손에잡히는예 / 보 / 기 / 술 제 호 뇌전 (thunder & lightning) 발생원인과예측 발행 : 예보국 문의 : 예보기술분석과 ( 내선 1657) 발행일 : 2015 년 5 월 26 일 ( 화 ) 낙뢰는정전, 화재, 시설물파괴와인명피해등매우좁은지역에큰피해를남기는기상현상이다. 우리나라에서낙뢰의 89% 는여름철에발생하며 7월에가장많은발생빈도 (39%) 를보인다 (2005~2014 년 (10년평균 ), 2014년낙뢰연보 ). 2007년 7월 29일낮에북한산에낙뢰가떨어지면서등산객 5명이숨지는등인명피해가있었으며, 2006년 6월 9일비행중에낙뢰로인한기체손상으로비상착륙을하는사고가발생하기도하였다. 이처럼낙뢰는항공운항에서도위협적인기상요소다. 이번호에서는뇌전의발생원리와주요발생사례를이용한예측방법에대해설명한다. 뇌전 (lightning & thunder) 이란? 번개 (lightning) 는발달한구름대에서발생하는전기적현상으로구름내부나구름과구름사이로혹은구름에서주변대기나지면으로이동하는섬광을말한다. 이중구름에서지면으로연결되는번개불빛을낙뢰 (cloud-to-ground lightning) 라고부른다. 또한, 번개의섬광이보이는곳의공기온도는순간적으로최대 3만 에이른다. 급격한가열에의해대기는폭발적으로팽창하면서충격파를발생시키는데, 이때천둥 (thunder) 이라는폭음이동반된다. 천둥과번개현상을합쳐뇌전현상이라고부른다. 번개의특징 번개의섬광은빛의속도 (3 10 8 m s ) 로이동하므로발생즉시사람들은그빛을볼수있으나천둥소리는음속 (330m s) 으로진행하므로발생거리에따라빛이보인후시간차를두고천둥소리가들린다. 번개의섬광을본후 6~7초가지났다면, 번개발생지점과의거리는약 2km 정도떨어져있다고생각할수있다. 그렇지만번개의섬광은보이는데천둥소리기들리지않는경우도있다. 천둥소리의음파가대기에의해굴절되고감쇄되기때문이다. 음파 (sound wave) 는찬공기보다따뜻한공기에서진행속도가더빠르다. 뇌우는고도상승에따라기온이급격히감소하는불안정대기에서형성되므로음파는지면근처의따뜻한대기중에서더빨리이동하고위 ( 상층대기 ) 로굴절됨으로써지상의관측자로부터멀어진다. 따라서낙뢰발생위치에서약 15km 이상떨어진위치에서는천둥소리가들리지않을수있다 ( 대기환경과학 2009).
번개의발생원인 번개가일어나려면서로반대되는전하 ( 양전하와음전하 ) 를띤두영역이하나의구름에함 께존재해야한다. 전기적성질을보이는음전하와양전하가구름내에발생하기위해서는다 음과같은구조가필요하다. 1) 불안정대기와강한상승기류 그림 1. 음전하를만들기위한구름내부모식도 그림 1과같이불안정한대기로인한강한상승기류가존재해야한다. 번개가발생하기에가장좋은조건은하층은따뜻하고습하며, 상층은차가운기온분포로인해우박, 토네이도가나타날수있을정도로매우불안정한대기이다. 왜냐하면불안정으로인한강한상승기류가우박과같은큰얼음알갱이입자들을중력에대응하여구름속에오래머물고성장시키는데, 이얼음입자들이번개를발생시키는음전하를만드는데중요한역할을하기때문이다. 구름내부에서빙정이성장한후하강하여영상의기온층을지나면서녹고, 다시강한상승기류에의해영하의구름속으로이동하여얼어붙을경우우박 ( 얼음알갱이 ) 이성장한다.
2) CAPE(Convective available potential energy; 대류가능잠재에너지 ) 구역내 Main charging zone(-20~-10 ) 존재 그림 2의오른쪽모식도와같이구름내부에 Main charging zone(charge reversal zone이라고도함 ) 이라고불리는 -20~-10 의과냉각수적층이있어야한다. 우박과같은큰얼음알갱이는과냉각수적이있는 -20 보다높은기온에서얼음알갱이주위로수적이달라붙어성장한다. 이때, 수적은얼어붙는상변화과정을통해잠열을방출하므로얼음알갱이표면의공기온도는빙정이나작은얼음조각보다높아진다. 이와같이온도가상대적으로높은얼음알갱이들이온도가낮은빙정들과접촉할때중요한전기현상이일어난다. 상대적으로따뜻한물체로부터찬물체로양 (+) 전하의이동이발생하기때문이다. 큰얼음알갱이의주변은음 (-) 전기를띠게되고빙정이나부서진얼음파편과같은작은얼음주위로는양 (+) 전하가모이게된다. 양 (+) 전하를띠는얼음파편이나빙정은크기가작기때문에상승기류를타고구름상부로이동하고, 음 (-) 전하를보이는무거운얼음알갱이는구름내부에위치하거나구름의하부로내려온다. 이와같은메커니즘을통해그림 2의모식도와같이구름의상부는양 (+) 전기를띠고중간층은음 (-) 전기를띠며녹는고도부근에서는양 (+) 전하역이나타나기도하며, 그외구름하부에서는대부분혼합전하구역이위치한다. 그림 2. 발달한구름내부의양전하와음전하의분포
낙뢰 서로다른전하끼리끌어당기는전기의속성때문에구름하부의음 (-) 전하는바로그지상에양 (+) 전하를이끈다 ( 그림 3). 지상의양전하는결국발달한구름이어디에위치하느냐에따라달라진다. 일반적으로우박이나강한비가내릴때낙뢰가능성이증가하는데, 이는음 (-) 전하를띠는큰얼음알갱이들이구름하부로이동하여지상에양 (+) 전하가집중되는지역 ( 지면에서솟아오른물체로고층건물이나나무 ) 에강한전류를만들기때문이다. 강한강수이후에도대기중 하층에강한하강기류에의해음 (-) 전하를구름하부로이동시켜낙뢰를발생시키기도한다. 그림 4는낙뢰가발생하는과정을시간 ( 백만분의 1초 ) 순으로보여준다. (a) 와 (b) 는발달한구름내부에전하의분포를보여주며, (c)~(e) 는 stepped leader( 계단선도 ) 로서, 구름하부에서지면으로전자가방출되는과정이다. 이전자의방출거리는 1회에 50~100m이며, 약 100만분의 50초간격으로반복된다 ( 대기환경과학 2009). 구름에서지면으로내려오는음 (-) 전하는지면의양 (+) 전하를만나고, 지면으로흐른다. (f) 와 (g) 는 return stroke( 되돌이뇌격 ) 로서, 음 (-) 전하가내려온계단선도를따라지면에서구름으로 100분의 1초라는짧은시간에강한섬광을발생시킨다. 이후 (j)~(l) 처럼처음의낙뢰와같은순서의 dart leader( 화살선도 ) 가나타난다. 이화살선도는전위차가낮아진상태로발생하므로첫번째 (f~g) 되돌이뇌격에비해강도가약하다. 그림 3. 전하의분포에따른낙뢰 ( 번개 ) 발생모식도 그림 4. 낙뢰발생의각단계를보여주는모식도 (Uman 1987), ms 는 micro seconds( 백만분의 1 초 ) 를의미함 Tip! 구름하부의대기가건조할경우낙뢰가발생하기어렵다 : 건조한공기가절연체역할을함 낙뢰는비가오거나지표와하층대기에서충분히습한상태가유지될때발생
뇌전예측시고려사항 번개는발달한구름내부에서나타나므로, 먼저대류형구름이발생할수있는조건에대해분석해야한다. 다음으로충분한음전하와양전하가만들어질수있는연직기온분포가보이는지를찾아내야한다. 번개가발생할수있는대류형구름의발생형태는크게 2가지로구분할수있다. 1) 지면가열에의한열적불안정대기 낮에지표가열로기온이상승하여상층과의큰기온차로인한불안정대기를만드는구조로서, 상층의차가운공기가위치한다면대류가발달하기더욱좋다. 그림 5와같이지상의기온이가장올라가는 15시를전후로 CAPE가하층부터상층대기까지깊게분포할경우뇌전가능성이높아진다. 그림 5를참고하여뇌전이발생하는데꼭필요한요소는다음과같다. CAPE( 하늘색구역 ) 가 -10~-20 기온, 0 이상기온구역에존재해야한다. -10~-20 는 Main charging zone으로얼음알갱이들이위치하고, 많은음전하가분포하는구역이다. 0 이상 ( 영상기온 ) 구역에서 CAPE는눈 (snow) 이녹은빗방울을상승시켜얼음으로만들수있는힘을가지고있다. 만약앞의조건을모두만족하고, -40 이하에서도 CAPE가위치한다면, 우박발생가능성도높아진다. 그림 5. 2012 년 5 월 28 일 15 시레이더, 낙뢰실황과오산단열선도 ( 오른쪽 ) UM 지역모델분석장
2) 시스템에의한역학 ( 운동학 ) 적불안정대기 저기압시스템에동반되어하층대기에서강한바람 ( 주로남서풍의하층제트 ) 에의한수렴과상승운동으로인한불안정대기에서발생하는뇌전현상이있다. 그림 6은뇌전을예측하지않았으나관측된사례 (2015년 5월 19일 18시 ) 로서운동학적불안정대기에서발생된뇌전현상이다. (c) 의 850hPa 수렴장을보면, (a) 레이더의강수구역과비슷하게수렴의중심구역이서해상에서중부지방으로위치해있다. 이수렴지역으로는 25kts 이상의하층제트가보인다. (d) 의연직수렴 발산분포를살펴보면, 강수구역에하층수렴과상층발산의구조를보이므로상승기류가발달하기좋은연직구조임을알수있다. 초록색선으로표시된등풍속선분포를살펴보면, 북쪽의 300hPa 부근에 jet core가있으며, 북쪽과남쪽으로등풍속선의고도차이가크게벌어져북쪽의차가운공기와남쪽의따뜻한공기사이에대류발달구역 ( 하층수렴, 상층발산 ) 이위치하고있음을알수있다. 뇌전이발생된지역과가까운천안의단열선도 (e) 를살펴보면, 850hPa보다낮은고도에서는비교적안정한기온분포를보이며, 850hPa부터약 400hPa 고도까지는조건부불안정의기온분포를보인다. 오른쪽바람분포에서, 850hPa에서남서풍의 25kts 하층제트가있다. (c) 와 (d) 에서보았듯이 850hPa에강한수렴과상층대기에발산이위치하므로, 하층제트가유입되면서조건부불안정이시작되는 850hPa 고도에서부터 CAPE 영역을분석할필요가있다. 지상을기준으로 CAPE를분석하면, 매우적은범위 ( 하늘색구역 ) 로불안정구역이나타나지만, 850hPa 고도를기준으로분석하면 400hPa 고도이상으로깊은 CAPE 영역이나타난다. 850hPa 고도에서시작하는 CAPE 구역은 0 이상구역과 -10~-20 구역이모두포함되어있으므로뇌전이발생할수있는조건을만족하고있다. Tip! 지상가열에의한대기불안정 : 지상의기온과이슬점온도로 CAPE 영역및불안정도분석 하층제트에의한대기불안정 : 850hPa 의기온과이슬점온도로 CAPE 영역및불안정도분석
(a) 레이더 (b) 낙뢰 (c) 850hPa 수렴도 (d) (c) 의 A, B 연직단면도 ( 녹색선은등풍속선 ) (e) (c) 의붉은색별로표시한천안의단열선도 그림 6. 2015 년 5 월 19 일 18 시 (KST) 뇌전사례, (c), (d), (e) 는 UM 지역모델 06UTC 생산모델의 +3 시간예측자료
현업활용을위한낙뢰가이던스소개 표 1. 낙뢰관련자료요약표 구분 모델종류 생산시간 ( 단위 :KST) 예측시간 자료제공시기 낙뢰가이던스 RDPS 03, 09, 15, 21 +12 시간 (3 시간간격 ) '10.12.14. 09 시 ~ 구름물리낙뢰가이던스 RDPS GDPS ECMWF 03, 09, 15, 21 ( 단 ECMWF 는 09,21) +84 시간 (3 시간간격 ) 15.5.27. 09 시 ~ 초단기동네예보낙뢰확률예측자료 KLAPS 매 1 시간간격 +4 시간 (1 시간간격 ) 11.5.16.21 시 ~ * 표출위치 : COMIS-4> 일기도 > 위험기상 > 낙뢰 > 낙뢰가이던스 / 구름물리 : 낙뢰 * 단, 초단기동네예보낙뢰확률예측자료는동네예보편집기와기상청홈페이지 > 육상예보 > 동네예보 > 그래픽에서조회 1. 낙뢰가이던스 낙뢰가이던스는지역예보모델이예측한최대 CAPE(J/kg, 100J/Kg이상 ) 와대류성강수영역 (5mm/3hr) 을보여주며, 6시간이전의예측자료에는낙뢰관측자료 (1시간간격의이전 3시간누적자료 ) 를중첩시켜표출한다. 예로그림 1처럼 2015년 4월 2일 09시기준낙뢰가이던스는상단에는전시간대인 03시의예측자료와관측된낙뢰자료를중첩시켜보여주며, 하단에는해당시간의예측자료를 3시간간격으로최대 12시간까지보여준다. 03시예측시간기준 +09h, +12h시자료는 09시예측시간의 +03h, +06h와같은시간대자료이다. 일반적으로실제낙뢰발생영역에비해예상영역이넓게모의되는경향이있다. 그림 7. 지역예보모델 (RDPS) 의낙뢰가이던스
2. 구름물리 : 낙뢰가이던스구름내낙뢰의발생과관련된물리변수는표 2과같이 LCL(Lifting condensation level; 상승응결고도 ) 의온도, CAPE, EL(Equilibrium Level; 평형고도 ) 의온도이다. 표 2. 적란운전기발생조건 ( 물리변수 ) 물리변수 조건 목적 LCL >= -10 과냉각수적존재확인 CAPE (0~-20 층 ) >= 100~200 Jkg-1 EL 온도 <= -20 Charge-reversal 층 ( 그림 2 참고 ) 으로향하는혼합층에충분한상승운동존재확인 구름꼭대기가 charge-reversal 층 (-15~-20 도 ) 상층임을확인 구름물리기반의낙뢰가이던스는적란운에서전기가발생할대기조건과대류가활발한깊은대류운의경우강수를동반한다는점에착안하여, 낙뢰가발생가능한구름내물리변수들의조건을이용한 CPTP(Cloud Physics Thunder Parameter, 미국 NOAA의스톰예보센터 (Storm Prediction Center) 의 Bright et al.(2005) 개발 ) 와강수량을활용하여만들어진다. CPTP는낙뢰가발생가능한구름내물리변수들의조건을이용하며, 식은아래와같다. 여기서 T EL 은 EL 온도 ( ), CAPE 20 는 Most Unstable Parcel의 0~-20 층 CAPE( 즉, Most Unstable Parcel의 LCL 기온 > -10. LCL 기온이 <= -10 이면 CPTP=0임 ), K는상수로 100~200 Jkg -1 값을적용 ( 6~7 m s의상승기류가있으려면실제대기에서약 100~200 Jkg -1 의 CAPE 필요하며, 구름물리안개가이던스에서는 100 Jkg -1 을적용함 ). 구름물리낙뢰가이던스에서의낙뢰는구름 - 지면방전뿐만아니라구름내, 구름과구름사이, 구름과주변공기와의방전을모두포함하는개념이다. 그림 8. 단열선도상에서 LCL 고도의온도, CAPE(0~20 ), EL 고도의온도 그림 9. MU(Most unstable) CAPE 개념 : 그림처럼공기괴의기압면을변화시키면서찾은가장큰 CAPE 값을의미함
구름물리낙뢰가이던스는 RDPS와 GDPS의경우 0.25mm/hr 이상의강수가있고, ECMWF는 0.5mm/3hr의강수가있으면서, CPTP 1 인경우만을필터링하여만들어진 CPTP 공간분포도이다. 이전낙뢰가이던스에비해구름물리낙뢰가이던스는낙뢰발생가능지역을전반적으로광범위하게과대모의하는경향을줄였다. 표출되는그림의컬러테이블은 1, 100, 300이상 3단계로구분하였지만, CPTP 값이 1 이상인경우낙뢰가발생할수있는조건을만족하므로, 물리적으로 1이상의값이면유효한값이라고볼수있다. 구름물리가이던스의예측시간은 GDPS의 3시간간격예측시간에맞춘 +84시간이며 3시간간격으로만들어진다. 구름물리낙뢰가이던스의경우저기압시스템에동반되어나타나는하층제트에의한대기불안정에의한낙뢰예측은약간의위상차를보이나비교적낙뢰의발생과이동을잘예측하는편이다 ( 그림 10 참고 ). a) 2015.4.2. 21 시낙뢰가이던스 (2015.4.2. 09 시예측 ) 와낙뢰자료중첩영상. + 표시는구름방전을포함한 1 시간누적낙뢰임 b) 구름물리낙뢰가이던스는낙뢰가발생할수있는대류운을가정하여산출되므로, RDPS 적외채널구름모의영상 (2015.4.2. 21 시 (2015.4.3. 09 시예측 )) 의구름영역중잘발달한대류운영역과유사함 c) 기존낙뢰가이던스의 2015.4.2. 21 시 (2015.4.2. 15 시예측 ) 과낙뢰관측자료를중첩한영상 ( 우 ). ( : 양극성, +: 음극성낙뢰구분표시, 구름방전포함한낙뢰임 ). 낙뢰예측범위가넓고, +12 시간만예측함 d) 2015.4.2. 21 시천리안적외 + 레이더 + 낙뢰 (10 분자료 ) 중첩영상. 구름물리 : 낙뢰가이던스에서 CPTP 가 1 이상인영역과레이더에코영역 / 낙뢰영역간에약간의위상차이가있으나비교적낙뢰를잘모의했음 그림 10. 구름물리 : 낙뢰가이더스사례 (2015.4.2.)
반면에, 국지적으로발생하는대기불안정에의한낙뢰의경우일부낙뢰의발생을예측하지만, 실제관측자료와비교하면위치차이가큰편이다 ( 그림 11 참고 ). a) 2014.6.23. 00 시낙뢰가이던스 (2014.6.22. 09 시예측 ) 와낙뢰자료중첩영상. 가이던스는강원남부와경남지역에낙뢰를예상했으나충북지역에낙뢰가발생 b) 2014.6.23. 00 시천리안적외 + 레이더 + 낙뢰 (10 분자료 ) 중첩영상 그림 11. 구름물리 : 낙뢰가이더스사례 (2014.6.23.) 3. 초단기동네예보- 낙뢰확률예측자료초단기동네예보의낙뢰확률예측자료는 +1시간, +2시간까지는이전시간관측과현재시간낙뢰관측자료를이용하여낙뢰이동벡터를산출하고 1시간동안의낙뢰관측자료외삽예측장을산출한뒤그결과를확률로변환하여제공한다. +3시간, 4시간예측자료는 KLAPS 예측장자료를활용하여미국 NOAA에서개발한뇌전가능지수 (Lightning Potential Index; LPI) 를적용하여산출한다 ( 이용희외, 2011). 낙뢰발생확률표현은발생확률이 30% 미만인경우는없음, 30% 이상 ~50% 미만인경우는낮음, 50% 이상 ~70% 미만인경우는보통, 70% 이상인경우는높음으로표시한다. 뇌전가능지수 (Lightning Potential Index; LPI) 는아래와같은불안정지수와뇌전발생에필요한기상요소를고려한다. Mixed Layer CAPE ( 3,000m) Lifted Index Theta-E lapse rates at 600hPa 850hPa temperature Precipitable water Relative humidity at -10
그림 12. 초단기예보낙뢰확률예측과정 ( 이용희외, 2011) 참고문헌 김광식, 1992: 기상학사전, 향문사. 기상청, 2014: 2014 년낙뢰연보대기환경과학 2009: 민경덕, 민기홍역제 5 판, C. Donald Ahrens 저, p248-253. 이용희외, 2011: 2011 년초단기예보낙뢰요소추가및예보지역확대 (PPT), 2011 지경노세미나 AMS Glossary, 2000: AMS 전자기상사전. http://amsglossary.allenpress.com/glossary Bright, Wandishin, Jewell and Weiss, 2005: A Physically Based Parameter for Lightning Prediction and its Calibration in Ensemble Forecasts. Conference on Meteorological Application of Lightning data of American Meteorological society. http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/fall06/nats101s3/lecture_notes/nov21.html Uman M. 1987: The lightning discharge. Academic Press, Inc., New york, pp12. Wallace J. M. and P. V. Hobbs 2006: Atmospheric science. 2nd Edition, Academic Press, p252-258.