집중호우와 연관된 산악 효과에 대한 수치적 연구 = (A) numerical study of the orographic effects associated with a heavy rainfall event

국문 초록 (Abstract)

1998년 7월 31일-8월 1일의 이틀에 걸쳐 지리산 지역에서 발생한 집중호우는 이 당시의 종관적 관측이나 분석으로는 예측하기 힘든 악기상으로, 단시간에 국지적으로 발생하여 막대한 재산과 인명 피해를 초래하였다. 지리산은 남한에서 가장 높은 산(해발고도 1915m)으로 복잡한 지형을 갖고 있으며, 남해상으로부터 수십km 밖에 떨어져 있지 않아 하층에서 열과 수분의 지속적인 공급과 이로 인한 대류 불안정으로 국지성 호우가 발생할 수 있는 좋은 조건을 가지고 있다.
이 연구에서는 집중호우와 관련된 산악의 효과를 관측자료 분석과 수치 모사를 통하여 고찰하였다. 관측자료의 분석은 종관 일기도, 위성사진, 레이다 관측 자료 및 기상관측소와 자동관측망(Automatic Weather System, AWS)의 강수량 자료에 대하여 수행하였다. 자동관측망 자료에 나타난 강수량은 이 기간(48시간) 동안에 지리산의 풍상측에서 풍하측보다 60mm 정도가 많은 약 300mm를 나타내었고, 산의 풍하측에서는 2차 강수가 발생하였다. 비가 본격적으로 내리기 시작한 7월 31일 1400UTC부터 1500UTC의 레이다 자료를 분석한 결과, 뇌우가 지리산의 전면에서 북동과 남서 방향으로 길게 늘어지면서 정체되는 양상을 나타냈다.
집중호우에 미치는 산악의 효과를 이해하기 위하여 2차원 수치 모사를 수행하였다. 수치 실험은 세 가지 경우에 대하여 수행되었는데, 첫 번째는 산악파의 구조를 이해하기 위한 건조 수치 실험이며 두 번째는 관측된 고층 sounding을 이용한 습윤 수치 실험, 그리고 세 번째는 이미 발달하여 풍상측으로 접근하고 있던 대류계를 표현하는 비단열 강제력을 포함시킨 습윤 수치 실험이다. 세 실험에서 모두 주어진 바람과 온도 sounding하에서 산악의 높이를 변화시키면서 Froude 수를 다르게 한 세 경우에 대해서 수행하였다. 건조 수치 실험에서는 전형적인 산악 중력파의 특징을 보였으며, 산이 가장 높은 실험의 경우에 파쇄 현상(wave breaking)을 동반한 hydraulic jump가 발생하였다. 습윤 수치 실험에서는 건조 대기에서의 실험과 비슷한 양상을 보였지만, 대체로 파의 구조나 크기가 크게 감쇄된 모습을 나타냈다. 이 경우에도 건조 대기의 실험에서보다 크기는 작았지만 산이 가장 높은 경우에 풍하측 아래에서 파쇄 현상이나 hydraulic jump가 발생하였고 이것으로 유도된 상숭 운동이 구름을 생성하였다. 산의 풍상측이나 상층의 연직 상승 운동이 있는 지역에서도 구름이 발달함을 보였다. 초기 시간으로부터 20분 동안 비단열 강제를 주어 대류를 생성하여 산으로 이류하도록 한 실험에서는 Froude 수가 작을수록 강수가 많이 발생하고 최대 강수율의 지점이 산의 중심으로 조금씩 접근하였으며, hydraulic jump를 동반하는 파쇄 현상이 발생하였다. 풍하측에서 나타난 2차 강수 또한 산이 가장 높은 경우 그 강도가 강하였다. 세 실험 공통적으로 풍하측 사면에서 강한 하강역의 존재로 인한 구름 유지 및 발생이 어려워 강수량이 줄어드는 지역이 발생하였다.
이 연구는 2차원 실험이기 때문에, 지리산에서 집중호우를 일으킨 제반의 현상과 요인을 다루는 데 한계가 있었다. 풍하측에서 생기는 2차 강수는 관측의 결과와도 잘 일치하였지만, 앞으로 3차원의 수치 실험을 통한 좀 더 현실적인 연구가 필요한 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A heavy rainfall event occurred near the Jiri mountain during 31 July-1 August 1998 was a severe weather that is difficult to predict by synoptic observations and analyses. The heavy precipitation caused a lot of casualties and great damages of property. The Jiri mountain is the highest one (the altitude above the sea is 1915m) in South Korea and provides favorable conditions for a heavy rainfall because the heat and moisture flux from the southern sea induce convective instability near this area.
In this study, the orographic effects associated with a heavy rainfall was investigated by observational data analysis and numerical model simulations. The analysed data were synoptic weather charts, satellite images, radar images, and surface precipitation by meteorological observation sites and AWS(Automatic Weather System).
The observed rainfall data revealed that the rainfall maximum of about 300 mm was in the upstream of the Jiri mountain, while the secondary precipitation maximum of 240 mm occurred in the downstream of the Jiri mountain. Between 14 UTC and 15 UTC 31 July the result of radar observation showed that the storm band was located in front of the Jiri mountain in a direction from the south-west to the north-east and became stationary.
Numerical model simulations of two-dimensions were conducted in order to understand the orographic effects on a heavy rainfall as follows. One is a dry model simulation to understand the structure of mountain waves. The other is a moist model simulation using a observed single sounding. The third is a moist model simulation to include a diabatic forcing in order to express developed convective system moving to the mountain. All experiment were conducted for three cases of different Froude numbers, respectively.
In the dry simulation, the typical features of vertically propagating mountain gravity waves were simulated well and the hydraulic jump related to the wave breaking was generated in case of experiment with the highest mountain. The result of the moist simulation without the diabatic heat forcing showed that the magnitude of waves was lessoned, compared to that of the dry simulation. There were also the wave breaking and the hydraulic jump for the highest mountain simulation which were weaker than those of the dry simulation. Vertical motions induced by these effects produced low-level clouds in the downstream and also generated clouds in the upslope and the high-level region. In the moist simulation with the diabatic forcing, as the Froude number becomes smaller, the total rainfall increases highly and the position of the maximum precipitation rate is closer to the mountain crest. For the experiment with the smallest Froude number, the second maximum rainfall occurred in the downslope of the mountain. There also existed the region of low precipitation amount by the difficulties of the generation or the maintenance of clouds due to downward motions for all experiments.
There was a limitation in dealing with all phenomena and causes which produced a heavy rainfall in the upslope because this study is based on the two-dimensional simulations. The generation of the second maximum rainfall in the downslope was consistent with the result of observations but there will be a need to conduct practical simulations of three-dimensions in the future.

목차 (Table of Contents)

• 감사의 글 = i
• 차례 = iv
• 그림 차례 = v
• 표 차례 = viii
• 국문 요약 = ix
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 사례 = 5
• 제3장 수치 모형 = 21
• 3.1 빙정 미시물리 과정 = 21
• 3.1.1 빗물 생성항 = 23
• 3.1.1.1 자동전환 = 23
• 3.1.1.2 결착 = 25
• 3.1.1.3 증발 = 26
• 제4장 실험 및 결과 = 27
• 4.1 실험 설계 = 27
• 4.2 실험 결과 = 32
• 4.2.1 건조 수치 실험과 비단열 강제력이 배제된 습윤 수치 실험 결과의 비교 = 32
• 4.2.2 비단열 강제력이 포함된 산의 높이에 대한 실험 결과 = 38
• 제5장 결론 및 토의 = 68
• 참고 문헌 = 71
• Abstract = 75