수치모델링 실험을 통한 태풍 하기비스 주변 난류 발생 메커니즘 특성 이해

Abstract

2019년 10월 11일 0840에서 0900 UTC 기간에 북서 태평양 상공을 지나던 항공기가 태풍 하기비스 북서쪽 전면의 약 11 km 고도에서 다발성의 난류를 조우하였다. 난류 발생 지점은 태풍 중심으로부터 500 km 이상 떨어져 있었으며, 항공기 관측 자료에 따르면 에너지 소산률이 0.22 m2/3s-1 이상인 중강도 크기를 갖는 난류를 포함하였다. 따라서 본 연구에서는 본 난류 사례의 발생 메커니즘을 살펴보기 위해 Weather and Forecasting (WRF)을 이용한 수치모델 실험을 수행하였다. 수치실험은 난류 관측 지점을 중심으로 수평격자가 각각 15, 5, 1, 0.2 km인 영역 4개로 구성하였으며, 연직 해상도는 난류 발생 구간인 8-13 km에서 약 280 m로 설정하였다. 자유 대기에서의 연직 혼합 모수화를 위해 Mellor-Yamada 2.5차 난류 종결 방법론을 이용하여 아격자 규모의 난류 운동에너지(subgrid-scale turbulent kinetic energy, 이하 SGS TKE)를 산출하는 Mellor-Yamada-Janjić 방안을 각 영역에 적용하였다. 그 결과 SGS TKE가 0.25 m2s-2 이상인 강한 난류가 국지적으로 세 구간 1) z = 13-15 km, 2) z = 10-12 km, 3) z = 6-8 km에서 모의되었으며, 본 연구에서는 중강도의 난류가 관측된 2) 구간을 중점적으로 분석하였다. 난류 발생 2시간 이전부터 모루운 하층에 위치한 2) 구간에서는 태풍 상층의 고기압성 유출로 유도된 강한 연직 시어에 의한 Kelvin-Helmholtz 불안정이 지속적으로 존재하였다. 이후 0800 UTC 부터 정적 안정도가 감소하여 0840-0900 UTC에는 2) 구간 난류 발생의 직접적 원인인 대류 불안정이 발생하였다. 이때 태풍 상층의 고기압 흐름에 의한 중립 혹은 약한 관성 불안정이 지속적으로 존재했던 2) 구간에서는 난류 관측 시기에 태풍의 북상으로 고기압성 흐름이 강화되어 관성 불안정도가 증가하였다. 즉 관성 불안정 강화시기와 대류 불안정의 발현 시기가 일치하였으며, 이를 통해 관성 불안정이 2) 구간 난류 발생의 주원인인 대류 불안정 발현에 중요 요소로 작용한 것으로 해석된다. 한편, 1) 구간의 난류 발생은 태풍 고기압성 흐름 내 온도 이류 차이에 의한 얕은 대류 불안정, 3) 구간의 난류 발생은 권운 내 떨어지는 눈 입자의 승화 과정으로 발생하는 대류 불안정 때문인 것으로 분석된다.

From 0840 to 0900 UTC 11 October 2019, light-or-moderate turbulence events were observed with in situ eddy dissipation rate data provided by Aircraft Meteorological Data Relay at 11 km within the anticyclonic outflow of tropical cyclone (TC) Hagibis over the northwestern Pacific Ocean. The area of turbulence was farther than 500 km from the central of the TC and showed the low density of cloud. The generation mechanism of near-cloud turbulence (NCT) occurred in the northwestern side of the TC was examined using the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Four nested model domains with horizontal grid spacings of 15, 5, 1, and 0.2 km and 112 hybrid layers with vertical grid spacing of about 280 m within z = 8-13 km, near altitudes where the NCT encounters occurred were used. The Mellor-Yamada-Janjic scheme was applied in each domain to parameterize local vertical mixings by computing subgrid-scale turbulent kinetic energy (SGS TKE) in free atmosphere by Mellor-Yamada 2.5-level turbulence closure method. The results showed that there were three distinct areas of simulated turbulence, which occurred in 1) z = 13-15 km, 2) z = 10-12 km, and 3) z = 6-8 km layers showing SGS TKE larger than 0.25 m2s-2. We focused on the 10 to 12 km layer in which turbulence was observed. Richardson (Ri) number smaller than 0.25 was found consistently before the time of the incident, which implies Kelvin-Helmholtz instability occurred due to strong vertical wind shear induced by anticyclonic outflow of the TC at the beneath of the cirrus anvil cloud. From 0800 UTC, static stability started to decrease and convective instability occurred during 0840 to 0900 UTC, which produced light-or-moderate level turbulence. At the same time, intensity of inertial instability at z = 10-12 km layer increased with strengthened upper-level anticyclonic outflow where neutral or weak inertial instability was consistently existed due to anticyclonic outflow of the TC. Consequently, we suggested that inertial instability was responsible for the occurrence of convective instability given that the strengthening period of inertial instability was coincided with the manifestation period of convective instability. SGS TKE simulated at z = 13-15 km was due to convective instability induced by the differential thermal advection within the anticyclonic outflow of the TC. SGS TKE found at z = 6-8 km was also induced by convective instability by sublimation of precipitating snow in the beneath of cirrus anvil cloud.