[붙임 2]

2017년 한국기상학회 정기총회 및 가을학술대회

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강수형태 판별과 적설 예측

한상은, 김동수, 박경희, 이정환

기상청 예보국 예보기술팀

1. 서 론

지상의 기온이 영하가 아니더라도 눈이 내릴 수 있으며, 대기조건에 따라 강수형태(눈, 비)가 달라진다. 눈이 내리더라도 지상 및 지면의 온도에 따라 눈이 쌓이는 시간과 적설량이 달라지기 때문이다. 강수량(mm)대비 적설량(cm)을 약 1:10 비율(수상당량비)로 계산하여 적설량 예보에 적용하고 있으나 대기조건에 따라 그 비율의 차가 매우 크다. 따라서, 예보관은 겨울철 적설예보에 강수형태, 눈이 쌓이는 시간, 수상당량비계산 등 여러 상황을 고려해야 하므로 많은 시간과 노력이 필요하다. 본 연구에서는 첫째, 강수형태 판별을 위해 한국에 가장 적합한 층후와 눈/비 구분 임계값을 제시하고 혼재구역에 대해서 지상의 기온과 습도를 이용해 눈, 비, 진눈깨비, 적설 구간을 각각 구분한다. 둘째, 적설 계산을 위해 한국의 겨울철 강수 시 대기기온 특징에 맞는 수 상당량비 계산법 개발하고 강수형태 판별 결과가 적설일 경우, 예측 강수량에 수 상당량비를 연산하여 적설량을 산출한다. 셋째, UM-RDAPS 예측장에 적용하여 관측 값과 비교를 통한 검증을 한다. 모델 예측장 적설변수와의 비교 검증도 제시한다.

2. 자료 및 분석

층후를 이용한 강수형태 구분은 고층관측 자료를 사용한다. 고층 관측 7개 지점(광주, 속초, 수원(오산 데이터사용) 고산, 백령도, 흑산도, 포항)의 총 5년(2003. 12.~2008. 12.) 간 겨울철(12, 1, 2, 3월) 지상기온, 상대습도(AWS자료), 1000, 850, 700, 500hPa gpm이며, 한국에 가장 적합한 층후와 눈/비 결정의 기준값을 제시한다. 검증은 총 3년(2009. 1.~2011. 3.)이다. 모델 분석장은 지상관측 10개 지점(군산, 대관령, 대구, 대전, 서울, 청주, 문산, 부산, 목포, 동해)의 지상관측 자료와 각 지점별 총 3년(2009. 1.~2011. 3) 간 겨울철(12, 1, 2, 3월) KLAPS(Korea Local Analysis and Prediction System) 재분석장의 고도값을 사용한다. KLAPS 재분석장의 격자간격은 5m×5km 이다. 지상자료를 이용한 강수형태 혼재구역 구분은 고층관측소 7개 지점에서 눈과 비의 기준 층후값에 해당되지 않는 혼재된 강수사례를 대상으로 지상의 기온과 습도를 이용했다. 대상기간은 층후판별에서 사용한 기간과 같다. 수 상당량비 계산을 위해 30년(1981~2010)간 12~3월 고층관측 7개 지점을 대상으로 3시간 신적설이 0.1cm 이상인 1081개 사례를 추출했다. 적설 검증을 위해, 2010.12.~2011.3. 간 62개 신적설 관측소와 UM-RDAPS 예측장에 개발한 알고리즘을 적용하여 예측 +48시간 내 3시간단위로 검증하였고, 지점별 관측된 3시간 신적설을 이용해 UM-RDAPS 예상신적설량과 개발한 알고리즘을 이용한 결과를 비교하였다.

3. 결과

3.1. 강수형태 판별

강수형태 구분을 위한 적합한 층후를 찾아내기 위해 2003~2008년, 12~3월간 고층관측지점의 진눈깨비사례를 이용하여 각 층후별 기준값에 따른 표준편차를 정리하였다. 1000-850hPa 층후에서 표준편차 간격이 16gpm으로 다른 층후값에 비해 좁은 구간을 나타냈다. 총 730개 강수사례 중 1281 기준값 이하에서 비가 관측된 사례는 1건도 없었으며, 1297 기준값 이상에서 눈은 단 1건 관측되었다. 진눈깨비를 눈으로 판단한다면, 1297이상에서 4건의 눈만 이 범위를 벗어났다. 이후 3년(2009~2011)간 검증한 결과 진눈깨비의 표준편차 범위는 1282~1296으로 제시한 1000-850hPa 층후 기준값 1281~1297내에 포함되었다. 높은 정확도에도 불구하고 고지대에 이 기준을 적용하기에는 한계가 있다. 겨울이 여름에 비해 지표부근의 기압이 높아 1000hPa의 고도값이 관측소 해발고도보다 높은 것이 대부분이나 대관령과 같은 고지대의 경우 1000hPa이 지표부근이 아닌 지하고도에 해당하기 때문이다. 2003년부터 2011년 까지 겨울철(12~3월) 7개 고층관측소에서 강수가 관측된 총 1212개 사례 중 관측소 해발고도보다 1000hPa 고도값이 낮은 사례는 3개 뿐 이었다. 7개 고층관측소 중 가장 고도가 높은 곳에 위치한 백령도의 해발고도가 144.86m 이므로, 약 150m 해발고도 이하에 위치한 관측소에서는 1000-850hPa 층후의 1281~1297값은 눈·비 구분을 판단하는데 유용하다. 그렇지만 150m 보다 높은 지점에서는 신뢰도가 떨어질 수 있다. 혼재구간 내에서 강수형태 판단을 위해 지상의 기온과 습도를 이용한 구분방법을 이용했다. Matsuo(1981), Stewart(1992), 서영경 등(2008)은 지상기온과 상대습도만을 이용해 눈·비 혼재구간 내에서 선형식을 이용해 강수형태를 구분하였다. 그들의 방법을 개선하여 새로운 계산식을 만들었다. 최적의 값으로 눈구역, 비구역, 진눈깨비 구역, 적설구역으로 구분이 가능하였다.

3.2. 수 상당량비 계산

지상의 기온이 영하라면 눈은 쌓이게 되는 것이 일반적이므로, 안정한 대기상태일 경우 지상과 850hPa 기온이 비슷한 상태라고 볼 수 있다. 만약, 지상의 기온이 0℃이상이라면, 850hPa 기온이 0℃보다 낮지 않을 경우 눈이 내릴 수 있는 조건을 만족하지 못한다. 일반적으로 0℃이상의 녹는 층(melting layer)의 두께가 200~600m를 넘을 수 없다고 연구된 바 있다. 대기가 불안정한 경우 습윤기온감율을 적용하면 지상의 기온이 0℃일 경우에 850hPa 기온은 약 -8℃가 된다. -10℃이하의 습윤공기내에서 과냉각수적이 다량으로 존재하고, 이 과냉각 수적으로 인하여 함박눈과 같이 눈의 크기가 커진다(Hallet 1965, Edward et al. 1972, Pruppacher 1995). 강수가 생성되고 발달하는 구조가 850hPa 이상의 고도라는 점을 고려한다면, 850hPa -8℃는 습설과 건설을 가늠할 수 있는 지표가 될 수 있다. 850hPa -8℃, 지상기온 0℃의 기준값을 이용하여 4개의 조건별 수 상당량비 계산식을 만들었다. 4개의 수상당량비 계산식으로 얻어진 적설량 값과 실제적설량과의 관계는 전체 RMSE는 0.8, 상관계수는 0.86을 보였다. 적은 강수량에서 수 상당량비의 차이가 다소 발생하지만 적설량으로 산출시 그 값의 차이는 많은 강수량에 비해 작다. Byun et al.(2008)은 누적 강수량과 수 상당량비 계산과의 관련성을 각 강수량(1mm 단위) 단위별로 계산하여 제시하였는데, 단순한 누적강수량 대비 수 상당량비 계산법에 비해 개선된 결과를 보였다. 앞서 제시한 강수유형 판단과 적설구역 판별방법을 이용해 적설가능구역에 위치할 것으로 예상되면, 4개의 조건별 수 상당량비 계산식을 적용하여, 예상강수량과 구해진 수 상당량비를 곱하여 적설량을 산출할 수 있다.

4. 검증

1일 예측(~+24hr)에서 개발된 알고리즘을 적용한 신적설 예측 RMSE가 0.1cm이상인 경우, 5cm 이상인 경우 모두 모델 예측보다 좋은 결과를 보였다. 2일 예측(+27~+48hr)에서 개발된 알고리즘을 적용한 신적설 예측 RMSE는 0.1cm이상인 경우는 비슷한 결과를 보였으며, 5cm 이상인 경우에는 개발된 알고리즘이 우수한 성능을 보였다.

5. 참고문헌

서영경, 이현진, 최준태, 2008: 기온 MOS 모델 개발 및 강수형태 MOS 개선. 수치모델관리관실 기술 보고서.

Bluestein, H. B., 1993: Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes. Vol. 2: Observations and Theory of Weather Systems. Oxford University Press, 594.

Byun. K. -Y., J. Yang., and T. -Y. Lee, 2008: A snow-ratio equation and its application to numerical snowfall prediction. Wea. Forecasting, 23, 644-658.

Edward E., Hindman Ⅱ., and D. B. Johnson, 1972: Numerical simulation of ice particle growth in a claoud of supercooled water droplets. J. Atmos. Sci., 29, 1313-1321.

Hallet. J., 1965: Field and laboratory observations of ice crystal growth from the vapor. J. Atmos. Sci., 22, 64-69.

Matsuo. T., Y. Sasyo., and Y. Sato, 1981: Relationship between types of precipitation on the ground and surface meteorological elements. J. Meteor. Soc. Japan, 59-4, 462-476.

Pruppacher, H. R. 1995: A new look at homogeneous ice nucleation in supercooled water drops. J. Atmos. Sci., 52, 1924-1933.

Stewart. R. E., 19992: Precipitation types in the transition region of winter storms. Bull. Am met. Soc., 73, 287-296.