Observed Characteristics and Numerical Modeling of Precipitation in Urban Areas = 도시 지역 강수의 관측된 특성 및 모델링

국문 초록 (Abstract)

도시가 확장되고 도시 거주민이 늘어남에 따라, 도시 지역 강수에 대한 이해의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 도시 지역 강수에 영향을 주는 중요한 요인 중 하나로, 하층 대기에 도시가 미치는 영향이 지목되어왔다. 이 연구에서는 2005~2020년 동안의 1시간 해상도 우량계 관측 자료를 분석하여 우리나라 수도권 지역 강수에 나타나는 도시 효과를 탐지하고자 하였다. 강수 사건을 850 hPa 바람 유형에 따라 분류하여, 풍상측 지역 대비 풍하측 지역의 강수 증가량을 조사하였다. 풍하측 강수량은 4계절 중 여름에 가장 크게 증가하였고(39%), 특히 8월에 증가가 두드러졌다(64%). 이에 8월 강수를 더욱 상세히 분석하였다. 바람이 약한 경우 서울 강수량이 통계적으로 유의하게 증가하였고 서풍이 부는 경우 서울 중심으로부터 25~50 km 떨어진 풍하측 지역의 강수량이 통계적으로 유의하게 증가하였으며, 이 증가량은 오후에 가장 컸다. 이 강수량 증가는 강수 빈도와 강수 강도의 증가 때문이었으며, 주로 수도권 지역 안에서 시작된 작은 강수계와 관련된 짧고 강한 강수 사건들이 이에 기여하였다. 남서풍, 남풍, 남동풍이 부는 경우에도 풍하측 지역에서 강수량이 증가하였으나 이는 큰 강수계들과 주로 관련되어 있었다.
도시 열섬에 의해 유도되는 도시풍과 다른 대기 현상 간 상호작용은 많은 관심의 대상이 되어왔다. 이 연구에서는 도시풍 순환과 대류세포 간 상호작용에 배경바람이 미치는 영향을 탐구하였다. 이를 위해, Weather Research and Forecasting (WRF)-large-eddy simulation (LES) 모형을 이용하여 초기 배경풍속을 0 m s–1부터 5 m s–1까지 0.5 m s–1간격으로 증가시키며 이상화된 앙상블 수치 실험을 수행하였다. 배경풍속이 증가함에 따라 가장 강한 상승기류의 위치는 도시 중심에서부터 도시의 풍하측 경계로 이동하였고, 이는 도시풍 순환과 대류세포 간 상호작용에 나타나는 변화와 관련 있었다. 배경바람이 불지 않는 경우, 도시풍 순환이 상대적으로 강했으며 도시 중심에 위치한 순환 중심에서 강한 상승기류가 형성되었다. 대류세포들은 도시풍에 의해 이류되고 강한 상승기류와 병합되어 이 상승기류를 더욱 강화하였다. 약한 배경바람이 부는 경우, 도시풍 순환이 상대적으로 약했고 그 중심이 도시의 풍하측 경계에 위치하였다. 대류세포들은 도시를 지나며 서로 병합되며 강화되었고 도시의 풍하측 경계를 지난 후에는 도시풍 순환의 풍하측 순환 부분에서 나타나는 큰 연직 시어로 인해 기울어지고 약화되었다. 강한 배경바람이 부는 경우, 도시풍 순환은 아주 약했으며 대류세포들은 거의 배경바람에 의해 이류되었다. 배경바람에 따른 대류 활동의 이같은 변화는 구름이 발달할 가능성이 높은 위치를 변화시킬 수 있다.
도시로 인한 강수 증가 현상은 도시 풍하측 먼 지역에서도 관측되며 이는 배경바람의 역할이 중요함을 시사한다. 이 연구에서는 도시-유도 강수의 시작 및 진행에 배경바람이 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해, WRF-LES 모형을 이용해 초기 배경풍속을 0, 1, 2, 3, 4, 5 m s–1로 증가시키며 이상화된 앙상블 실험을 수행하였다. 배경바람이 불지 않는 경우, 강한 도시풍 순환에 의해 도시 지역에서 더 많은 적운들이 시작되었고 이들은 시골 지역의 적운들보다 더 높게 발달하였다. 먼저 시작된 적운들은 강수를 생성하지 않고 소산되어 대류권 중층을 습윤하게 만들어, 뒤이어 시작되는 적운들이 깊은 대류구름으로 발달해 도시 지역에 집중적인 강수를 생성하도록 도왔다. 배경풍속이 증가함에 따라 도시풍 순환은 약화되었다. 또한, 먼저 시작된 적운들로 인해 생성된 습윤 영역도 지속적으로 풍하측으로 이류되었다. 그 결과, 배경풍속이 증가할수록 강수 시작은 지연되었다. 강수계는 찬공기 풀을 생성하며 풍하측으로 이류되었고, 찬공기 풀의 풍하측 돌풍전선에서 상승기류가 반복적으로 생성되었다. 강수계는 이 상승기류를 공급받아 더 오래 지속되는 조직화된 강수계로 발달하여 도시의 풍하측 지역에 상당한 양의 강수를 생성하였다. 찬공기 풀의 상승기류 공급효과는 중간 세기 배경바람이 부는 경우에 가장 커, 가장 많은 총 강수량과 가장 긴 강수 지속시간을 야기하였다. 강한 배경바람이 부는 경우, 일몰 경에 차가운 시골 공기에 의해 따뜻한 도시 공기가 기계적으로 치올려져 강수가 촉발되었다.
서울 강설의 미세물리적 특성과 기상조건에 따른 미세물리적 특성의 변화를 약 6년 동안의 Parsivel 우적계 관측 자료를 이용해 조사하였다. 눈 입자 크기분포(PSD)는 아래로 볼록한 형태를 보여, 지수분포보다는 감마분포를 통해 더 잘 표현되었다. 강설율에 따른 감마 PSD 매개변수의 변화 양상은 평균 PSD와 1분 PSD에서 서로 달랐다. 서울에서의 부피 가중 평균 지름 Dm은 중국 베이징과 평창에서의 Dm에 비해 강설율에 따라 훨씬 크게 증가하였으며, 이는 서울 강설에 부착 과정이 상대적으로 중요하다는 것을 제시한다. 77%의 서울 강설은 고도 850 hPa에 북서풍이 불 때 발생하였고, 서고동저형 기압배치, 높은 해기차(약 19℃), 얕은(≤ 2.5 km) 강설계와 관련되어 있었다. 이는 서해에서 기원한 해양 효과 강설이 크게 기여함을 제시한다. 0.5 mm h−1부터 1 mm h−1까지의 북서풍 강설 중 850 hPa 기온이 제1사분위수 이하인 경우를 한랭형 강설, 제3사분위수 이상인 경우를 온난형 강설로 분류하여 서로 비교하였다. 온난형 강설에 비해, 한랭형 강설의 경우 PSD 폭이 상대적으로 넓었고 눈 입자가 상대적으로 낮은 결착 정도를 보였다. 한랭형 강설은 더 강한 북서풍과 이로 인한 더 강한 한랭 건조 이류 때문에, 상대적으로 큰 연직 시어, 낮은 정적 안정도, 영하 21~9℃의 낮은 하층 온도, 낮은 하층 습도와 관련되었다. 이는 상대적으로 강한 난류와 나뭇가지형 결정 성장으로 인해 부착 과정이 향상되어 PSD 폭이 증가하였고 상대적으로 낮은 온도에서 약화된 결착 과정으로 인해 눈 입자의 결착 정도가 감소하였을 가능성을 시사한다.
도시와 그 주변에서 나타나는 다양한 국지적 강제력들은 서로 상호작용하여 도시 강수를 야기하는 폭풍을 발달시킬 수 있다. 이 연구에서는, 우리나라 수도권 지역에서의 산발적인 대류성 푹풍 발달에 도시가 미치는 영향을 살펴보고 도시–지형 상호작용의 영향이 이에 어떻게 기여하는지 탐구하였다. 이를 위해, 수도권 지역의 토지 이용도와 지형을 고려한 도시 앙상블 실험과, 수도권 지역에서 도시, 도시 열섬 효과, 도시 거칠기 효과, 지형을 제거한 추가적인 앙상블 실험을 WRF 모형을 이용해 수행하였다. 서울의 강수량은 도시의 영향으로 크게 증가하였으며, 이는 도시 열섬이 찬공기 유출 전선면에서의 온도 경도를 증가시켜 상승기류를 강화함으로써 대류세포들이 강한 폭풍으로 발달하도록 도왔기 때문이다. 도시 열섬에 의해 약한 도시풍이 발달하였지만, 이 강수 사례에서는 강수에 결정적인 역할을 수행하지는 않았다. 한편, 도시 거칠기 효과의 경우 강수량에 미친 영향은 미미하였으나 강수 진행을 약 1시간 지연시켰다. 도시–지형 상호작용의 영향은 서울에서 강한 폭풍이 발달하는데 기여하여 서울 강수량을 증가시켰다. 이는 수도권 동쪽 산에서 발달하는 대류에 의해 유도되는 순환이 서해안 부근에서 해풍에 의한 아침 강수 발달을 억제하여 따뜻한 공기를 보존하였기 때문이다. 보존된 따뜻한 공기는 이후 해풍을 따라 서울로 이동하여 늦은 오후 폭풍 발달을 강화하였다.
덜 조직화된 강수계에 나타나는 도시 효과에 비해, 높은 수준으로 조직화되거나 강한 강제력을 받는 강수계가 도시에 의해 변형되는 것에 대한 이해는 상대적으로 부족하다. 이 연구에서는, 수도권 지역을 통과하는 한랭전선 강수계에 나타나는 도시의 영향을 조사하였다. 이를 위해, 수도권 도시 지역의 일평균 인공열 강도와 시가지 운동량 거칠기 길이를 각각 (0 W m−2, 1 m), (45 W m−2, 2 m), (90 W m−2, 3 m)로 설정한 세개의 도시 앙상블 실험과 도시를 제거한 비도시 앙상블 실험을 WRF 모형으로 수행하였다. 모든 앙상블 실험에서 한랭 전선의 특징과 전선 통과가 관측과 유사하게 재현되었다. 도시의 영향은 서울 후방지역의 강수량을 20~40% 증가시켰으나 강수계의 이동속도에는 거의 변화를 야기하지 않았다. 앙상블 실험 간 비교가 아닌 단일 모의 간 비교에서는 강수 코어의 위치 차이로 인한 강수 차이에 가려져 도시로 인한 강수 증가를 거의 파악할 수 없었다. 서울 후방 지역에서의 강수량 증가는 좁은 한랭 전선 강수밴드의 강수 강도 증가 때문이었다. 이는 도시에서 가열된 따뜻한 공기가 한랭전선과 함께 이동하며 전선대에서의 온도 경도를 줄여, 전선면의 와도를 증가시켜 전선 상승기류가 강화되었기 때문이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With growing urban population and expanding urban areas, the importance of understanding urban precipitation keeps increasing. The impacts of urban areas on the lower atmosphere have been suggested to be one of the influential factors in urban precipitation. In this study, detection of urban effects on precipitation in the Seoul metropolitan area (SMA), South Korea is attempted by analyzing hourly rain gauge data during 2005–2020. Precipitation events are categorized according to 850-hPa wind type, and the precipitation increase from the upwind to downwind regions is examined. The downwind precipitation increase is largest in summer (39%), especially in August (64%). The August precipitation is analyzed in detail. Precipitation statistically significantly increases in Seoul for weak winds and 25–50 km downwind of the center of Seoul for westerly winds, and the precipitation increases are largest in the afternoon. For the precipitation increases, the increases in frequency and intensity of precipitation events are responsible. Short-duration and heavy precipitation events associated with small-sized precipitation systems initiated within the SMA are mainly responsible for the precipitation increases. The downwind precipitation increase also occurs for southwesterly, southerly, and southeasterly winds but is associated with large-sized precipitation systems.
The urban breeze is induced by the urban heat island (UHI), and its interactions with other atmospheric phenomena are of great interest. In this study, impacts of background wind on the interactions between urban breeze circulation (UBC) and convective cells are investigated. For this, idealized ensemble simulations are performed using the Weather Research and Forecasting-large-eddy simulation (WRF-LES) model, where the initial background wind speed varies from 0 to 5 m s–1 in 0.5 m s–1 intervals. As the background wind speed increases, the location of the strongest updraft moves from the urban center to the downwind urban boundary. This is associated with different interactions between the UBC and convective cells under different background wind speeds. For no background wind, the relatively strong UBC is located at the urban center, producing a strong updraft there. Convective cells are advected toward the UBC center and merge with the strong updraft, further intensifying it. For weak background wind, the relatively weak UBC is located near the downwind urban boundary. Convective cells passing the urban area merge with each other and intensify, and after they pass the downwind urban boundary, the strong vertical wind shear in the right part of the UBC tilts and weakens them. For strong background wind, the UBC is very weak and convective cells are advected mainly by the strong background wind. These changes in convective activities with background wind speed may lead to the changes in the preferred location of cloud development.
Urban-enhanced precipitation is often observed far downwind of cities, suggesting important roles of background wind. The impacts of background wind on the initiation and evolution of urban-induced precipitation are examined through idealized ensemble simulations with different initial background wind speeds of 0, 1, 2, 3, 4, and 5 m s−1 using the WRF-LES model. Without background wind, a strong UBC initiates a relatively large number of cumulus clouds in the urban area, which exhibit greater cloud top heights than those in the rural area. The early-initiated clouds do not precipitate but moisten the middle troposphere, assisting later-initiated clouds to develop into deep convective clouds and produce concentrated precipitation in the urban area. As the background wind speed increases, the UBC weakens. Also, the high-humidity area generated by early-initiated clouds is continuously advected away from the urban area. Consequently, the precipitation initiation is delayed as the background wind speed increases. Precipitating clouds are advected downwind and generate a cold pool, and updrafts are repeatedly produced at the downwind boundary of the cold pool. The downwind-advected clouds are fed by the newly produced updrafts, being a long-lived organized precipitation system that produces a considerable amount of precipitation in the downwind area. This feeding effect is most prominent for a moderate background wind (3 m s−1), causing the precipitation amount and duration to be maximized. For stronger background winds, precipitation is initiated by the mechanical lifting of the warm urban air over the cool rural air around sunset.
The microphysical characteristics of snowfall in Seoul and their changes with meteorological conditions are examined using about 6-year observation data from a Parsivel disdrometer. The snow particle size distribution (PSD) exhibits convex-down shapes, being better represented by gamma distributions than exponential distributions. The changes in gamma PSD parameters with snowfall rate differ between the mean PSD and 1-min PSDs. The volume-weighted mean diameter Dm much more rapidly increases with snowfall rate in comparison with Dm in Beijing, China and Pyeongchang, South Korea, suggesting the relative importance of aggregation in Seoul. 77% of snowfall in Seoul occurs when northwesterly blows at the 850-hPa level. This snowfall is associated with west-high/east-low pressure patterns, large air–sea temperature differences (~19°C), and shallow (≤ 2.5 km) precipitation systems, suggesting a large contribution of sea-effect snowfall from the Yellow Sea. The northwesterly-type snowfall with lower temperatures (≤ 25th percentile, COLD) and with higher temperatures (≥ 75th percentile, WARM) at the 850-hPa level is compared in the same intensity range of 0.5–1 mm h−1. Compared with the WARM snowfall, the COLD snowfall has relatively broad PSDs and less-rimed snow particles. The COLD snowfall is associated with relatively large wind shear, small static stability, low temperatures of −21 to −9°C, and low humidity in the lower atmosphere, which is attributed to relatively strong northwesterly resulting in relatively strong cold and dry advection. This implies that enhanced aggregation by stronger turbulence and dendritic growths can contribute to the broader PSDs and that weakened riming for the lower temperatures might be associated with the less-rimed snow particles.
Storms can develop from interactions between various local forcings in and around cities. In this study, urban impacts on a development of scattered convective storms and their interactions with topographic impacts in the SMA are investigated. For this, ensemble simulations with land use map and topography of the SMA and additional sets of ensemble simulations in which the urban area, urban heating, urban drag, or topography in the SMA is removed are conducted using the WRF model. The precipitation amount in Seoul substantially increases by urban impacts. This precipitation increase is mainly attributed to the UHI which helps convective cells develop into strong storms by increasing temperature gradient at the front of cold outflows and enhancing updrafts there. Although weak urban breeze is induced by the UHI, it does not play crucial roles in precipitation for this event. Meanwhile, the urban drag causes marginal changes in precipitation amount but delays precipitation evolution by about 1 hour. The urban–topographic interaction impacts contribute to the development of strong storms in Seoul and increase precipitation in Seoul. This is attributed to the circulation induced by convection over the eastern mountains which suppresses precipitation development near the western coast by sea breeze in the morning and preserves the warm air. The preserved warm air later moves into Seoul along with the sea breeze and invigorates storm development in Seoul in the late afternoon.
Compared with urban impacts on less-organized precipitation systems, urban modification of highly-organized or strongly-forced precipitation systems remains less understood. In this study, urban impacts on a cold-frontal precipitation system passing over the SMA are examined. For this, three sets of urban ensemble simulations with diurnal-mean anthropogenic heat intensities and urban momentum roughness lengths of (0 W m−2, 1 m), (45 W m−2, 2 m), and (90 W m−2, 3 m) and a set of nonurban ensemble simulations are performed using the WRF model. Comparisons with observations show that the characteristics and passage of the cold front are acceptably reproduced in all sets of the ensemble simulations. Precipitation is enhanced by about 20–40% downstorm of Seoul in the urban ensemble simulations, with marginal delays in the movement of the precipitation system. The precipitation enhancement is hard to be discerned by a comparison between a single pair of urban and nonurban simulations, since the urban-induced precipitation enhancement is obscured by strong precipitation anomalies arising from different locations of precipitation cores in individual simulations. The downstorm precipitation enhancement is attributed to precipitation intensity increases in narrow cold-frontal rainband, which results from intensified frontal updrafts due to the increases in cross-frontal vorticity. The warm urban-heated air trailing the cold front after the frontal passage results in the increases in cross-frontal vorticity by decreasing temperature gradient at the frontal zone.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Abstract i
• Contents vi
• List of Figures x
• List of Tables xxxi
• 1 Introduction 1
• 1.1 Observed characteristics of urban precipitation and implied urban effects 1
• 1.2 Urban breeze circulation and convective cells in daytime boundary layer 4
• 1.3 Urban-induced precipitation in and downwind of urban areas 8
• 1.4 Snowfall characteristics in the Seoul metropolitan area 11
• 1.5 Urban impacts on precipitation under complex geographical conditions 15
• 1.6 Urban impacts on highly-organized/strongly-forced precipitation systems 19
• 2 Detection of urban effects on precipitation in the Seoul metropolitan area 23
• 2.1 Data and methods 23
• 2.1.1 Study area 23
• 2.1.2 Data 25
• 2.1.3 Methods 25
• 2.2 Results and discussion 27
• 2.2.1 Seasonal characteristics 27
• 2.2.2 Characteristics of precipitation in August 34
• 2.2.2.1 Analysis of downwind precipitation increase 34
• 2.2.2.2 Characteristics and evolutions of precipitation systems 43
• 3 Impacts of background wind on dry convection in and around urban areas: changes in interactions between urban breeze circulation and convective cells 52
• 3.1 Experimental set-up 52
• 3.2 Results and discussion 54
• 3.2.1 UBC characteristics 54
• 3.2.2 Convective cells in the UBC 63
• 3.2.3 Interactions between the UBC and convective cells 69
• 3.2.4 Sensitivities to urban sensible heat flux and urban size 84
• 4 Impacts of background wind on urban-induced precipitation: roles of urban breeze circulation and cold pool 91
• 4.1 Experimental set-up 91
• 4.2 Results and discussion 93
• 4.2.1 Precipitation characteristics 93
• 4.2.2 Precipitation initiation: urban impacts 98
• 4.2.3 Precipitation system evolution: cold pool impacts 109
• 5 Microphysical characteristics of snowfall in Seoul and their changes with meteorological conditions 116
• 5.1 Datasets 116
• 5.2 Results and discussion 122
• 5.2.1 Snow characteristics 122
• 5.2.2 Changes in snow characteristics with meteorological conditions 130
• 5.2.3 Quantitative relationships between snow parameters 141
• 6 Urban enhancement of scattered convective precipitation systems developing in the Seoul metropolitan area 147
• 6.1 Method 147
• 6.1.1 Datasets 147
• 6.1.2 Case description 147
• 6.1.3 Model description and experimental design 149
• 6.2 Results and discussion 155
• 6.2.1 Convective storm evolution 155
• 6.2.2 Urban impacts on precipitation: UHI and urban drag impacts 163
• 6.2.3 Impacts of urban–topographic interaction on precipitation 174
• 7 Urban modification of a cold frontal precipitation system passing over the Seoul metropolitan area 185
• 7.1 Method 185
• 7.1.1 Case description 185
• 7.1.2 Model description and experimental design 185
• 7.2 Results and discussion 190
• 7.2.1 Model validation 191
• 7.2.2 Urban impacts on precipitation 196
• 7.2.3 Urban impacts on cold-frontal system 203
• 8 Summary and conclusions 214
• References 226
• 초 록 259