Synoptic–dynamic characteristics of summertime heavy rainfall events in the Republic of Korea

Abstract

Heavy rainfall events (HREs) are the most frequent natural disaster from which people in South Korea recurrently suffer every summer. However, our understanding of their mechanisms has been still limited because many previous studies were confined to case studies or qualitative analyses. In this dissertation, the synoptic–dynamic characteristics of HREs in the summer monsoon period in South Korea are elaborated both quantitatively and qualitatively based on all historical events that occurred in the recent four decades. First, by separately considering the HREs resulting from tropical cyclones (TCs; 18.9%) and those not directly related to TCs (81.1%), their climatological features are drawn through composite and statistical analyses. This result is then extended to their further synoptic–dynamic details as below. By numerically solving the quasigeostrophic omega equation, it is found that the vertical motion of non-TC-induced HREs (hereafter, simply HREs) is initially driven dynamically, but diabatic uplift becomes dominant in the mature stage of HREs. This implies the importance of dynamic processes in triggering HREs and nonlinear dynamic–diabatic feedback in the subsequent growth of HREs. By decomposing Q vectors into shearwise and transverse components to delineate the dynamical processes, it is further revealed that the dynamic omega is closely associated with a baroclinically-deepening trough in the upper troposphere. The role of thermally-direct secondary circulation on the entrance region of the upper-level jet, which has been emphasized in the literature as a key driver of HREs, turns out to be relatively minor. The quasigeostrophic diagnosis of vertical motion of HREs can be robustly applied to most summertime HREs, but the clustering analysis shows that HREs could occur under various surface weather patterns depending on the strengths and/or locations of surface synoptic-scale cyclones and the North Pacific high. Each cluster exhibits a distinct temporal evolution of surface weather patterns with different favorable seasons and regions. This result provides important forecasting factors to be differently considered depending on the synoptic categorization of HREs. While most previous studies on TC rainfall in South Korea have focused on the characteristics of TC itself and local factors (e.g., topography), it is found that TC-induced HREs (hereafter, TC-HREs) are also largely sensitive to midlatitude condition. The TC-HREs under strongly baroclinic condition are characterized by amplifying tropopause circulation (by negative potential vorticity advection by TC-induced divergent outflow) and structural changes of TC (reminiscent of extratropical transition). The synergistic TC–midlatitude flow interaction allows for widely enhanced quasigeostrophic forcing for ascent, causing heavy rainfall even before TC gets close to South Korea. The TC-HREs under weakly baroclinic condition, in contrast, do not accompany the meandering tropopause flow. In the absence of strong interaction with midlatitude flow, TC rapidly dissipates after entering midlatitude, and the upward motion is confined to the inherent diabatic TC convection. As a result, heavy rainfall occurs only when TC locates in the right vicinity of the country. Lastly, the record-breaking monsoon rainfall in the summer of 2020 is investigated. The abrupt change of HRE nature in late July is particularly of interest. While the HREs from 29 June to 27 July (P1) were determined by the passage of extratropical cyclones, those from 28 July to 15 August (P2) mainly occurred by the quasi-stationary monsoon rainband and mesoscale instability thereon. This sudden synoptic transition is explained by atmospheric teleconnections. During P1, the subtropical high anomalously extended westward but its northward expansion was hindered by the suppressed convection over the South China Sea. In contrast, the enhanced South China Sea convection in P2 prompted an abrupt northward jump of the subtropical high. The resulting monsoon circulations established favorable environments for extratropical cyclones and monsoon rainband, respectively, in the two subperiods. The atmosphere–ocean coupled mode over the Indo-western Pacific was particularly related to the suppressed convection over the South China Sea in P1. The summer North Atlantic oscillation also secondarily contributed to the anomalous monsoon flows in P1 and P2 with opposite phases, although the reasons for its synchronized phase transition with the South China Sea convection is still unclear. The summer of 2020 implies that multiscale analyses would be beneficial in future work for a better understanding of HREs.

여름철 집중호우는 해마다 발생하는 가장 빈번한 자연재해이나 그간의 국내 연구들은 주로 사례 연구나 정성정 분석에 집중되어 있어 관련 메커니즘에 대한 완전한 이해는 담보되지 않은 상태이다. 본 논문에서는 최근 40년 동안 발생한 모든 여름철 집중호우 사례들을 활용하여 집중호우의 종관기상학적 특성을 정성적, 정량적으로 상세분석하였다. 기상청 호우주의보 기준인 12시간 누적강수량 110 mm로 정의된 집중호우 사례들을 태풍에 의해 발생한 사례(TC-HREs; 전체의 약 18.9%)와 태풍과 직접적으로 연관되지 않은 사례(HREs; 전체이 약 81.1%)로 구분하고, 합성장 및 통계적 분석을 통해 각각의 기후학적 특성을 먼저 도출하였다. 이를 기반으로 HREs와 TC-HREs의 종관 및 역학적 특징을 아래와 같이 더욱 상세화하였다. HREs의 경우, 집중호우 발생 전부터 상층 요란이 유의미하게 풍상측에 나타났으며 이는 시간에 따라 조직화된 상층골로 발달하는 것으로 확인되었다. 준지균 오메가 방정식의 수치적 해를 통해 집중호우의 발달기에는 역학적 강제력과 비단열적 강제력이 상승운동에 비슷한 정도의 역할을 하지만 집중호우 최성기가 되면 연직운동은 비단열 강제력에 지배되는 것으로 나타났다. 이는 집중호우가 역학적 강제력에 의해 촉발되고 이어 역학적-비단열적 되먹임 통해 빠르게 발달함을 암시한다. Q 벡터의 자연좌표계에서의 물리적 분해를 통해 역학적 강제력은 특히 하층 저기압과 경압불안정을 통해 발달하는 상층 골에 의해 지배되는 것으로 확인되었는데, 이는 선행연구에서 강조되어온 상층제트 입구에서 발생하는 이차순환의 역할이 다소 과장되었음을 의미한다. 집중호우 연직운동의 준지균적 진단은 대부분의 사례에 적용될 수 있으나, 집중호우는 조직화된 저기압의 위치/유무, 북태평양 고기압의 위치/강도 등의 차이 등에 따라 다양한 지상 일기 패턴하에서 발생할 수 있다. 이러한 집중호우의 다양성은 인공신경망 알고리즘을 이용한 군집분석을 통해 발견되었는데, 각 군집들은 저마다 다른 일기 패턴의 발달양상을 보여주며 주요 발생시기 및 발생지역 또한 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 지상 일기 패턴 기반 집중호우 유형 분류는 여름철 집중호우의 종합적인 이해 뿐만 아니라 예보에 있서도 도움이 될 것으로 기대된다. TC-HREs에 관한 기존의 연구들은 주로 태풍 자체의 특성이나 지형 등과 같은 국지적인 요소들에 집중해왔으나, 태풍에 의한 집중호우는 중위도 조건에 의해서도 매우 민감하게 반응하는 것으로 확인되었다. 중위도 순환이 경압적으로 불안정한 조건에 놓여있는 경우, 태풍이 유도한 상층 발산류가 음의 잠재와도 이류를 일으켜 중위도 대류권계면의 파동활동이 두드러지고(예: 상층 기압골의 정체 및 상층 기압능, 제트의 강화), 북상하는 태풍의 온대저기압화 또한 빠르게 이루어진다. 이는 태풍과 중위도 순환 사이에 강한 상호작용이 이루어지기 때문인데, 이는 태풍 전면의 넓은 지역에 강한 준지균 상승운동을 유발하고 그 결과 태풍이 한반도에 미처 상륙하기 전부터 집중호우가 발생할 위험을 초래한다. 반면, 중위도 경압 조건이 약한 경우 이러한 태풍-중위도 순환 상호작용이 거의 나타나지 않으며 태풍 또한 중위도로 진입 후 빠르게 약화되는 특성을 보인다. 집중호우와 연관된 연직운동은 주로 태풍의 잔여 비단열적 대류에 지배되는 양상을 보이며 그 결과 태풍이 한반도에 상륙하거나 가까이 접근했을 때 비로소 집중호우가 발생한다. 마지막으로, 이례적으로 많은 호우 피해가 발생한 2020년 여름에 대한 사례분석을 수행하였다. 특히, 집중호우의 양상이 7월 말 갑자기 바뀐 것에 주목하였는데, 6월 29일부터 7월 27일까지의 기간(P1) 동안 집중호우는 온대저기압의 통과에 의해 발생한 반면, 7월 28일부터 8월 15일까지의 기간(P2) 동안 집중호우는 정체한 몬순강우대 상의 중규모 불안정에 의해 발생하였다. 이러한 종관적 특성의 급변을 이해하기 위해 대규모 순환을 분석한 결과, P1에는 북태평양 고기압이 서쪽으로 강하게 확장했으나 남중국해 대류 약화에 따른 파동 반응에 의해 북상하지 못한 채 남쪽에 머물렀고 그 결과 한반도로 온대저기압이 통과하기 좋은 조건이 만들어진 것으로 나타났다. 반면, P2에는 다시 대류가 강화되어 북태평양 고기압의 가장자리의 강한 기압경도가 한반도 위에 놓이게 되어 몬순 정체전선이 발달하기 좋은 환경이 형성된 것으로 확인되었다. 특히 P1 시기의 남중국해 대류활동은 인도-북태평양에서 이루어진 대규모 대기-해양 상호작용과 연관되어 있었으며, 북대서양 여름 진동 또한 7월 말 갑작스런 위상 변화를 통해 P1과 P2의 동아시아 몬순 순환에 서로 다른 영향을 준 것으로 판단된다. 2020년 사례는 향후 집중호우 연구에서 중규모-종관규모-대규모 순환을 아우르는 다중규모 분석이 필요함을 시사한다.