Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.28 No.9 pp.765-784
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2019.28.9.765

A Study on the Synoptic Structural Characteristics of Heavy Snowfall Event in Yeongdong Area that Occurred on 20 January, 2017

Bo-Young Ahn*, Jeong-sun Lee, Baek-Jo Kim, Hui-won Kim1)
High Impact Weather Research Center, Observation and Forecast Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Gangneung 25457, Korea
1)Observation Division, Gangwon Regional Meteorological Administration, Gangneung 25440, Korea
Corresponding author: Bo-Young Ahn, High Impact Weather Research Center, Observation and Forecast Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Gananeung 25457, Korea Phone : +82-70-7850-6641 E-mail : ballplayer@korea.kr
12/07/2019 30/07/2019 30/07/2019

Abstract


The synoptic structural characteristics associated with heavy snowfall (Bukgangneung: 31.3 cm) that occurred in the Yeongdong area on 20 January 2017 was investigated using surface and upper-level weather charts, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis data, radiosonde data, and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) cloud product. The cold dome and warm trough of approximately 500 hPa appeared with tropopause folding. As a result, cold and dry air penetrated into the middle and upper levels. At this time, the enhanced cyclonic potential vorticity caused strong baroclinicity, resulting in the sudden development of low pressure at the surface. Under the synoptic structure, localized heavy snowfall occurred in the Yeongdong area within a short time. These results can be confirmed from the vertical analysis of radiosonde data and the characteristics of the MODIS cloud product.



2017년 1월 20일 발생한 강원 영동대설 사례에 대한 대기의 구조적 특성 연구

안 보영*, 이 정선, 김 백조, 김 희원1)
국립기상과학원 관측예보연구과 재해기상연구센터
1)강원지방기상청 관측과

    1. 서 론

    강원도 영동지역은 지리적으로 태백산맥과 동해 사이 에 위치한 약 20 km의 좁은 해안지역으로 태백산맥의 서쪽에 위치한 영서지방과는 기후학적으로 매우 다른 특 징을 나타낸다. 또한 산간, 해안, 바다 등이 복합된 지형 적 특성으로 국지적 기상변화가 심하다(Ahn et al., 2007). 최근 2014년 2월 6일부터 14일까지 9일간 영동 지역에서 누적 강설이 북강릉 196 cm, 속초 132.7 cm로 기록적인 폭설이 발생한 것은 이를 뒷받침해 준다(NIMS, 2014). 겨울철 대설현상이 국지적인 형태로 발생함에 따 라 국민 생활과 산업 경제 활동에 미치는 영향도 증가하 는 경향을 보이고 있다(Cheong et al., 2006).

    강원도 영동대설과 관련된 국내 사례들을 살펴보면 Jhun et al.(1994)은 종관 분석을 통하여 영동지역 대설 현상은 시베리아 고기압의 확장과 한반도를 통과하는 저 기압의 종관패턴에 의해 발생한다고 하였다. Lee(1999) 는 강릉과 대관령 강설을 비교한 수치모의를 통하여 상 승·하강 구역, 저기압 발달을 조사하였고, Kwak and Yoon(2000)은 영동대설의 지역별 종관 특성에서 강릉 은 남서풍, 속초는 북서풍이 유입될 때 대설이 내린다고 하였다. Chung et al.(2004)은 영동지역 대설과 관련하 여 겨울철 강수량과 하층바람을 비교하여 한기해안형, 산악형, 난기형으로 분류하였다. Cho et al.(2004)은 겨 울철 영동지역 대설 유형과 기단의 특성을 분석하여 영 동지역 겨울철 강수와 종관 기상 패턴의 연관성을 규명 하였고 Ahn et al.(2007)은 영동지역 14개 대설 사례를 MODIS 위성 자료를 활용하여 3가지 유형으로 분류하 여 강수량과의 관계성 분석을 시도하였다. 또한 영동지 역의 정적 안정도의 변화를 통해 영동지역의 눈구름과 대류불안정과의 관련성을 분석하여 대기 하층의 안정도 의 중요성을 강조하였으며(Park et al., 2009), Nam et al.(2014)은 대설과 유사한 종관 조건하에서 대설과 대 비되는 중설 및 소설 사례들을 포함하여 대류불안정 및 에너지 관점에서의 대기 열역학적인 구조를 비교 분석한 바 있다.

    한편, 2018년 평창 동계올림픽 및 패럴림픽 대회의 국제공 동연구프로젝트(International Collaborative Experiments for Pyeongchang 2018 Olympic and Paralympic Winter Games, ICE-POP 2018)가 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)로부터 2015년 12월에 공식 승인을 받았다. ICE-POP 2018은 세계기상 기구 산하의 WWRP (World Weather Research Program)의 연구프로그램(Research and Development Project, RDP)으로 개최장소인 평창 및 강원도 영동지 역에 겨울철 강설을 유발하는 기상 요소 및 중규모 역학 적 현상을 규명하기 위하여 집중관측 및 수치모델 등을 이용한 연구를 수행하였다. 국립기상과학원 재해기상연 구센터는 ICE-POP 2018의 성공적인 강설연구 수행을 위해 2016년부터 매년 겨울철(12월, 1월, 2월) 강원도 영동지역(강릉, 속초, 대관령, 면온)에서 라디오존데(고 층관측) 집중관측을 실시하였다. 2016년 12월부터 2017 년 3월까지 강원도 평창지역의 대관령을 중심으로 집중 관측은 이루어졌다. 특히 2017년 1월 20일 영동지역에 발생한 대설 현상은 동해상에서 급격히 발달한 한대 저 기압(polar low)의 영향으로 1일 이내에 18 hPa의 기압 강하와 함께 뇌전이 발생하였고 단시간에 10 cm 이상의 강설이 북강릉에서 관측되었다. 한대 저기압은 주로 한 랭전선 후면에서 발생하며 크기는 200~1000 km 정도로 종종 대류운이나 콤마(comma)형 구름과 함께 나타나며 (Fu et al., 2004), 겨울철 해양에서 주로 발생하는데 따 뜻한 해수면 위로 찬 공기가 이류할 때 형성되는 작지만 강한 저기압이다(Reed, 1979).

    한대 저기압과 관련된 선행연구를 보면, Kuo et al.(1995)은 상층의 저기압성 요란과 잠열 방출간의 내 부 작용이 저기압을 급격하게 발달시키는 중요한 원인으 로 제시하였고 국지적인 수증기 공급과 상층의 중규모 요란과 관련된 하층의 경압 불안정으로 인해 지상 저기 압이 급격하게 발달한다(Hoskins et al., 1985; Kurz, 1994). 동해에서 저기압 발달은 시베리아로 부터의 한랭 공기의 이류에 의한 경압 불안정파와 관련이 있으며 대 류 활동, 위치 소용돌이도(potential vorticity)의 이류 등 이 저기압 발달과 관련성이 있으며(Jung et. al., 1984), 위치 소용돌이도 이류와 관련된 대류권계면 접힘 (tropopause folding) 현상과 500 hPa에서의 단파 기압 골(shortwave trough) 그리고 대기 하층에서의 수분 이 류(moisture advection)에 의해 지상 기압골에서 한대 저기압으로 발달한다고 하였다(Kim et al., 2013). Robber(1993)는 IPV (Isentropic Potential Vorticity) 를 이용하여 저기압 발달을 조사하였으며 대류권계면 근 처에 접해있는 성층권 하부에 큰 IPV값이 대류권으로 침 투하면서 급격히 저기압을 발달시킴을 보였고 큰 IPV 값 은 대류권계면 접힘 현상을 동반하며, 낮은 권계면 고도 는 지상과 큰 기온차이를 보여 강한 연직불안정을 만들 고, 저기압성 와도를 하부로 증폭시켜 지상 (극)저기압을 발달시킨다고 하였다(Uccellini et al., 1985). 이러한 대 류권계면 접힘 현상은 500 hPa 부근에서 나타나며, 일기 도에서 차가운 공기핵을 가진 절리(cutoff) 저기압의 형 태로 나타난다고 하였다(Thorpe, 1985, Lee et al., 2002). 등온위면에서의 위치 소용돌이도는 지상 저기압 발생 및 발달의 상호 관련성과 역학적 구조를 추정 할 수 있다(Hoskins et al., 1985). 하층 대기의 위치 소용돌이 도 이상은 지상의 온도이상(thermal anomaly)으로 대신 할 수 있으며 이것은 온위의 수평 이류로 나타낼 수 있다 (Reed and Sanders, 1953). 특히 925 hPa 면은 지오포 텐셜 고도가 모든 격자점에서 양(+)의 값을 나타내면서 지상과 가장 근접하며 온위의 수평 분포를 파악할 수 있 다(Lee et al., 2002).

    따라서 본 연구에서는 한대 저기압의 영향으로 단시 간에 많은 적설이 관측된 2017년 1월 20일 대설 사례에 대하여 라디오존데 자료, ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)의 재분석 자료, MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 의 구름 산출물 자료 등을 이용하여 대기의 연직구조, 눈 구름 발달 특성 및 운동학적·열역학적 특성을 분석함으 로써 강원도 영동지역에서 대설 사례의 기작에 대한 규 명으로 겨울철 대설 예보의 정확성 향상에 도움을 주고 자 한다.

    2. 자료 및 분석방법

    2.1. 종관기상 및 ECMWF 재분석 자료

    2017년 1월 20일 급격히 발달한 한대 저기압의 생성 과 발달과정을 분석하기 위하여 기상청에서 제공하는 지 상·상층 일기도를 사용하였다. 종관장의 기압계 이동과 발달 및 대류권계면 접힘 현상과 지상 저기압과의 관련 성 및 열역학적·운동학적 특성을 조사하기 위하여 ECMWF에서 1시간 간격으로 제공되는 ERA-5 재분석 자료를 이용하였다. 이 자료는 0.7°× 0.7°의 수평 해상도 를 가지는 전구 자료로서 상층 자료는 등압면 자료와 등 온위면 자료가 있다. 등압면 자료는 1000 hPa~1 hPa까 지 37개의 연직층과 같은 공간해상도로 이루어져 있으며 등온위면 자료는 265~850 K까지 15개의 연직층으로 구 성되어 있다.

    우리나라 주변의 하층 및 중·상층 기압골의 이동과 발 달에 대한 분석을 위해 영동지역의 유인관측소 지점인 북강릉(130°E, 37.8°N)을 중심으로 등압면 자료 중 지 위고도(gpm), 바람의 동서(u) 및 남북 성분(v), 연직 바 람 성분(ω), 기온(ºC), 상대 소용돌이도, 위치 소동돌이 도, 수렴과 발산, 연직속도의 변수를 사용하였다. 따라서 본 연구에서는 세계기상기구(WMO, 1986)의 정의에 따 라 위치 소용돌이도가 1.6 PVU (Potential Vorticity Unit, 10-6m2s-1K kg-1)인 곳을 역학적 대류권계면으로 정의하고 권계면 고도의 변화와 한대 저기압의 발달 유 무의 관련성을 조사하였다. 305K 등온위면은 상부 대류 권과 성층권이 접하는 부근의 대류권계면의 모습이 잘 반영이 된다(Lee et al., 2001). 본 연구에서는 단시간에 대설을 발생시킨 저기압의 발달과 관련된 상층 대기의 등온위면 특성을 파악하기 위하여 ECMWF 재분석 자 료의 등온위면을 사용하였다. 이 자료는 300K의 등온위 면 자료가 제공되며 2017년 1월 20일의 등온위면 위치 소용돌이도와 바람장을 3시간 간격(03, 09, 15, 21 KST)으로 분석하였다.

    동해상 및 영동지역 주변으로 한대 저기압이 발달하 기 전과 한대 저기압의 급격한 발달과 함께 강설이 관측 되었을 때 대기의 열역학적 특성을 알아보기 위해 온위, 바람성분인 풍속(ws), 동서풍(U), 남북풍(V)과 역학적 대류권계면(1.6 PVU)의 위치를 분석했다.

    2.2. 지상 및 고층 관측 자료

    강설 분포의 특성을 조사하기 위해 기상청의 AWS (Automatic Weather Station) 강수량 및 강설 자료를 이 용하였다. 이를 위해 영동지역의 위치한 주요 지상 관측 지점인 5개소(속초, 양양, 북강릉, 동해, 삼척)를 선정하 였으며 하루 중 눈이 가장 많이 쌓였을 때의 깊이인 최심 신적설 자료와 총 누적강수량 자료를 사용하였다. 특히 단시간에 많은 눈이 관측된 북강릉의 강설 분포 및 분석 에는 일 강수량, 시간 강수량, 3시간 누적 강수량 그리고 3시간 최심 신적설 자료를 이용하였다.

    대기의 연직구조 분석 및 강설 과정을 이해하기 위하 여 라디오존데 자료를 이용하였으며 재해기상연구센터 가 위치한 강릉에서 강설이 시작되기 전부터 종료까지 3 시간 간격으로 고층관측을 수행하였다. 라디오존데 자료 로부터 단열선도 및 상대습도(%), 풍향, 풍속, 상당온위 (equivalent potential temperature; ϴe) 등의 기상 요소 를 분석하여 대기의 열역학적 특성을 추정하였으며 특히 3시간 간격으로 발생되는 관측 공백시간의 상대습도 및 상당온위 값은 내삽(interpolation)하여 이용하였다.

    2.3. 위성 자료

    위성은 구름에 대한 지속적인 관측이 가능하여 이동과 변화를 파악할 수 있고, 관측 채널의 특징을 이용하여 대 기의 역학적인 변화를 추정할 수 있다(Adler and Fenn, 1981). 영동지역의 지리적인 특성에 제한을 받지 않으며 영동대설을 유발하는 구름의 특성 정보를 시·공간적으 로 얻을 수 있는 방법은 위성자료를 이용하는 것이다. 이 를 위하여 MODIS에서 제공되는 구름 산출물 자료를 사용하여 구름의 광학적 열역학적 특성을 알아보았다. 현재 미항공우주국(National Aeronautics and Space Adiministration, NASA)에서 웹페이지를 통해 제공되 는 MODIS의 구름특성 자료는 Terra와 Aqua 극궤도 위 성에 탑재된 센서로 36개의 광학스펙트럼 채널과 세 가 지의 공간해상도로부터 지구 관측 자료를 제공하며 특히 한반도 영역은 하루에 두 번 탐지한다.

    구름 특성 자료는 Level 1의 Geolocation Field (MOD03)의 지표면 자료와 Level 2의 Cloud Product (MOD06, MYD06)의 구름 자료로 구성되어 있다. MODIS 자료는 구름의 물리적 특성을 결정하기 위하여 적외 영역과 가시 영역에서 관측된 복사휘도(radiance) 자료를 이용하여 산출된 값이며 구름 운정 온도(Cloud Top Temperature, CTT), 구름 운정고도(Cloud Top Heihgt, CTH)그리고 구름 운정기압(Cloud Top Pressure, CTP)는 적외 채널을 이용하여 계산한 자료이 며, 구름 광학두께(Cloud Opticla Thickness, COT)와 구름 유효 입자 반경(Cloud Effective particle Radius, CER)은 0.664 μm 와 3.75 μm 채널 자료를 사용하여 추 정되었다(Nakajima and King, 1990). 구름 입자상 (Cloud Phase, CP)은 8.5 μm 와 11 μm 에서 밝기온도의 차이 값을 통해 얼음(Ice), 물(Liquid Water) 그리고 혼 합과 불확실(Mixed and Uncertain)로 구분된다(Baum et al., 2012). MODIS 구름 자료의 해상도는 모두 1 km 이며 MODIS에서 제공되는 자료는 Snap shot이기 때문 에 본 연구의 사례에 있어 우리나라(영동지역)를 관측하 는 시간 때(1145 KST)의 구름의 광학적 열역학적 특성 에 대한 공간적 분석하였다.

    3. 결과

    3.1. 강설발생 특성

    Fig. 1(a)는 2017년 1월 20일 하루 동안 내린 강수량 (mm)의 분포이다. 전라남도와 충청남북도, 경상북도 그 리고 강원도 지역에 강수가 있었으며 강원도 영동지역을 제외한 나머지 지역의 강수량은 6 mm 이하로 비교적 적 었다. 호남지방의 강설은 주로 시베리아기단이 황해남부 로 장출하면서 황해상에서 변질된 기류의 영향으로 발생 되지만(Jeong, 1999), 영동지역은 산악지형이라 동해에 서 변질된 습윤하고 불안정한 하층기류가 태백산맥에 의 해 강제 상승되어 강설이 발생하므로 공간적인 변동성이 크게 나타난다(Lee and Lee, 1994).

    영동지역의 강설 분포 특성을 알아보기 위하여 이 지 역 5개 지점의 강수량과 강설을 조사하였다. 영동지역의 일 강수량이 평균 20 mm 이상의 값을 보이며 다른 지역 에 비하여 많았다. 12시간 동안의 강수량은 북강릉에서 32.2 mm으로, 신적설은 속초가 34.2 cm으로 가장 많았 다(Table 1). 북강릉의 강수량은 11 KST~18 KST 동안 관측되었고 이 시간 동안 12 KST에 11.2 mm 로 가장 많은 강수량이 나타났다. 3시간 누적 강수량의 경우 15 KST에 17.4 mm로 가장 많았다. 또한 3시간 최심 신적 설의 분포에서도 12 KST에 8 cm, 15 KST에 17.4 cm 의 값을 기록하여 단 시간(약 6시간)에 많은 강설을 기록 하였음을 알 수 있다(Fig. 1(b)).

    3.2. 종관기상 특성

    Fig. 2~5는 2017년 1월 20일의 종관기상학적 특징을 알아보기 위해 지상 일기도 자료와 ECMWF 재분석 자 료의 850 hPa, 500 hPa, 300 hPa의 지위고도(gpm), 기 온(ºC), 바람(m s-1) 자료를 합성하여 공간분포를 각각 분 석하였다. 먼저 북강릉에서 강수가 관측되기 전인 03 KST의 지상 일기도에서는 중국 북부지역에 중심기압이 1045 hPa인 차고 건조한 대륙고기압이 위치해 있으며, 우리나라 동해상에서는 중심기압이 1006 hPa인 저기압 이 발달해 있다. 특히 강원도 영동지역에 등압선이 매우 조밀하여 기압경도가 매우 크다(Fig. 2(a)). 09 KST에는 동해상에 위치한 저기압의 중심이 1002 hPa로 낮아지고 중국 북부지역에서 발달한 대륙 고기압이 남동진하여 강 원도 영동지역으로 등압선 간격이 더 조밀해 지면서 북 강릉 지역에 뇌전이 관측되어 대기 상태가 매우 불안정 하였다(Fig. 2(b)). 15 KST에는 동해상에서 발달한 저기 압은 기압경도가 강화됨에 따라 경압성이 강해지면 한대 저기압에 의하여 일본 혼슈 동쪽에 중심기압이 1002 hPa인 부저기압이 발생하였다(Fig. 2(c)). 21 KST에는 중국 북부지역에서 발달한 대륙고기압이 점차 남동진하 면서 고기압 중심이 중국 상하이 지역에 위치하였고 동 해상에 위치한 저기압은 점차 동진하면서 강원도 영동지 역으로 등압선 간격이 3시간 전 보다 넓어져 기압 경도가 작아졌다(Fig. 2(d)).

    집중호우가 발생하기 전 850 hPa 기압골의 전면에 발 달한 하층의 남서기류가 불안정 대류를 야기시킨다 (Chen and Li, 1995). 850 hPa 등압면의 지위고도, 기온 그리고 바람의 공간분포에서 03 KST에 우리나라 동해 상에는 저기압이 위치하고 하고 있다(Fig. 3(a)). 09 KST 우리나라는 북서 기류가 유입되었고 동해상에 위치 한 저기압과 지상일기도에서 저기압의 위치가 일치하고 있어 저기압이 850 hPa면까지 강화되고 있는 것을 알 수 있다(Fig. 3(b)). 최심 신적설량이 가장 많았던 15 KST 에는 동해상에 위치한 저기압이 6시간 전 보다 발달하여 등고선이 조밀하게 나타났다. 등온선에서는 중국 북동지 역에서 온도골이 위치하고 동해상으로 온도능이 발달하 여 대륙고기압의 확장으로 유입된 차가운 북서기류가 상 대적으로 따뜻한 동해의 해수면을 통과하였다. 이로 인 해 강원도 영동지역 주변으로 온도차이가 증가하여 대기 가 불안정하기 좋은 조건을 만들었다(Fig. 3(c)). 21 KST에는 동해상 위치한 저기압 중심은 남동진하여 이동 하였다(Fig. 3(d)). 급격하게 발달하는 한대 저기압의 경우 500 hPa 등압면에 형성된 절리 저기압(cutoff low) 은 지상의 온난전선의 위치와 거의 일치한다(Lee et al., 2010). 500 hPa 지위고도, 기온 그리고 바람의 공간분포 에서는 03 KST에 중국 북동쪽(만주) 지역에 기압골이 발달하였으며(Fig. 4(a)), 09 KST에는 기압골 중심으로 저기압성 와동이 발달하면서 절리 저기압이 위치하였다 (Fig. 4(b)). 절리 저기압이 점차 동해 북부해상으로 동진 함에 따라 중국 북동쪽에 한기(-42ºC)를 동반한 기류가 강화되었다(Fig. 4(c)). 이 기압골은 북서기류에 의하여 점차 남동진하여 일본 혼슈 지역으로 이동하였다(Fig. 4(d)).

    지상 저기압은 상층 제트 기류와 밀접한 관계가 있으 며 특히, 한대전선 상에서 발달하는 저기압의 상층에는 항상 제트 기류가 지나고 있다(Jeong et al., 2006). 300 hPa 합성장의 공간분포에서는 03 KST에 몽골 북부 지 역에 위치한 한대 제트기류가 우리나라 서해 및 중부 지 역으로, 아열대 제트기류가 중국 중부지역에서 우리나라 제주도 부근으로 각각 횡단하고 있다(Fig. 5(a)). 중국 북 동지역에 위치한 상층 기압골 전면과 후면에 온도능과 온도골이 각각 발달하였고 차고 건조한 북서기류가 우리 나라로 유입되었다(Fig. 5(b)). 중국 북동지역에 위치한 상층 기압골이 동진하면서 우리나라 동해안에 위치하였 고 한대 제트기류의 곡률이 강해지면서 저기압성 시어가 발달하여 Fig. 2(c)의 동해상에서 발달한 지상 저기압을 강화시켰을 것으로 사료된다(Fig. 5(c)). 상층 기압골이 점차 동진하면서 제트기류는 일본 훗카이도 지역으로 이 동하였다(Fig. 5(d)).

    지상 일기도 및 ECMWF 합성장의 분석을 종합해 보 면 2017년 1월 20일 동해상 및 영동지역 주변으로 경압 불안정이 발달되면서 강한 와도에 의한 저기압 중심의 상승기류가 강화되고 500 hPa 에서 발달한 절리 저기압 의 중심으로 300 hPa 에서는 제트기류가 통과하면서 이 로 종관 기상상태에서 지상 저기압이 발달되었다. 특히 500 hPa의 저기압 중심과 지상 저기압의 중심이 동해상 (경도 132°E, 위도 36°N 지점)에 위치하고 있어 하층의 경압 불안정을 강화시켜 한대 저기압이 발달하였을 것으 로 사료된다.

    3.3. 대기의 연직구조 특성

    Fig. 6(a)는 강설이 시작되기 전 03 KST부터 강설이 종료된 21 KST까지의 라디오존데의 상대습도, 상당온 위, 풍향, 풍속에 대한 시간에 따른 고도별(200 m 간격) 변화를 나타낸 것이다. 색으로 표현된 상대습도는 습윤 한 영역으로 상대습도가 대략 90%이상 영역을 구름이 있다고 가정했을 때, 강설 전 상대습도는 주로 2~5 km 고도에서 60~70%의 값을 나타내다가 12 KST 부터 약 95% 이상까지 급격하게 증가하였다. 따라서 지상에서 고도 약 9 km 까지 구름층이 발달하였고 북강릉에서 강 설이 관측되었다. 이후 상대습도는 급격하게 감소하면서 구름층도 점차 낮아졌다.

    바람장의 연직 분포에서는 강설 전(03 KST, 06 KST) 지상~고도 약 2 km 이내 바람은 주로 북서풍이, 고도 2 km 이상에서는 서풍이 우세하였다. 09 KST는 북서풍 계열의 바람이 약 5 km 고도까지 나타났다. 그러나 북강 릉에서 강설이 관측된 12 KST는 지상~고도 약 1 km 이 내의 바람은 북서풍이 나타났으나 고도가 점차 높아지면 서 고도 6 km까지 북동풍으로 바뀌고 다시 그 이상의 고 도에서는 서풍이 관측되어 연직으로 바람시어(wind shear)가 크게 나타났다. 12 KST 이후부터 전 층에서 북 서풍 내지 서풍 계열의 바람이 탁월하였으며 Fig. 11의 동서 바람장의 분석 결과와 거의 일치함을 보였다. 검은 색 실선으로 표시된 상당온위는 강설 전 5 km 이상의 고 도에서 상당온위의 연직경도가 크게 나타나서 안정한 대 기 상태를 보였다. 12 KST 에는 고도 1 km 이하 부근의 하층과 3∼5 km 부근 중·하층에서의 강한 상당온위의 경도가 증가하는 것을 알 수 있으며 이것은 온난이류가 지상 저기압의 발달에 직접적으로 기여한 것을 의미한다 (Lee et al., 2001).

    Fig. 6(b)3시간 간격으로 관측된 라디오존데의 T 와 Td의 연직분포도이다. 강설 시작 전인 09 KST에서 는 지상에서 약 800 hPa 고도까지 건조한 영역이 위치하 고 있으며 800 hPa에서 약 500 hPa 고도까지 습윤층이 형성되어 있다. 대기 하층과 중층 사이의 큰 습도 차로 인 하여 대기가 불안정한 상태임을 알 수 있다. 시간당 강수 량이 가장 많이 내렸던 12 KST에서는 지상에서 약 300 hPa 고도면까지 습윤층이 형성되어 있어 두꺼운 구름층 이 존재함을 알 수 있다. 대류권계면 접힘 운동에 의해 성 층권 공기가 유입된 500 hPa 고도면에서는 기온이 약 -40 ºC 를 보이며 바람은 반전(backing)의 형태의 방향을 보이고 있어 한랭이류가 위치하고 강한 찬 공기가 유입 되었음을 알 수 있다. 이 고도면에서는 T의 연직분포가 권계면 형태(고도상승에 따라 기온역전)를 보여 주고 있 는데 이는 Fig. 11(c)의 300 K 등온위면에서 역학적 대 류권계면(1.6 PVU) 값이 3 PVU 이상의 높은 값을 보이 는 강원도 영동지역(북강릉)과 일치함을 보였다. 대류권 계면 접힘으로 큰 위치 소용돌이를 가진 안정하고 건조 한 성층권 공기가 중간 대류권(약 500 hPa)까지 유입되 었음을 알 수 있다. 상층의 500 hPa 일기도(Fig. 5)에서 는 차가운 공기핵을 가진 절리 저기압이 위치하였고 대 기 하층(925~850 hPa)과 중·상부 대류권(600~500 hPa)에서는 절대 불안정을 나타내고 있어 연직으로 대기 상태가 불안정함을 알 수 있다. 15 KST의 단열선도에서 는 약 500 hPa 고도면에서 역전층이 형성되면서 이 고도 이하로 습윤층이 형성되었고, Fig. 1에서 시간 강수량이 6시간 전보다 급격하게 낮아진 18 KST에서는 습윤층이 지상에서 700 hPa 고도면으로 낮아지면서 중·상층 대기 이상에서는 건조한 상태를 나타냈다. 성층권에서 공기가 유입된 500 hPa 고도면에서의 기온은 약 -35 ºC 로 6시간 전보다 상승하여 찬 공기의 한기가 점차 약화되었음을 알 수 있다.

    3.4. 강설 구름 특성

    Fig. 7은 2017년 1월 20일 1시간 강수량이 가장 많았 던 12 KST와 가장 가까운 시간 때(1145 KST)의 MODIS에서 탐지한 강원도 영동지역에 대한 구름의 특 성 분포를 나타낸 것이다. 구름의 운정 온도는 영동 북부 및 중부 지역으로 -45 ºC 이하의 값들이 균질하게 분포하 고 있으며 대류운과 같이 키 큰 구름이 분포하고 있음을 알 수 있다(Fig. 7(a)). 강한 강설이 있을 경우 위성의 운 정 휘도 온도의 분포가 최대 35~-45 ºC 에 분포하며 반 면에 약한 강설의 경우 -16 ºC 에 분포하고 이 휘도온도보 다 높은 쪽으로(-10~-15 ºC 범위에서) 빈도 분포에 급격 한 감소가 나타난다(Hanna et al., 2008).

    구름의 광학두께는 구름의 수분 양을 나타내는 것으 로 영동 북부 및 중부 지역 해안과 연안 및 동해상으로 45 이상의 큰 값을 보였다(Fig. 7(b)). 구름의 유효 입자 반경은 구름의 광학두께의 분포 영역과 비슷하게 나타나 고 있으며 약 30~35 μm 의 상대적으로 큰 입자가 집중적 으로 분포하고(Fig. 7(c)). 이 때 구름의 상은 영동 지역 대부분 얼음으로 나타나는 것을 볼 수 있다(Fig. 7(d)). 구름의 운정 고도와 운정 기압의 분석에서는 약 7~9 km (약 500~400 hPa)의 높은 구름대가 영동 북부 및 중부 지역으로 분포하는 것을 알 수 있다(Fig. 7(e), 7(f)).

    결과적으로 강설 구름의 운정온도가 낮고, 운정고도 가 7 km 이상인 것은 상대적으로 구름의 키가 크며 높은 광학두께와 큰 입자들의 분포는 두꺼운 적운형 구름에서 강수가 있었음을 알 수 있으며, 수분 함량이 많은 구름대 가 강원도 영동지역에 분포하는 것을 알 수 있다. 구름의 수분함량이 강수량과 밀접한 관련을 가진다고 가정한다 면, 영동지역으로 강수 확률이 높은 것으로 추정할 수 있 으며 Fig. 1과 같이 실황에서는 강한 강설이 관측되었다.

    3.5. 대기의 열역학적 특성

    Fig. 8(a)은 한대 저기압이 발달하기 전인 2017년 1월 19일 21 KST의 북강릉(128.8°E, 37.8°N)을 중심으로 한 대류권계면 위치, 온위, 풍속의 연직단면도를 나타낸 것이다. 대류권계면 접힘 운동의 골은 122°E, 600 hPa 고도 부근에 위치하고 있으며 이 골 약 400 hPa 고도 이 하에서 한랭돔(cold dome)이 형성되었다. 400 hPa 이상 의 고도에서는 상대적으로 따뜻한 온난풀(warm pool)이 형성되어 있다. 300 hPa 이상의 고도에서는 등온위면의 간격이 매우 조밀하여 안정한 상태를 보이고 있으나 그 이하의 고도에서는 상대적으로 온위가 감소하는 대기가 불안정한 상태를 나타냈다. 이러한 구조는 중위도 대류 권계면 접힘 운동 구조의 전형적인 경우에 해당하며 성 층권의 안정한 공기가 대류권계면의 접힘 운동으로 하부 대류권까지 내려온다(Lee et al., 2002). 풍속은 약 115°E, 200 hPa 고도 부근에 65 ms-1 이상의 제트축 중 심이 위치하고 있다. 대류권계면 골 부근인 124°E, 400~600 hPa 고도에서는 강한 경압역에 의하여 강한 풍 속대가 나타나고 있다. 이 영역에서 한랭돔이 형성되어 대류권계면의 하강으로 대기 중·하층까지 내려온 것으로 사료된다. 영동지역은 이 경압역의 동쪽 부근에 위치하 고 있으며 대류권계면 골의 경사 부분 동쪽에서 한대 저 기압이 발달하는 것으로 판단된다.

    Fig. 8(b)는 강수가 관측된 2017년 1월 20일 12 KST 의 북강릉(128.8°E, 37.8°N)을 중심으로 한 대류권계면 위치, 온위, 풍속의 연직단면도를 나타낸 것이다. 대류권 계면 골은 Fig. 8(a)보다 동쪽으로 약 125°E, 500 hPa 고도 부근에 위치하고 골 부분의 수평규모도 다소 증가 하였다. 140°~145°E, 350 hPa 부근의 대류권계면 고도 는 Fig. 8(a)보다 상승하였다. 온위의 분포를 보면 130°E 와 480 hPa 고도 이하에서 주변보다 낮은 한랭돔이 형성 되어있고 지상 저기압은 대류권계면의 골 동쪽 즉, 동해 중부해상 근처인 134°E에 위치하였다. 15시간 전에 비 해 제트 중심의 위치가 하강하여 대류권계면 동쪽 마루 (136°E, 200 hPa)에 위치하여 약 52 ms-1 이상의 강한 풍속이 나타나고 있다. 이 제트축의 입구에서 지상 저기 압의 부근으로 상층 제트가 하강하고 있음을 알 수 있으 며 대류권계면 접힘 운동과 함께 상층의 강한 바람이 하 층으로 이동 되었을 것으로 사료된다. 제트 입구의 오른 쪽, 제트 기류의 출구 왼쪽에 발산장이 형성되면서 직·간 접 적으로 열이 순환되고 연직 운동이 강화되어 이러한 에너지 교환으로 지상 기압계를 발달시킨다(Hong, 1995).

    온위와 바람장의 분석 결과로부터 하부 대류권의 온 위의 연직 경도가 상대적으로 불안정하였으며 제트기류 에 의한 강한 풍속으로 영동지역 주변으로 지상에 한대 저기압의 급격한 발달을 초래한 것으로 판단된다. 또한 125°~130°E 지역과 140°E 지역 주변 연직으로 나타난 역학적 대류권계면 1.6 PVU 값은 대류계의 발달에 따른 잠열 방출로 인한 저기압성 강화의 결과로 형성된 것으 로 사료된다(Hoskins et al., 1985; Kurz, 1994; Sunde et al., 1994; Lee et al., 2002).

    Fig. 9는 영동지역인 북강릉(128.8°E, 37.8°N)을 중 심으로 한 바람의 동서 성분(u)의 연직분포이며 점선(빨 간색)은 음의 값으로 동풍, 실선(검은색)은 양의 값으로 서풍을 나타낸 것이다. 동서 성분의 바람장은 Fig. 8에서 풍속의 연직변화 경향과 비슷하게 나타났으며 한대 저기 압이 발달하기 전인 2017년 1월 19일 21 KST에 북강릉 지역을 포함한 모든 고도에서 서풍(실선)이 우세하였으 나 850 hPa 이하의 고도면(130°~135°E)에서는 약 6 ms-1의 약한 동풍(점선)이 나타났으며 지상에는 저기압 이 형성되었다(Fig. 9(a)). 한대 저기압이 급격하게 발달 한 2017년 1월 20일 12 KST는 지상 저기압이 동진하면 서 그 후면에 위치한 북강릉은 서풍이 감소하면서, 동풍 이 더욱 강화하였고 대류권계면 접힘 운동의 골의 중심 의 가장 낮은 부분에 위치하게 되었다(Fig. 9(b)). 북강릉 은 850 hPa 이하의 고도면에서 대류권계면 접힘 운동 전 후로 서풍계열에서 동풍계열로 바뀜을 알 수 있다.

    Fig. 10은 영동지역인 북강릉(128.8°E, 37.8°N)을 중 심으로 한 바람의 동서 성분(v)의 연직분포이며 점선(빨 간색)은 음의 값으로 북풍, 실선(검은색)은 양의 값으로 남풍을 나타낸 것이다. Fig. 10(a)는 한대 저기압이 발달 하기 전인 2017년 1월 19일 21 KST의 남북 바람은 대 류권계면 골을 중심으로 왼쪽으로 북풍, 오른쪽으로 남 풍이 각각 나타나고 있다. 지상 저기압이 위치한 경도 128°E와 고도 700 hPa 부근에서 남풍이 8 ms-1 정도, 경 도 115°E와 고도 650 hPa 부근에서 북풍이 18 ms-1 이 상으로 각각 최대 풍속을 보였다. 또한 대류권계면 동쪽 마루(130°E, 300 hPa)를 중심으로 동서 수평 방향으로 남풍이 위치하고 있다.

    영동지역 주변으로 한대 저기압이 급격하게 발달한 2017년 1월 20일 12 KST에서 최대 남풍의 위치는 한대 저기압이 발달하기 전 보다 동쪽으로 약 140°E, 350 hPa 고도에 위치하였으며 풍속은 18 ms-1 이상으로 강한 풍 속대가 형성되었다. 동시에 남북 성분의 연직 시어가 증 가하였고 북풍의 경우 최대풍의 위치가 125°E, 400 hPa 고도에 24 ms-1 이상으로 15시간 전보다 강화되었다 (Fig. 10(b)).

    대류권계면 골을 중심으로 동쪽으로 남풍 계열이 바 람이 분포하며 연직 단면도 상 안으로 바람이 불어 들어 가고, 반대로 서쪽으로 북풍 계열의 바람이 분포하고 있 어 연직 단면도 상 안에서 밖으로 바람이 불어 나오는 반 시계 방향의 바람 형태로 전형적인 저기압성 순환을 나 타내고 있다. 이러한 바람의 구조는 상층의 위치 소용돌 이도 이상에 의해 유도된 저기압성 순환 구조와 일치한 다(Thrope, 1985).

    3.6. 대기의 운동학적 특성

    Fig. 11은 사례 일의 300 K 등온위면의 위치 소용돌 이도와 바람장이며 흰색의 굵은 실선은 역학적 대류권계 면인 1.6 PVU 값을 나타낸 것이다. 2017년 1월 20일 03 KST의 중국 북동 및 북부지역과 연해주 및 북한지역으 로 4 PVU 이상의 큰 양의 위치 소용돌이도의 중심이 위 치하고 있으며 강원도 및 동해상으로 역학적 대류권계면 이 위치하고 있다(Fig. 11(a)). 양의 위치 소용돌이가 남 동진하면서 그 중심이 북한 지역에 위치하였고 1.6 이상 의 PVU 값은 우리나라 영동지역 및 남부지역으로 확장 되었다. 위치 소용돌이도 후면으로 북서풍내지 북풍이, 전면으로 서풍과 남서풍이 나타나고 있어 저기압성 소용 돌이도가 위치하고 있음을 추정할 수 있다(Fig. 11(b)). 위치 소용돌이도의 중심이 점차 동진함에 따라 그 중심이 연해주 지역에 위치하였으며 강원 영동 지역과 동해상에 PVU는 3 이상의 값을 나타내어 강한 양의 위치 소용돌 이도를 나타났다(Fig. 11(c)). 21 KST 이후 위치 소용돌 이도의 중심은 사할린 지역으로 동진함에 따라 우리나라 는 위치소용돌이도가 점차 약해졌다(Fig. 11(d)).

    Fig. 12는 2017년 1월 20일 03 KST에서 21 KST 까 지 925 hPa 등압면의 온위와 바람장의 분포를 나타낸 것 이다. 03 KST 우리나라는 북풍 또는 북서풍의 영향을 받고 있으며 Fig. 11(a)의 바람방향과 일치함을 보였다. 강원도 영동지역 부근의 동해중부해상(130°E, 38°N)에 서의 바람장은 저기압성 순환의 중심이 나타나고 있다 (Fig. 12(a)). 09 KST에는 저기압성 순환이 강해지면서 강원도 영동지역은 저기압 후면에 위치하여 북동기류에 의한 한랭건조한 공기가 유입되었고 온위의 간격이 매우 조밀하게 형성되어 남북 방향의 수평 경도가 증가하였다 (Fig. 12(b)). 15 KST 에는 동해상의 저기압성 순환의 중심이 동진 하여 일본 혼슈 지역(135°E, 38°N) 부근에 위치하고 있으며 Fig. 4(c)의 500 hPa 등압면에서는 절 리 저기압이 형성되어 저기압성 순환의 후면에 위치한 강원도 영동지역은 북동 기류의 영향을 받았다(Fig. 12(c)). 21 KST 에는 동해상에 위치한 저기압성의 중심 이 일본 혼슈 내륙으로 동진하여 강원도 영동지역은 북 동 기류가 약화되었으며 온위의 수평경도는 감소되었다 (Fig. 12(d)).

    상·하층 대기의 등온위 위치 소용돌이도 분석을 종합 해 보면 상층 제트기류는 저기압성 시어 쪽에 위치하고 동해상에서 급격하게 발달한 지상 저기압은 상층 위치 소용돌이도의 이류의 낮은 지역에서 위치함을 보였다. 지상 저기압이 급격하게 발달하면서 상층의 위치 소용돌 이도는 1.6 PVU 이상을 보였으며 특히 북강릉 지역에서 는 강설이 관측된 12 KST에 PVU 값이 3.6 이상을 보여 성층권에서 강한 양의 값을 갖는 저기압성 위치 소용돌 이도가 발달함에 따라 저기압성 순환을 유도하고, 상층 의 매우 차고 건조한 공기가 급격하게 하층까지 내려와 상대적으로 따뜻하고 습한 동해의 공기와 만나 강한 경 압불안정을 유발하여 결과적으로 동해 중부해상에서 급 격한 한대 저기압의 발달을 초래한 것으로 사료된다.

    Fig. 13은 한대 저기압이 발달하기 전과 급격히 발달 하여 강설이 관측되었을 때 북강릉(128.8°E, 37.8°N)과 영동지역 주변의 연직 상승속도에 대한 고도별 분포를 나타내었다. 상승속도는 대류계의 발달 정도와 밀접한 관계가 있으며 한대 저기압의 발달정도를 알 수 있다 (Kim et al., 2013). 실선과 점선은 각각 상승기류(음의 값)와 하강기류(양의 값)를 나타낸 것으로 1×10-3 hPa s-1 의 간격이며 굵은 실선은 1.6 PVU인 역학적 대류권계면 고도이다.

    한대 저기압이 발달하기 전인 2017년 1월 19일 21 KST의 역학적 대류권계면 접힘 운동의 골 부분의 동쪽 (130°E)으로 상승기류가 위치하고 약 -8×10-3 hPa s-1 의 이상의 다소 약한 상승역이 존재한다. 이 상승역은 지 상에서 약 350 hPa 까지 대류권계면 경사부분까지 거의 수직으로 분포하고 있음을 알 수 있다. 그리고 지상 저기 압 후면(대류권계면 서쪽)으로 5×10-3 hPa s-1 이상의 다 소 강한 하강역이 위치하며 이 하강역은 Fig. 8(a)의 연 직 바람장(풍속) 분포에서 대류권계면 골 왼쪽 마루 부분 의 풍속대의 하강역(상층제트 하강역)과 잘 일치한다 (Fig. 13(a)).

    북강릉(128.8°E, 37.8°N)과 영동지역 주변으로 한대 저기압이 발달한 2017년 1월 20일 12 KST에는 지상 저 기압의 중심이 15시간 전보다 약 5도 정도 동쪽으로 이 동하여 135°E(동해상)에 위치하고 있다. 700 hPa 고도 에서 -14×10-3 hPa s-1의 강한 상승기류역이 분포하고 있으며 연직으로 약 250 hPa 고도까지 상승역이 나타났 다. 북강릉 부근의 900 hPa 고도에서도 -36×10-3 hPa s-1 의 강한 상승역이 존재하였다. 대류권계면 서쪽에 위치 한 하강역은 약 1×10-3 hPa s-1로 한대 저기압이 발달하 기 전 보다 약화되었다(Fig. 13(b)).

    2017년 1월 20일 사례일의 역학적 대류권계면은 약 500 hPa까지 낮아지면서 대류권계면 접힘 운동의 골 동 쪽으로 상승기류, 서쪽으로 하강기류가 뚜렷하게 나타났 으며 상승기류가 강하게 나타난 지점의 하층에서는 지상 (극)저기압이 발달하였다. 이러한 특징은 기존의 선행 연 구의 결과와 유사함을 보였으며(Bluestein, 1993; Lee et al., 2001, 2002), 대류권계면 접힘 운동의 골은 상층 제 트기류의 하강 및 연직 하강운동과 관련이 있다. 지상 저 기압의 급격한 발달은 대류권계면 접힘 운동의 동쪽 마 루에서 발달하는 연직 상승속도의 증가와 관련이 있다 (Lee et al., 2002).

    Fig. 14는 북강릉(128.8°E, 37.8°N)과 영동지역 주변 의 상대 소용돌이도의 연직 분포를 나타낸 것이다. 그림 에서 실선은 양의 값으로 저기압성 소용돌이도(1×10-5 s-1)를 나타낸 것이며 점선은 음의 값으로 고기압성 소용 돌이(1×10-5 s-1)를 의미한다. 한대 저기압이 발달하기 전 인 2017년 1월 19일 21 KST에서는 역학적 대류권계면 1.6 PVU의 골 부분은 약 600 hPa 에 위치하였으며 그 주변으로 20×10-5 s-1 이상의 저기압성 소용돌이도가 위 치하였으며 약 900 hPa 고도에서는 22×10-5 s-1 이상의 저기압성 소용돌이도가 최대로 발달하였다(Fig. 14(a)).

    2017년 1월 20일 12 KST에는 지상의 한대 저기압이 대화퇴(동해상) 부근으로 동진하면서 그 중심인 135°E 지역에 위치하였고 역학적 대류권계면 골의 위치 또한 15시간 전에 비해 동쪽으로 이동하였으며 골의 높이도 500 hPa에 위치하면서 상승하였다. 지상에서 역학적 대 류권계면 고도까지 양의 소용돌이도가 20×10-5 s-1 이상 이며 900 hPa 부근 고도에서 24×10-5 s-1 이상으로 매우 강한 저기압성 소용돌이도가 나타나는 것을 확인할 수 있다(Fig. 14(b)). 따라서 성층권의 차고 건조한 공기가 하층으로 유입되면서 지상에서는 수렴이 강화되고 한대 저기압이 발달하면서 Fig. 13과 같이 상승기류가 강화되 었다. 특히 하부 성층권의 공기가 대류권으로 침투하게 되면 상대 소용돌이도는 증가하게 되어 한대 저기압이 발달한다(Rasmussen and Turner, 2003).

    Fig. 15는 한대 저기압과 관련하여 상·하층의 발산과 수렴에 대한 연직단면도를 제시하였다. 실선은 양의 값 으로 발산 영역을 나타냈으며 점선은 음의 값(1×10-5 s-1) 으로 수렴 영역을 의미한다. 영동지역과 그 주변으로 한 대 저기압이 발달하기 전(Fig. 15(a))에는 지상에서 발달 하고 있는 저기압 주변(130°E)으로 1000 hPa에서 800 hPa까지 수렴 영역이 존재하며 약 850 hPa 고도에서 -4×10-5 s-1 이상의 최대값을 나타내고 있다. 반면 800 hPa에서 600 hPa까지 발산역이 나타나고 있으며 약 700 hPa 고도에서 2×10-5 s-1의 최대값을 보였다. 2017년 1 월 20일 12 KST는 Fig. 14(b)와 같이 지상에서 발달한 한대 저기압 중심이 대화퇴 부근에 위치함에 따라 그 후 면의 북강릉(128°E) 지점에서는 지상에서 850 hPa 고도 까지 수렴역이 나타났으며 그 이상의 고도에서는 발산역 이 나타났다(Fig. 15(b)).

    강설 사례의 대기 연직속도, 상대소용돌이도, 그리고 수렴과 발산 분석을 종합해 보면, 역학적 대류권계면이 하강하는 주변에서는 저기압성(+) 소용돌이도가 강해져 지상에서 수렴이 강화되면서 상승기류가 발달하는 것을 알 수 있다. 이러한 종관적인 특성은 연직 불안정을 만들 어 지상에서 (극)저기압을 급격하게 발달시키고 1일 이 내에 18 hPa 이상의 기압이 낮아지는 원인으로 사료된 다.

    4. 요약 및 결론

    본 연구는 2017년 1월 20일 동해상 및 강원도 영동지 역 부근에서 급격히 발달한 한대 저기압에 의하여 1시간 에 10 cm 이상(대설주의보 수준)의 강설이 관측되었다. 급격히 발달하는 저기압에 영향을 미치는 성층권 하부 (대류권계면 부근)의 특성 분석과 대류권계면 접힘 운동 과 지상 저기압과의 관련성을 알아보기 위하여 종관일기 도, ECMWF 재분석, 고층관측, MODIS 위성 등을 이용 하였으며 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.

    • (1) 2017년 1월 20일 09 KST의 지상 일기도에서는 등압선의 간격이 매우 조밀하게 분포하고 기압경도력이 커지면서 강하게 발달한 한대 저기압이 동해상(132°E, 38°N)에 위치하였다. 중·상층 대기의 매우 차고 건조한 공기와 상대적으로 따뜻한 동해상의 수온과 큰 온도차이 로 인하여 경압 불안정이 발달되면서 강한 와도에 의한 저기압의 상승기류가 강화되어 중심 기압이 낮아졌다. 또한 상층(500 hPa)에서 발달한 절리 저기압의 중심으 로 제트 기류가 통과하면서 지상의 저기압을 발달시켰다. 특히 500 hPa의 저기압 중심과 지상 저기압의 중심이 일 치하고 있어 하층의 경압 불안정을 강화시켜 지상에 한 대 저기압이 발달하기 좋은 기상 조건이 형성된 것을 확 인 할 수 있었다.

    • (2) 라디오존데에서 관측된 상대습도는 1월 20일 12 KST 부터 급격하게 증가하여 지상에서 고도 약 9 km까 지 구름층이 발달하였으며 지상에서 5 km 이내의 바람 은 북서풍에서 북(동)풍 계열로 바뀌었으며 고도 약 6 km 이상에서는 북서풍내지 북서풍 계열의 바람이 관측 되어 풍향과 풍속의 급변화를 보였다. 또한 단열선도에 서는 지상에서 약 300 hPa 고도면까지 습윤층이 형성되 어 있어 두꺼운 구름층이 존재함을 알 수 있으며 500 hPa 고도면에서는 기온이 약 -40 ºC 를 보이며 고도상승 에 따라 기온역전의 권계면 형태를 나타내고 있어 대류 권계면 접힘에 의해 성층권 공기가 침강하여 하부대류권 (약 5 km)까지 유입되는 대기 상태를 확인할 수 있었다.

    • (3) 강설 구름의 운정 고도는 약 7 km 이상, 운정 온도 는 약 -45 ºC 이하, 구름의 광학두께는 45 이상의 키가 크 고 많은 양의 수분을 포함한 대류운(적운형) 구름대가 영 동지역 및 동해상으로 발달하고 있어 영동지역으로 단 시간에 많은 강설이 집중적으로 내릴 수 있었던 것으로 사료된다.

    • (4) 중국 북부지역에 위치한 높은 값(PVU 1.6 이상) 을 가진 상층의 양의 위치 소용돌이도 이상이 우리나라 경기도, 강원도 및 동해상으로 남동진함에 따라 영동지 역으로 강한 저기압성 소용돌이도가 형성되었으며 서해 상으로는 강한 북서기류가 동해상에는 강한 남서기류가 유입되었다. 또한 동해상에 위치해 있던 한대 저기압은 상층의 양의 위치 소용돌이도 이상의 하층 동쪽에 위치 하면서 성층권의 차고 건조한 공기가 중간 대류권으로 유입되면서 동해상(하층)의 한대 저기압을 급격하게 강 화시켰을 것으로 사료된다. 925 hPa면의 온위와 바람장 분석에서는 영동지역은 저기압 후면에 위치하였으며 바 람의 방향은 양의 위치 소용돌이도 이상으로 인한 반시 계 방향으로 바람이 불어 들어가면서 저기압성 순환을 형성하였고 이 때 온위의 간격이 매우 조밀하여 남북 방 향의 수평 경도가 증가하여 저기압성 순환의 발달 및 강 화에 영향을 미친 것으로 사료된다.

    • (5) 한대 저기압 발달과 관련된 온위와 바람장의 연직 분석 결과에 의하면 대류권계면 접힘 운동의 골 하부 (500 hPa 고도) 부근에 한랭돔(cold dome)이 형성되었 으며 골 상부의 하부 성층권(350 hPa 이상의 고도)에서 는 상대적으로 따뜻한 온난풀(warm pool)이 형성되어 있음을 확인 할 수 있었다. 또한 300 hPa 이상의 고도에 서는 등온위면의 간격이 매우 조밀하여 안정한 상태를, 그 이하의 고도에서는 상대적으로 온위가 감소하며 불안 정한 상태를 각각 나타냈다. 이 때 지상 저기압은 대류권 계면의 골 동쪽 즉, 동해 중부해상에 위치하여 한랭돔과 대류권계면 접힘 현상의 골부분과 잘 일치하는 것으로 나타났다.

    • (6) 대기의 연직 상승속도는 -14×10-3 hPa s-1로 강한 상승역이 나타났으며 역학적 대류권계면의 높이가 약 500 hPa까지 낮아지면서 대류권계면 점힘 운동의 골 동 쪽으로 상승기류, 서쪽으로 하강기류가 뚜렷하게 나타났 다. 상승기류가 강하게 나타난 지점의 하층(동해상 및 영 동지역)에서는 지상 저기압이 위치하고 있음을 확인 할 수 있으며 지상에서 역학적 대류권계면 고도까지 양의 소용돌이도가 20×10-5 s-1 이상이며 900 hPa 부근 고도 에서 24×10-5 s-1 이상으로 매우 강한 저기압성 소용돌이 도가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 저기압성 상대소용 돌이도의 최대값은 지상의 한대 저기압이 위치한 부근에 서 나타났으며 역학적 대류권계면이 하강하는 주변에서 는 저기압성 소용돌이도(양의 소용돌이도)가 강해졌으며 하층으로 강한 수렴역이 나타났고 상층으로는 발산역을 보여 연직으로의 상승운동이 지상의 저기압을 급격하게 발달시킨 것을 확인할 수 있었다.

    이상의 분석 결과를 종합하면 2017년 1월 20일 영동 지역의 대설 사례에서는 동해상 및 영동지역 주변으로 등온선과 등고선이 교차하면서 큰 경압 불안정에 의해 지상에 저기압이 급격하게 발달하였으며 상층으로는 한랭 핵이 위치하여 온도골이 형성되었으며 동시에 대류권계 면 접힘 현상에 의해 권계면의 최저 고도가 약 500 hPa 고도에 위치하면서 차고 건조한 공기가 중·하층으로 유 입되었다. 이 때 양의 위치 소용돌이도 이상의 저기압성 순환이 강화되면서 하층으로 경압성이 강해지고 지상 저 기압을 급격하게 발달시켜 단시간에 많은 적설이 관측되 었다.

    본 연구는 겨울철 영동지역 및 동해상에서 상층의 한 기 유입에 의한 대류권계면 접힘과 한대 저기압의 발달 에 따른 영동대설 현상의 기작을 이해하기 위해 종관적, 열역학적 그리고 구름의 특성에 대한 분석을 하였다. 이 번 연구 결과로 영동대설에 대한 이해 및 현업 예보에 도 움을 줄 것으로 판단되며 나아가 겨울철 대류권계면 접 힘 현상과 관련된 추가적인 사례 연구가 지속적으로 필 요하다.

    감사의 글

    본 연구는 기상청 국립기상과학원 「재해기상 감시· 분석·예측기술개발 및 활용연구(1365003083)」 과제의 일환으로 수행되었습니다.

    Figure

    JESI-28-9-765_F1.gif

    Distribution of (a) daily precipitation (mm) in Korea and time series of (b) hourly precipitation (mm), 3-hourly accumulated precipitation (mm), and 3-hourly maximum snowfall depth (cm) at Bukgangneung on 20 January 2017.

    JESI-28-9-765_F2.gif

    Surface weather charts at (a) 03 KST, (b) 09 KST, (c) 15 KST, and (d) 21 KST 20 January 2017.

    JESI-28-9-765_F3.gif

    Distribution of 850 hPa composited geopotential height (m) (black line), temperature (ºC) (red dotted line) and wind barb (m s-1) (blue) at (a) 03 KST, (b) 09 KST, (c) 15 KST, and (d) 21 KST 20 January 2017.

    JESI-28-9-765_F4.gif

    The same as in Fig. 3 except for 500 hPa.

    JESI-28-9-765_F5.gif

    The same as in Fig. 3 except for 300 hPa.

    JESI-28-9-765_F6.gif

    Vertical profiles of (a) equivalent potential temperature (K) (black line), relative humidity (%) (color) and wind (gray flag) and (b) Skew-T log-P diagram at Gangneung from 03 KST to 21 KST 20 January 2017.

    JESI-28-9-765_F7.gif

    Distribution of the (a) cloud top temperature (ºC), (b) cloud optical thickness, (c) cloud effective particle radius (μm), (d) cloud phase, (e) cloud top height (km), and (f) cloud top pressure (hPa) for 1140 KST 20 January 2017 from MODIS (terra) cloud product.

    JESI-28-9-765_F8.gif

    East-west vertical cross section of Potential temperature (red dash-dotted line, K) and wind speed (black solid line, ms-1) at (a) 21 KST 19 January 2017 and (b) 12 KST 20 January 2017 at 37.8°N. The dynamic tropopause (1.6 PVU) is donoted by heavy solid line. The “L” and “J” donate the surface cyclone and jet streak, respectively.

    JESI-28-9-765_F9.gif

    Same as in Fig. 8 except for zonal component of the wind(u). The solid (dotted) lines within (a) and (b) indicate westerly (easterly).

    JESI-28-9-765_F10.gif

    Same as in Fig. 8 except for meridional component of the wind(v). The dotted (solid) lines within (a) and (b) indicate northerly (southerly).

    JESI-28-9-765_F11.gif

    Potential vorticity (color) and wind vector (arrow) on isentropic surface of 300 K for (a) 03 KST, (b) 09 KST, (c) 15 KST, and (d) 21 KST 20 January 2017.

    JESI-28-9-765_F12.gif

    Potential temperature (K) and wind barb (m s-1) of 925 hPa at (a) 03 KST, (b) 09 KST, (c) 15 KST, and (d) 21 KST 20 January 2017.

    JESI-28-9-765_F13.gif

    Same as in Fig. 8 except for vertical velocity(×10-3hPas-1). The dotted (solid) lines within (a) and (b) indicate ascending (descending) motion.

    JESI-28-9-765_F14.gif

    Same as in Fig. 8 except for relative vorticity(×10-5s-1). The dotted (solid) lines within (a) and (b) indicate anticyclonic (cyclonic) vorticity.

    JESI-28-9-765_F15.gif

    Same as in Fig. 8 except for divergence(×10-5s-1). The dotted (solid) lines within (a) and (b) indicates convergence (divergence).

    Table

    Precipitation amount of the 5 weather stations in the Yeongdong region used in this study

    Reference

    1. Adler, R. F. , Fenn, D. D. ,1981, Satellite-observed cloud-top height changes in tornadic thunderstorms, J. Appl. Meteor., 20, 1369-1375.
    2. Ahn, B. Y. , Kwon, T. Y. , Cho, K. H. , Lee, J. S. , Lee, K. T. ,2007, Analysis of cloud properties related to Yeongdong heavy snow using the MODIS cloud Product, Korean J. Remote Sens., 23, 71-87.
    3. Baum, B. A. , Menzel, W. P. , Frey, R. A. , Tobin, D. , Holz, R. E. , Ackerman, S. A. , Heidinger, A. K. , Yang, P. ,2012, MODIS cloud top property refinements for collection 6. J. Appl. Meteor., 51, 1145-1163.
    4. Bluestein, H. B. ,1993, Synoptic-Dynamic meteorology in midlatitudes, Vol. 2, Oxford University Press, UK, 594.
    5. Chen, Y. L. , Li, J. ,1995, Large-scale conditions favorable for the development of heavy rainfall during TAMEX IOP 3, Monthly Weather Review, 123, 2978-3002.
    6. Cheong, S. H. , Byun, K. Y. , Lee, T. Y. ,2006, Classification of snowfalls over the Korean Peninsula based on developing mechanism, J. Korean Meteor. Soc., 16, 33-48.
    7. Cho, K. H. , Cho, Y. J. , Kwon, T. Y. ,2004, Characteristics of Air Mass Related with Precipitation Events in Yeongdong Region, J. Korean Meteor. Soc., 40, 381-393.
    8. Chung, K. B. , Kim, J. Y. , Kwon, T. Y. ,2004, Characteristics of lower-tropospheric wind related with winter precipitation in Yeongdong region, J. Korean Meteor. Soc., 40, 369-380.
    9. Fu, G. , Niino, H. , Kimura, R. , Kato, T. ,2004, A Polar low over the Japan sea on 21 January 1997. Part I: Observational Analysis, Monthly Weather Review, 132, 1537-1551.
    10. Hanna, J. W. , Schultz, D. M. , Irving, A. R. ,2008, Cloud -top temperatures for precipitating winter clouds, J. Appl. Meteor., 47, 351-359.
    11. Hong, S. K. ,1995, Weather analysis and weather forecast, Kyohak Study Press, 530.
    12. Hoskins, B. J. , Mclntyre, M. E. , Robertson, A. W. ,1985, On the use and significance of isentropic pontential vorticity maps, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 111, 877-946.
    13. Jeong, B. O. , Ryu, C , S. , Kim, J. S. , Ban, K. S.,,2006, Relationship between Jet stream and Asiandust occurrence, Proceedings of the Spring Meeting of Korean Meteorological Society, 330-331.
    14. Jeong, Y. K. ,1999, Synoptic environment associated with the heavy snowfall in the southwestern region of Korean Peninsula, J. Korean Earth Sci. Soc., 20, 398-410.
    15. Jhun, J. G. , Lee, D. K. , Lee, H. A. ,1994, A Study on the heavy snowfalls occurred in South Korea. J. Korean Meteor. Soc., 30, 97-115.
    16. Jung, C. H. , Kim, S. S. , Park, S. U. , Min, K. D. , An, H. S. ,1984, A Case study on the extratropical cyclone development on the east sea, J. Korean Meteor. Soc., 20, 1-21.
    17. Kim, J. Y. , Min, K. H. , Kim, K. E. , Lee, K. W. ,2013, A Case study of mesoscale snowfall development associated with tropopause folding, J. Korean Meteor. Soc., 23, 331-346.
    18. Kuo, Y. H. , Gyakum, J. R. , Gou, Z. ,1995, A Case of rapid continental mesoscale cyclogenesis. Part I : Model sensitivity experiments, Monthly Weather Review, 123, 970-998.
    19. Kurz, M. ,1994, The role of diagnostic tools in modern weather forecasting, Meteorological Applications, 1, 45-67.
    20. Kwak, B. C. , Yoon, I. H. ,2000, Sysnopic analysis on snowstorm occurred along the coast of the Korean Peninsula during 5-7 January, 1997, J. Korean Earth Sci. Soc., 21, 258-275.
    21. Lee, H. , Lee, T. Y. ,1994, The Governing factors for heavy snowfalls in Youngdong area, J. Korean Meteor. Soc., 30, 197-217.
    22. Lee, H. R. , Kim, K. E. , Yoo, J. M. , Min, K. D. ,2001, A Study on a severe winter weather occurred in the Korean Peninsula by tropopause undulation, J. Korean Meteor. Soc., 37, 195-224.
    23. Lee, H. R. , Kim, K. E. , Yoo, J. M. , Lee, W. J. ,2002, Tropopause undulation associated with explosive development of a cyclone, J. Korean Meteor. Soc., 38, 431-463.
    24. Lee, H. Y. , Ko, H. Y. , Kim, K. E. , Yoon, I. H. ,2010, An Analysis of characteristics of heavy rainfall events over Yeongdong region associated with tropopause folding, J. Korean Earth Sci. Soc., 31, 354-369.
    25. Lee, J. G. ,1999, Synoptic structure causing the difference in observed snowfall amount at Taegwallyong and Kangnung: Case Study, 35, 319-334.
    26. Nakajima, T. , King, M. D. ,1990, Determination of the optical thickness and effective particle radius of clouds from reflected solar radiation measurements. Part I:Theory, J. Atmos. Sci., 47, 1878-1893.
    27. Nam, H. G. , Kim, B. G. , Han, C. K. , Lee, C. K. , Lee, S. S. ,2014, Characteristics of easterly-induced snowfall in Yeongdong and its relationship to air-sea temperature difference, Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 50, 541-552.
    28. NIMS/KMA,2014, An Analysis of high impact weather and development of its forecast method in Yeongdong, 1-4.
    29. Park, J. H. , Kim, K. E. , Heo, B. H. ,2009, Comparison of development mechanisms of two heavysSnowfall events occurred in Yeongnam and Yeongdong regions of the Korean Peninsula, Atmosphere, 19, 9-36.
    30. Rasmussen, E. A. , Turner, J. ,2003, Polor lows: Mesoscale weather systems in the polor regions, Cambridge University Press, 612.
    31. Reed,1979, Cyclogenesis in polar air streams, Monthly Weather Review, 107, 38-52.
    32. Reed, R. J. , Sanders, F. ,1953, An investigation of the develpoment of a mid-tropospheric frontal zone and its associated vorticity field, J. Meteor., 10, 338-349.
    33. Robber, J. P. ,1993, A Dianostic case study of self -development as an antecedent conditioning process in explosive cyclogenesis, Monthly Weather Review, 121, 976-1006.
    34. Sunde, J. , Ronting, B. , Breivik, L. A. , Midtbo, K. H. , lstad, C. ,1994, Operational monitoring and forecasting of mesoscale weather phenomena in ocean regions surrounding Norway, Meteorological Applications, 1, 237-245.
    35. Thrope, A. J. ,1985, Diagnosis of balanced vortex structure using potential vorticity, J. Atmos. Sci., 42, 397-406.
    36. Uccellini, L. W. , Keyser, D. , Brill, K. F. , Wash, C. H. ,1985, The president’s day cyclone of 18-19 February 1979: Influence of upstream trough amplification and associated trppopause folding on rapid cyclogenesis, Monthly Weather Review, 113, 962-988.
    37. World Meteorological Organization,1986, Atmospheric ozon 1985: Global ozone reserch and monitoring project., Report No. 16, WMO, Geneva, Switzerland, 392.