태백산맥 풍하측 강풍의 종관규모 유형과 중규모 메커니즘 연구

Abstract

Downslope windstorms have occurred frequently in the Yeongdong region, which is the eastern side of Taebaek Mountains in Korea. This study selected a total of 668 downslope windstorm cases in the lee of Taebaek Mountains for 41 years (1979-2019), and classified their sea level pressure patterns into eight clusters using Self-Organizing Map. The eight clusters could be grouped into three types, which are south-high and north-low (Type 1), west-high and east-low (Type 2), and low-passing (Type 3) patterns. Type 1 occurred when there was a warm advection along the prevailing southwesterly in the springtime, while Type 2 occurred when there was a cold advection along the prevailing northwesterly in the wintertime. Type 3 occurred when a well-developed baroclinic cyclone passed through the northern side of the Korean peninsula. Also, the differences in the mesoscale mechanisms of downslope windstorms in each synoptic pattern were investigated from the analysis on the upstream flow using the reanalysis data. As a result, hydraulic jumps often occurred in Type 2, partial reflection of mountain waves occurred in the most cases, and critical-level reflection of mountain waves often occurred in Type 1. In addition, numerical simulations of three representative cases were conducted using a WRF model in order to investigate the generation mechanisms of downslope windstorms and the role of mountain waves and their breaking. Case 1 in Type 1 showed the lowest Froude number around 0.7 and mountain wave breaking in the downstream, so occurred due to a hydraulic jump, partial and critical-level reflection of mountain waves. Case 2 in Type 2 showed the intermediate Froude number around 1.1 and occurred due to the lower-tropospheric inflow accelerated by a hydraulic jump. Case 3 in Type 3 showed the highest Froude number around 1.6 and occurred because the inflow was strong and it accelerated due to the large-amplitude lee waves.

풍하측 강풍은 한반도에서는 태백산맥의 동쪽인 영동 지역에서 빈번하게 발생한다. 이 연구는 1979년부터 2019년까지 총 41년간 속초 또는 강릉에서 관측된 일 최대 순간 풍속이 20 m s-1 이상인 경우를 태백산맥 풍하측 강풍 사례로 선정하였다. 다음으로, 총 668개 사례에 대한 NCEP-DOE 재분석 자료의 해면기압 배치를 기계학습 알고리즘인 Self-Organizing Map을 이용하여 8개 군집으로 분류하였다. 이를 크게 남고북저형, 서고동저형, 저기압 통과형 3가지 종관규모 유형으로 묶어 분석하였다. 남고북저형은 봄철에 강한 남서풍이 불고 온난이류로 인해 기온이 상승할 때, 서고동저형은 겨울철에 강한 북서풍이 불고 한랭이류로 인해 기온이 하강할 때, 저기압 통과형은 발달한 경압성 저기압이 한반도 북부를 통과할 때 발생한다. 지상 관측 자료 분석 결과, 풍하측에서 공기가 고온건조해지는 푄 현상은 남고북저형에서 가장 뚜렷하게 나타난다. ERA5 자료를 이용하여 유형별 풍상측 흐름의 차이를 분석하였다. 그 결과, 남고북저형은 바람이 약하고 안정도는 대류권 하부에서 크고 중부에서 작으며, 서고동저형은 바람이 강하고 안정도는 대류권 하부에서 작고 중부에서 크며, 저기압 통과형은 바람이 강하고 안정도가 작다. 이로 인해 풍하측 강풍의 중규모 메커니즘이 유형에 따라 달라진다. 물뜀은 서고동저형, 산악파의 부분 반사는 대부분의 사례, 산악파의 임계고도 반사는 남고북저형에서 자주 발생한다. 유형별 대표 사례를 선정하여 수치실험을 통해 풍하측 강풍의 중규모 메커니즘을 분석하였다. 남고북저형에 속하는 2019년 4월 4일 사례는 Froude 수가 약 0.7로 유입되는 흐름이 비선형 효과로 인해 가속되는 효과가 크고, 풍하측에서 파동 파괴가 나타나며, 물뜀, 산악파의 부분 반사, 산악파의 임계고도 반사로 인해 발생한다. 서고동저형에 속하는 2016년 1월 19일 사례는 Froude 수가 약 1.1로, 유입되는 흐름이 물뜀으로 인해 가속되어 발생한다. 저기압 통과형에 속하는 2012년 11월 12일 사례는 Froude 수가 약 1.6으로, 유입되는 강한 흐름이 풍하측으로 전파하는 산악파에 의해 가속되어 발생한다.