Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 22, No. 3 (2012) pp. 321-330 한국에서발생한청천난류사례들에대한수치연구 민재식 김정훈 전혜영 * 연세대학교대기과학과 ( 접수 : 2012 년 4 월 24 일, 수정 : 2012 년 6 월 7 일, 게재확정일 : 2012 년 6 월 21 일 ) A Numerical Study on Clear-Air Turbulence Events Occurred over South Korea Jae-Sik Min, Jung-Hoon Kim, and Hye-Yeong Chun* Department of Atmospheric Sciences, Yonsei University, Seoul, South Korea (Received: 24 April 2012, Revised: 7 June 2012, Accepted: 21 June 2012) Abstract Generation mechanisms of the three moderate-or-greater (MOG)-level clear-air turbulence (CAT) encounters over South Korea are investigated using the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The cases are selected among the MOG-level CAT events occurred in Korea during 2002-2008 that are categorized into three different generation mechanisms (upper-level front and jet stream, anticyclonic flow, and mountain waves) in the previous study by Min et al. For the case at 0127 UTC 18 Jun 2003, strong vertical wind shear (0.025 s 1 ) generates shearing instabilities below the enhanced upper-level jet core of the maximum wind speed exceeding 50 m s 1, and it induces turbulence near the observed CAT event over mid Korea. For the case at 2330 UTC 22 Nov 2006, areas of the inertia instability represented by the negative absolute vorticity are formed in the anticyclonically sheared side of the jet stream, and turbulence is activated near the observed CAT event over southwest of Korea. For the case at 0450 UTC 16 Feb 2003, vertically propagating mountain waves locally trigger shearing instability (Ri < 0.25) near the area where the background Richardson number is sufficiently small (0.25 < Ri < 1), and it induces turbulence near the observed CAT over the Eastern mountainous region of South Korea. Key words: Clear-air turbulence, Upper-level front and jet stream, Anticyclonic flow, Mountain wave 1. 서론 청천난류 (clear-air turbulence; CAT) 는대류운이없는자유대기에서작은규모 ( 수십 m 에서수 km) 의수평크기를가지는요란으로정의되며, 이는순항중인항공기에직접적으로영향을주어항공기안전을위협하는요소로널리알려져있다 (Ellrod et al., 2003). 미국 NTSB (National Transportation Safety Board) 의 *Corresponding Author: Hye-Yeong Chun, Department of Atmospheric Sciences, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea Phone : 02-2123-2692, Fax: 02-365-5163 E-mail : chunhy@yonsei.ac.kr Current affiliation: Jae-Sik Min, K-weather, 152-740, ACE High-End Tower 401, Guro 3-dong, Guro-gu, Seoul, Korea 2009 년보고서 (NTSB, 2009) 에의하면, 청천난류는최근 10 년간의항공기사고에서가장큰비중을차지하는기상학적요인으로알려져있다. 국내항공철도사고조사위원회의보고서에따르면 1957 년부터현재까지기상현상과관련된항공기사고사례중난류에의한사고가약 24% 를차지하는것으로나타났다 (http://www.araib.go.kr). 최근국내에서는조종사보고 (pilot report; 이하 PIREP) 관측자료를이용한난류통계및유형분류 ( 민재식등, 2011; Kim and Chun, 2011), 고해상도수치모델링을통한청천난류발생메커니즘분석 (Kim and Chun, 2010; 2012), 일기예보모델을이용한통합난류예측시스템등의연구가수행되고있다 ( 김정훈등, 2009; 321
322 한국에서발생한청천난류사례들에대한수치연구 장욱등, 2009; 김정훈과전혜영, 2011; Kim et al., 2011). 특히, Kim and Chun (2011) 은 2003-2008 년동안관측된남한지역의 PIREP 을이용하여시 공간적분포특징및난류발생메커니즘별유형분석을수행하였다. 또한, Kim and Chun (2010) 에서는 2003-2008 년동안중강도이상 (moderate-or-greater; 이하 MOG) 의난류발생이하루중가장많이보고되었던 2007 년 4 월 2 일사례에대한고해상도수치모델링실험을수행하여, 비슷한시간에서해안과제주도및동부산악지역에서보고된청천난류들이서로다른메커니즘에의해발생되었음을보였다. 청천난류의주요발생메커니즘은 (i) 제트상부및하부의상층전선지역에서의시어불안정 (Dutton and Panofsky 1970; Ellrod and Knapp 1992), (ii) 강한고기압성흐름이존재하는지역에서의관성불안정 (Kaplan et al., 2005; Knox et al., 2008), 그리고 (iii) 복잡한산악지역에서발생한산악파 (Clark et al., 2000; Doyle et al., 2005) 등으로나눌수있다. 민재식등 (2011) 은 2002 년 12 월부터 2008 년 11 월까지 5 년간 (2005 년자료는결측으로제외 ) 우리나라상공 PIREP 에나타난총 240 개의 MOG 청천난류를위의세가지난류발생메커니즘별로유형화하였다. 30 km 의해상도를갖는기상청현업지역모델 (Regional Data Analysis and Prediction System; 이하 RDAPS) 재분석장을이용하여 (i) 과 (ii) 를대표하는난류진단지수 2 개씩을각각계산하고, 관측된난류근처수평 50 km 및연직 3,000 ft ( 약 1km) 이내에서계산된지수값이김정훈등 (2009) 에서제시된임계값을만족할경우, 그 PIREP 을분류된난류발생메커니즘에속하는것으로결정하였다. (iii) 의경우, 고해상도산악지형자료를이용한아격자산악분산값들과 RDAPS 의하층바람및안정도값들을산악중력파모수화 ( 전혜영등, 1996) 에적용하였다. 그후, 관측된난류위치로부터수평 50 km, 연직 3,000 ft 이내에서산악중력파항력이존재하면 (iii) 의메커니즘으로분류하였다 (Kim and Chun 2010; 2011). 그결과, 제트상부또는하부의상층전선에서시어불안정에의해발생한사례 ( 이하 M1) 가 103 개로가장많았고, 관성불안정에의한사례 ( 이하 M2) 가 73 개, 산악파의파동파괴에의한사례 ( 이하 M3) 가 25 개로나타났다. M1 과 M2 의조건을동시에만족하는사례는 32 개, M1 와 M3 를동시에만족하는사례는 6 개, M2 와 M3 를만족하는사례는 3 개, M1, M2, M3 를모두만족하는사례는 4 개였으며, 위의세가지발생메커니즘중어디에도속하지않는것은 88 개였다. 유형화와방법론과관련된자세한설명은민재식등 (2011) 과 Kim and Chun (2011) 에기술되어있다. 본연구에서는민재식등 (2011) 에서유형화한세 청천난류발생메커니즘을대표하는사례를각각하나씩선택하여 3 차원수치실험을수행하고, 그발생메커니즘을고해상도모형에서보다정확하게이해함으로써, 30 km 해상도의재분석자료를이용한청천난류유형화의타당성을조사하고자하였다. 2 장에서는사용한중규모수치모델과그수치실험설계에대해설명하고, 3 장에서는수행한 3 차원수치실험에대한결과들을설명하며, 요약및결론은 4 장에기술하였다. 2. 모델설계 본연구에서사용한수치모델은미국립기상연구소 (National Centers for Atmospheric Research; 이하 NCAR) 에서개발한중규모수치모델인 Advanced Research Weather Research and Forecasting (WRF- ARW; 이하 WRF) (Skamarock et al., 2008) 모델 3.1 버전이다. 본연구에서는민재식등 (2011) 에서구분한세청천난류발생메커니즘들중 2003 년 6 월 18 일 0127 UTC 에평창에서발생한 M1 사례, 2006 년 11 월 22 일 2330 UTC 에목포에서발생한 M2 사례, 2003 년 2 월 16 일 0450 UTC 에군위에서발생한 M3 사례에대해각각수치실험을실시하였다. M1 과 M2 사례에대한수치실험은수평격자간격이 30 km 인도메인 1 (191 171; 이하 D1) 에수평격자간격이각각 10 km, 3.3 km, 1.1 km 인세개의도메인들 [ 도메인 2 (145 148; 이하 D2), 도메인 3 (154 154; 이하 D3), 도메인 4 (166 166; 이하 D4)] 로구성하였다. 산악파와관련된 M3 사례의경우에는파동파괴와관련한고해상도수치실험이추가적으로필요하여 (Kim and Chun, 2010), M1 과 M2 사례들의수치실험에서와같은 4 개의도메인에수평격자간격이 0.37 km 인도메인 5 (187 187; 이하 D5) 을추가하였다. 모든도메인에대한연직층은총 113 개의시그마층으로이루어져있으며모델최상단기압은 20 hpa 이다. 본연구에사용한물리과정중, 미시구름물리모수화는 WSM 6 (WRF Single Momentum 6-class) scheme (Hong and Lim, 2006), 행성경계층모수화는 Mellor- Yamada-Janjic scheme (Janjic, 2002), 적운모수화는 Kain-Fritsch scheme (Kain 2004) 을사용하였다. 적운모수화는 D1 과 D2 에만사용되었으며, 상층경계조건은중력파가모델상층경계에서반사되는것을방지하기위해모델상단에서 5km 아래로 Rayleigh damping 을이용한스펀지층을설정하였고, 모든실험에대해 2-way nesting 방식을택하였다. 모델초기입력자료는 NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Centers for Atmospheric Research) GDAS (Global Data Assimilation System) 에서제공하는 6 시간간격의 1.0 o 1.0 o 수평해상도를가지는재 한국기상학회대기제 22 권 3 호 (2012)
민재식 김정훈 전혜영 323 분석자료 (Derber et al., 1991) 를사용하였다. 지형자료는실제지형에가깝도록하기위하여 USGS (U. S. Geological Survey) DEM (Digital Elevation Model) 30 초 ( 약 0.925 km) 전구자료를사용하였다. 3. 결과 3.1. 상층전선과제트 (M1 사례 ) 2003 년 6 월 18 일 0127 UTC 에평창 ( 위도 : 37 o 42'N, 경도 : 128 o 21'E) 상공 33,000 ft ( 약 10 km 상공 ) 에서발달된제트하부의상층전선지역에서중강도 (moderate; 이하 MOD) 의청천난류가발생하였다. Fig. 1 은청천난류발생지점과수치실험에사용한 4 개의도메인들을나타낸다. Fig. 2 는 2003 년 6 월 18 일 0000 UTC 의 RDAPS 30 km 재분석장 ( 왼쪽 ) 과 D1 에서의 WRF 수치실험결과 ( 오른쪽 ) 를비교한것이다. (a-b) 와 (c-d) 는각각 300 hpa 과 500 hpa 에서의지오퍼텐셜고도, 풍속, 수평바람벡터를나타내며, (e-f) 는지표면에서의해면기압과수평바람벡터이다. 청천난류가발생한지점은별표로표시하였다 (Figs. 2(a)-(f)). 300 hpa (Figs. 2(a)-(b)) 에서우리나라는 50 m s -1 이상의풍속을가지는남서풍계열제트입구지역에위치하고있으며, 요동반도지역에위치한기압골은서풍또는북서풍계열의바람을타고우리나라로다가오고있다. 500 hpa (Figs. 2(c)-(d)) 도 300 hpa 과비슷한경향을보이고있으며, 상층기압골은 300 hpa 로가면서서쪽으로기울어져있어상층기압골이발달하고있음을유추할수있다. 또한, 한반도지역은북태평양고기압의가장자리를따라흐르는남풍또는남동풍과요동지역상층기압골풍상측의북서풍이만나는지역에위치하여, 온도풍관계에따라남북온도 경도강화로인한제트및상층전선발달이용이한상황이다 (Kim and Chun, 2010). 지상 (Figs. 2(e)-(f)) 에서우리나라는일본동쪽의태평양해상에중심을둔북태평양고기압의서쪽가장자리영향권에들어있다. WRF 모델의 D1 영역수치적분결과 (Figs. 2(b), (d), and (f)) 는 RDAPS 재분석장 (Figs. 2(a), (c), and (e)) 에나타난종관규모의상층기압패턴및풍속을잘재현하고있다. 다만, 500 hpa 과지상에서대만동쪽에중심을둔 6 호태풍소델로의중심기압이약 3hPa 정도높게모의되었는데, 이는본연구의수치실험설계에보거싱방법 (e.g., Kim et al., 2009) 등을통한현실적인태풍모의가이루어지지않았기때문으로사료된다. 하지만, 본연구의주요목적이대만동쪽태풍의현실적인재현이아니며, 청천난류가발생한지역의상층바람은이태풍과직접적으로관련되지않은것으로분석된다. 따라서, 본연구에서수행된실험결과는관측된청천난류의발생메커니즘을분석하는데적절함을확인하였다. Fig. 3 은 D1 영역에서연직시어, 풍속, 온위및대류권계면인 2 PVU (potential vorticity unit; 10 6 Kkg 1 m 2 s 1 ) 에대한남북단면도를 2003 년 6 월 17 일 1630 UTC (Fig. 3(a)) 부터 18 일 0130 UTC (Fig. 3(d)) 까지 3 시간간격으로나타낸것이다. 여기서, 연직단면도는 Fig. 1(a) 의 A 와 B 를연결한실선을따른다. 17 일 1630 UTC (Fig. 3(a)) 에는온도풍관계에따라남북온도경도강화로인해발달된제트코어 ( 최대풍속 =42ms 1 ) 가한반도중부 (Y = 2400 km) 지역의 12 km 상공에위치하고있으며, 제트축의저기압성시어쪽을따라제트류를중심으로발생하는 2 차순환에따른대류권계면접힘및상층전선발달이나타난다. 그결과제트코어하부인상층전선에서의연직시어 Fig. 1. Model domains used for the M1 simulation with horizontal grid spacings of 30 km (D1), 10 km (D2), 3.3 km (D3), and 1.1 km (D4). Contours are terrain heights with 200 m intervals. Location of the observed CAT near Pyeongchang at 0127 UTC 18 June 2003 is depicted as the asterisk in (a) and (b). Atmosphere, Vol. 22, No. 3. (2012)
324 한국에서 발생한 청천난류 사례들에 대한 수치연구 Fig. 3. Y-Z cross-sections of vertical wind shear (VWS; shadings), wind speed (m s 1; black lines), and potential temperature (K; gray lines), along the line (A-B) shown in Fig. 1, at (a) 1630, (b) 1930, (c) 2230 UTC 17, and (d) 0130 UTC 18 Jun 2003, derived from the WRF model results in D1. Thick black lines represent 2-PVU (potential vorticity unit; 10 6 m2 s 1 K kg 1). Location of the CAT at 0127 UTC 18 Jun 2003 is depicted as the white asterisk in (a)-(d). Fig. 2. Geopotential height (contours), horizontal wind vectors, and wind speed (shadings) at 300 (upper) and 500 (mid) hpa and sea-level pressure (SLP; solid line) and horizontal wind vectors at surface (lower) at 00 UTC 18 Jun 2003, obtained from the RDAPS 30-km analysis data (left) and WRF model results in D1 (right). Contour intervals in upper and mid panels are 120 and 60 gpm, respectively. 값이 약 0.013 s 1 정도로 나타났으며, 이는 상층 제트 및 전선의 강도 변화에 따라 1930 UTC (Fig. 3(b))에 는 0.010 s 1로 다소 약해진 뒤, 2230 UTC (Fig. 3(c)) 에 0.020 s 1로 강화되었으며, 난류발생이 있었던 18일 0130 UTC (Fig. 3(d))에는 0.025 s 1까지 증가하였다. Fig. 4는 D3 영역 ( x = 3 km)의 33,000 ft (약 10 km) 고도에서 아격자 규모의 난류운동에너지 (subgrid-scale turbulent kinetic energy; 이하 SGS TKE), 온위, 수평 바람 벡터를 17일 1630 UTC부터 18일 0130 UTC까 지 3시간 간격으로 나타낸 것이다. 난류발생 9시간 전 인 17일 1630 UTC (Fig. 4(a))에 포항 근처 동해상에 위치한 최대풍속 48 m s 1의 제트 코어는 남북 기온경 도 강화로 인한 연직 시어 증가로 더 강화되고 북상 하였다. 난류발생시기인 18일 0130 UTC (Fig. 4(d)) 에는 최대풍속이 55 m s 1를 초과하였으며, 결과적으 한국기상학회 대기 제22권 3호 (2012) Fig. 4. Subgrid-scale turbulent kinetic energy (SGS TKE; m2 s 2, shadings), potential temperature (K; contours), and horizontal wind vectors at z = 33,000 ft (10,100 m) at (a) 1630, (b) 1930, (c) 2230 UTC 17, and (d) 0130 UTC 18 Jun 2003, derived using the WRF model results in D3. 로 연직시어 증가로 인해 발생된 SGS TKE가 관측된
민재식 김정훈 전혜영 325 Fig. 5. The same as in Fig. 1 expect for the model domains used for the M2 simulation for the CAT case observed at Mokpo at 2330 UTC 22 Nov 2006. 청천난류지점과 일치함을 보인다. 따라서, 2003년 6월 18일 0127 UTC에 평창근처 약 10 km 상공에서 발생 한 청천난류는 남북 기온경도 증가로 인해 발달된 상 층 제트 코어 하부에서의 연직시어 및 상층 전선 강 화로 인한 시어 불안정이 주요 원인임을 알 수 있었다. 3.2. 고기압성 시어 기류 (M2 사례) 2006년 11월 22일 2330 UTC에 목포 (위도: 34o50'N, 경도: 126o28'E) 상공 28,000 ft (약 9.5 km)에서 MOD 강도 청천난류가 발생하였으며, Fig. 5에 청천난류발 생 지점과 수치실험에 사용한 4개의 도메인들을 나타 내었다. Fig. 6은 Fig. 2과 동일한 방법으로 2006년 11 월 23일 00 UTC 사례에 대해 나타낸 것이다. 23일 00 UTC에 한반도는 북만주 지역에서 내려오는 북서 풍의 극 제트와 동중국해 지역으로부터 올라오는 남 서풍의 아열대 제트가 만나는 지역에 위치하고 있다. 특히, 난류 발생 지역은 고기압성 회전 곡률을 보이 는 아열대 제트의 고기압성 수평 시어 영역에 위치하 고 있다. RDAPS에서 분석된 청천난류 발생지점 근 처에서의 고기압성 회전의 아열대 제트, 한반도에서 의 두 제트의 합류, 북해도 지역의 제트 코어, 알류산 저기압 등의 종관 규모 일기 패턴이 WRF 모델에서 도 유사하게 모의되었다. Fig. 7은 2006년 11월 23일 (0000 UTC) RDAPS 30 km 재분석장을 이용해 (a)에는 28,000 ft (8,500 m) 고도에서의 절대 와도와 풍속을 나타냈고, (b)에는 (a) 의 A와 B를 지나는 연직 단면도에서의 절대 와도, 풍 속, 온위, 2 PVU의 대류권계면을 나타내었다. 2.0 10 5 s 1이하의 절대와도 값을 음영으로 나타내었다. 두 제트 기류가 서로 합류하는 한반도 영역 중 고기압성 회전 곡률을 보이는 아열대 제트의 고기압성 수평 시 어 지역인 남부 지역에서 국지적으로 강한 고기압성 수평 시어가 발생해서, 절대 와도가 음의 값 (최소값 Fig. 6. Same as in Fig. 2 except at 0000 UTC 23 Nov 2006. = 7.5 10 5 s 1)이 되는 지역이 나타나고 있다. 이는 이 시기 관측된 청천난류 지점과 일치한다. Knox (1997) 및 Knox et al. (2008)은 고기압성 흐름이 강 한 지역에서의 지균 불균형에 의한 관성 불안정은 그 불균형을 해소시키는 과정 (지균 조절)에서 관성 중 력파를 발생시키고, 이로 인해 국지적으로 난류가 발 생된다고 밝혔다. Kaplan et al. (2005)은 지균 불균형 Atmosphere, Vol. 22, No. 3. (2012)
326 한국에서 발생한 청천난류 사례들에 대한 수치연구 Figu. 8. Wind speed (contours) with absolute vorticity (shadings) (upper) and SGS TKE (shadings) (lower) at 2030 UTC (left) and 2330 UTC (right) 22 Nov 2006, derived from the WRF simulation in D3. Fig. 7. (a) absolute vorticity (shadings) and wind speed (m s 1; black lines) at z = 28,000 ft (8,500 m) and (b) Y-Z cross-section of absolute vorticity (shadings), wind speed (black lines), potential temperature (gray lines), and 2 PVU (bold black line) along the line (A-B) shown in (a) at 00 UTC 23 Nov 2006, derived using the RDAPS 30-km analysis data. 이 심한 이러한 강한 고기압성 흐름이 있는 지역에서 기압 경도력 방향과 연직 와도 경도의 방향이 직교 하고, 이것이 국지적으로 최대가 되는 지역에서 난류 가 발생함을 보였다. Kim and Chun (2010)은 2007년 4월 2일 9개 MOG 청천난류 사례들 중 제주도 지역 에서 발생한 3개의 사례의 경우, 선행 연구들처럼 한 반도 중부지역을 가로지르는 제트의 강한 고기압성 수평시어에서의 국지적인 관성 불안정이 주요 원인임 을 보였다. Fig. 8은 D3에서 모의된 22일 2030과 2330 UTC 때 의 절대 와도와 SGS TKE를 관측된 난류고도인 28,000 ft (8,500 m)에서 풍속과 함께 나타낸 것이다. 청천난류 발생 3시간 전 (Fig. 8(a))에는 청천난류 발 생지역 주변으로 관성불안정 지역이 나타나지 않았지 만 난류 발생시각 (Fig. 8(b))이 되면서 고기압성 곡률 한국기상학회 대기 제22권 3호 (2012) 을 가지는 아열대 제트류의 고기압성 수평시어지역인 한반도 남서해상 및 남해상에서 기류 불균형에 의한 국지적인 관성불안정이 발생 하였다. 이러한 지역 중 관측된 난류 지점 주변에서 SGS TKE가 나타났다. 따 라서, 2006년 11월 22일 2330 UTC에 발생한 청천난 류 사례는 고기압성 곡률을 가지는 아열대 제트의 고 기압성 수평시어 지역에서 국지적으로 강한 고기압성 시어흐름이 발생하고, 절대 와도가 0보다 작은 관성 불안정 지역에서 청천난류가 발생하였음을 확인하였다. 3.3. 산악파 (M3 사례) Fig. 9는 2003년 2월 16일 0450 UTC경 소백산맥 근처 군위 지역 (위도: 36o13'N, 경도: 128o34'E)에서 발생한 청천난류 사례를 모의하기 위해 설정된 모델 영역을 나타낸다. 총 5개의 도메인으로 구성되어 있 으며 D5에서는 수평격자 간격이 0.37 km를 가지도록 설정하였다. 난류가 발생된 지역은 북동쪽에서 남서 쪽 또는 서쪽 방향으로 뻗어있는 소백산맥의 남쪽에 위치하고 있어, 북풍 또는 북서풍 계열의 바람이 불 경우 난류 위치는 소백산맥의 풍하측 지역이 된다. Fig. 10은 Fig. 2와 Fig. 6과 동일한 방법으로 M3 사례인 2003년 2월 16일 00 UTC에 대해 나타낸 그 림이다. 300 hpa에서는 40 m s 1가 넘는 편서풍의 제
민재식 김정훈 전혜영 327 Fig. 9. The same as in Fig. 1 expect for the model domains used for the M3 simulation for the CAT case observed near the Sobaek mountain at Gunwi at 0450 UTC 16 Feb 2002. Fig. 10. Same as in Fig. 2 except at 00 UTC 16 Feb 2003. 트류가 한반도를 가로지르고 있으며, 500 hpa에서는 한반도에 장파 기압골이 위치하여 그 풍하측에서는 서풍이, 풍상측에서는 북서풍이 나타난다. 지상에서는 중국 화중지방으로 남하한 시베리아 고기압의 영향으 로 한반도에는 북풍 또는 북서풍의 계열의 바람이 지 배적임을 알 수 있다. 이를 통해, 동서 방향으로 나란 한 소백산맥을 가로지르는 북풍 계열의 하층 바람이 Figu. 11. Y-Z cross-sections of Richardson number (Ri; shading), meridional wind speed (m s 1, black lines), and potential temperature (K, gray lines) along the line (A-B) shown in Fig. 9(a) at (a) 0000 and (b) 0500 UTC 16 Feb 2003, derived using the WRF model results in D1. Contour intervals of wind speed and temperature are 5 m s 1 and 3 K, respectively. Zero and negative values of meridional wind speed are depicted as bold and dashed lines, respectively. 산악파 발생을 용이하게 하며, 연직으로 전파되는 이 러한 산악파는 고도 증가에 따라 북풍에서 서풍으로 Atmosphere, Vol. 22, No. 3. (2012)
328 한국에서발생한청천난류사례들에대한수치연구 Fig. 12. Y-Z cross-sections of meridional wind speed (m s 1 ; black lines) and potential temperature (K; gray lines) superimposed on (a) SGS TKE (shading) and (b) Ri along the line near the CAT event at 0450 UTC 16 Feb 2003, derived using the WRF model results in D5. Contour intervals of wind speed and temperature are 5 m s 1 and 3 K, respectively. Zero and negative values of meridional wind speed are depicted as bold and dashed lines, respectively. 90 도이상풍계가바뀌는배경류에의해임계고도를만날가능성이높음을유추할수있다 (e.g., Lane et al., 2009). 이러한종관규모운동의특성은 WRF 모델에서도적절히모의되었다. Fig. 11 에는리차드슨수 ( 이하 Ri), 남북방향의바람풍속, 온위에대한 Fig. 9(a) 의 A 와 B 를지나는선의 Y-Z 연직단면도를 WRF 모델결과의 D1 에서의자료를이용해 2003 년 2 월 16 일 00 과 05 UTC 때에대해나타내었다. Fig. 10(e) 와 10(f) 에서보이는바와같이, 00 UTC 에는지표면에서의시베리아고기압확장으로인한북풍계열의바람이관측된난류지점근처 (Y = 2300 km) 의지상에서약 4km 상공까지우세하게나타나며 (Fig. 11(a)), 05 UTC 가되면서시베리아고기압및상층기압골남하로인해북풍계열의바람이약 6km 상공까지나타난다 (Fig. 11(b)). 또한, 상층제트코어하부의연직시어증가로난류발생지점근처로 Ri 값이 1 보다작게나타내고있으나, 시어불안정을발생시킬만큼낮은값 (Ri < 0.25) 을나타내지는않고있다 (Fig. 11). 자세한난류발생메커니즘을밝히기위해, WRF 수치실험의 D5 결과로부터계산된 SGS TKE, Ri, 남북바람속도, 온위에대한난류발생시각 (0450 UTC) 때의난류발생지점근처에서의 Y-Z 연직단면도를 Fig. 12 에나타내었다. 지표근처북풍계열의바람이동서방향의소백산맥 (Y = 20 km) 을가로지르면서연직으로전파되는산악파가발생하고있다. 이산악파는제트코어하부의연직시어에의해 Ri 가상대적으로낮은지역 (5~6 km 상공 ) 으로전파되면서국지적 으로시어불안정을일으켜 SGS TKE 를발생시켰다 (x = 10~20 km, z = 5~6 km in Fig. 12(a)). 따라서, 본난류사례는연직으로전파되는산악파가그임계고도로다가가면서파동파괴로인해발생된것이아니라, 하층북풍의소백산맥으로의유입으로발생한산악파가제트코어하부의연직시어강화로인해 Ri 가충분히낮은지역으로전파되면서국지적으로 Ri 가 0.25 보다작은시어불안정을야기시켜발생한것으로사료된다 (e.g., Lane et al., 2004; Knox et al., 2008; Kim and Chun, 2012). 수치실험에서모의된난류발생지역과실제청천난류가발생한지점에는약 15 km 정도의거리가존재하는데, 이는민재식등 (2011) 에서언급한 PIREP 자료의관측위치에대한불명확성을감안할때, 민재식등 (2011) 에서설정한수평반경 50 km, 연직 ±3,000 ft 이내에서의난류지역을만족하고있다. 4. 결론및요약 본연구에서는선행연구들에서제안된 3 가지청천난류발생메커니즘의특성을보다정확하게이해하기위하여, 각메커니즘별사례를하나씩선정하여 WRF 모델을이용한 3 차원고해상도수치실험을실시하였다. 수치실험결과를이용하여사례별난류발생메커니즘을조사한결과는다음과같다. 먼저, M1 사례는 2003 년 6 월 18 일 0127 UTC 에평창지역의약 10 km 상공에서발생한청천난류로써, 이시기종관규모의상층대기는태평양고기압가 한국기상학회대기제 22 권 3 호 (2012)
민재식 김정훈 전혜영 329 장자리로부터유입되는남서기류와요동반도에서남동진하는북서기류가한반도에서만나면서남북온도경도가강화되고있었다. 이로인해한반도에서연직시어가증가하여제트가발달하였으며, 이제트코어를중심으로한 2 차순환이제트의저기압성회전지역으로대류권계면접힘을야기하여상층전선의발달을도왔다. 최종적으로, 이렇게발달된상층전선상에서의시어불안정이 SGS TKE 를유발시켜난류가발생한것으로분석되었다. M2 사례는 2006 년 11 월 22 일 2330 UTC 때에목포지역의약 8.5 km 상공에서발생한사례로써, 이시기상층종관규모대기는만주지역에서북해도쪽으로향하는한대제트와동중국해에서일본열도로향하는아열대제트사이에한반도가위치하고있었다. RDAPS 재분석장및 WRF 모델실험결과, 두개의대기흐름이합류하는지역중고기압성곡률을가지는아열대제트의고기압성수평시어영역에서국지적으로고기압성시어흐름이강화되어절대와도가 0 보다작은관성불안정지역이나타났으며, 이지역이 SGS TKE 및관측된난류지점과일치하였다. M3 사례는 2003 년 2 월 16 일 0450 UTC 에군위지역약 6km 상공에서발생한사례로, 한반도에서의복잡한산악지형에의해발생되는산악파를보다현실적으로모의하기위하여 0.37 km 의수평해상도를가지는 D5 에서의수치실험을추가적으로수행하였다. 종관규모일기도에서는시베리아고기압의확장으로인해한반도의지표근처에서는북풍계열의바람이우세하였고, 상층에서는기압골에의한서풍계열의바람이지배적이었다. 고해상도수치실험결과, 동서로놓인소백산맥으로유입되는지표근처의북풍이산악파를발생시켰으며, 이산악파가상층제트코어하부의연직시어증가로인해상대적으로 Ri 가낮은지역으로연직전파되면서국지적시어불안정 (Ri < 0.25) 이발생되어난류 (SGS TKE > 0) 가발생하였다. 모의된난류지역은실제발생지역과는다소거리가존재하는것으로나타났지만, 이는 PIREP 자료의관측위치에대한불명확성을감안할때, 충분히타당한것으로판단되었다. 선행연구에서유형화된각기다른난류발생메커니즘에서의사례들을선정하고, 이들에대한수치실험을통하여정확한메커니즘을살펴봄으로써, 선행연구유형화에대한검증과자세한난류발생시나리오를확인할수있었다. 이러한고해상도실험을통한다양한난류사례에대한분석은더욱정확하고개선된난류발생메커니즘에따른유형화연구에도움을줄것이며, 일기예보모델을통한통합난류예측시스템예측자료의원인분석및사후분석에유용할것이다. 이는궁극적으로한국에서의청천난류예측성을향상시켜청천난류로인한다양한인적, 물적피 해를최소화하는데도움을줄것이다. 감사의글 이연구는 2007 년도정부재원 ( 교육인적자원부학술연구조성사업비 ) 인한국학술진흥재단 (KRF-2007-313-C00778) 의지원과 2012 년도기상청기상지진기술개발사업 (CATER 2012-2011) 의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 김정훈, 전혜영, 장욱, R. Sharman, 2009: 한국의청천난류예보시스템에대한연구. Part II: Graphical Turbulence Guidance (GTG) 시스템. 대기, 19(3), 269-287. 김정훈, 전혜영, 2011: 통합지역모델을이용한한국형중상층항공난류예측시스템개발. 대기, 21(4), 497-506. 민재식, 전혜영, 김정훈, 2011: 한국에서발생한청천난류사례에서나타나는종관규모대기상태에대한연구. 대기, 21(1), 69-83. 장욱, 전혜영, 김정훈, 2009: 한국의청천난류예보시스템에대한연구. Part I: 한국형통합난류예측알고리즘. 대기, 19(3), 255-268. 전혜영, 정준희, 오재호, 김정우, 1996: 대기대순환에미치는중력파항력의효과, 한국기상학회지, 32(4), 581-592. Clark, T. L., W. D. Hall, R. M. Kerr, D. Middleton, L. Radke, F. M. Ralph, P. J. Nieman, and D. Levinson, 2000: Origins of aircraft-damaging clear-air turbulence during the 9 December 1992 Colorado downslope windstorm.: Numerical simulations and comparison with observations. J. Atmos. Sci., 57, 1105-1131. Derber, J. C., D. F. Parrish, and S. J. Lord, 1991: The new global operational analysis system at the National Meteorological Center. Wea Forecasting, 6, 538-547. Doyle, J. D., M. A. Shapiro, Q. Jiang, and D. L. Bartels, 2005: Large-amplitude mountain wave breaking over Greenland. J. Atmos. Sci., 62, 3106-3126. Dutton, J., and H. A. Panofsky, 1970: Clear-air turbulence: A mystery may be unfolding. Science, 167, 937-944. Ellrod, G. P., and D. L. Knapp, 1992: An objective clear-air turbulence forecasting technique: Verification and operational use. Wea. Forecasting, 7, 150-165. Ellrod, G. P., P. F. Lester, and L. J. Ehernberger, 2003: Clear air turbulence. In Encyclopedia of Atmospheric Atmosphere, Vol. 22, No. 3. (2012)
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