2022년 예보관 과정 훈련보고서

지역특성을 고려한 예보 기술 연구

- 겨울철 호수 효과에 의한 전북서해안 강설 가이던스 연구  -

소속: 기상청

교번: 5번

성명: 노재훈

2022. 9. 30

- 목   차 -

Ⅰ. 서론	1

1. 연구배경 및 목적	1

2. 지형특성	3

3. 국내외 이론적 배경	4

3.1. 호수효과(Lake Effect) 정의	4

3.2. 구름상승 발달	4

3.3. 착모역전(Capping inversion)	7

3.4. 호수효과에 의한 서해안 강설 메커니즘	8

3.5. 서해안 강설 개념모델	9

Ⅱ.  자료 및 연구 방법	15

1. 자료조사	15

1.1. 지상·해양기상 관측자료	15

1.2. 고층 및 원격탐사자료	16

1.1. 수치자료	16

2. 연구방법	16

2.1. 분석절차	18

2.2. 연구가설	18

Ⅲ. 본론	19

1. 기상청 가이던스 비교 분석	19

1.1. 적설 0.1~5.0cm 판단	19

1.2. 적설 5.0cm이상 판단	24

2. 결과 종합 및 검증	27

2.1. 전북서해안형 강설판단 흐름도	27

2.2. 전북서해안형 강설판단 흐름도 적용 및 분석	28

Ⅳ. 결론	48

1. 요약	48

2. 전북서해안형 가이던스(적설 0.1~5.0cm) 검증	49

3. 전북서해안형 가이던스(적설 5.0cm이상) 검증 및 향후계획	50

[참고문헌]	51

I. 서 론

1. 연구배경 및 목적

겨울철 서해상으로 북쪽의 찬 공기가 남하하면서 호수 효과에 의해 대류운열의 구름대가 발달하게 되는데, 이는 서해상과 연접하여 있는 전북서해안에 눈이 자주 내리는 원인이 되고 있다. 저기압에 동반된 전선성 강수와 같은 종관규모 현상이 아닌 중규모 이하의 작은 대류현상의 집합체로 나타나기 때문에, 해상도와 물리과정의 한계가 있는 수치모델에서의 강설 예측성능이 떨어질 수밖에 없는 것이 현실이다.

중규모 대류계에서 나타나는 강설 예측의 한계를 극복하기 위해 지금까지도 연구가 계속되고 있지만 현재까지 강설 예측 기법을 명확하게 밝혀내지는 못하였다. 백승우(2009)는 2001년부터 2007년까지 전북지역의 대설의 92%가 cP확장에 의한 것으로 조사한 바 있으며, 전북지역의 대설을 서해안 대설형과 내륙 대설형으로 구분하고 산맥의 영향으로 풍하측에 위치한 내륙지역(임실)에 많은 눈이 내릴 수 있음을 선행연구를 통하여 밝혀낸 바 있다. 또한, 주형돈(2000년)은 호남지방의 대설 중 75%가 서고동저형 기압계 유형에서 나타났으며, 북고남저형이나 저기압 접근형도 엄밀한 의미에서 찬대륙고기압의 영향으로 보아도 무방하다는 주장을 하였다. 최근에는 대설에 대한 사전대비의 중요성으로 인해 이재호(2020)는 겨울철 찬대륙고기압 확장 시 서해상 대기조건을 정량화하여 대설특보 운영 시 선행시간 2시간을 확보할 수 있는 객관적 기준을 제시한 바 있다.

서해안 강설 예측 기술 연구가 지속적으로 이루어지는 가운데 기상청에서는 부정기적으로 그동안의 연구 결과를 정리하고 있으며 개선된 결과를 간행물로 제작하여 배포·활용하고 있다, 그러나 강설 예측 기술에 사용되는 관측자료는 서해남부 해상의 해양과 대기특성을 대표하기 때문에, 기상특성이 다르게 나타나는 서해상 모든 연안에 적용하기란 쉽지 않다.

그림 . 선행연구 대류운 발생지점과 위도 차이

전북 북서쪽으로부터 확장해오는 찬대륙고기압에 의해 발생되는 호수 효과를 연구하기 위해서는 서해중부해상의 해양과 대기특성이 중요할 것으로 판단된다. 호수 효과로 인한 서해안 강설 시 기상청 가이던스에서는 서해남부해상에 위치한 칠발도 부이 수온 관측자료를 사용하여 대류운 발생 여부의 기준으로 사용되고 있다. [그림 2]에서 겨울철 동안 칠발도 부이 수온과 본 연구에서 사용될 서해중부해상에 위치한 외연도 수온 자료를 월별로 비교하여 보았다. [그림 2]의 우측 그림과 같이 서해상의 수온 분포가 다르게 나타나고 있는 가운데 좌측 그림에서 보면 눈을 생성하는 수증기량을 결정짓는 수온은 상당한 차이를 보인다.

그림 2. 좌) 최근 10년간 겨울철 월평균 해수온도 비교, 우) 평년 수온 분포도(출처: 해양기상모니터링 시스템)

전북서해안 지역의 과거 10년간(2013~2021년) 겨울철 강설을 발생시키는 원인을 조사한 결과 차고 건조한 찬대륙고기압이 한반도로 장출하면서 서해를 통과할 때 나타나는 강설이 63.9%로 나타나 호수 효과에 의한 영향이 대부분이라 할 수 있다.

따라서 겨울철 찬대륙고기압 확장 시 전북서해안은 서해중부해상으로부터 눈구름대 유입경로의 축을 이루기 때문에 대류운 발생지점의 기준을 외연도 지점으로 선정하고, 선행연구에서 밝혔듯이 노령산맥을 기준으로 풍하측의 내륙은 산맥의 영향이 크므로 산맥의 영향을 제거한 서쪽의 해안과 내륙을 전북서해안 지역으로 통칭하고 지역특성에 맞는 전북서해안형 강설 예측 가이던스를 마련하는 것이 본 연구의 목적이라 할 수 있겠다.

2. 지형 특성

전라북도는 동고서저형의 지형으로 동부지역으로 덕유산에서 지리산을 연결하는 1,500m 이상의 봉우리와 중부내륙의 모악산과 남쪽의 노령산맥으로 둘러 있으며, 서쪽으로 김제평야가 넓게 분포하고 있다. 노령산맥은 소백산맥의 추풍령 부근에서 갈라져 남서로 뻗어 모악산(793m), 마이산(667m), 내장산(763m) 등의 능선을 형성하고 있어, 소백산맥의 서쪽과 노령산맥의 동쪽에 위치한 전북 동부 내륙지방은 λ형의 협곡 형태로 되어 있으며, 해발 500m 이상의 높은 산악지대가 많다. 겨울철에 노령산맥의 풍하측에 해당하는 전북서부지역은 해양에서 유입되는 기류의 영향이 크고 동부지역은 동쪽의 높은 산맥으로 둘러 있어 차등 가열에 의한 수직적 상승기류와 수평적 수렴기류의 영향을 크게 받는 특징이 있다.

그림 . 전북지역 지형 특성

[그림 3] 지형도에서 앞으로 수행하게 될 연구 지역은 군산과 고창, 부안 등 서해안지역과 익산, 전주, 정읍 등 내륙지역으로 구분하고자 하며 지역의 강설 대표지점은 서해안은 군산과 고창, 내륙은은 전주로 하고자 한다.

3. 국내외 이론적 배경

3.1. 호수 효과(Lake Effect) 정의

호수 효과(Lake Effect)는 미국 5대호(Great Lakes)를 경계로 북쪽과 남쪽 날씨가 전혀 다르게 나타나는 현상으로 처음 발견되었다. 늦은 가을에서 겨울 사이 미국 5대호(Great Lakes) 북쪽 지역은 맑은 데에 반해 남쪽 지역은 구름이 많고 눈까지 내리는 현상을 보이는 특징이 있었으며, 현재는 차고 건조한 공기가 상대적으로 따뜻한 해수면을 지날 때 하층 대기가 불안정해져 수면으로 대류운이 발달해 강설이 있는 현상으로 정의되고 있다.

우리나라는 겨울철 시베리아 기단의 영향을 받는다. 이 기단은 한랭 건조한 기단으로 이 기단의 영향을 받으면 우리나라는 맑고 건조한 날씨를 보일 것이다. 하지만, 중국과 한반도 사이 서해가 위치하여, 겨울철 시베리아 기단이 확장하면 우리나라에 영향을 주기 전 서해를 거쳐야 한다. 이 차고 건조한 기단은 서해를 거치면서 상대적으로 따뜻한 해수면을 지나 하층 대기가 불안정해져 해상에서부터 대류운이 발달해 서해안 및 내륙으로 유입되면서 강설 현상을 일으킨다.

호수 효과(Lake Effect)라는 용어는 정확히 정의된 기상용어가 아니며, 지역과 나라마다 부르는 용어가 각각 다르다. 미국 남쪽 지역에서는 ‘바다 효과(Ocean Effect)’, 미국 체서피크나 매사추세츠 만이 있는 지역에서는 ‘해만 효과(Bay Effect)’라고 불리며, 우리나라 기상청에서는 서해에서 형성되어 서해안과 내륙으로 유입되면서 ‘서해안 형’(손에 잡히는 예보 기술, 2011)으로 불린다.

3.2. 구름의 상승 발달

강수발달은 크게 두 가지 과정으로 즉, 구름 입자 간의 충돌‧부착에 의한 성장과 베르셰론(Bergeron) 과정으로 구분할 수 있다. 구름 입자 간의 충돌‧부착은 입자의 크기에 따른 낙하 속도의 차이에 기인한 것이며, 베르셰론(Bergeron)과정은 과냉각 수적과 빙정이 공존하는 층에서 포화수증기압 차에 의한 것이다.

대기 중에 있는 자연 상태에서 빙정핵이나 균질 핵생성 또는 과냉각 수적의 동결에 의해 형성된 빙정을 1차 빙정(Primary Ice)이라고 한다. 대기의 온도가 0℃ 이하이고 과포화 상태에서 활성화되는 빙정의 수는 Fletcher의 실험식에 의하면[eqn: N _{ice} =A``exp( beta TRIANGLE T)]으로 주어진다. 여기서 Nice는 과냉각 상태에서 대기의 단위 체적 당 형성되는 빙정의 수를 나타내며, 여기서 실험 상수는 A=10-5(L-1), β=0.6° C-1이다. △T=T0-T는 과냉각(Supercooling)을 나타낸다. 대기가 과포화 상태에서 기온이 -20℃, 즉 △T=20℃에서 활성화되는 빙정핵의 수는 체적 1리터당 1개 (1L-1)로서 이를 1차 빙정의 수로 고려할 수 있다. 이 계산에 의하면 자연 상태의 대기에서 활성화되는 빙정핵의 수는 응결핵에 비해 그 수가 매우 작으며 이에 따라 1차 빙정의 수 농도 역시 매우 작다. 그러나 실제 구름 속에 있는 빙정의 수를 관측하면 의외로 빙정 수보다 훨씬 많은 빙정이 있는 예도 있다. 그림은 열대 적운과 대륙적운에서 관측한 구름정상부의 온도에 대한 최대 빙정의 수 농도를 보여 준다. 그림에서 직선은 식에 의한 빙정의 수 농도 곡선이다. 그림에서 보는 바와 같이 운정 온도가 –20℃ 미만이면 빙정핵의 수와 빙정수 사이에는 커다란 차이가 없으나, 운정 온도가 -10℃인 경우에 어떤 구름에서는 자연 빙정의 수 농도의 10⁴에 해당하는 많은 빙정이 구름에 존재하고 있다. 그러면 자연빙정의 수를 크게 능가하는 빙정의 수를 어떻게 설명할 수 있을까? 이에 대한 설명으로 구름의 빙정증식을 고려하면, 빙정핵이나 과냉각수적의 동결에 의하지 않고 다른 원인에 의해서 빙정의 수가 증가하는 것을 의미하며, 이처럼 형성된 빙정을 이차 빙정(Secondary Ice)이라고 한다.

그림 4. 구름의 빙정 증식

현재 빙정 증식 과정으로 다음의 3가지 과정: (i) 빙정이 융해 고도 위·아래로 이동하는 경우 빙정의 작은 가지의 중간 부분이 녹아 부러지면서 생긴 이차빙정(Fracturing), (ⅱ) 섬세한 구조를 가진 빙정들(예: 나무가지 모양, 별모양 빙정)이 충돌로 인해 빙정의 일부가 떨어져 나와 이차빙정이 생성되는 기계적 파편형성(Mechanical Fragmentation), 그리고 (iii) 빙정의 상고대(Riming)현상이 일어나는 동안 생긴 얼음파편(Ice Splinter) 형성되고, Hallett-Mossop과정을 고려하고 있다. Hallett-Mossop 과정에 의한 빙정 파편(Splinter)의 형성 조건은 다음과 같다 : ①대기 온도가 -3℃ ~ -8℃의 범위에서 ②직경이 13mm 이하와 25mm 이상인 수적이 공존하며 ③직경이 적어도 0.5mm 이상 되는 싸락눈이 존재하여야 한다.

그림 5. Hallett-Mossop과정의 모식도

이 경우, 기온 -5℃에서 하나의 싸락눈에 250개의 수적(D≥25mm)이 부착

될 경우 하나의 빙정 파편이 형성된다.

위 그림은 Hallett-Mossop 과정에서 빙정 파편이 형성되는 과정을 보여주는 모식도이다. 그림에서 싸락눈에 부착된 작은 수적과 큰 수적은 각각 D≤13mm, 그리고 D≥25mm인 수적이다. 그림에서 A의 경우는 싸락눈에 작은 과냉각 수적이 부착·동결된 다음에 큰 수적이 부착된 경우이다. 이 경우에는 동결된 작은 수적으로 인해 큰 수적이 동결이 표면에서 내부로 서서히 진행되면서 매우 얇은 빙각(Ice Shell)을 형성한다. 그리고 수적의 동결 시 방출되는 잠열로 인하여 내부 압력이 증가한다. 이에 따라 빙각이 깨어져 파편이 떨어져 나오면서 이차 빙정이 형성된다. 한편 그림에서 B의 경우는 싸락눈에 큰 과냉각 수적이 부착된 경우이다. 이 경우는 싸락눈과 과냉각 수적의 접촉면이 넓어서 과냉각 수적에서 동결 시 방출된 잠열이 싸락눈으로 바로 효과적으로 전달된다. 따라서 과냉각 수적이 빨리 동결되어 이차빙정이 형성되지 않는다. 이 모델에서 작은 수적은 이차빙정 형성에 결정적인 역할을 한다. 이차 빙정 형성 기구 중에서 충돌에 의한 기계적 파편 형성과 Hallett-Mossop 과정만이 상당한 양의 이차빙정을 생성할 수 있는 것으로 고려되고 있다.

빙정증식은 한랭운의 강수발달에 매우 중요하다. 그 이유는 빙정핵에 의해 형성된 빙정만으로는 강수발달에 반드시 필요한 빙정간의 충돌에 의한 성장이 효과적으로 일어나지 않기 때문이다.

그림 6. 수적과 얇은 판상빙정과의 충돌 효율 (Pitter and Pruppacher, 1974)

부착에 의한 빙정의 성장은 위 그림에서 보는 바와 같이 빙정 표면 온도가 매우 낮아 그 표면이 건조한 경우보다 기온이 부근에서 물로 얇게 피복(Coating)되어 있을 때 쉽게 일어난다. 그림에서 온도에 따른 얼음 입자의 부착확률이 –1℃ 부근에서 거의 1이다. 따라서 구름에서 고도에 따른 온도분포가 한랭운의 강수발달에 매우 중요한 역할을 할 수 있다. 특히 운저 고도가 융해 고도 보다 낮은 경우 한랭운의 강수발달에 매우 중요한 역할을 할 수 있다. 이와 같은 조건을 고려하면 큰 눈송이가 혹한의 겨울과는 반대로 초겨울에 덜 추울 때 더 자주 발생할 가능성이 크다. 상고대화와 응집은 수증기의 침적에 의한 빙정 성장보다 훨씬 더 빨리 빙정을 성장시킨다. 사실 세 가지 과정의 결합(빙정과정, 상고대화, 응집)으로 초기 빙정형성 후 약 30분 이내에 고체상태의 강수입자가 만들어질 수 있다.

3.3. 착모역전(Capping Iinversion)

호수 효과 눈 현상을 정의하는 특징은 대기경계층에서 대류가 발생한다는 것이다. 호수 효과 상황에서는 일반적으로 대기경계층 위에 보다 따뜻한 공기가 존재한다고 알려져 있다. 즉, 대기경계층 위에 Capping inversion이 존재하게 되는데, 이는 대기 층간의 경계 구간으로 경계층의 상단의 대류권이 평균적으로 안정되어 있기 때문에 난류는 경계층 내에서 공기를 균질화하기 때문에 열의 보존에 의해 경계층의 상단에 안정적인 층 형태가 나타난다.

경계층의 하단은 난기류와 대기 오염 물질을 그 아래에 트랩한다. 경계층의 하단은 비교적 따뜻한 공기의 층으로 상단으로 올라가는 공기를 차단하고 억제하여 키 큰 구름대를 발달을 방지하거나 지연시키는 경우가 많습니다. 따라서, 그 아래 공기는 계속 따뜻해지고, 습윤할 수 있으므로 불안정이 증가하여 겨울철 낮은 고도에서 눈 구름대가 생성, 발달하여 계속해서 눈이 내리는 결과가 나타난다.

그림 7. Capping inversion(착모역전) 발생 과정

3.4. 호수 효과에 의한 서해안 강설 메커니즘

겨울철 대륙의 차고 건조한 공기가 상대적으로 따뜻한 해수면을 지나가게 되면 열과 수증기를 공급받게 되는데, 해수면 위를 긴 시간 이동할수록 해수면 부근의 하층 대기는 더욱 온난 습윤해지고 불안정해진다. 하층에서 대류와 함께 혼합이 일어나고 점차 혼합층이 깊어지면서 대류운이 발생하게 되는데, 긴 거리를 이류하는 동안 계속되는 열과 수증기의 공급은 대류를 촉진시켜 구름을 높게 발달시킨다.

그림 8. 호수 효과에 의한 서해안 강설 발생 과정 모식도

기류가 해수면을 지나 육지로 유입되는 지역에서는 마찰에 의한 수렴으로 상승기류를 유발하고 구름은 더욱 강하게 발달해 많은 눈을 내리게 한다. 한편 대류와 혼합으로 인해 발달한 구름은 상부로 갈수록 단열냉각이 되므로 상부의 기온이 낮아져 그 위로는 ‘capping inversion(착모역전)’이라는 모자 쓴 형태의 기온역전 현상이 나타나게 되며, 이는 대류에 의한 구름 발달을 하층으로 제한하게 된다.

따라서 서해의 수온이 높고 수면 위로 유입되는 공기가 차가워 그 차이가 클수록 하층 대기로의 열 공급은 더욱 커질 것이며, 서해상을 길게 이동할수록 많은 수증기 공급이 일어날 것이다. 또한 강한 바람은 하층 대기를 혼합시켜 열과 수증기 공급을 더욱 활발하게 해 불안정한 대기를 형성한다.

3.5. 서해안 강설 개념모델

호수 효과에 의한 서해안 강설이 나타나기 위해서는 서해상으로 강한 한랭 이류가 있어야 한다.

대설조건으로는 취주거리, 해기차, 바람이 있는데, 호수 효과로 발달하는 눈 구름대 생성을 위한 최소한의 취주거리는 80km 이상이지만, 적설이 있으려면 최소 160km 이상의 취주거리가 필요하다. 미국의 Great Salt Lake와 같은 높은 고도에서는 700hPa 풍향이 취주거리를 판단하는 데 더 좋은 지표이다. 작은 풍향의 변화는 취주거리에 큰 변화를 가져올 수 있음을 유의해야 한다. 군산, 전주 등 내륙형인 경우 옹진반도에 맑히지 않고 들어올 수 있는 경로는 320°, 고창의 서해안형은 340°의 경로를 갖는다.

그림 9. 적설 지역과 풍향 및 취주거리

다음은 해기차인데 서해안형 강설 발생에 필요한 850hPa의 해기차는 15℃ 이상일 때 가능성이 크다. 또한, 서해상으로 강한 북풍 계열의 바람이 불면서 북쪽의 찬 공기가 남하하는 기압계가 형성되는 조건이어야 한다. [그림 10]의 모식도는 서해상에 북풍 계열의 기류가 나타나는 대표적인 두 지상 기압계로 고기압 전면의 북풍류와 저기압 후면의 북서풍류가 형성되는 모습을 보여주고 있다.

그림 10. 서해상에 한기를 남하시키는 지상 기압계 [좌] 고기압 전면, [우] 저기압 후면

3.5.1. 고기압성 기압계의 특징

[그림 11-1, 2]은 고기압성 기압계의 영향을 받은 2018년 1월 26일 사례로 위성영상에서 보면 밭고랑 모양의 대류운열이 뚜렷한 고기압성 곡률 형태로 발달한 모습을 확인할 수 있다. 같은 시각 지상 기압계를 보면 저기압은 동경 150도 부근으로 멀리 떨어져 있으며, 한반도는 북서쪽에 있는 대륙고기압의 영향권에 들어 있음을 알 수 있다.

이와 같은 고기압성 기압계의 영향을 받게 되는 경우 고기압성 곡률을 따라 풍계가 형성됨으로 충남 서해안으로는 서풍계열의 풍향보다는 북풍계열의 풍향이 형성되는 것이 일반적이다. 따라서 구름대가 내륙으로 깊게 유입되기 어려운 유형이라 할 수 있으며, 주로 전라 서해안지역으로만 영향을 주게 된다.

그림 11-1. 2018년 1월 26일 9시 천리안위성[좌], 지상일기도[우] 위성영상에서 서해상에 대류운열이 고기압성 곡률의 형태로 발달한 모습 같은 시각 지상 기압계에서 고기압의 영향을 지배적으로 받고 있는 모습

그림 11-2. 2018년 1월 26일 9시 500hPa 일기도[좌], 서산 단열선도(ECMWF 초기장) [우] 상층의 저기압이 오호츠크해 부근에 위치하면서 한반도로 한기를 남하시키기 어려움 상층의 한기가 약해 중하층 대기는 안정한 구조로 700hPa 해기차가 작게 나타남 서산 800m 고도에 강한 역전층에 의해 대류가 억제되어 구름대 높게 발달하기 어려움

고기압성 기압계에서의 서해안형 강설은 북풍계열 바람에 의해 구름대가 내륙으로 진입이 어려우며, 강수강도가 약하게 나타나는 것이 특징이다.

3.5.2. 저기압성 기압계의 특징

[그림 12-1]은 저기압성 기압계의 영향을 받은 2018년 1월 9일 03시 사례로 위성영상에서 저기압성 곡률로 대류운열이 발달하여 내륙까지 유입된 모습을 볼 수 있으며, 지상의 기압계는 서쪽의 대륙고기압의 영향보다는 동해상에 위치한 저기압의 영향권 안에 있는 것으로 판단할 수 있다.

그림 12-1. 2018년 1월 9일 03시 천리안위성 합성영상과 지상일기도

그림 12-2. 2018년 1월 9일 03시 500hPa 일기도[좌]와 서산 단열선도(ECMWF 초기장)[우]

고기압성 기압계와는 다르게 저기압성 기압계에서는 상층의 저기압과 한기가 한반도 북쪽에 가깝게 위치하는 경우가 일반적이다. 따라서 [그림 12-2]와 같이 상층의 찬 공기가 한반도 상공으로 남하하기 좋은 기압계이며, 기압골이 동반되는 경우가 많아 구름대 발달에 유리하다. 또한 서산의 단열선도에서 볼 수 있듯이 역전층의 고도가 3km로 비교적 높은 고도에 위치하고 있어, 하층 대류를 억제하는 힘이 약한 연직구조를 가진다. 결국, 덕적도 부이 수온과 700hPa 해기차는 대설 기준인 22℃보다 높은 28℃로 나타났다. 이날 새벽부터 아침 사이에만 충남권 내륙에 최고 15cm 이상의 대설을 기록하였다.

정리하면 저기압성 기압계에서의 서해안형 강설은 풍향이 서풍계열로 나타나는 경우가 많아 구름대가 내륙으로 쉽게 유입되며, 상층 한기의 영향으로 강수강도는 강하게 나타나는 것이 특징이다.

3.5.3. 저기압성 기압계의 특징-상층 기압골에 의한 대설(내륙형)

[그림 13]의 위성영상을 보면 모두 해기차에 의한 구름열이 서해상을 뒤덮고 있는 모습이다. 하지만 구름열의 회전 방향을 보면 왼쪽은 고기압성으로 흐르고, 오른쪽은 저기압성으로 흐르는 것을 볼 수 있다. 왼쪽의 경우는 고기압성 기압계의 영향권에서 구름이 발달한 것이고, 반대로 오른쪽은 저기압성 기압계의 영향권에서 구름이 발달한 것이다.

그림 13. 천리안위성 가시영상 2018년 1월 26일 12시(좌), 2018년 1월 10일 13시(우) 왼쪽은 고기압성 회전, 오른쪽은 저기압성 회전으로 나타남

[그림 13]의 왼쪽은 전형적인 순수 호수 효과에 의해 대류운열이 발달한 상황으로 Capping inversion(착모역전)이 뚜렷해 대류가 억제되고 바람의 시어가 크지 않을 때 잘 나타난다. 이런 경우는 대류층의 높이가 하층의 일정 고도로 억제되기 때문에 강설 강도는 상대적으로 약한 편이다.

반면, [그림 13]의 오른쪽은 호수 효과와 더불어 상층 기압골에 의한 강제력이 함께 영향을 준 사례로 순수 호수 효과에 의해 생긴 대류운열과는 다르게 화살표 부근으로 짙은 구름대가 발달한 것을 볼 수 있다. 이 짙은 구름 영역이 있는 곳은 상층 기압골의 영향으로 기류 수렴대가 나타난 것이다. 이러한 유형에서는 수렴에 의한 상승운동이 더해져 대류운이 폭발적으로 발달하고, 상층의 강제력까지 더해지면서 쉽게 10cm 이상의 적설로 이어질 수 있다. 특히 기압골의 영향을 받게 되므로 풍계가 서풍에 가깝게 눕게 되면서 대설 구역이 내륙까지 유입되기 때문에 내륙으로 10cm 이상의 적설이 나타날 수 있는 대표적인 대설 유형이라 할 수 있다.

그림 14. 상층 기압골 영향으로 서해상에 기류 수렴이 형성되는 기압계의 모식도

1차 한기 통과 후 2차 한기가 남하하면서 해기차와 기압골의 효과가 동시에 나타나는 상황

겨울철 동아시아지역에서는 상층저지(Blocking)에 의해 한기핵을 동반한 상층저기압이 절리(Cut-off)되면서 기압계가 정체되는 경우가 많다. 절리된 저기압의 후면으로 찬 공기가 우리나라로 주기적으로 남하하는데, 이때 2차 한기가 남하하는 경우 단파골의 영향으로 하층까지 시어역을 형성하면서 서해상에서 기류 수렴을 만든다. 상층 기압골의 지원을 받을 수 있는 전형적인 종관기압계 상황이다. 일반적으로 [그림 14]에서 표현된 모식도와 같은 종관기압계 상황에서 잘 나타나며, [그림 13]의 오른쪽처럼 서해상으로 단일 띠의 수렴대가 형성되고 해안뿐만 아니라 내륙까지도 유입되면서 많은 눈을 내린다.

Ⅱ. 자료 및 연구 방법

본 연구에서는 찬대륙고기압 확장 시 북서방향 눈구름대 경로인 서해중부해상에 위치한 외연도의 수온을 활용하여 대류운 발생지점의 기준으로 선정하고 850hPa 바람방향을 기준으로 서해안형과 내륙형으로 구분하였다.

서해안형에 포함되는 지역은 부안, 정읍, 고창 등이며 적설 대표지점을 고창으로 하고, 내륙형에 포함되는 지역은 군산, 익산, 완주, 전주, 김제 등으로 적설 대표지점을 군산과 전주로 하였다. 즉, 외연도의 해양 및 대기특성과 고창, 군산, 전주 등의 적설값을 활용해서 현재 기상청에서 간행물(이하 기상청 가이던스)로 배포되어 활용되고 있는 “호수 효과에 의한 서해안형 적설 판단 흐름도”의 가이던스를 검증하고 개선하고자 한다.

1. 자료조사

분석에 이용된 모든 자료는 기상청 종합기상정보시스템(comis4)과 통계분석시스템을 활용하여 2013년 1월부터 2022년 2월까지 겨울철과 11월 적설이 나타났을 때 해당 일자를 포함하였으며, 일 단위 매시간 정시 자료를 기준으로 자료를 수집하였으며, 평년 수온 분포도는 ‘해양기상모니터링 시스템’에서 자료를 추출하였다.

1.1. 지상·해양기상 관측자료

수온	○ 서해남부해상 칠발도 부이, 서해중부해상 외연도 부이
적설	○ 고창, 군산, 전주 등의 일별 1시간 신적설, 3시간 최심신적설, 24시간 적설

1.2. 고층 및 원격탐사자료

고층자료	○ 북격렬비열도, 군산 등 연직바람관측자료
원격관측자료	○ 레이더 및 위성 기본영상 및 산출물

1.3. 수치자료

분석자료	○ ECMWF 모델 대상: 지상, 925hPa, 850hPa, 700hPa 등 기온, 바람, 습수 지점: 외연도, 고창, 군산, 전주 ○ 기본 분석일기도 지상, 925hPa, 850hPa, 700hPa, 500hPa, 단열선도
예측자료	○수치모델에서 생산되는 모든 예측자료 - 모델: KIM, UM, ECMWF, KLAPS

2. 연구 방법

2013년 1월부터 2022년 2월까지 겨울철(11월 포함) 동안 고창, 군산, 전주 등 3개 지점을 대상으로 눈이 내린 일자의 3시간 최심신적설을 구한 결과 총 335건의 사례를 추출할 수 있었다. 이 중에서 1차로 기상청 가이던스에서 찬대륙고기압의 호수 효과 분류 시 사용했던 850hPa 풍향을 활용하여 300。 미만일 때 적설이 있었던 경우를 저기압(기압골)의 영향으로 분류하였고, 2차 찬대륙고기압의 영향으로 분류된 사례는 지상일기도에서 기압골 또는 닫힌저기압과 850hPa 및 500hPa 분석일기도를 활용하여 상호비교한 후 저기압(기압골) 영향 판단시 저기압(기압골) 영향으로 재분류하였다.

결과적으로 총 335건 중에서 찬대륙고기압의 호수효과로 인해 적설이 있었던 사례는 214건, 저기압(기압골)의 영향은 121건으로 나타났다. 적설이 있었던 214건 중 고창은 103건, 군산 60건, 전주 51건으로 나타났다.

그림 15. 2013.1.~2022.2.(11월 포함) 찬대륙고기압과 저기압(기압골) 분류

기상청 가이던스 임계값(그림 16)과 비교 방법은 [그림 15] 찬대륙고기압 영향으로 분류된 적설(0.1cm이상) 214건에 대해 3시간 최심적설이 나타났을 때 시작 시각을 기준으로 ECMWF재분석장을 활용하여 외연도의 850hPa, 700hPa의 기온, 바람, 해기차 등 요소와 3시간 및 24시간 최심적설과의 분포도를 그려 분석하였다.

그림16. 기상청 가이던스 호수 효과에 의한 강설 판단을 위한 흐름도

2.1. 분석 절차

2.1.1. 기상청 가이던스의 적설구간(0.1~5.0cm 미만) 검증

- 외연도 지점의 850hPa 기온, 해기차, 풍향, 풍속 등 분석

2.1.2. 전북서해안형(강설 판단 임계값) 적용

- 2013.1.~2022.2.(11월 포함) 기간동안 고창, 군산, 전주 등 적설이 있는 날짜를 제외하고,‘0.1cm이상 적설 있음’의 임계값을 적용하였을 때 0.1cm 이상의 적설이 나타나지 않으면 원인분석 실시

2.1.3. 기상청 가이던스의 대설판단(5.0cm이상) 검증

- 외연도 지점의 700hPa 기온 분석

2.2. 연구가설

2.2.1. 해상에서 눈 구름대가 강하게 발달하더라도 이동방향에 따라 취주거리(fetch)가 충분하지 않다면 강설 발생이 어려울 수 있다. 전남 서해안보다 북쪽에 위치한 전북 서해안은 옹진반도와 변산반도 취주거리가 약 110km로 강설현상이 어려우므로 적어도 옹진반도 서쪽해상에서 기류가 유입되어야 한다.

2.2.2. 2013.1.~2022.2년 겨울철에 서해중부해상(외연도)과 서해남부해상(칠발도)의 수온을 비교한 결과 외연도 수온이 낮게 나타난다. 이는 해수면 열에너지 부족으로 찬대륙고기압 확장시 서해남부해상에 위치한 칠발도 수온보다 큰 해기차를 필요로 할 것이다. 따라서 기상청 가이던스에서 제시한 850hPa 해기차와 관련하여 임계값에 변화가 있을 것이다.

2.2.3. 강한 풍속이 해수면으로부터 잠열속(latent heat flux)를 증가시켜 수증기 공급의 주요한 역할을 하게 하는데(이재근 등, 2018), 850hPa 20kts 풍속이 강설 구름에 필요한 임계값을 나타내는지 분석하였다.

2.2.4. 대설이 나타나기 위해서는 2km 이상 발달하는데 필요한 850hPa 해기차로는 부족하다. 강수강도가 강할 때에는 대류 혼합층의 두께가 3km이상 발달하는 것으로 가이던스에서 제시하고 있는 바, 700hPa 해기차가 클수록 적설강도가 강할 것이다.

2.2.5. 전북서해안 지역에 맞는 임계값을 적용할지라도 적용이 되지 않는 사례가 발생할 것이다.

Ⅲ. 본론

1. 기상청 가이던스 비교분석

1.1. 적설 0.1~5.0cm 판단

1.1.1. 850hPa 풍향

선행연구에 따르면 눈 날림 수준의 강설을 유발할 수 있는 취주거리의 임계값은 80km이며, 적설이 가능하기 위해서는 160km 이상의 취주거리가 필요하므로, 850hPa 풍향에 따라서 지점별 임계값이 어떻게 나타나는지를 알아보고자 하였다.

[그림 17]은 2013년 1월부터 2022년 2월까지 겨울철 동안 군산, 전주, 고창 지역에서 호수 효과에 의한 강설이 발생한 214건(약 63.9%)의 사례에서 외연도 850hPa 풍향자료와 3시간 최심신적설을 비교한 것이다.

전주는 기상청 가이던스에서 제시된 320。로 풍향이 일치하였고, 고창, 군산은 각각 340。, 320。로 기상청 가이던스 임계값(330。)과 다르게 나타났다. 이는 기상청 가이던스에서 제시하고 있는 강설임계 풍향값과 다름을 알 수 있는데, 전남과 전북의 지리적 위치로 인해 변산·웅진반도가 장애물 역할을 하여 강설 취주거리에 영향을 주어 바람 방향에 차이가 나타난 것으로 분석되었다.

그림 17.  2013~2021년 겨울철 호수 효과에 의한 전북 서해안형 강설 사례중 외연도 850hPa 풍향과 군산, 전주, 고창의 3시간 최심적설 분포

1.1.2. 850hPa 풍속

우리나라 서해안에 호수 효과에 의해 강설을 발생시키기 위해서는 850hPa 풍속이 20kts이상 되어야 한다고 가이던스에서 제시하고 있다.

[그림 18]은 앞서 850hPa 풍향 분석에 사용했던 2013년 1월부터 2022년 2월까지 겨울철 동안 0.1cm이상 적설이 나타났던 214건의 사례를 활용하여 외연도 850hPa 풍속과 각 지점별 3시간 최심적설의 분포를 나타낸다. 결과적으로 850hPa 풍속이 15kts 이상인 사례가 235건으로 전체의 98% 이상으로 나타난다.

가이던스에서는 850hPa의 강설 발생 임계값을 20kts로 사용되고 있는데 이는 전북지역보다 취주거리가 긴 전남서해안에 강설 구름을 유지 및 이동시키는데 보다 강한 풍속이 필요할 것이라고 판단된다.

그림 18. 2013~2021년 겨울철 호수 효과에 의한 전북 서해안형 강설 사례중 외연도 850hPa 풍속과 군산, 전주, 고창의 3시간 최심적설 분포

한편, 서해안형에서 내륙형으로 적설이 증가할수록 풍속의 임계값(파선의 기울어짐)도 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 5cm 이상 대설이 나타나기 위해서 전남지역(22~35kts)과 다르게 전북지역은 25~40kts의 풍속 분포를 보였다.

1.1.3. 850hPa 기온

호수 효과로 눈이 내리기 위해서는 대류로 인해 구름이 발달하는 고도인 대류 혼합층의 높이가 1km 이상이어야 한다.(Niziol, 1987)

따라서 925hPa 기온분석은 본연구에서 제외하였고, 서해안 강설 판단 가이던스에서 제시된 것처럼 850hPa 기온이 –8℃가 해기차 강설 발생의 임계값이 되는지 알아보기 위하여 2013년 1월부터 2022년 2월까지(11월 포함) 겨울철 기간에 고창, 군산, 전주의 3시간최심신적설을 활용하여 강설 시작시각 당시 외연도의 850hPa 기온이 어떠한 분포로 나타나는지를 분석하였다.

그림 19. 2013~2021년 겨울철(11~2월) 호수 효과에 의한 군산, 고창, 전주 강설 사례에 대한 외연도 850hPa 기온 분포

[그림 19]에서와 같이 총 214건 중에서 8건을 제외한 96.3%가 –8℃ 이하에서 0.1cm의 적설이 발생하여 기상청 가이던스 강설 임계값(-8℃, 97.5%) 유사하게 나타났다. 이는 대류로 인해 대기가 포화되는 경우 단열적으로 포화단열감률의 기온구조를 보이게 되는데, 이때 지상에 눈이 내릴 수 있는 기온을 0。로 가정하여 포화단열선을 따라 상승하면 850hPa의 기온이 정확하게 –8℃가 되므로 이론이 정확하게 맞는 것으로 나타났다.

1.1.4. 850hPa 해기차

기상청 가이던스에서는 가열과 수증기 공급 정도를 알아보기 위하여 850hPa 해기차가 15℃ 이상이 되어야 한다고 하였다.

지리적으로 북쪽에 위치한 외연도의 수온은 평균적으로 칠발도 수온보다 낮다. 따라서 기상청 가이던스의 해기차 임계값과 어떠한 차이를 보이는지 알아보기 위해 2013년 1월부터 2022년 2월까지(11월 포함) 겨울철 기간에 고창, 군산, 전주의 3시간최심신적설과 외연도의 수온, 850hPa 기온을 사용하여 해기차를 구한 후 분포도를 [그림 20]과 같이 나타내 보았다. 총 214건 중 97.7%가 기상청 가이던스에서 제시된 임계값과 같이 해기차가 15℃ 이상일 때 0.1cm 이상의 적설이 발생한 것을 확인하였다.

그림 20. 2013~2021년 겨울철 호수 효과에 의한 서해안 강설사례에서 외연도 수온-850hPa 기온의 해기차와 군산, 고창, 전주의 3시간 최심적설 분포

한편 전남은 해기차가 15~25℃ 사이에 0.1cm 이상의 적설이 대부분 나타났지만, 전북은 해기차가 25~30℃ 이상일 때 집중된 것으로 분석되었다. 적설초기(3cm 내외)일 때 임계값은 같지만 적설이 늘어날수록 임계값은 전남지역보다 크게 나타났다. 이는 해수면 온도가 조금 낮고 상대적으로 취주거리가 짧은 전북서해안은 해기차가 보다 커야 한다는 것을 말해주고 있다.

1.1.5. 700hPa 해기차

겨울철에 북서쪽으로부터 찬대륙고기압이 확장해오면서 850~700hPa 사이 고도에서 역전층이 강하게 나타나 하층에서 발달하는 대류를 강하게 억제하게 된다. 700hPa 해기차가 적설과 어느 정도 상관관계가 있는지를 알아보기 위하여 2013년 1월부터 2022년 2월까지(11월 포함) 겨울철 기간에 고창, 군산, 전주의 3시간최심신적설 214건과 외연도의 수온, 700hPa 기온 등을 활용하여 [그림 21]과 같이 분포도를 나타내 보았다.

그림 21. 2013~2021년 겨울철 호수 효과에 의한 서해안 강설사례에서 외연도 수온-700hPa 기온의 해기차와 군산, 고창, 전주의 3시간 최심적설 분포

[그림 21]과 같이 기상청 가이던스에서는 서해안 호수 효과에 의해 강설 강도가 3cm/3hr 이상 되려면 해기차가 22℃ 이상 되어야 한다고 한다. 그러나 전북서해안 지역은 해기차가 23도℃ 로 1도 이상 크게 나타났으며, 일부사례의 최대 임계값은 기상청 가이던스(35℃) 보다 큰 해기차를 보였다. 850hPa 해기차에서 분석되었던 것처럼 대류발생 기준지점인 외연도의 지리적인 차이로 700hPa 해기차도 크게 나타나는 것이 적절하다고 판단된다. 그러나 850hPa 해기차와 같이 700hPa 해기차도 커질수록 적설은 계속해서 늘어나지 않았고 25~30℃ 사이에서 많은 적설이 집중해서 분포함을 보였다.

1.2. 적설 5.0cm 이상 판단

1.2.1. 700hPa 기온

지금까지 3시간 최심적설이 0.1cm 이상인 사례들에 대하여 해기차, 바람, 기온 등을 사용하여 5cm 미만의 적설 임계값에 대하여 적정성 여부를 알아보았다. 이번에는 5cm 이상 대설을 판단할 수 있는 700hPa 기온 임계값에 대하여 검증하고자 한다. 한편, 30cm 이상의 대설 예측을 위해 [표 1]의 가이던스와 같이 500hPa 기온을 활용하고 있는데, 전북서해안 지역은 호수 효과로 인해 대설특보 기간인 24시간 동안 적설이 25cm를 초과하는 경우가 없으므로 본 연구에서는 500hPa 기온분석을 제외하기로 한다.

표 1. 호수 효과에 의한 강설 시 기온과 해기차 조건에 따른 적설 분포(출처:손에잡히는예보기술)

2013년 1월부터 2022년 2월까지(11월 포함) 겨울철 기간에 고창, 군산, 전주 등에 신적설이 0.1cm 이상 쌓인 날(214건)에 대하여 3시간 최심적설과 24시간 최심적설을 활용하여 외연도의 700hPa 기온과의 분포를 [그림 22-1, 22-2]와 같이 나타냈다. 단, 24시간 최심적설과 700hPa기온 분포도는 3시간 최심적설이 나타날 때 시작 시각의 700hPa 정시 기온을 사용하였다.

그림 22-1. 2013~2021년 겨울철 호수 효과에 의한 서해안 강설사례에서 외연도 700hPa 기온과 전주, 군산, 고창의 3시간 최심적설 분포

그림 22-2. 2013~2021년 겨울철 호수 효과에 의한 서해안 강설사례에서 외연도 700hPa 기온과 전주, 군산, 고창의 24시간 최심적설 분포

기상청 가이던스에서는 ‘1~10cm의 적설이 나타나려면 700hPa 기온이 –20℃보다 낮지 않아야 하고 10cm 이상은 –20℃보다 낮아야 한다’라고 제시되어 있고, 범위의 하한과 상한값은 없는 상태다. [그림 22-1]과 같이 전북서해안의 경우 적설이 0.1~5cm 나타나려면 700hPa 기온이 –12℃보다 낮아야하고, 5cm 이상이 되기 위해서는 –16℃보다 낮아야 되는 것으로 분석되었다.

대류운 발생지점의 700hPa 기온이 낮을수록 적설이 많아지는 추세는 나타나지 않았고 해안형과 내륙형이 다소 차이는 있지만 700hPa 기온이 –16℃보다 낮으면    적설이 20cm 이상까지도 나타날 수 있는 것으로 분석되었다. [그림 22-2] 고도 3km(700hPa)의 기온을 대설의 판단기준으로 사용할 때 기온과 적설이 양 또는 음의 상관관계가 없으므로 기온에 대한 강설 임계값의 하한과 상한의 범위를 정하는 것은 의미가 없을 것이다.

따라서 위 분석 결과에서처럼 적설이 5cm를 넘느냐 넘지 않느냐는 700hPa 기온에서 –16℃의 기온이 적정 기준점이 될 수 있을 것으로 생각한다.

2. 결과 종합 및 검증

2.1. 전북서해안형 강설판단 흐름도

찬대륙고기압 확장 시 호수 효과에 의한 기상청 가이던스와 비교한 결과를 종합하면 전북서해안형 강설한단 흐름도는 [그림 23]과 같이 제시할 수 있다.

그림 23. 전북서해안형 강설한단 흐름도

2.2. 전북서해안형 강설판단 흐름도 적용 및 분석

2.2.1. 적설 0.1~5.0cm 미만 검증

기상청 가이던스와 비교분석 시 사용했던 2013년 1월부터 2022년 2월까지(11월 포함) 겨울철 기간에 외연도의 수온, ECMWF 재분석장의 850hPa 기온, 바람과 고창, 군산, 전주 등에 적설이 없었던 날을 대상으로 새롭게 마련한 전북서해안형 강설 판단 임계값을 적용한 결과 적설 0.1cm이상 오지 않은 경우는 [표 2]와 같다.

표 2. 전북서해안형 강설판단 임계값 적용시 결과

번호	사례일자	강설없음(0.1cm 이상, 표시: O)
		고창	군산	전주
1	2013년 01월 10일		O
2	2013년 01월 25일		O	O
3	2013년 02월 07일		O	O
4	2013년 02월 20일	O	O	O
5	2013년 12월 27일		O
6	2014년 01월 15일	O	O	O
7	2014년 01월 18일	O	O	O
8	2015년 02월 13일	O	O	O
9	2015년 12월 28일	O	O	O
10	2016년 01월 07일	O	O	O
11	2016년 01월 10일	O	O	O
12	2016년 02월 14일	O	O	O
13	2016년 02월 25일	O	O	O
14	2016년 11월 24일	O	O	O
15	2017년 01월 10일	O	O	O
16	2017년 02월 09일		O	O
17	2017년 02월 12일		O	O
18	2017년 02월 18일	O	O	O
19	2017년 11월 19일	O	O	O
20	2017년 12월 01일	O	O	O
21	2017년 12월 13일	O
22	2017년 12월 25일	O	O	O
23	2017년 12월 27일	O	O	O
24	2017년 12월 31일	O	O	O
25	2018년 01월 01일	O	O	O
26	2018년 01월 23일		O	O
27	2018년 01월 24일		O	O
28	2018년 01월 26일		O	O
29	2018년 01월 28일		O	O
30	2018년 01월 30일		O	O
31	2018년 12월 12일	O	O	O
32	2018년 12월 27일		O	O
33	2019년 01월 17일	O	O	O
34	2019년 01월 26일	O	O	O
35	2019년 02월 09일	O	O	O
36	2019년 02월 11일	O	O	O
37	2019년 02월 12일	O	O	O
38	2019년 02월 16일	O	O	O
39	2020년 12월 17일			O
40	2020년 12월 20일		O	O
41	2021년 02월 08일	O	O	O
42	2021년 12월 26일			O
43	2021년 12월 27일			O
44	2022년 01월 12일		O	O
45	2022년 02월 17일			O
46	2022년 02월 22일	O		O
47	2022년 02월 23일			O
강설없음(총계)		28회	40회	44회

2.2.2. 사례(원인) 분석

강설유무 검증에서 850hPa 풍향 고창 340° 미만 군산과 전주 320°이하, 기온 –8℃이하, 해기차 15℃이상, 풍속 15kts 이상의 기상조건이 일단위 6시간 이상 동시에 만족할 때 적설이 나타나지 않는 지점은 [그림 24]와 같이 3개지점(고창, 군산, 전주)이 만족되지 않을 경우 55%, 2개지점(군산, 전주)은 26%, 나머지 19%순 으로 나타났다.

그림 24. 전북서해안형 강설 판단기준 적용시 강설이 없는 사례

이러한 결과는 2013년 1월부터 2022년 2월(11월 포함) 동안 호수 효과에 의한 강설 214건에 비추어볼 때 약 22%(47건)의 빗나간 대설예측을 보인다고 말할 수 있다.

따라서 위의 사례에서 강설이 나타나지 않는 사례 중에서 비중이  큰 ①(고창, 군산, 전주)과 차순위인 ②(군산, 전주)에서 가장 최근에 나타났던 경우를 대표사례로 각 1건을 선정하고 원인을 밝혀 신규로 마련된 전북서해안형 강설판단 가이던스에 참고자료로 활용하고자 한다.

가. 강설 조건 시 서해안과 내륙에 눈이 오지 않은 사례(①2021년 2월 8일)

(1) 개요

이 사례는 전북서해안형 강설한단 기준치를 적용했을 때 서해안은 물론 내륙까지 0.1cm 이상의 적설이 나타나야 하는 상황이다. [그림 25]는 당시 외연도의 수온과 ECMWF재분석장의 850hPa 기온, 풍향, 풍속 등을 활용해서 3시간단위로 흐름을 나타낸 것이다.

그림 25. 전북서해안형 강설 판단 850hPa 임계값 적용((좌) 기온, 해기차 우)풍향·속)

전북서해안형 강설 판단 850hPa 모든 임계값들이 6시간동안 지속되어 서해안과 내륙에 강설이 나타나야 하는데 실황에서는 강설은 나타나지 않았다.

전일 7일 17시 동네예보에서는 대체로 맑은 날씨, 오후부터 서해안에 구름많은 상태를 예보하였으며, [그림 26-1]과 같이 수치모델에서도 강설을 예측하지 않은 상태였다. 그러나 당시 상황에서 강설을 예측한다고 보았을 때 강설 판단 기준치와 더불어 [그림 26-2]의 연직시계열에서는 8일 오후 고도 2km이하(약 800hPa)에서 눈구름대를 예측한 상태로 적설유무를 판단하기가 어려웠을 것이다.

그림 26-1. 2021.2.7. 21시 발표 8일 총누적강수량(좌측부터 KIM, UM, ECMWF)
그림 26-2. 2021.2.7. 21시 발표 UM연직시계열(좌측부터 고창, 군산, 전주)

따라서 강설유무를 정확히 예측하기 위해서는 전북서해안형 강설판단 기준치를 보완할 수 있는 또 다른 역학 강제력을 있어야 할 것으로 보인다.

(2) 종관기상 실황

- 기본일기도

그림 27. 기본일기도 상좌) 지상 9시, 상우) 지상21시, 하좌) 850hPa 9시, 하우) 850hPa 21시

당시 우리나라 북서쪽의 한기를 강하게 남하시킬수 있는 종관적인 힘을 가지고 있는 한랭저기압은 캄차카반도에 위치하여 우리나라로 한기를 남하시키기 어려운 기압계 배치를 이루고 있었고, 지상의 찬대륙고기압은 따뜻한 고기압으로 거의 변질되는 과정에 있었다. 즉, 우리나라 서해상의 한기이류는 오전에 강하다가 오후에는 약화되는 단계로 진행 중이었다. 밤 21시 850hPa 등온선과 등고도선의 흐름이 거의 평행하여 서해남부해상을 제외하고 한기이류가 거의 없었다.

- 기상위성 및 레이더

2021년 2월 8일 낮 12시 전부터 서해상은 해기차로 대류운이 발생하고 있었으나 내륙으로는 접근하지 못하는 상태가 지속되고 있었다. 그러나 서해중북부해상에 새롭게 해기차로 만들어진 운정고도 2km이내의 강성구름대가 만들어지면서 남동진하고 있으나 18시에는 매우 약화된 상태를 보여주고 있다.

새롭게 만들어진 대류운의 운열은 북서계열로 고기압성 흐름을 나타내면서 내륙을 향하여 움직이고 있으나 쉽게 진입하지 못하는 상황이 지속되고 있었다.

그림 28. 위성 RGB합성영상, 운정고도 및 레이더 영상(좌측부터 8일 12시. 15시, 18시)

(3) 국지모델 및 초단기예측

해상도 5km 국지모델(KLAPS)의 해면기압과 누적강수량, 850hPa 고도, 기온, 바람, 비습 등 예측자료를 보면 15시~18시 서해중부먼마다에 3mm 이하의 강수량을 예측하였으나, 850hPa 고도선과 바람을 보면 강수를 예측한 지역 부근으로 한기 이류가 거의 해소되고 바람방향도 북북서 계열로 340°이하 강설 조건을 갖추고 있는 고창을 제외한 나머지 지역은 강설 가능성은 없는 상태였다.

그림 29. KLAPS 지상강수예상도, 850hPa기온, 바람, 습수(좌측부터 8일 12시, 18시)

(4) 관측분석자료

- 지상관측실황

2021년 2월 8일 12시부터 18시까지 3시간단위 지상 바람벡터, 해상 바람, 지면온도 자료를 분석해보면 낮 동안 햇빛에 의해 기온이 오르면서 내륙에 형성된 국지고기압이 약화되는 것으로 예측할 수 있으나 낮에(12~18시) 내륙은 북동계열 바람이 우세하여 고기압이 쉽게 약화되지 않고 있었으며, 오후(15시) 일시적으로 전북서해안까지 20kts 이상의 북서계열 바람이 불었으나 대부분 해상까지 북~북동계열 바람이 지배적이었다.

그림 30. AWS 10분 바람벡터, 해상풍, 지면온도 (좌측부터 8일 12시, 15시, 18시)

(4) 기상레이더 및 연직바람관측장비 바람 분석

[그림 31]은 8일 12시부터 18시까지 3시간 간격으로 기상레이더 산출물의 고도 1.5km WISSDOM 바람, 수렴, 와도를 나타낸 그림이다. 실제 관측자료에서는 수치모델에서 예측한 북풍 바람 성분보다 서풍계열 성분이 10~20m/s로 강하여 대류운이 발생하면 해안과 내륙으로 유입될 수 있는 조건을 갖추고 있었다.

그러나 강설구름대 유입통로인 서해안에는 수렴보다는 발산의 기류형태가 나타나고 있었고, 전북해안 인근 서해상과 해안에 –10(1/s)내외의 고기압성 와도가 지배적이어서 구름대가 유입되더라도 유지 또는 발달되기 어려운 환경이었다.

그림 31. 레이더 1.5km WISSDOM 바람, 수렴, 와도 (좌측부터 8일 12시, 15시, 18시)

전북북부서해안에 위치한 군산 연직바람관측장비 고도 1.5km에서 12시부터 18시까지 15kts 이상의 북풍계열이 강하게 불고 있어 서해상의 강설구름대가 내륙으로 유입되는 것을 막는 역할을 하고 있음을 관측자료에서 보여주고 있다.

그림 32. 격렬비열도 연직바람관측자료(2.8. 12~18시)

(5) 종합결론

2021년 2월 8일 오후에 전북서해안형 강설판단 임계값은 서해안과 내륙에 적설이 있을 것으로 판단하였지만 내륙과 해안은 북~북동계열 바람이 주풍을 이루고 있었으며, 고기압 중심시도와 전북서해안 기압값의 차이는 약 8hPa로 실황에서 나타난 서해상의 대류운 강도와 비교해 볼 때 서해상의 찬대륙고기압의 강도가 약하여 서해상의 대류운을 유지하여 서해안과 내륙에 유입시키기 어려운 조건이었다. 부가적으로 설명하자면 전북해안을 기준으로 4hPa 기압차의 거리를 나타내보면 해상으로 약 400km, 내륙은 200km로 내륙이 기압경도력이 강한 상태에서 북~북동풍이 전북해안까지 불고 있어 해상의 대류운이 유입되지 못한 원인으로 판단된다.

결론적으로 호수 효과에 의한 해안과 내륙 강설은 850hPa 바람과 기온, 해기차 등 임계값만 가지고 판단하기에는 부족하여 보완할 수 있는 강제력이 필요하다. 위 사례분석에서도 나타났듯이 서해상의 기압경도력이 내륙보다 커 서해상의 대류운을 해안과 내륙으로 유입시켜주어야 한다. 해상과 내륙의 기압차에 대한 부분은 향후 연구가 필요해 보인다.

나. 강설 조건 시 군산, 전주에 눈이 오지 않은 사례(②2022년1월12일)

(1) 개요

이번 사례는 전북서해안형 강설판단 임계값 적용 시 전북서해안과 내륙에 강설이 나타나야 함에도 불구하고 서해남부해안(고창, 상하)와 도서지역인 선유도에만 강설이 나타났다. [그림 33]와 같이 외연도의 수온과 ECMWF 재분석장의 850hPa 기온, 바람의 임계값을 적용하면 해안과 중부내륙에 강설 가능한 시간대는 15시 이후가 되겠다. 그러나 17시 노령산맥 풍상측에 위치한 고창에만 신적설 0.1cm의 눈이 내렸고, 눈 유입경로인 상하 지역에는 적설 현상이 없었다.

그림 33. 상) 850hPa 해기차,기온,풍속,풍향 등 임계값 3시간단위 흐름, 하) 신적설 현황과 지리적 위치

당시 전일(11일) 17시 동네예보에서는 12일 오전(0~12시) 사이 1~5cm의 적설을 예보한 상태였으나, [그림 34]과 같이 KIM 모델에서 오후인 12~15시 사이 1cm 이하의 적설을 모의하였고, 오후 18시까지 연직시계열 850hPa이상 하층에는 습수층(snow)이 있으며, 850hPa 바람은 북서풍이 20kts 이상으로 모의되고 있어 강설 가능성은 충분히 있었다.

그림 34. 12일 누적 적설(12~15시) 및 연직시계열(상좌) KIM, 상우) UM, 하좌) ECMWF, 하우) KIM)

(2) 종관기상 실황

- 기본일기도

그림 35. 기본일기도 상좌) 지상 9시, 상우) 지상21시, 하좌) 850hPa 9시, 하우) 850hPa 21시

당시 전일(11일)부터 전북남부서해안을 중심으로 호수 효과에 의한 강설현상이 간헐적으로 나타나고 있었다. 12일 밤부터 발해만 북서쪽 기압골에 의한 강설이 있기 전까지 찬대륙고기압의 호수 효과로 인한 강설이 나타날 수 있는 종관 기압배치를 나타내고 있다.

(3) 기상 위성 및 레이더, 연직바람관측장비(북격렬비열도)

[그림 36]에서 12일 12시 전북북부 도서지역에 운정고도 2km까지 발달한 대류운 구름대는 시간이 흐르면서 약화되고 있으며, 구름대 소산구역도 남하하고 있다. 강설 임계값 기준지점인 외연도 대신 고층기상관측장비가 위치하고 있는 북격렬비열도 850hPa 연직관측자료를 보면 ECMWF 재분석장과 같이 15시 320도 이하의 바람은 16.8kts까지 강설임계값 이상을 보이다가 6시간이상 지속되지 못하나, 적설발생 구간인 17시까지 15kts 이상으로 불었다,

그림 36. 위성 RGB합성영상 및 운정고도(좌측으로부터 12시, 15시, 18시), 북격렬비열도 연직바람관측자료

(4) 지상관측 및 기상레이더 산출물

- 지상관측실황

전일부터 찬대륙고기압 영향으로 호수 효과에 의해 전북서해안을 중심으로 눈이 내리고 있었으며 12일 오전까지 이어질 것으로 보았다. 그러나 전북남부해안에는 오후 17시까지 이어졌고 지면에 적설이 남아있는 고창에만 0.1cm의 눈이 쌓였다. 눈 유입경로(320。)인 고창군 상하지역에는 14시 이후 햇빛에 의한 지면온도 상승과 적설이 없는 상태에서 눈이 쌓이지는 않았다.

그림 37. 2022.1.12. 00~18시 시간별 적설 현황

12일 12시부터 18시까지 3시간단위 지상 적설분포도, 해상 바람, 지면온도 자료를 분석해보면 전북남부의 해안선에 연접하여 있는 상하는 낮동안 햇빛에 의해 기온이 오르면서 눈이 녹고 지면온도가 빠르게 상승하고 있었으며, 해상풍 자료에서 전북남부 해안에 12~18시 사이 북동계열 바람이 우세하다가 15시 부근에는 10~20kt의 바람이 불어 내륙의 북동계열 바람과 수렴을 유도하는 역할을 하는 것으로 판단된다.

그림 38. 2022.1.12. 3시간 단위 적설, 해상풍, 지면온도 분포도(위에서 아래로 12시, 15시, 18시)

- 기상레이더 및 연직바람관측장비 바람분석

12일 오후 강설 가능성이 있는 상태에서 15시~17시까지 전북서해안 중 남부인 고창에만 적설이 있었던 이유를 알아보기 위해 [그림 38]과 같이 기상레이더에서 산출되는 고도 1.5km(850hPa), 800m(925hPa) 하층수렴과 군산 연직바람관측자료를 분석하였다.

고도 1.5km의 바람이 해안의 지면 마찰이 거의 없다고 가정할 때 오후에 군산의 풍속은 대체로 15kts 이상으로 나타났다. 위에서 언급한 대로 북격렬비열도 연직관측자료 850hPa에서는 320도 이하의 바람이 15~19kts 불면서 경로가 전북해안으로 향하고 있었다. 대류운 발생지점은 아니지만 군산의 850hPa 바람은 북서풍으로 이를 유추해볼 때 전북해안과 내륙에 강설이 나타나는 것은 타당하다. 그러나 군산과 전주에 적설이 나타나지 않는 원인은 [그림 39]과 같이 850hPa 이상 하층 수렴을 보면 전북남부서해안으로 수렴, 북부에는 발산이 위치하여 내륙형에는 적설이 나타나지 않은 것으로 판단된다.

그림 39. 기상레이더 850hPa 및 925hPa 비교(좌측에서 우측으로 15시,16시,17시) 수렴발산, 하후)연직바람관측자료(군산)

(5) 종합결론

2021년 2월 8일 오후 전북서해안형 강설 판단 임계값이 해안과 내륙에‘적설있음’으로 판단됬지만 16~17시 사이 전북남부해안인 고창지역에 0.1cm의 적설이 있었다. 이때 대류운 발생 기준지점인 외연도 대신 관측자료가 존재하는 북격렬비열도와 군산 연직바람관측자료, 그리고 기상레이더의 산출물인 850hPa, 925hPa 등 수렴과 발산을 분석해 본 결과 12일 15시 이후 해상에서는 320。이내의 바람이 15~17kts 불고 있었고, 전북해안에는 북~북동풍이 불고 있었다. 925~850hPa 수렴발산을 보면 군산 등 내륙에는 발산이 강해 고기압이 자리잡고 있었고, 고창 등 남부해안에는 수렴이 존재하고 있었다.

따라서 강설 임계값이 충족하더라도 850hPa 하층으로 바람에 의한 수렴이 위치하는지, 발산이 위치하느냐가 적설유무에 중요한 역할을 하는 것으로 분석되었다. 또한, 향후 임계값 개선시 해상에서 들어오는 바람의 세기, 내륙의 풍계 등이 수렴과 발산에 중요한 인자이기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다.

2.2.2. 대설(5.0cm 이상) 판단요소 검증

가이던스와 비교분석으로 강설 발생 메커니즘에 대해 알아보았듯이 호수 효과에 의한 강설은 고도 2km(850hPa)보다 높은 고도에서 기온 낮을수록 또는 해기차가 클수록 강설이 양의 방향으로 늘어나는 것은 아니다. 앞선 분석결과에서 700hPa 기온이 낮을수록 적설이 많아지지 않으며 특정 온도인 –16~-20℃사이에서 대설이 가장 많이 집중되어 나타나는 것은 역전층과 하층의 수렴의 강도가 대설에 영향을 많이 미친다는 것을 잘 보여주고 있다. 호수 효과에 의한 강설은 역전층의 고도에 따라서 하층의 구름이 어느 고도까지 발달하느냐가 적설의 양을 결정한다, 특히 역전층이 강할 경우 많은 양의 강설을 기대하기 어려우며, 대설은 잘 나타나지 않는다. 외국의 선행연구 결과에 의하면 단순히 호수 효과에 의한 대류만으로는 많은 양의 강설이 나타나기 어렵고 대설로 이어지기 위해서는 반드시 수렴이 동반되어야 하는 것으로 알려져 있다.

우리나라에서 호수 효과에 의한 서해안 강설로 대설이 나타나는 경우는 [그림 40]와 같이 크게 3개 유형으로 나눌 수 있다고 밝힌 바 있다.(유재훈, 2021.)

그림 40. 서해안형 강설 중 10cm 이상 대설이 가능한 3개 유형

따라서 순수한 호수 효과에 의해 5cm 미만의 적은 강설에 대하여는 통계적 방법으로 검증이 비교적 쉬웠지만, 5cm이상의 대설에 대하여는 해기차, 기온, 바람 등으로 검증이 어려웠다. 이는 종관기압계에서 나타나는 기상요소의 통계치와 해수와 육지의 비열 차이에 따라 나타나는 국지기압계 특성을 고려해야만 적절한 기준치가 정립될 것으로 보이기 때문에 향후 이에 관한 심층적인 연구가 필요해 보인다.

Ⅲ. 결론

1. 요약

본 연구는 겨울철 찬대륙고기압 확장할 때 상대적으로 따뜻한 해양위로 찬공기가 지나가게 되면서 발생되는 중규모 이하의 강설 구름대에 대해 현재 활용 중인 기상청 가이던스에서 제시하고 있는 ‘적설강도’에 따른 해수온도와 상층의 대기조건을 검증하고 개선점을 도출하여 지역 특성에 맞는 가이던스를 마련하는데 목적을 두고 있다.

기상청 서해안형 강설 가이던스에서 대류운 발생지점으로 사용하고 있는 서해남부해상의 칠발도를 전북지역 북서쪽 해상에 위치한 외연도로 대체하여 해기차와 상층 기상조건에 따라 적설이 나타나는 지역, 강도에 대해 분석하였다.

분석 결과에 대한 검증은 1~5cm 미만의 적설 유무에 한정하여 실시하였으며, 24시간 동안 5cm 이상의 적설이 나타나는 경우는 외연도의 해기차와 상층 기상 조건에 따른 정량적인 값을 산출하기가 어려워 검증 부분을 생략하고 대략적인 기상 조건만을 제시하고자 한다.

표 3. 기상청 가이던스와 신규 전북서해안형 가이던스 비교

구분	적설	850hPa 풍향/지역	850hPa 풍속	850hPa 해기차	850hPa 기온	700hPa 해기차	700hPa 기온
기상청 가이던스	1~5cm	330°/전북해안 320°/전북내륙	20kts 이상	≥15℃	≤-8℃	<22℃	>-20℃
	5~10cm	330°/전북해안 320°/전북내륙	-	-	-	≥22℃
	10cm 이상	330°/전북해안 320°/전북내륙	-	-	-		≤-20℃
전라북도 가이던스	0.1~5cm	340°/해안형 320°/내륙형	15kts 이상	≥15℃	≤-8℃	<23℃	>-16℃
	5~10cm	340°/해안형 320°/내륙형	-	-	-	≥23℃	≤-16℃
	10cm 이상	340°/해안형 320°/내륙형	-	-	-

※ 해안형: 부안군, 고창군, 정읍시 등 노령산맥 서부에 해당하는 전라북도 남부지역

※ 내륙형: 군산시, 김제시, 익산시, 전주시 등 노령산맥 서부에 해당하는 전라북도 북부지역

2. 전북서해안형 가이던스(적설 0.1~5.0cm)  검증

기상청 가이던스와 비교분석 시 사용했던 2013년 1월부터 2022년 2월까지(11월 포함) 겨울철 기간에 외연도의 수온, ECMWF 재분석장의 850hPa 기온, 바람을 활용하여 고창, 군산, 전주 등에 적설이 없었던 날을 대상으로 새롭게 마련한 전북서해안형 강설판단 임계값을 적용한 결과 적설 0.1cm 이상 오지 않은 경우는 총 214건의 적설 건수 대비 47건으로 나타났다.

대류운 발생지점인 외연도의 해기차와 상층 기상조건에 6시간 이상 만족을 하였으나, 0.1cm 이상의 눈이 오지 않는 지역을 그룹으로 분류했을 때 ①해안과 내륙(고창, 군산, 전주)에 적설이 없었을 때 55%, ②내륙(군산, 전주) 26% 순으로 나타났고 각각 최근 자료를 대표사례로 원인분석을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

①해안과 내륙에 적설이 없었을 경우, 3개의 이유로 설명하자면 첫째, 지상에서는 찬대륙고기압이 산둥반도 부근에 중심을 두고 우리나라 동해안까지 고기압성 곡률을 나타내며 영향을 주고 있었으며, 전북해안을 기준으로 4hPa 기압차의 거리를 나타내보면 해상으로 약 400km, 내륙은 200km로 내륙이 기압경도력이 강한 상태에서 북~북동풍이 전북해안까지 불고 있어 해상의 대류운이 유입되지 못한 원인으로 판단된다. 둘째, 850hPa 등온선 구조를 보면 내륙까지 깊게 온도골이 위치하여 기상청 가이던스에서 언급한 것처럼 찬대륙고기압 변질기에 나타나는 특징으로 알려져 있는 한기 축적으로 인해 육풍의 힘이 컸던 것으로 보인다. 마지막으로 기상레이더 산출되는 수렴과 와도를 보면 전북해안과 인근 서해상의 고도 1.5km에서 오후 내내 발산과 양의 와도가 자리를 잡고 있어 눈이 내리기 힘든 구조로 생각한다.

②내륙에 적설이 없었을 경우, 서해상에서 만들어진 대류운은 15~17kts 바람을 타고 320。방향인 전북해안을 향해 이동해 오고 있었다. 당시에도 ①번 사례처럼 해안에는 북~북동풍이 불고 있었지만 16~17시 사이 고창에는 0.1cm의 적설을 나타냈다. 군산과 전주 등 내륙에 적설이 없었던 이유를 살펴보면 ①번의 3번째 이유와 같이 15~17시 사이 군산 등 북부해안의 850hPa이상 하층에는 발산역이 위치하고 있었고, 전북남부해안에는 수렴역이 존재하고 있어 눈 구름대 유입을 원활하게 하지 않았나 판단된다.

3. 전북서해안형 가이던스(적설 5.0cm이상) 검증 및 향후계획

700hPa 기온을 활용해 적설 5cm 이상의 적설이 있을 때 특징을 분석한 결과 기온이 낮을수록 적설이 양의 값으로 계속해서 늘어나지는 않았다. 고도 3km(700hPa)에서 많은 적설이 집중하는 온도 범위는 –16~-20℃로 나타났다. 온도가 –20℃보다 낮으면 낮을수록 역전층의 고도가 낮아져 적설 증가를 방해하는 힘으로 작용하게 되고, 하층의 수렴이 약해도 적설 증가는 기대하기 어렵다. 즉, 호수 효과에 의한 강설은 역전층의 고도에 따라서 하층의 구름이 어느 고도까지 발달하느냐와 보다 하층의 수렴 강도가 적설의 양을 결정한다고 말할 수 있다.

따라서 5cm 이상의 대설은 단순히 대류운 발생지점인 외연도의 700hPa 기온으로 설명하기가 어려웠으며, 향후 역전층과 하층수렴의 강도를 결정짓는 역학 강제력 연구하여 가이던스 반영하는 노력이 필요할 것이다.

[참고문헌]

기상청, 2021. why how! 호수효과에 의한 서해안 강설 메커니즘의 이해와 예보 활용

주형돈, 2000. 광주지방기상청 예보기술모음집: 호남지방의 신적설 예측방법 고찰. 217-237

백승우, 2010.02, 조선대학교 대학원 대기과학과: 임실지방의 신적설 예측방법 연구, 35

이재호, 2020: 겨울철 cP 확장 시 서해상 대기조건 정량화를 통한 선제적 대설특보 판단

이재근, 민기홍, 2018: 2016년 1월 23~25일에 발생한 서해안 대설 발달 메커니즘 분석. 대기, 28, 53-67.

정성훈, 변건영, 이태영, 2006: 발생기구에 근거한 한반도 강설의 유형 분류. 대기, 16, 33-48.

3. Niziol, T. A., 1987: Operational Forecasting of Lake Effect Snowfall in Western and Central New York.

기상청, 2020.12.: Why? How! 겨울철 사례분석

기상청, 2014.10.: 예보관훈련용 기술서_대기분석 및 예보

김광식, 향문사, 1992.: 기상학사전

교학연구사, 홍성길, 2006.: 기상분석과 일기예보