Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 26, No. 3 (2016) pp. 401-412 http://dx.doi.org/10.14191/atmos.2016.26.3.401 pissn 1598-3560 eissn 2288-3266 연구논문 (Article) 용평알파인경기장에서겨울철바람의일변화및난류특성분석 전혜림 1) 김병곤 1) * 은승희 1) 이영희 2) 최병철 3) 1) 강릉원주대학교대기환경과학과, 2) 경북대학교천문대기과학과, 3) 국립기상과학원관측예보연구과재해기상연구센터 ( 접수일 : 2016 년 4 월 12 일, 수정일 : 2016 년 6 월 12 일, 게재확정일 : 2016 년 6 월 27 일 ) An Analysis of the Wintertime Diurnal Wind Variation and Turbulent Characteristics over Yongpyong Alpine Slope Hye-Rim Jeon 1), Byung-Gon Kim 1) *, Seung-Hee Eun 1), Young-Hee Lee 2), and Byoung-Cheol Choi 3) 1) Department of Atmospheric Environmental Sciences, Gangneung-Wonju National University, Gangneung, Korea 2) Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Daegu, Korea 3) High-impact Weather Research Center, Forecast Research Division, National Institute of Meteorological Studies, Gangneung, Korea (Manuscript received 12 April 2016; revised 12 June 2016; accepted 27 June 2016) Abstract A 3D sonic anemometer has been installed at Yongpyong alpine slope since Oct. 23th 2014 to observe the slope winds and to analyze turbulent characteristics with the change in surface cover (grass and snow) and the synoptic wind strength. Eddy covariance method has been applied to calculate the turbulent quantity after coordinate transformation of a planar-fit rotation. We have carefully selected 3 good episodes in the winter season (23 October 2014 to 28 February 2015) for each category (9 days in total), such as grass and snow covers in case of weak synoptic wind condition, and grass cover of strong synoptic wind. The diurnal variations of the slope winds were well developed like the upslope wind in the daytime and downslope wind in the nighttime for both surface covers (grass and snow) in the weak synoptic forcing, when accordingly both heat and momentum fluxes significantly increased in the daytime and decreased in the nighttime. Meanwhile, diurnal variation of heat flux was not present on the snow cover probably in associated with significant fraction of sunlight reflection due to high albedo especially during the daytime in comparison to those on the grass cover. In the strong synoptic regime, the most dominant feature at Yongpyong, only the southeasterly downslope winds were steadily generated irrespective of day and night with significant increases in momentum flux and turbulent kinetic energy as well, which could suggest that local circulations are suppressed by the synoptic scale forcing. In spite of only one season analysis applied to the limited domain, this kind of an observation-based study will provide the basis for understanding of the local wind circulation in the complex mountain domain such as Gangwon in Korea. Key words: Yongpyong alpine slope, slope wind, flux, turbulent kinetic energy *Corresponding Author: Byung-Gon Kim, Department of Atmospheric Environmental Sciences, Gangneung-Wonju National University, 7 Jukheongil, Gangneung Gangwon 25457, Korea Phone: +82-33-640-2326, Fax: +82-33-640-2320 E-mail: bgk@gwnu.ac.kr 401
402 용평알파인경기장에서겨울철바람의일변화및난류특성분석 1. 서론 산경사면에서의바람은주간에는활승경사풍 (upslope flow), 야간에는활강경사풍 (downslope flow) 이발달하는일변화를가지고있다. 주간에는태양복사에의한지표면가열에의해경사면부근의공기가수평적으로같은높이에존재하는공기보다더높은온도를갖게되기때문에양의부력에의해공기가상승하게되고, 경사면아래에서산정상을향해부는활승경사풍이발달하게된다. 반면에야간에는태양복사가없기때문에지표면냉각에의해경사면부근의공기가수평적으로같은높이에존재하는공기보다더낮은온도를갖게되어 ( 음의부력 ), 산정상에서경사면아래를향해부는활강경사풍이발생하게된다 (Whiteman, 2000). 따라서경사풍의풍향전환은일출, 일몰에따라하루두번나타나며이러한일변화는주로열순환에의해발생하기때문에열적으로유발된바람 (thermally driven winds) 이라고도불린다. 산악지역에서경사풍은종관장의영향이약하고구름없는맑은날잘발달하여대기경계층에서열과운동량의연직혼합과온도균형에중요한역할을하는난류에너지를생성하게된다 (Cuxart et al., 2011). 한반도의 70% 는산지로이루어져다양한기상현상과재해기상이빈번히발생하는데특히산악지역의바람은역동적인기상변화와온도분포 (Lindkvist and Lindqvist, 1997; Gustavsson et al., 1998; Lindkvist et al., 2000; Mahrt, 2006), 대기오염의수송과확산, 안개와하층운의형성과소멸 (Cuxart and Jiménez, 2011) 등에영향을미칠뿐만아니라최근여가생활의수요증가로등산, 패러글라이딩, 스키등과같은산악스포츠와겨울스포츠를즐기는사람들의안전을위한기상정보서비스제공에필수요소이다. 또한본연구의관측지점인용평알파인경기장은 2018 평창동계올림픽경기중알파인경기가열리는곳으로올림픽경기의원활한진행과선수들의안전을위하여경기장의기상특성파악이필수적으로요구되는곳이다. 국외에서는 19 세기이후부터산악지역의바람에대한연구가활발히진행되어왔으며관측연구또한활발히이루어지고있다 (Horst and Doran, 1986; Papadopoulos et al., 1997; Monti et al., 2002; Haiden and Whiteman, 2005; Whiteman and Zhong, 2008). Horst and Doran (1986) 와 Papadopoulos et al. (1997) 는관측을통해야간에발생하는경사류의난류구조에대해분석한바있으며, Monti et al. (2002) 은관측을통해경사풍의일변화와야간경사풍에의해발생하는난류를자세히분석한바있다. 반면국내의선행연구로는 Han and Lee (2007) 가산경사면의기 울기변화에따른바람장의민감도에관한수치모의연구를통해산악지역에서발생하는활강강풍에대하여분석한바있으나관측적인이해는이루어지지않았다. Kim et al. (2014) 은용평스키장에대한고해상도모델에의해산출된바람장과실제관측자료의비교를통해모델이산정상부근의관측바람은잘모의하나경사면에대한활승경사풍과활강경사풍은잘모의하지못한다고보고한바있으나, 산악지역의바람과난류에대한관측연구는국외와달리미흡한실정이다. 본연구에서는관측을통한산악지역바람장을이해하기위하여 2014 년 10 월 23 일용평알파인경기장도착지점에 3 차원초음파풍향 풍속계 (CSAT3, Campbell Sci., USA) 를설치하였으며 2014 년 10 월 23 일 ~2015 년 2 월 28 일기간에대한관측자료를이용하여지표면성질 ( 초상, 설상 ) 과종관풍의세기에따라산경사면에서발생하는바람의일변화와에디공분산방법을이용하여난류특성을분석하였다. 2. 분석자료및방법 2014 년 10 월 23 일용평알파인경기장의도착지점에 3 차원초음파풍향 풍속계를설치하여 1 분, 10 분, 10 Hz 단위의 u, v, w 바람벡터와온도 (T) 를관측하였으며관측고도는 2m 이다. 본연구에서는바람의일변화를살펴보기위하여 1 분관측자료를이용하였으며난류계산에는 10 Hz 관측자료를이용하였다. 관측지점인용평알파인경기장은강원도평창군용평리조트에위치하고있으며, 2018 평창동계올림픽경기중알파인스키경기가열리는곳이다 (Fig. 1). 알파인경기장의길이는 1,191 m 이고정상지점의고도는 1,493 m, 도착지점의고도는 976 m 로 463 m 의표고차를갖고있으며, 남동방향에정상을두고북서방향을따라경기장이위치하고있다. 기울기는최대 31.8 o, 최소 8.4 o, 평균 19.5 o 로다소가파른기울기를가진다. 알파인경기장의지표면은스키시즌을제외하고잔디, 나무등과같은식물로덮여있으며주로 1 월초에개장한다. 지표면성질과종관풍세기에따라바람의일변화와난류특성을분석하기위하여분석기간인 2014 년 10 월 23 일 ~2015 년 2 월 28 일중지표면성질에따른분석은종관풍이약한조건에서지표면이초상인날과설상인날을선별하여비교분석하였고종관풍세기에따른분석은지표면이초상인조건에서종관풍세기가약한날과강한날을선별하여비교분석하였다. 즉종관풍이약한초상인날과설상인날, 종관풍이강한초상인날을각각 3 사례씩, 총 9 사례를선별하였다. 종관풍은 Eun et al. (2011) 이제시한방법을통해 RDAPS 한국기상학회대기제 26 권 3 호 (2016)
전혜림 김병곤 은승희 이영희 최병철 403 Fig. 1. The image of alpine slope at the Yongpyong resort. Blue arrow indicates the start position and red arrow indicates the finish position. A 3-D Sonic Anemometer was installed at the finish position. (Regional Data Assimilation and Prediction System) 자료를이용하여계산하였다. 사례선정방법으로는 3 차원초음파풍향 풍속계의경우강수가착빙될시자료값이부정확해질수있으므로강수가나타난날을분석에서제외하였다. 그리고경사풍과난류에너지는열적강제력의직접적인영향을받기때문에이에따른난류차이를최소화하기위하여용평리조트에서직선거리약 15 km 떨어진대관령기상대의 AWS 자료를이용하여일조시간이 8 시간이상인날을선별하였다. 종관풍의세기와의비교를위해주변지형이단조롭고방해물이없는언덕에위치한대관령기상대의지상풍속도함께조사하였다. 종관풍이약한사례의경우일평균종관풍속이 10 m s 1 이하인조건에서지표면이초상인날과설상인날을선별하였고종관풍이강한사례의경우종관풍속이 10 m s 1 이상이며지표면이초상인날로선별하였다. 선별된사례와각사례에대한일조시간, 일평균종관풍속및관 령의지상풍속을 Table 1에제시하였다. 에디공분산방법으로난류분석을수행하기전, 관측기기센서자체에문제가있거나, 전기의무작위잡음또는센서에응결이발생할때, 적정전력보다낮은전력이공급되는경우이상치가나타날수있기때문에 (Lee et al., 2004) 난류분석에적절하지않은자료를포함할수있다. 따라서관측된자료에대한품질검사가필요하다. 본연구에서는자료의품질관리를위하여원시자료에대한최대값, 최소값검사와이상치를제거하고좌표변환을수행하였다. 좌표변환의경우용평알파인경기장은복잡한산악지역에위치하므로복잡한지형에서주로이용되는좌표변환방법인플래너핏회전 (planar-fit rotation) 을이용하여수행하였다. 플래너핏회전방법은 10 Hz 단위의장기간관측자료를이용하여주풍향을계산하고주풍향에대한수평평면을구성하여해당수평평면이 xy 평면이되도록좌표축을회전하는방법이다 (Wilczak et al., 2001). 따라서좌표변환자료로 2014년 10월 23 일관측이시작된시점부터 2015년 8월 31일까지의기간에대한 10 Hz 단위의관측자료를이용하였다. 에디공분산방법은 10 Hz 이상의고해상도시간분해능의시계열자료를이용하여난류플럭스를직접측정하는방법으로본연구에서는현열속 (sensible heat flux, Q h ) 과운동량속 (momentum flux, τ) 그리고난류운동에너지 (turbulent kinetic energy; TKE) 를 30분단위로아래와같은식을이용하여계산하였다. Q h = ρc p w't' [ W m 2 ] (1) τ = ρu * 2 [ kg m 1 s 2 ] TKE = 1 2 -- u'2 + v' 2 + w' 2 ( ) m 2 s 2 [ ] (2) (3) 여기서 ρ 는공기의밀도이고 c p 는공기에대한정압비열이다. u * 는마찰속도 (Friction velocity) 로다음식에의해계산된다. Table 1. Summary of duration of sunshine (DS), and daily mean synoptic and surface wind speeds (WS) of the selected events. Synoptic condition Surface properties Date DS (hr) Synoptic WS (m s 1 ) Surface WS (m s 1 ) Weak Strong Grass field Snow-covered field Grass field 2014.10.28 10.4 05.4 01.3 2014.10.30 09.5 02.1 00.9 2014.11.10 09.9 03.0 01.1 2015.02.02 09.4 01.6 01.1 2015.02.03 08.3 01.4 01.0 2015.02.20 09.8 04.1 00.9 2014.12.02 09.2 18.1 10.2 2014.12.17 08.4 14.6 10.2 2014.12.30 08.6 13.5 08.1 Atmosphere, Vol. 26, No. 3. (2016)
404 용평알파인경기장에서겨울철바람의일변화및난류특성분석 Fig. 2. The windroses of KMA AWS (a) at the start position (blue arrow in Fig. 1) and 3-D Sonic Anemometer (b) at the finish point (red arrow in Fig. 1) of Fig. 1 from Nov. 6, 2014 to Feb. 28, 2015. u * = [( u'w' ) 2 + ( v'w' ) 2 ] 0.25 [ m s 1 ] 3. 결과 (4) 3.1 전반적인바람장특성 3 차원초음파풍향 풍속계가설치된경기장도착지점에는기상청 AWS (automatic weather system) 가함께설치되어있고시작지점에는기상청 AWS 만이설치되어있다. 우선 3 차원초음파풍향 풍속계로관측된자료를검증하고전반적인바람장특성파악을위해 2014 년 11 월 06 일 ~2015 년 2 월 28 일기간에대하여도착지점에서기상청 AWS 와 3 차원초음파풍향 풍속계를비교분석하였다. 기상청 AWS 의바람장미는남남동풍 20%, 남동풍 19%, 동남동풍 15% 로남동풍계열의바람이우세하게나타났으며, 이와유사하게 3 차원초음파풍향 풍속계의바람장미는남동풍 21%, 동남동풍 17%, 남남동풍 15% 로남동풍계열의바람이지배적으로나타났다. 일차적인비교분석결과, 두관측기를통한바람장이유사하게남동풍계열의바람이우세한것으로나타났다. Figure 2 는알파인경기장시작지점기상청 AWS 와도착지점 3 차원초음파풍향 풍속계의바람장미를각각나타낸것이다. 알파인경기장시작지점은서풍내지북서풍계열의바람이, 도착지점은남동풍계열의바람이주풍향인것을알수있다. 도착지점의남동풍계열바람은경기장경사면이남동방향에정상을두고북서방향을향해경사가이루어져있어활강경사풍에해당한다. 유의할점은시작지점의고도가 1490 m 로거의 850 hpa 고도에해당되고, 관측지점인도착지점은평지가아니고경사면의중간지점에위치하고있다는점이다. 결국겨울철종관풍이전반적으로북서풍임에도불구하고알파인경기장의경사면에서는 50~ 60% 빈도의남동풍계열의활강경사풍이주풍으로나타나고있다는점은흥미롭다. 이는종관풍이강한북서풍조건에서도남동쪽에서북서방향으로경사면에관측지점이위치하고있고관측지점바로북쪽방향에높은언덕에의한저지효과로인해남동풍계열의활강경사풍이주로나타나는것으로판단된다. 일부종관풍풍향과계곡의방향 (alignment) 에따른계곡풍의영향도있었을것으로생각되지만 (Whiteman and Doran, 1993; Carrera et al., 2009), 기존선행연구들과는달리분석영역주변의계곡방향이일정하게정렬되어있지않고계곡의너비가넓지않기때문에계곡효과보다는경사면을따라흐르는경사효과가보다크게작용하였을것으로추정된다. 참고로캐나다 Champlain 호수계곡은길이가 190 km 에달한다 (Carrera et al., 2009). 하지만다른계절을포함하여종관풍과계곡의방향에따른지상바람장변화에대한추가연구가필요할것으로생각된다. 3.2 지표면성질에따른분석 3.2.1 바람의일변화분석지표면성질에따른바람의일변화를살펴보기위하여종관풍이약한초상과설상사례에대해 3 차원초음파풍향 풍속계로관측된 1 분자료를 5 분평균하여각사례의풍향과풍속의일변화를 Fig. 3 에제시하였다. 종관풍이약한모든초상과설상사례에서주간에북서풍계열의활승경사풍이, 야간에남동풍계열의활강경사풍이나타나는일변화가관측되었다. 풍속의경우초상사례에서는활승경사풍이최대 2.3 m s 1, 활강경사풍이최대 1.6 m s 1 로나타났으며설상사례에서는활승경사풍이최대 1.9 m s 1, 활강경사풍이최대 0.9 m s 1 로나타나, 초상과설상사례에서모두활승경사풍이활강경사풍보다크게 한국기상학회대기제 26 권 3 호 (2016)
전혜림 김병곤 은승희 이영희 최병철 405 Fig. 3. Diurnal variations of wind direction and speed on the grass field (left) and the snow-covered field (right). Black lines indicate wind direction and gray lines indicate wind speed. 나타났으며, 변동성역시증가하는것을알수있었다. 경사풍은일출과일몰에따라풍향전환이하루두번발생한다. 초상사례의경우일출후활강경사풍에서활승경사풍으로의전환이 1000~1100 LST 사이발생하는반면, 설상사례의경우 1100~1200 LST 사이에발생하여설상에서의풍향전환이초상보다오랜시간이소요되었다. 이는지표면이초상일경우초상의반사도 (0.25) 가설상의반사도 (0.65~0.95) 보다작기때문에설상인지표면보다빠르게가열됨으로써열적으로유도된활승경사풍으로의전환이초상사례가설상사례보다빠르게나타난것으로생각된다. 연직속도 (w) 는경사에의한바람의강도와방향간의뚜렷한운동학적관계를보여주는데 (Monti et al., 2002), 앞선풍향 풍속일변화와일관되게주간에양의값으로의편향이, 야간에음의값으로의편향이나타났으며열적강제력에의해능동적바람순환이일어나 는주간이야간보다큰값과큰변동성을갖는것으로나타났다 (Fig. 4). 3.2.2 난류특성분석종관풍이약한초상과설상사례중대표사례를선정하여난류특성을 Fig. 5 에제시하였다. 대표사례는외부적인강제력이유사하다고판단되는일조시간과일평균풍속의차이가작은조건을기준으로초상은 2014 년 10 월 30 일, 설상은 2015 년 2 월 2 일이선정되었다. 현열속의경우초상사례에서모두주간에양의값으로의편향이나타났으며, 야간에는전반적으로 0 근처에서음의값들을보였다. 주간에현열속은경사면의방위각과경사각, 경사방향에따른태양의이동거리에따라변하며지표면의반사도및물리적성질에따라서도변하는반면, 야간에는기본적으로태양복사가없지만경사면에서방출되는장파복사와 Atmosphere, Vol. 26, No. 3. (2016)
406 용평알파인경기장에서겨울철바람의일변화및난류특성분석 Fig. 4. Diurnal variations of w-wind components on the grass field (left) and the snow-covered field (right). Horizontal line indicates 0 m s 1. 경사면의낮은고도에서방출된장파복사에의해서도현열속이영향을받을수있다 (Oliver, 1992; Sun et al., 2003; Zoumakis et al., 2006). 난류분석결과, 설상사례에서는눈의높은반사도로인한일사의반사효과와부분적인눈의승화로인한잠열손실때문에주간에도전반적으로현열속이크게증가하지않는경향을보였다. 그리고설상에서현열속의일변화가뚜렷하지않음에도불구하고주간의활승경사풍과야간의활강경사풍이잘나타나고있는것은주변산지경사면의가열과냉각에기인한것으로추정된다 (Figs. 3, 4). 초상과설상의대표사례에서는현열속의최대값이각각 108.5 W m 2, 14.2 W m 2 로설상사례보다초상사례에서약 7 배크게나타났으며대표사례외에도모든사례에서현열속의최대값이설상보다초상에서 4~10 배수준의큰값을가지는것 으로나타났다. 운동량속은일반적으로풍속의세기에비례하고, 지표면의물리적성질에따른거칠기길이의영향도받는데거칠기길이가큰지표면의경우거칠기길이가작은지표면보다큰마찰속도를갖게되어운동량속을증가시키는경향이있다. 일차적으로주간의활승경사풍이활강경사풍보다강하게나타나기때문에야간에비해주간에운동량속이현저하게증가하는것을알수있었다. 또한운동량속은마찰속도 (u * ) 의제곱에비례하여지표면거칠기길이가크고풍속이강할수록증가하기때문에초상사례가설상사례에비해증가폭이큰것으로나타났다. 초상과설상의전체사례들의평균값 ( 최대값 ) 은각각 0.08 (0.17) kg m 1 s 2, 0.06 (0.12) kg m 1 s 2 이었으며, 거칠기길이차이로인해초상사례가설상보다전반적으로크게나타났다. 한국기상학회대기제 26 권 3 호 (2016)
전혜림 김병곤 은승희 이영희 최병철 407 Fig. 5. Diurnal variations of sensible heat flux (Q h ), momentum flux (τ), and turbulent kinetic energy (TKE) on the grass field (left) and the snow-covered field (right). Horizontal line indicates 0 W m 2. Table 2. Statistics of heat flux, momentum flux, and turbulent kinetic energy for daytime (1000~1600 LST) of the selected events. Heat flux (W m 2 ) Momentum flux (kg m 1 s 2 ) TKE (J kg 1 ) Synoptic condition Surface properties Date Max Mean Max Mean Max Mean 2014.10.28 119.43 069.48 0.21 0.10 0.97 0.59 Grass field 2014.10.30 108.54 044.33 0.17 0.08 1.00 0.51 Weak 2014.11.10 102.45 043.62 0.10 0.05 0.96 0.46 2015.02.02 014.22 0 2.69 0.12 0.06 0.85 0.42 Snow-covered field 2015.02.03 011.48 000.91 0.16 0.05 0.96 0.38 2015.02.20 025.75 000.21 0.11 0.04 0.73 0.34 Strong Grass field 2014.12.02 034.68 011.50 0.74 0.37 5.96 4.45 2014.12.17 018.18 0 5.14 0.63 0.32 7.58 4.87 2014.12.30 0 8.02 23.81 0.26 0.12 6.34 4.17 Atmosphere, Vol. 26, No. 3. (2016)
408 용평알파인경기장에서겨울철바람의일변화및난류특성분석 Fig. 6. Same as Fig. 3, except for the weak synoptic wind (left) and the strong synoptic wind (right). 난류운동에너지 (TKE) 는주로연직바람시어, 운동량속그리고현열속에의해생성되는데, 경사풍에의해생성되는 TKE 는하층제트의높이와경사풍의두께에영향을주며궁극적으로열과운동량의연직혼합과온도균형에서중요한역할을한다 (Cuxart et al., 2011). 따라서 TKE 의일변화에서도현열속과운동량속결과와유사하게주간에증가하고야간에감소하는경향이잘나타났으며초상과설상사례각각의전체평균이 0.52 J kg 1, 0.38 J kg 1 으로초상이약 37% 정도큰값을가지는것을확인할수있었다. 정량적인난류비교분석을위하여주간 (1000~1600 LST) 에대한현열속, 운동량속, 그리고 TKE 의최대값과평균값을계산하여 Table 2 에제시하였다. 3.3 종관풍세기에따른분석 3.3.1 바람의일변화분석산악지역의바람은일차적으로종관장의영향을받 으며종관장의영향이약할때잘발달한다. 지표면이초상인조건에서종관풍이약한사례와강한사례에대한풍향과풍속의일변화를 Fig. 6 에제시하였다. 종관풍이약한사례의경우앞절에서제시된바와같이주간에활승경사풍이, 야간에활강경사풍이나타나는일변화가관측된반면에, 종관풍이강한사례에서는주 야간변화에따른경사풍의일변화없이최대 4.3 m s 1 의강한활강경사풍 ( 동풍계열 ) 만이관측되었으며풍속의변동성또한크게나타났다. 이는주 야간상관없이산정상에서부는서풍계열의강한종관풍이경사면을따라하강하여강한활강경사풍을생성한것으로생각되며, 이는강한종관풍의영향이지역풍 ( 경사풍 ) 의발달을억제하고있음을의미한다. 종관풍이강한사례의경우 3.1 절에서제시한바와같이동풍계열의하강경사풍이일변화없이지속적으로강하게부는것을확인할수있는데, 이는동풍내지남동풍이대체로종관풍이강한겨 한국기상학회대기제 26 권 3 호 (2016)
전혜림 김병곤 은승희 이영희 최병철 409 Fig. 7. Same as Fig. 4, except for the weak synoptic wind (left) and the strong synoptic wind (right). 울철용평알파인스키장의주풍향임을의미한다. 연직속도 (w) 의일변화 (Fig. 7) 또한종관풍이약한사례의경우주간에양의값으로의편향이, 야간에음의값으로의편향이나타나는일변화가나타난반면에, 종관풍이강한사례의경우주 야간에따른일변화없이강한음의값으로의편향 ( 활강풍 ) 이지배적인것으로나타났다. 3.3.2 난류특성분석종관풍이약한사례와강한사례중일조시간이가장유사한사례를대표사례로선정하여난류특성을 Fig. 8 에제시하였다. 종관풍이약한사례의대표사례는 2014 년 10 월 30 일사례이고종관풍이강한사례의대표사례는 2014 년 12 월 2 일사례이다. 종관장의영향이약한경우에는현열속의일변화를통해주간에는부력에의한난류생성, 야간에는부력에의한난류소멸메커니즘이작용함으로써풍속의일변 화역시뚜렷하게나타나는것으로생각된다. 결국이는바람시어에의한난류생성에영향을미치기때문에난류변수들의일변화역시현저하게나타나는원인이된다. 하지만종관장의영향이강한경우지면부근의풍속과현열속의일변화모두약하게나타나고, 활승경사풍의발달은억제되며강풍에의해역학적난류가증가하는것으로나타났다. 구체적으로현열속을살펴보면, 종관풍이약한사례와강한사례모두주간에양의값이지배적인것으로나타났으며대표사례에서주간평균값 ( 최대 ) 이각각 44.3 (108.5) W m 2, 11.5 (34.7) W m 2 로종관풍이약한사례가강한사례보다약 4 배수준의큰값을가지는것으로나타났다. 종관풍이약한사례의경우는늦가을인반면종관풍이강한사례의경우는 12 월사례로낮은태양고도각으로인한태양복사에너지양의감소와강한종관풍으로인한한기하강풍으로인해현열속이뚜렷하게감소한것으로생각된다. 운동량속의경 Atmosphere, Vol. 26, No. 3. (2016)
410 용평알파인경기장에서겨울철바람의일변화및난류특성분석 Fig. 8. Same as Fig. 5, except for the weak synoptic wind (left) and the strong synoptic wind (right). 우종관풍이약한사례에서는주간에증가하고야간에감소하는일변화가잘나타났으나, 종관풍이강한사례에서는전체적으로강한풍속에의해운동량속의증가와함께 ( 평균 0.37 kg m 1 s 2 ) 야간에도강한풍속이지속되었기때문에종관풍이약한조건과는달리운동량속은감소하지않았다. TKE 는종관풍이약한사례의경우주간에증가하고야간에감소하는일변화가관측되었으나종관풍이강한사례의경우종관풍이약한사례보다큰변동성과함께 9 배정도증가한값 ( 사례평균 4.5 J kg 1 ) 을보였지만주 야간에따른일변화는역시관측되지않았다. 4. 요약및결론 산악지역의바람에대한기초적인이해를위하여용평알파인경기장도착지점에 3 차원초음파풍향 풍속계를설치하였으며, 2014 년 10 월 23 일 ~2015 년 2 월 28 일기간에대한관측자료를이용하여지표면성질 ( 초상, 설상 ) 과종관풍의세기에따라산경사면에서발생하는바람의일변화와에디공분산방법을이용하여난류특성을분석하였다. 종관풍이약한초상과설상사례, 그리고종관풍이강한초상사례를각각 3 사례씩선별하여총 9 사례를분석하였다. 겨울철알파인경기장경사면에서의전반적인풍향은상층종관풍이북서풍계열임에도불구하고 50~60% 가량남동풍계열의활강경사풍이주풍향으로나타났다. 종관풍이약한사례를통한지표면성질에따른분석결과, 모든사례에서주간에활승경사풍이발생하고야간에활강경사풍이발생하는일변화가잘나타났다. 난류특성의경우, 운동량속과 TKE 는초상과설상모든사례에서주간에증가하고야간에감소하는일변화가나타났으나, 현열속은초상사례의경우주 야간에따른일변화가나타난반면, 설상사례의경우주간에일사에대한눈의높은반사도효 한국기상학회대기제 26 권 3 호 (2016)
전혜림 김병곤 은승희 이영희 최병철 411 과로인해주간에도전반적으로현열속이크게증가하지않는경향을보였다. 지표면성질에따른현열속과운동량속의차이는모두초상이설상보다크게증가하였으며, TKE 는초상이설상보다약 37% 정도증가하는것을확인할수있었다. 한편지표면이초상인조건에서종관풍세기에따른분석결과, 종관풍이약한사례에서는주간에활승경사풍이, 야간에활강경사풍이발생하는일변화와난류특성분석에서주간에증가하고야간에감소하는일변화가잘나타났다. 반면에, 종관풍이강한사례에서는주 야간시간변화에따른경사풍의일변화없이강한동풍내지남동풍계열의활강경사풍만발생하였으며, 운동량속과 TKE 분석결과에서도주 야간변화에따른일변화없이자체값과변동성모두크게나타났는데, 이는강한종관장의영향으로경사풍발달을억제하는것을의미한다. 종관풍이강한사례들의 TKE 는약한사례에비해약 9 배정도증가하는것으로나타났다. 본연구의분석지점인용평알파인경기장은 2018 평창동계올림픽경기중알파인경기가이루어지는장소로원만한동계올림픽경기운영과선수의안전보호를위하여기상특성파악이우선적으로필요한곳으로써, 본연구결과는용평알파인경기장과같은복잡한지형조건을갖는산악지역의바람순환에대한기초적인정보로활용가능할것이다. 하지만향후현열속의일변화에영향을주는태양고도각변화에따른경사면바람장변화, 그리고주변계곡의방향과종관풍방향에따른용평부근바람장특성등에대한추가연구등이필요하다. 감사의글 이연구는국립기상과학원재해기상연구센터 강원영동지역겨울철재해기상분석 예측기법개발 용역사업의지원으로수행되었습니다. 그리고제 1 저자는강릉원주대학교전일제대학원생장학금을지원받았습니다. REFERENCES Carrera, M. L., J. R. Gyakum, and C. A. Lin, 2009: Observation study of wind channeling within the St. Lawrence River Valley. J. Appl. Meteor. Climatol., 48, 2341-2361. Cuxart, J., and M. A. Jiménez, 2011: Deep radiation fog in a wide closed valley: Study by numerical modeling and remote sensing. Pure. Appl. Geophys., 169, 911-926, doi:10.1007/s00024-011-0365-4., J. Cunillera, M. A. Jiménez, D. Martínez, F. Molinos, and J. L. Palau, 2011: Study of mesobeta basin flows by remote sensing. Bound.-Layer Meteor., 143, 143-158, doi:10.1007/s10546-0119655-8. Eun, S. H., S. H. Chae, B. G. Kim, and K. H. Chang, 2011: Effect of urbanization on the light precipitation in the mid-korean peninsula. Atmosphere, 21, 229-241 (in Korean with English abstract). Gustavsson, T., M. Karlsson, J. Bogren, and S. Lindqvist, 1998: Development of temperature patterns during clear nights. J. Appl. Meteor., 37, 559-571. Haiden, T., and C. D. Whiteman, 2005: Katabatic flow mechanisms on a low-angle slope. J. Appl. Meteor., 44, 113-126. Han, S.-H., and J.-G. Lee, 2007: A numerical simulation study on the sensitivity of WRF model in the wind field to the steepness of mountain slope. Atmos. Korean Met. Soc., 17, 349-364. Horst, T. W., and J. C. Doran, 1986: Nocturnal drainage flow on simple slopes. Bound.-Layer Meteor., 34, 263-286. Kim, B.-G., and Coauthors, 2014: An analysis of heavy snowfalls and cold wave and development of its forecast method in Yeongdong. National Institute of Meteorological Science, 35-43. Lee, X., W. Massman, and B. Law, Eds., 2004: Handbook of micrometeorology: A Guide for surface Flux Measurement and Analysis. Klewer Academic Publishers, 250 pp. Lindkvist, L., and S. Lindqvist, 1997: Spatial and temporal variability of nocturnal summer frost in elevated complex terrain. Agric. Forest Meteor., 87, 139-153., T. Custavsson, and J. Bogren, 2000: A frost assessment method for mountainous areas. Agric. Forest Meteor., 102, 51-67. Mahrt, L., 2006: Variation of surface air temperature in complex terrain. J. Appl. Meteor. Climatol., 45, 1481-1493. Monti, P., H. J. S. Fernando, M. Princevas, W. C. Chan, T. A. Kowalewski, and E. R. Pardyjak, 2002: Observations of flow and turbulence in the nocturnal boundary layer over a slope. J. Atmos. Sci., 59, 2513-2534. Oliver, H. R., 1992: Studies of the energy budget of sloping terrain. Int. J. Climatol., 12, 55-68. Papadopoulos, K. H., C. G. Helmis, A. T. Soilemes, J. Kalogiros, P. G. Papageorgas, and D. N. Asimakopoulos, 1997: The structure of katabatic flows down a simple slope. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 123, 1581- Atmosphere, Vol. 26, No. 3. (2016)
412 용평알파인경기장에서겨울철바람의일변화및난류특성분석 1601. Sun, J., S. P. Burns, A. C. Delany, S. P. Oncley, T. W. Horst, and D. H. Lenschow, 2003: Heat balance in the nocturnal boundary layer during CASES-99. J. Appl. Meteor., 42, 1649-1666. Wilczak, J. M., S. P. Oncley, and S. A. Stage, 2001: Sonic anemometer tilt correction algorithms. Bound.-Layer Meteor., 99, 127-150. Whiteman, C. D., 2000: Mountain Meteorology: Fundamentals and applications. Oxford University Press, 376 pp., and J. C. Doran, 1993: The relationship between overlying synoptic-scale flows and winds within a valley. J. Appl. Meteor., 32, 1669-1682., and S. Zhong, 2008: Downslope flows on a lowangle slope and their interactions with valley inversions. I. Observations. J. Appl. Meteor. Climatol., 47, 2023-2038. Zoumakis, N. M., G. A. Efstathiou, A. G. Kelessis, J. Triandafyllis, D. Papas, M. Chasapis, M. Petrakakis, and P. Karavelis, 2006: A simple scheme for daytime estimates of surface energy budget in complex terrain. Fresen. Environ. Bull., 15, 923-927. 한국기상학회대기제 26 권 3 호 (2016)