도를 나타냈다 (Figs. 3d3f). 850 hpa 일기도를 보면 바이칼 호 부근에 강한 한 랭핵이 형성되어 화중 지역 및 서해상에 남북방향의 온도 경도가 강해졌다. 이에 따라 서해상에는 등온선 과 등고선이 서로 수직으로 교차하여 강한 한랭이류가 나타났다. 500 hpa과 300 hpa 일기도에서는 북한과 중 Fig. 3. Surface weather charts at (a) 0000 UTC 29, (b) 0000 UTC 30, and (c) 0000 UTC 31 December Upper level charts at (d) 850 hpa, (e) 500 hpa, and (f) 300 hpa at 0000 UTC 30 December 한국기상학회 대기 제23권 2호 (2013)

5 정재인 박록진 국 접경지역에 중심을 둔 저기압으로 인해 한반도를 중심축으로 하는 깊은 기압골이 위치하고 있고 모의 기간 동안 한반도와 서해에 강한 북서풍이 나타났다. Fig. 2에서 보듯이 본 모의기간 동안 서해상의 해수면 온도는 예년에 비해 약 0.7oC 정도 낮게 나타났다. 따 라서 본 사례의 강설은 따듯한 해양에 의한 에너지 공급이라기보단 시베리아 고기압이 확장하면서 한반 도 북서쪽에서 차가운 공기가 유입되었고 상대적으로 따듯한 서해상 해수면을 지나면서 현열과 잠열을 공급 받아 강한 눈구름을 형성한 것으로 볼 수 있다. 이러 한 패턴의 강설을 기단변질형 강설이라 부르며 한반 도와 그 주변에서 가장 흔히 발생하는 유형으로 알려 져 있다 (Cheong et al., 2006). 본 사례의 경우 북서쪽으로부터 강하고 찬 대륙성 고기압이 급격히 확장하며 유입된 차가운 공기가 서해 상을 지나면서 수증기와 열을 공급받아 기단이 변질 되었다. 12월 29일 1200 UTC 경부터 서풍 계열에서 10 m s 1가 넘는 북서풍 계열로 풍향이 바뀌면서 서해 중부 해역을 시작으로 강설이 시작되었으며 12월 30일 0000 UTC에는 서해상뿐만 아니라 내륙지역에서도 많은 눈이 내리는 것으로 모의하였다 (제시하지 않음). Fig. 4a는 2010년 12월 30일 0300 UTC에 한반도를 중심 으로 한 위성 적외 영상으로 서해상에는 발해만에서 남동 방향으로 가늘고 긴 모양의 구름줄이 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 구름줄은 일반적으로 큰 호 수나 해양에서 상층의 찬공기가 상대적으로 따듯한 수면 위를 지날 때 roll 형태의 대류가 발달하면서 나 타나며 (Young et al., 2002; Liu et al., 2006), 한반도 주변의 서해 및 동해에서도 겨울철 구름줄의 발생 및 강설 현상이 알려져 있다 (Ohtake et al., 2009; Lee and Ryu, 2010; Cha et al., 2011). Fig. 4b는 규준 실험 모 의 결과를 나타낸 것으로 12월 30일 0300 UTC를 기 준으로 3시간 적분한 눈의 공간분포를 나타낸 것이다. Fig. 4a에서 보이는 눈구름줄이 수치모의에서도 서해 상에서 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있다. Figs. 4c 와 4d는 2010년 12월 30일 일간 신적설량의 공간 분 포로서 기상청 정규지상 관측소에서의 관측값과 같은 기간 동안 WRF 모의값을 비교한 것이다. 2010년 12 월 30일은 한반도 북서쪽으로부터 저기압의 영향을 받 아 중부 지방과 충청, 호남 지방에 눈이 내렸고 특히 전라남도 강진군에 최고 33 cm의 적설이 쌓이는 등 전 라도 일대에 20 cm 이상의 많은 눈이 내렸다 (Fig. 4c). 모의 결과 역시 경상도를 제외한 전국적인 강설 분포 를 보이며 특히 전라도 내륙과 산간 지역에 많은 눈을 모의하였다. 모의한 적설량의 공간 분포는 관측과 유 사함을 보였다. 다만 지형적인 영향으로 덕유산과 지 리산 일대에 과대 모의하는 것으로 보이나 산간지역 관측의 부족으로 정확한 비교는 할 수 없었다. 165 Fig. 4. (a) Satellite image and (b) simulated 3-h accumulated snowfall distribution from the CTL at 0300 UTC 30 December (c) Observed and (d) simulated horizontal distributions of 24-h accumulated snow fields on 30 December 2010 obtained by the KMA and WRF. Figure 5는 해수면 온도 변화에 따른 기상장의 공간 차를 나타낸 것이다. Fig. 5a는 모델 최하층 온도차를 나타낸 것이다. 해상에서의 하층 대기 온도는 해수면 온도에 직접적인 영향을 받기 때문에 각 민감도 실험 결과는 해수면 온도의 차이와 유사한 공간 분포를 보 였다. 또한 해수면 온도와 대기 온도간의 차이로 인한 수분 및 열속의 상승과 하강 과정으로 인해 민감도 실 험과 규준 실험간의 차이에서 Fig. 4a의 위성 사진처 럼 구름줄의 형태를 띈 온도차의 분포를 볼 수 있다. YSST와 WSST 민감도 실험은 서해상 해수면 온도가 기본 모의에 비해서 높게 설정하였기 때문에 최하층 대기의 온도가 상승한 패턴을 보이며 CSST의 경우 하 강한 패턴을 보였다. WSST와 CSST의 경우 모델 전 해양에서 해수면 온도를 균일하게 1.1oC 높게/낮게 적 용하였고 그에 따라 모델 해양영역에서 평균 약 0.37/ 0.38oC 높게/낮게 모의하였다. 하층 대기의 온도 영향 은 해수면 온도 변화의 약 33%인 것으로 나타났다. 또 한 상승 및 하강 운동이 강한 지역은 구름줄의 위치 에 따라서 민감도 실험과 규준 실험의 온도차가 2oC 이상 높게/낮게 모의하였다. YSST의 경우 모의기간 동 안 사용한 해수면 온도는 서해 연안 (36oN, 125oE 부 근)에서 WSST 보다 높게 나타났지만 그 이외의 서 Atmosphere, Vol. 23, No. 2. (2013)

6 166 해수면 온도 변화가 서해상 강설에 미치는 영향 연구 Fig. 5. Spatial distributions of the anomalies from the CTL in (a) surface air temperature, (b) sensible and latent heat flux, (c) sea level pressure, (d) accumulated snow and graupel, and (e) fresh show depth for case YSST, WSST and CSST on 30 December The ocean-averaged values are shown in the upper right corner of each panel, except for (e). The Ho-Nam province (box area) mean values are shown in the upper right corner. 해상에서는 WSST에 비해서 YSST의 해수면 온도가 상대적으로 낮았다 (Fig. 2). 또한 본 연구의 모의기간 동안 찬 북서풍이 강하게 나타나면서 한랭 이류를 강 화시켰고 그에 따라 서해 연안에서의 YSST의 기온은 WSST에 비해서 크게 증가하지 못한 것으로 사료된 다. Fig. 5b는 열속 (현열속+잠열속)의 차이를 나타낸 것으로 규준 실험과 민감도 실험간의 현열속의 공간 차와 잠열속의 공간차는 유사한 패턴으로 나타났다. 열속은 해수면 온도에 크게 영향을 받기 때문에 민감 도 실험의 해수면 온도 설정과 유사하게 나타났으며 특히 YSST 실험의 경우 해수면 온도차의 분포 (Fig. 2c)와 열속차의 분포가 일치함을 볼 수 있다. Fig. 5c 에서는 해면 기압의 규준 실험과 민감도 실험 결과의 한국기상학회 대기 제23권 2호 (2013) 차이를 나타낸 것이다. 일반적으로 해수면 온도의 차 이는 열속의 변화를 유발하고 대기 최하층 및 경계층 의 열적 성질을 변화시킨다. 따라서 상대적으로 고온/ 저온의 해수면 온도는 해면 기압을 하강/상승시키고 나 아가 기압 경도를 변화시킴으로써 지표 바람장에도 영 향을 끼친다 (Lee et al., 2010). 본 연구에서도 규준실 험에 비해 상대적으로 고온의 해수면인 YSST와 WSST 민감도 실험의 경우 모델 최하층의 온도가 상승하였 고 (Fig. 5a) 그와 함께 해면 기압 역시 하강한 것을 볼 수 있다. 규준 실험에 비해서 YSST와 WSST 실험 의 경우 평균 해면 기압이 각각 0.16 hpa, 0.31 hpa 하 강하였고 CSST 모의의 경우 0.31 hpa 상승하였다. 온 도의 경우에서처럼 구름줄의 형태가 나타나는 해양에 서는 해면 기압 차이의 패턴이 상승/하강 기류의 영향 을 받았다. Fig. 5d는 지상에서 눈과 싸라기의 형태로 내린 양에 대해서 규준 실험과 민감도 실험의 차이를 나타낸 것이다. WDM6에서 지표 강수는 눈, 싸라기, 비의 혼합비를 합한 값으로 계산하며 본 연구에서는 겨울철임을 감안하여 눈과 싸라기만 고려하였다. 앞서 살펴본 온도, 열속, 그리고 해면 기압에서도 구름줄에 의한 영향이 나타났으나 눈과 싸라기의 경우 그 차이 가 더 크게 나타났다. 이 현상은 모의한 구름줄의 위 치에 기인하며 Fig. 4b에서 보인 구름줄이 강한 영역 에서 그 차이가 두드러졌다. 규준 실험에 비해 해수면 온도가 높은 YSST와 WSST 민감도 실험의 경우 해양 에서 눈과 싸라기의 형태로 내린 양이 각각 0.22, 0.48 mm d 1 증가하였으며 반대로 CSST의 경우 0.48 mm d 1 감소하였다. 또한 해양에서 규준 실험의 눈과 싸라기로 내린 양이 4.7 mm d 1임을 감안할 때 해수면 온도변화에 의해서 약 5~10%의 눈과 싸라기 의 변화가 있었다. Fig. 5e는 규준실험과 민감도 실험 과의 적설량 차이를 나타낸 것이다. Fig. 5d에서 살펴 보았듯이 육지에서 적설량 역시 해수면 온도에 큰 영 향을 받았다. YSST와 WSST 민감도 실험의 경우 호 남 지방에서 각각 1.7 cm, 1.6 cm의 적설량 증가를 보 였다. 반면 해수면 온도를 낮춘 CSST의 경우 1.5 cm 의 적설량 감소가 있었다. 규준실험의 경우 호남 지방 에서 평균 9.1 cm의 적설량을 보였기에 해수면 온도의 변화로 인해 약 18%의 적설량 변화가 발생하였다. Fig. 5d에서 WSST가 YSST에 비해서 평균 해수면 온도가 더 높았기 때문에 해양에서의 눈과 싸라기의 양은 WSST가 YSST에 비해서 더 크게 나타남을 볼 수 있 다. 반면에 육지에서의 적설량은 YSST가 WSST에 비 해서 높았다. 이에 대한 원인으로는 WSST 민감도 실 험이 전체 해상에서 해수면 온도를 균일하게 1.1oC 높 인 반면에 YSST 민감도 실험에서는 평균 해수면 온도 는 0.7oC 높았으나 36oN, 125oE를 중심으로 서해상에 서 약 2oC 높은 해수면 온도차를 보인 데 기인한다

7 정재인 박록진 167 Fig. 6. Vertical profiles of the averaged anomalies in (a) air temperature, (b) pressure, (c) equivalent potential temperature (d) precipitable water, (e) water vapor mixing ratio, (f) cloud water and ice mixing ratio, and (g) snow and graupel mixing ratio for case YSST (purple lines), WSST (red lines) and CSST (blue lines) over the Yellow Sea (34.5~36.4 o N, 124.0~126.3 o E) on 30 December (Fig. 2c). 따라서해수면온도의분포가내륙에서의적설량에큰영향을줌을볼수있다. Figure 6 에서는해수면온도변화에따른해양대기연직구조의영향을이해하기위해서온도, 기압, 상당온위, 가강수량, 수증기, 구름, 아이스, 눈, 그리고싸라기에대해서규준실험과민감도실험의차이를살펴보았다. 온도와기압의경우해수면온도변화에의해유도된대기온도상승 / 하강, 기압하강 / 상승의패턴이연직적으로구름상층부인약 500 hpa 까지전파되었다 (Figs. 6a and 6b). 해수면온도를각각 1.1 o C 씩상승 / 하강시킨 WSST 와 CSST 는연직구조가대칭적임을볼수있다. 즉, 해수면온도변화에온도와기압이선형적으로반응함을의미한다. 해수면온도변화에따른대기불안정을살펴보기위해서상단온위의연직분포의차이를보였다 (Fig. 6c). 상당온위의연직분포의차이는기온과유사한패턴을보였다. 지상과 850 hpa 의상당온위차이 (θ e sfc θ e850hpa ) 는규준실험이 2.47 K 인반면에 YSST 와 WSST 는각각 2.57 K, 2.60 K, 그리고 CSST 는 2.34 K 를보였다. 이는상대적으로해수면온도가높은 YSST 와 WSST 모의는규준실험에비해서대류불안정을강화, 그에반해상대적으로해수면온도가낮은 CSST 는대류불 안정을약화시킴을의미한다. 민감도실험에따른가강수량과수증기는해수면온도에의해대기중열용량이영향을받아증가 / 감소하는뚜렷한패턴을보였다 (Figs. 6d and 6e). Fig. 6f 는대기수상중에서구름상과아이스상의연직분포를나타낸것이다. CSST 의경우상대적으로낮은대기온도로인해 900 hpa 에서아이스상의증가를보였으며 YSST 와 WSST 는감소를보였다. 하지만 850 hpa 보다상층대기에서는온도및수증기의연직분포처럼해수면온도증가가구름상과아이스상의증가를유도하였다. Fig. 6g 는눈상과싸라기상의연직분포를나타낸것으로연직적으로해수면온도변화에영향을받았다. 규준실험에서눈상과싸라기상의혼합비가가장높게나타난고도는약 700 hpa 로그고도에서규준실험과민감도실험의차이역시최대가나타났다. 4. 요약및결론 본연구에서는 2010 년 12 월 30 일서해상및충청, 전라도지역에발생한강설사례에대해서중규모수치모형 (WRF) 을이용하여모의하고해수면온도변화에의한대기반응을살펴보기위해서민감도실험 Atmosphere, Vol. 23, No. 2. (2013)

8 168 해수면온도변화가서해상강설에미치는영향연구 을수행하였다. 규준실험은한반도근해에서관측과가장유사하다고알려진 0.05 o 공간해상도의상세해수면온도자료 (OSTIA) 를사용하였고, 민감도실험은예년과의차이를분석하기위해 2006 년에서 2011 년까지의평균해수면온도자료와 (YSST), 유의미한해수면온도변화에대한영향을분석하기위해 OSTIA 와부이관측과의제곱평균오차인 1.1 o C 씩일률적으로상승 (WSST), 하강 (CSST) 시킨해수면온도자료를사용하였다. 수치모의에앞서 OSTIA 해수면온도자료와부이관측값을비교한결과덕적도와외연도에서각각 0.9 o C, 0.1 o C 의오차가있는것으로분석되었다. 이결과는 6 년제곱평균오차인 1.1 o C 보다낮은수준인것이다. 규준실험은서해상에서관측된구름줄의형태와충청, 전라도지역에서관측한적설량및공간분포를잘모의하였다. 본연구에서겨울철강설모의에있어해수면온도의중요성및그에대한대기장의영향을보였다. 위성해수면자료의제곱평균오차범위내에서민감도실험을수행한결과해수면온도를일률적으로 1.1 o C 상승 / 하강시켰을경우최하층대기온도는 0.37/0.38 o C 높게 / 낮게, 해면기압은 0.31/0.31 hpa 낮게 / 높게모의하였으며대기불안정도 (dθ e /dz <0) 는강화 / 약화되었다. 또한해수면온도의변화는해양에서눈과싸라기의양을 10%, 호남지역의적설량을 18% 변화시켰으며이를통해본연구에서는수치모의를통한겨울철강설예측에있어대기장및강설의변화범위를제시하였다. 해수면온도변화는대기연직구조에도영향을끼쳤다. 온도, 기압, 상당온위및수증기, 구름, 아이스, 눈과싸라기를포함한대기수상의연직편차가구름상층부인 500 hpa 까지전파됨을보였다. 또한해수면온도를일률적으로상승 / 하강시켰을경우연직구조가대칭적인반응을보였고이는대기현상이해수면온도변화에선형적으로반응함을의미한다. 해수면온도감소로인해 900 hpa 고도에서아이스상의증가를제외한나머지대기수상들은온도상승 / 하강과혼합비증가 / 감소가뚜렷하게일치함을보였다. 본연구는동일한해수면온도자료를이용한민감도실험을통해해수면온도가겨울철대기장및강설에영향을끼침을보였다. 다만모의기간동안강한북서풍계열의종관풍이나타났기때문에해수면온도가바람장변화에기여하는영향은미미하였다. 따라서차후종관장이약한기간에대한모의를통해해수면온도변화가바람장에끼치는영향에대한분석이요구된다. 감사의글 이연구는기상청기상기술개발사업 (CATER ) 의지원으로수행되었습니다. REFERENCES Cheong, S.-H., K.-Y. Byun, and T.-Y. Lee, 2006: Classification of Snowfalls over the Korean Peninsula Based on Developing Mechanism. Atmosphere, 16, Cha, Y. M., H. W. Lee, and S. H. Lee, 2011: Impacts of the high-resolution sea surface temperature distribution on modeled snowfall formation over the Yellow Sea during a cold-air outbreak. Wea. Forecasting, 26, Donlon, C. J., T. J. Nightingale, T. Sheasby, J. Turner, I. S. Robinson, and W. J. Emery, 1999: Implications of the oceanic thermal skin temperature deviation at high wind speed. Geophys. Res. Lett., 26, , M. Martin, J. Stark, J. Roberts-Jones, E. Fiedler, and W. Wimmer, 2012: The Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis (OSTIA) system. Remote Sens. Environ., Dudhia, J., 1989: Numerical study of convection observed during the winter monsoon experiment using a mesoscale two-dimensional Model. J. Atmos. Sci., 46, Hong, S.-Y., Y. Noh, and J. Dudhia, 2006: A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes. Mon. Wea. Rev., 134, , and J. Dudhia, 2012: Next-generation Numerical Weather Prediction: Bridging parameterization, explicit clouds, and large eddies. Bull. Amer. Meteoro. Soc., 93, ES6-ES9. Kain, J. S., 2004: The Kain-Fritsch convective parameterization: An update. J. Appl. Meteor., 43, Kang, S. D., and J. B. Ahn, 2008: Numerical study on the formation and maintenance mechanisms of cloud street in the East Sea during cold air outbreak. Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 44, Lee, H.-W., Y.-M. Cha, S.-H. Lee, and D.-H. Kim, 2010: Impact of High-Resolution Sea Surface Temperatures on the Simulated Wind Resources in the Southeastern Coast of the Korean Peninsula. J. Environ. Sci. Int., 19, Lee, S. H., and C. R. Ryu, 2010: Influence of continuous satellite-based SST distribution on heavy snowfall events over the Korean Peninsula. Int. J. Remote Sens., 31, Lee, Y.-H., 2002: Numerical simulation of structure and property of cloud street over East Sea. Atmosphere, 12, 한국기상학회대기제 23 권 2 호 (2013)

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<32303035B3E2BFF8BAB828C8AFB0E629312E687770> 부산광역시 보건환경연구원보 제14권(Ⅱ), 78~88, 2004 Rep. Busan Inst. Health & Environ, Vol.14, 78~88, 2004 부산지역 바람장 실시간 모니터링 프로그램 개발(Ⅱ) 대기보전과 도우곤 정종순 The development of realtime monitoring program in Busan wind field(Ⅱ)