Research Article

Journal of the Korean Geographical Society. April 2020. 67-81
https://doi.org/10.22776/kgs.2020.55.2.67


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서론

  • 2. 연구 자료와 방법

  • 3. 푄 현상의 출현 특성

  • 4. 푄 현상의 유형별 특성

  • 5. 강릉-원주 기온차에 대한 고찰

  • 6. 요약 및 결론

1. 서론

산지의 풍하(바람의지)에서 하강으로 인해 기온이 상승하고 건조해진 바람을 푄(föhn or foehn) 바람이라고 한다(WMO, 1992). 원래 푄은 알프스산맥 북사면에서 하강하는 고온 건조한 바람을 지칭하는 용어였으나 현재는 세계 각지의 유사한 바람을 지칭하는 용어가 되었다.

푄과 유사한 바람으로는 로키산맥 동사면의 치누크(Chinook), 미국 캘리포니아의 산타아나(Santa Ana), 크로아티아 달마티아 지방 아드리아 해안의 보라(Bora), 안데스산맥 동쪽 아르헨티나의 존다(Zonda), 칠레 중남부의 푸엘체(Puelche), 우리나라 영서지방의 높새바람 등이 있다. 치누크와 존다는 대류권 전체의 편서풍으로 인해 깊고, 푸엘체, 산타아나와 높새바람은 동풍에 의한 푄 바람으로서 그 상층에 편서풍이 불고 있다(Smith, 2019; Montecinos et al., 2017).

푄 바람의 가열에 관한 이론에는 크게 두 가지가 있다(Quaile, 2001; Würsch and Sprenger, 2015; Miltenberger et al., 2016 등). 풍상(바람받이)의 상승하는 기류에서 나타나는 수증기의 응결로 방출되는 잠열에 의한 가열과 풍하에서의 단열 하강에 의한 기온상승, 풍상에서의 수증기 손실로 인한 건조화는 풍하에서의 고온 건조한 바람이 나타나는 원인을 설명하고 있다. 이러한 과정으로 나타나는 푄을 열역학적 푄(thermodynamic foehn), 혹은 스위스 푄(Swiss foehn)이라고 한다(Würsch and Sprenger, 2015; Miltenberger et al., 2016 등). 이는 비단열적(diabatic, or non-adiabatic) 푄으로서 많은 기후학과 대기과학 교과서에서 제시되고 있다(김연옥, 1987; 이승호, 2007; 윤순옥 등 역, 2019; 안중배 등 역, 2016 등). 다른 하나는 풍상의 하층에 발달한 역전층에 의해 하층 기류는 막히고 상층의 고온이고 건조한 기류가 풍하로 단열적으로 하강하면서 기온이 상승하여 고온 건조한 바람이 나타나는 것이다. 이 이론을 등온위 하강1)(isentropic drawdown, Elvidge and Renfrew, 2016; Miltenberger et al., 2016; Damiens et al., 2018 등) 혹은 역학적 푄(dynamic foehn, Ikawa and Nagasawa, 1989; Mori and Sato, 2014; 淺井富雄, 1996)이라고 한다. 이는 단열적(adiabatic) 푄에 해당한다. 이상의 열역학적 푄과 역학적 푄에서 모두 풍하에서의 단열 하강이 나타나므로 이점에 주목하여 WMO(1992)의 푄 정의가 제시된 것이다.

그밖에 산 정상부에서의 수직혼합으로 인한 하향 현열(느낌열) 플럭스, 단파복사에 의한 풍상측 구름과 풍하측 지표면의 가열, 이로 인한 지표면에서의 상향 현열 플럭스 등에 의한 비단열적 가열이 나타나고 있다(Takane and Kusaka, 2011; Elvidge and Renfrew, 2016).

푄에 관한 연구는 19세기 후반 이후 알프스 산지에서 집중적으로 이루어졌고(Würsch and Sprenger, 2015; Miltenberger et al., 2016 등), 로키산맥 동사면의 치누크에 관한 연구 역사도 깊다(Hoinka, 1985; Oard, 1993; Nkemdirim, 1996; Smith, 2019 등). 그 외에 캘리포니아의 산타아나(Raphael, 2003; Rolinski et al., 2019 등), 아르헨티나의 안데스산맥 동사면에서 부는 존다(Norte, 2015), 칠레 중남부의 푸엘체(Montecinos et al., 2017) 등에 관한 연구도 상당히 활발하다. 알프스 산지의 푄과 로키산맥 동사면의 치누크는 상당히 대조적인 특성을 보인다(Hoinka, 1985; Smith, 2019 등). 즉, 치누크의 최대 풍속은 푄보다 더 크고(Hoinka, 1985), 강풍은 로키산맥에서 20~80km 떨어진 좁은 지역으로 한정되고 있다(Hoinka, 1985; 淺井富雄, 1996 등). 또한 상층 편서풍 아래에서 발달하는 푄과 달리 치누크를 발달시키는 풍하파는 대류권 전체에 걸쳐 나타나고 있다(Smith, 2019 등). 근래에 남극반도에서 푄에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Elvidge et al., 2015; 2016 등). 남극반도에는 높고 길고 넓은 산맥이 있으며 그 양쪽에 균일한 지표면(해양과 빙상)이 분포하고 탁월한 편서풍이 나타나 푄 연구에서는 남극반도가 이상적인 ‘자연 실험실’이 된다(Elvidge et al., 2016).

근래의 푄 연구는 수치실험 자료를 이용하는 경우가 많은데, 특히 고해상도 모델 자료를 이용하여 공기덩어리의 궤적(유적선, trajectory)을 추적하여 푄의 특성을 조사하는 연구가 많다(Elvidge et al., 2015; 2016; Takane et al., 2015; Miltenberger et al., 2016 등). 이들 연구의 결과 풍상에서 강수를 뿌리며(잠열을 방출하면서) 상승한 기류가 정상에서 계속 상승하기도 하고(Miltenberger et al., 2016), 풍상의 하층 공기는 잠열을 방출하면서 상승한 후 풍하에서 하강하고, 풍상의 상층 공기도 풍하에서 단열적으로 하강하여 결과적으로 열역학적 푄과 역학적 푄이 동시에 나타나기도(이를 Takane et al., 2015는 하이브리드 푄이라고 명명함) 하는 등 푄과 연관된 기류가 매우 복잡하다는 것이 밝혀졌다.

우리나라의 경우 영서지방에서 높새 혹은 푄이 잘 나타나고 있으며(이현영, 1994; 최성식 등, 1997; 김유미・김만규, 2013) 영동지방에서는 역학적 푄에 의한 국지 강풍이 보고되고 있다(하현주, 1994; 김정훈・정일웅, 2006). 이혜경(1992)이현영(1994)은 강릉과 원주의 기온차와 습도차, 상층의 풍향 등을 기준으로 푄이 나타난 날을 정하고 푄의 출현 특성과 종관 특성을 조사하였다. 김유미・김만규(2013)이현영(1994)의 기준으로 정한 푄 발생일의 홍천군 일최고기온 분포도를 작성, 좁은 지역에서 푄의 빈도와 강도의 지역차를 조사하였다. 최성식 등(1997)은 일기도의 등압선을 기준으로 영동지방에 북동풍~동풍이 불고 강릉보다 횡성의 기온이 높고 상대습도가 낮은 경우를 높새일로 선정하고 높새현상의 특성을 조사하였다. 최광용(2016)은 한라산 지역에서 열역학적 푄을 정의하고 이의 발생특성, 강한 푄 발생 시의 종관 특성을 조사하였다. 김용상・홍성길(1996)은 늦봄에 영동지방에서 나타나는 고온 건조한 현상을 조사하여, 남서풍이 태백산맥까지 가는 동안 지표면에 의해 가열되고 이후 영동지방에서 단열적으로 하강하여 고온 건조한 기류가 된다는 것을 밝히고 이를 ‘유사 푄’이라고 하였다.

그런데 영서지방의 푄에 관한 연구들은 지상 기상자료와 일기도를 주로 사용하여 푄 발생일의 출현 특성과 종관 특성을 밝혔으나 영서지방의 푄이 열역학적 푄인지 역학적 푄인지에 대해 조사되지 않았다. 이현영(1994)은 강릉과 원주, 최성식 등(1997)은 강릉과 횡성의 기온차이가 가장 큰 사례로서 1993년 5월 29일을 제시하였다. 이 사례에 대해 이현영(1994)은 강릉-원주를 축으로 하는 양사면의 기상 특성을 제시하였고 최성식 등(1997)은 일최고기온 분포도를 지시하여 영동지방과 영서지방 사이에 기온 기울기가 급한 것을 보여주고 있다. 그러나 이들 연구에서는 동서의 기온차가 나타나는 원인에 대한 고찰이 없다. 따라서 이 연구에서는 영서지방의 푄 사례에 대해 먼저 푄의 출현 특성을 살펴보고 고해상도 재분석자료를 이용하여 태백산맥 부근의 기류를 조사, 푄의 유형을 분류하고 그 특성을 밝히고자 한다. 또한 강릉-원주의 기온차가 매우 큰 사례에 대해 기온차의 원인을 살펴보고자 한다,

2. 연구 자료와 방법

이 연구에서 사용된 자료는 최근 24년(1994~2017년)의 3월~8월까지의 기상청 기상자료개방포털에서 제공한 기상자료(일 자료와 시간 자료), 기상청 제공 지상일기도, 850hPa 상층일기도와 일본기상청의 일기도(CD_ROM), NCEP(National Centers for Environmental Prediction)의 기후예측시스템 재분석자료(Climate Forecast System Reanalysis, CFSR; Saha et al., 2010; Saha et al., 2014) 등이다. CFSR은 경위도 0.5도의 공간 해상도를 가지며 본 연구의 분석기간 전체에서는 6시간의 시간 해상도를 가진다. CFSR은 근래에 지표면 부근의 바람 변동성을 조사하는 데에 사용되어(Rahn and Garreau, 2014; Stopa and Cheung, 2014; Yu et al., 2016 등) 그 유용성이 나타났다. 또한 칠레 중부의 관측자료와 CFSR을 비교한 결과(사례수 284 이상) 기온과 습도에서는 큰 상관계수(0.8 이상)가, 동서풍속에서도 상당히 큰 상관계수(0.8, 0.5)2)가 나타나 칠레 중남부와 같이 관측자료가 적은 지역에서는 CFSR이 좋은 대안이 된다(Montecinos et al., 2017).

그림 1은 영서지방과 영동지방의 지형과 관측지점의 위치를 보인다. 이현영(1994)은 푄 발생의 기준으로서 강릉과 원주의 기온차를 제시하였는데, 그림 1에서 보면 수긍이 간다. 동풍이 강릉과 대관령을 넘어간다면 대관령 북부와 북서쪽의 산지가 홍천 방향으로 가는 하층기류를 막을 수 있는 것으로 판단된다. 대관령을 넘은 기류의 일부는 하천을 따라 남서 방향으로 갈 수 있으나 일부 기류는 서진하여 원주 방향으로 갈 수도 있다. 그리고 북동풍이 속초 북쪽에서 분다면 태백산맥의 고갯마루(인제의 북쪽과 북동쪽)를 넘어 인제로 불어 내릴 수 있다고 판단된다.

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그림 1.

영동지방과 영서지방의 지형과 관측지점들

A는 속초(90, 18m), B는 강릉(105, 26m), C는 동해(106, 40m), D는 대관령(100, 773m), E는 인체(211, 200m), F는 홍천(212, 141m), G는 원주(114, 149m)이다. 괄호 안의 첫 번째 숫자는 지점번호이고 두 번째 숫자는 관측 노장의 해발고도이다. 고도 자료 출처는 해상도 100m의 DEM(digital elevation model)이다.

연구방법은 다음과 같다. 먼저 일 자료를 이용하여 강릉과 원주의 기온 차이가 5.0℃ 이상이고(이현영, 1994김유미・김만규, 2013의 기준) 일기도 등을 참고하여 동풍계 바람이 태백산맥을 넘는 경우를 일단 푄 발생일로 선정하였다. 선정된 푄 발생일의 03, 09, 15, 21시(각각 전날의 18UTC, 당해일의 00UTC, 06UTC, 12UTC)에 대해 강릉과 원주의 기온차가 5.0℃ 이상이고 원주의 상대습도가 50% 이하이며, CFSR의 850hPa 등압면에서 동풍계 바람이 태백산맥을 넘는 경우, 그리고 영서지방을 지나는 북위 37.5도(일부 사례에서는 37도)에서 구한 온위의 경도-고도 단면도에서 영서지방의 등온위 하강(Drechsel and Mayr, 2008은 이를 푄의 지문(fungerprint)이라고 함)이 나타난 경우를 푄 사례로 선정하였다. 이렇게 선정된 사례에 대해 강릉과 원주의 기온차, 발생 시각 등의 출현 특성을 살펴보았다.

선정된 푄 사례에 대해 온위의 경도-고도 단면도에서 영동지방의 하층 기류가 상승하면서 태백산맥을 넘는지(그 과정에서 잠열 발생이 나타나는지를 조사), 아니면 영동지방의 하층기류는 산맥을 넘지 못하고 상층기류가 영서지방까지 등온위 하강하는지를 확인하여 푄의 유형을 분류할 수 있다.

그림 2는 북동기류가 탁월한 사례(2011년 5월 29일 06UTC)의 온위, 동서풍-연직속도의 경도-고도 단면도이다. 온위 분포를 보면 동경 129도의 850hPa 부근에서 등온위선이 거의 수직으로 지면에 도달하여 영서지방에서 등온위 하강이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 등온위선이 거의 수직으로 분포한다는 것은 이 지역에 혼합층이 발달하고 있음을 의미한다.

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그림 2.

북동기류가 탁월한 사례(2011년 5월 29일 06UTC)의 37.5N에 대한 온위(단위 K) 동서풍-연직속도의 경도-고도 단면도

연직속도는 30배로 과장되어 있음(상승기류가 단면도에서 위로 향하는 화살표가 되도록 –값을 곱함). 범례의 화살표는 동서풍속일 때는 30ms-1, 연직속도일 때는 –0.3hPa sec-1을 나타낸다.

그림 3은 같은 사례의 시그마(sigma) 0.995면과3) 850hPa면의 바람장과 연직속도 분포도이다. 그림에서 북동풍이 태백산맥을 넘어 영서지방으로 불고 있는 것을 확인할 수 있다. 시그마 0.995면에서 영동지방에서 상승기류가, 영서지방에서 하강기류가 나타나고 있으며 850hPa면에서도 영동지방의 상승기류와 영서지방의 하강기류가 나타나 산지의 영향으로 상승기류와 하강기류가 나타난다고 볼 수 있다. 이는 그림 2의 경도-고도 단면도에서도 나타나고 있다. 그림 2에서 보면 영동의 상승기류는 850hPa면까지는 거의 수직으로 상승하고 그 이상의 고도에서는 동풍 성분이 커지면서 계속 상승하고 있다.

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그림 3.

북동기류가 탁월한 사례(2011년 5월 29일 06UTC)의 시그마 0.995면과 850hPa면의 바람장(ms-1)과 연직속도 분포

연직속도는 50배로 과장되었으며(단위 –0.5hPa sec-1), 실선이 상승기류임. 범례의 화살표는 풍속을 나타낸다(단위 ms-1).

그림 4는 2011년 5월 29일 13시 56분의 MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 영상이다. 영동지방과 함경도 동해안에 발달한 구름이 뚜렷하게 나타나고 있어, 거의 같은 지역에서 상승기류가 나타나고 있는 CFSR의 결과(그림 3)와 일치하고 있다. 이는 영동지방의 상승기류에서 수증기의 응결로 인한 잠열 방출이 나타난다고 할 수 있어 이 사례는 열역학적 푄이라고 판단된다.

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그림 4.

MODIS 영상(2011년 5월 29일 13시 56분)

표 1은 열역학적 푄 사례(2011년 5월 29일 15시)의 영동-영서지방의 주요 관측소의 기상요소이다. 영동지방의 상대습도가 높고 기온이 낮은 반면 영서지방에서는 낮은 상대습도와 높은 기온이 나타난다. 이 사례에서는 영동지방에서 강수가 내리지 않았다. 이는 산 정상부에서 강수가 있었으나 관측소 위치 관계로 기록이 되지 않았는지, 실제로 강수가 없었는지는 알 수 없다. 다만 구름 형성으로 인한 잠열 방출은 있었다고 판단된다.

표 1. 열역학적 푄 사례의 양사면의 기상요소(2011. 5. 29. 15)

관측소 기온(℃) 강수량(mm) 풍속(-1) 풍향 상대습도(%) 해면기압(hPa)
속초(90) 15.6 - 1.4 360 77 1015.5
강릉(105) 15.9 - 1.3 360 79 1014.6
동해(106) 15.5 - 3.7 340 89 1014.2
대관령(100) 13.7 - 2.8 110 80 1012.9
인제(211) 24.2 - 4.6 50 35 1010.4
홍천(212) 27.8 - 2.7 50 23 1009.9
원주(114) 28.0 - 3.1 70 22 1008.9

이 사례처럼 풍상에서 상승기류가, 풍하에서 하강기류와 등온위 하강이 나타나며, 풍상에서 강수가 내리거나 경도-고도 단면도에서 상승기류에서 비습이 감소하는4) 등 잠열 방출이 있는 경우를 열역학적 푄이라고 판정하였다.

그림 5는 1999년 4월 25일 21시의 온위, 동서풍-연직속도의 경도-고도 단면도이다. 영서지방의 등온위 하강이 잘 나타나고 있다. 다만 그림 2에서 제시된 15시의 사례에서는 등온위 하강이 시작되는 고도가 높고 등온위선이 거의 수직으로 나타나는데 비해 그림 5의 사례에서는 등온위 하강의 시작 고도가 낮고 등온위선이 수직선에서 45도 정도의 각도를 이루며 완만하게 하강하고 있다. 동해의 925hPa 이하 하층에서 동풍으로 불고 있는 기류가 태백산지 부근에서 산지를 넘지 못하고 하강하고 있으며 그 상층의 기류가 산맥을 넘어 영서지방으로 하강하고 있다.

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그림 5.

1999년 4월 25일 12UTC의 37.5N에 대한 온위 동서풍-연직속도의 경도-고도 단면도

그림 설명은 그림 2참조.

그림 6은 1999년 4월 25일 12UTC의 시그마 0.995면과 850hPa면의 바람장과 연직속도 분포도이다. 850hPa면에서는 북동풍이 태백산맥을 남고 있으나 시그마 0.995면에서는 영동지방에서 대체로 산맥과 평행하게 북풍이 불고 있으며 영동지방과 영서지방에 하강기류가 탁월하게 나타난다. 이런 사실로 보아 이 사례는 역학적 푄이라고 판단된다.

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그림 6.

1999년 4월 25일 12UTC의 시그마 0.995면과 850hPa면의 바람장과 연직속도 분포

그림 설명은 그림 3참조.

표 2는 역학적 푄 사례의 태백산맥 양사면 관측소의 기상요소이다. 영동지방에서 상대습도가 높고 기온이 낮으며 영서지방에서 기온이 높고 상대습도가 낮게 나타난다. 다만 열역학적 푄 사례에 비해(표 1 참조) 영서지방의 상대습도가 비교적 높게 나타난다. 강수량은 양사면 공히 나타나지 않는다.

표 2. 역학적 푄 사례의 양사면의 기상요소(1999. 4. 25. 21)

관측소 기온(℃) 강수량(mm) 풍속(ms-1) 풍향 상대습도(%) 해면기압(hPa)
속초(90) 12.2 - 1.0 360 84 1019.3
강릉(105) 12.7 - 1.0 360 82 1020.2
동해(106) 11.9 - 2.0 50 92 1018.9
대관령(100) 9.3 - 0.7 90 72 1019.8
인제(211) 16.7 - 3.2 20 43 1018.5
홍천(212) 17.9 - 2.6 90 33 1017.5
원주(114) 21.9 - 1.0 90 42 1014.4

위 사례처럼 풍하에서 등온위 하강이 나타나며, 풍상에서 하층 기류가 산맥을 넘지 못하고 상층 기류가 풍하까지 하강하는 경우를 역학적 푄이라고 판정하였다. 이 경우 풍상에서 강수가 나타나지 않거나 잠열 방출이 나타나지 않는 것을 확인하였다.

3. 푄 현상의 출현 특성

강릉-원주의 기온차, 850hPa 면에서의 풍계, 경도-고도 단면도에서의 기류 등을 기준으로 선정한 푄 현상은 124 사례였다. 연 평균으로 보면 1년에 5 사례 정도이나 같은 날 2~3 사례가 나타날 수도 있으므로 일수로 보면 더 적다. 이현영(1994)의 연구에서 제시한 연 평균 푄 발생일 26회는 물론 김유미・김만규(2013)의 연구(3~6월에 대해 조사함)에서 제시한 연 평균 8.5일에 비해서도 낮게 나타났다. 이는 이 연구에서 고해상도의 CFSR로 기류가 태백산맥을 넘는지 그리고 풍하에서 등온위 하강을 하는지 등을 푄의 기준으로 정하여 위의 연구들보다 엄격한 기준을 적용하였기 때문이다. 월별로 보면 4월에 30 사례, 5월에 41 사례, 6월에 44 사례, 7월에 3 사례, 8월에 6 사례로 대부분이 4, 5, 6월에 나타났다. 이현영(1994)의 연구에서는 푄 발생빈도를 반순별로 제시하여 이 연구와 직접 비교하기는 어려우나 6월에 가장 많이 나타난 점은 동일하다. 이현영(1994)의 연구에서는 3월에도 푄이 발생하였으나 이 연구에서는 3월에 나타나지 않았다.

그림 7은 푄 사례에 대해 강릉-원주 기온차의 빈도 분포도이다. 기온차는 최대 16.8℃(2016. 4. 26. 15시)에 달하여 이현영(1994)의 15.4℃(1993. 5. 29)5)보다 컸다. 기온차의 분포 양상을 보면 뚜렷한 2개의 극대값과 극소값이 나타나며 극소값을 기준으로 사례들을 3개의 그룹으로 분류할 수 있다. 즉, 기온차 7.0~7.4℃, 10.0~10.4℃ 구간을 중심으로 3개의 그룹(A, B, C)이 나타난다. A 그룹에 44 사례(전체의 35.5%)가 속하며 B 그룹에는 55 사례(44.4%), C 그룹에는 25 사례(20.2%)가 속한다. 이현영(1994)에서는 사례의 분류에서 약간 차이가 있으나 대체로 이 연구의 A 그룹에 해당하는 기온차 7.5℃ 이하인 그룹이 전체의 61%를, 대체로 이 연구의 B 그룹에 해당하는 기온차 7.6~10.0℃인 그룹이 전체의 26%를 차지하고 기타가 13%를 차지하였다. 이현영(1994)의 결과에 비해 이 연구의 A 그룹은 감소하고 B, C 그룹은 증가하였다. 이현영(1994)에서는 일최고 기온을 사용한 반면 이 연구에서는 해당 시각의 기온을 사용하였는데, 이런 차이를 포함하여 더 상세한 분석이 필요할 것으로 보인다. 그리고 이 그룹들의 물리적 특성을 조사하는 것도 의미가 있을 것이다.

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그림 7.

푄 사례에서의 강릉-원주 기온차의 빈도분포

계급 구간을 0.5℃ 간격으로 구분하고 계급의 중앙값을 표시함. 빈도 극소값을 기준으로 3개의 그룹(A, B, C)으로 분류됨.

영서지방에서 푄 현상이 나타나는 시각을 보면(표 3) 15시가 가장 많고(73사례로 58.9%), 21시 (35사례, 28.2%), 9시(16사례, 12.9%)의 순으로 나타났고 3시에는 푄 현상이 나타나지 않았다. 이 시각에 강릉과 원주의 기온차가 5℃ 이하인 것을 의미하지만, 이것이 푄이 발생하지 않은 것을 의미하지는 않는다. 그러므로 이 부분은 더 조사할 필요가 있다고 판단된다.

표 3. 영서지방 푄 발생 시각별 강릉-원주 기온차의 통계특성

시각 사례수(백분율) 평균 표준편차
3시 0(0%) - -
9시 16(12.9%) 6.28 1.60
15시 73(58.9%) 9.52 2.37
21시 35(28.2%) 7.25 1.34

강릉과 원주의 기온차는 15시에 평균 9.52℃로 가장 크고 21시 7.25℃, 9시의 6.28℃로 감소한다(표 3). 기온차의 표준편차도 15시에 가장 크다. 또한 강릉과 원주의 기온차가 큰 순서대로 나열할 경우 상위 10%(12개 사례)에 속하는 사례들은 모두 15시에 발생하였고 상위 20%(25개 사례)는 15시 사례가 전체의 96%를 차지하였다. 또한 상위 20%는 기온차 10.5℃ 이상이어서 그림 7의 C그룹에 속한다. 상위 30%(37개 사례)의 경우에도 15시의 사례가 89.2%를 차지하고 9시, 21시의 사례는 같이 5.4%를 차지한다. 그러므로 강릉-원주의 큰 기온차에는 낮의 가열이 관련되어 있다고 판단된다.

4. 푄 현상의 유형별 특성

CFSR 자료를 이용하여 선정된 124사례의 푄 현상의 유형을 분류한 결과(표 4) 열역학적 푄이 111사례(전체의 89.5%), 역학적 푄이 13사례(10.5%)였다. 각 유형별 강릉-원주 기온차의 평균을 보면 열역학적 푄의 경우가 8.6℃로 역학적 푄이 경우보다 더 컸다. 또한 기온차의 표쥰편차도 열역학적 푄의 경우가 더 컸는데, 기온차의 하한이 5.0℃로 같으므로 열역학적 푄의 경우 기온차가 큰 사례가 상대적으로 더 많았음을 의미한다. 강릉-원주 기온차가 큰 순서로 나열할 경우 상위 20%(25 사례)는 가장 작은 사례 1개가 역학적 푄이고 나머지는 열역학적 푄 사례였다.

표 4. 푄의 유형별 사례수와 강릉-원주 기온차의 통계 특성

유형 사례수(백분율) 평균 표준편차
열역학적 푄 111(89.5%) 8.6 2.47
역학적 푄 13(10.5%) 7.6 1.63

열역학적 푄의 경우 영동지방의 4개 관측소에서 강수가 없는 경우가 89 사례로 80.2%를 차지하였고 대관령과 해안지대에 강수가 나타난 경우가 14 사례(12.6%), 대관령에만 강수가 있는 사례가 6 사례(5.4%)로 나타났다. 역학적 푄의 경우에는 모든 사례에서 풍상에서 강수가 나타나지 않았다. 열역학적 푄에서 하층에 북동풍이 부는 경우가 53 사례(47.7%), 동풍이 부는 경우가 57 사계(51.4%), 남동풍이 분 경우가 1 사례였다. 북동풍이 분 경우에 영동강수 사례가 12 사례(22.6%), 대관령 강수가 4 사례(7.5%)로 나타나 하층 동풍의 경우보다 강수 사례가 많았다. 그러나 이현영(1994)의 연구에서 풍상, 풍상과 정상 강수형이 54%로 나타나 이 연구 결과와 차이가 많이 나타났다. 이현영(1994)에서는 일강수량 자료를 사용한 반면 이 연구에서는 시간 강수량6)을 사용하였으므로 강수 사례가 적을 수 있으나 두 연구의 강수 사례 비율 차이를 설명할 수 있는 것은 아니다. 이는 자동기상관측망(AWS)의 자료를 사용하여 상세하게 살펴볼 필요가 있다.

5. 강릉-원주 기온차에 대한 고찰

기류가 산맥을 넘어갈 때에 푄 현상이 나타날 수 있는데, 열역학적 푄과 역학적 푄에 의한 기온 상승 외에도 다양한 가열 요인이 존재할 수 있음을 앞에서 언급하였다. 작은 규모의 비단열 과정에 의한 가열 요인은 공간 해상도 약 50km(경도 0.5도)의 CFSR로 밝히는 것은 어렵다. 그러나 국지적인 지표면 가열에 의한 혼합층 발달이 푄 시작의 필요조건이라는 연구 결과도 있다(Takane et al., 2015; Mayr and Armi, 2010 등). 풍하 지역에서의 혼합층 발달로 풍하 지역의 온위가 커져서 산지의 기류가 풍하에서 지표면 부근까지 하강할 수 있다는 것이다.

이 연구에서 선정한 15시 푄 사례들에 대하여 온위의 경도-고도 단면도를 살펴보니 모든 사례에서 등온위선이 거의 수직으로 나타나(그림 2 참조) 영서지방에 혼합층이 발달하고 있음을 알 수 있다. 이는 풍하 사면에서의 가열이 중요한 역할을 한 것으로 보인다. 그리고 03시의 푄 사례가 나타나지 않았다는 사실을 고려하면 한낮의 지표면 가열이 푄의 발생에 기여하는 바가 있다고 판단되다.

원주의 가열이 강릉-원주의 기온차를 크게 하는 데에 기여한다. 원주 관측소는 분지이며 도시에 위치하여(그림 1 참조) 낮에 분지에서의 국지 가열과 도시에 의한 가열이 나타날 것으로 예측된다.

2016년 4월 26일 15시 사례의 강릉-원주 기온차가 16.8℃로 본 연구에서 가장 크다(표 5). 영서지방의 기온을 보면 원주와 홍천에서 높고 인제에서 매우 낮다. 또한 동해와 인제의 풍속이 커서 흥미를 자아낸다.

표 5. 강릉-원주 기온차가 가장 큰 사례(2016. 4. 26. 15)의 양사면의 기상요소

관측소 기온(℃) 강수량(mm) 풍속(ms-1) 풍향 상대습도(%) 해면기압(hPa)
속초(90) 10.8 - 4.3 360 81 1020.4
강릉(105) 12.4 - 4.1 70 71 1019.9
동해(106) 12.8 - 10.6 360 80 1018.2
대관령(100) 12.0 - 4.8 90 68 1017.2
인제(211) 20.3 - 5.6 20 30 1015.2
홍천(212) 28.6 - 3.7 70 19 1011.8
원주(114) 29.2 - 1.2 180 16 1010.7

그림 8은 이 사례의 시그마 0.995면과 850hPa면의 바람장과 연직속도 분포도이다. 지표면 부근에서 북동풍이 속초 부근에서 산맥을 넘어가는 것, 산맥 부근에서 상승기류가 잘 나타나고 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 상황은 900hPa면에서도 나타나고 있다(그림 생략). 850hPa면에서는 남동풍이 영서지방까지 불고 있으며 포항 북쪽 해안에서 상승기류가, 그 서쪽 내륙에서 하강기류가, 소백산맥을 넘은 직후인 충주-단양 부근에서 상승기류가 나타나 산맥의 영향을 엿볼 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/geo/2020-055-02/N013550201/images/geo_55_02_01_F8.jpg
그림 8.

2016년 4월 26일 06Z의 시그마 0.995면과 850hPa면의 바람장과 연직속도 분포

그림 설명은 그림 3 참조.

그림 9는 2016년 4월 26일의 영동해안(강릉, 속초)과 영서지방(원주, 인제)의 기온 일변화와 양 지역의 기온차를 보인다. 속초에서는 9시 이후에, 강릉에서는 10시 이후에 기온이 지속적으로 하강하고 있고 원주와 인제에서는 오후 1시 혹은 2시까지 기온이 상승하여 동서의 기온차가 매우 커졌다. 그런데 원주의 기온은 6시 이후 비슷한 속도로 기온 상승이 일어나고 있으나 인제의 경우 6시에서 9시까지는 급격한 기온 상승이 나타났다가 이후 상승 속도가 낮아지고 있다. 인제에서도 상대습도가 낮아서 푄이 발생하고 있다고 볼 수 있으나 인제 북동쪽의 산지 고도가 상대적으로 낮아서(그림 1 참조) 기온 상승 효과가 적은 것이라고 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/geo/2020-055-02/N013550201/images/geo_55_02_01_F9.jpg
그림 9.

2016년 4월 26일의 (a)강릉과 원주, (b)속초와 인제 기온의 일변화와 양 지역의 기온차

그림 10은 시그마 0.995면의 기온 분포도이다. 영동 해안에서 함경도 해안까지 12℃ 이하의 지역이 나타나고 있어 찬 공기가 이 지역에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 인제(38° 03´N, 128° 10´E)의 북동쪽으로 등치선이 조밀한 부분이 있어 이 부근에서 찬공기가 태백산멕을 넘어 인제 부근에 영향을 미치는 것으로 보인다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/geo/2020-055-02/N013550201/images/geo_55_02_01_F10.jpg
그림 10.

2016년 4월 26일 15시의 시그마 0.995면의 기온(℃) 분포

강릉-원주의 기온차가 큰 순서에서 상위 10%(12 사례)에서 하층 북동풍이 분 경우는 8 사례(66.7%)였다. 이 사례들에서 강릉의 기온 일변화를 살펴보면 오전 이후 기온이 계속 하강한 경우 3 사례, 낮의 기온 변화가 2~3℃ 정도로 매우 적은 경우가 5 사례였다. 즉 이들 사례에서는 낮에 하층 북동풍으로 인해 기온이 하강하거나 기온 상승이 억제되고 있었다. 하층에서 동풍이 분 4 사례를 살펴본 결과 낮의 기온 변화가 2.6~5.2℃로 하층 북동풍의 경우보다 약간 더 컸으나 하층 동풍에 의해 낮의 기온 상승이 억제되고 있었다.

이상으로 강릉-원주 기온차가 매우 큰 사례에서는 원주 기온이 푄 현상에 의한 가열과 국지 가열로 낮에 상승하는 반면 강릉의 기온은 하층의 북동풍~동풍으로 인해 하강하거나 상승이 억제되어 있어서 강릉과 원주의 기온차가 매우 커졌다.

그림 11은 2016년 4월 26일의 인제, 속초, 동해의 풍속 일변화를 보인다. 인제의 풍속은 9시에 5.6ms-1에 달한 후 18시까지 비슷한 풍속을 보인다. 속초의 풍속은 10시에 7.8ms-1에 이른 후 점차 약지며 동해에서는 12시에서 15시까지 10ms-1 전후의 강풍이 나타난다. 속초와 동해에서 강풍이 나타나는 이유를 조사하는 것은 의미가 있을 것이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/geo/2020-055-02/N013550201/images/geo_55_02_01_F11.jpg
그림 11.

2016년 4월 26일 인제, 속초, 동해의 풍속 일변화

6. 요약 및 결론

영서지방의 푄에 관한 연구들에서 제시된 강릉-원주 기온차가 큰 사례에서 어떻게 이러한 기온차가 나타날 수 있는지에 대한 의문에서 이 연구가 시작되었다. 이 연구는 최근 24년(1994~2017년)의 3~8월의 지상자료, 일기도, 6시간 간격의 NCEP 기후예측시스템 재분석자료(CFSR)를 이용하여 영서지방의 푄 사례를 선정하고 이의 출현 특성, 푄 유형을 분류하고 그 특성을 살펴보았다. 그리고 강릉-원주 기온차가 가장 큰 사례에 대해 조사하였다. 얻어진 결과들은 다음과 같다.

선정된 영서지방의 푄은 124 사례였다. 강릉과 원주의 기온차를 기준으로 출현빈도를 살펴보니 3개의 그룹으로 분류할 수 있었고 이중 기온차가 큰 그룹(기온차 10.5℃ 이상)는 주로 오후 3시에 출현하였다. 또한 오전 3시에는 푄 사례가 나타나지 않았으며 오후 3시에 출현한 푄 사례의 강릉-원주 기온차는 다른 시각에 나타난 푄 사례보다 평균 기온차가 컸다. 이로 미루어 영서지방의 푄 사례에서 오후의 국지 가열은 강릉-원주의 큰 기온차에 기여하고 있다고 판단된다.

영서지방의 푄은 주로 열역학적 푄(전체의 89.5%)으로 나타났고 역학적 푄(10.5%)이 소수 나타났다. 열역학적 푄에서 강릉-원주의 평균 기온차가 더 컸고 기온차의 표준편차도 더 컸다. 열역학적 푄의 경우 영동지방과 산 정상부에서의 강수 사례가 적어서(약 18%) 이에 대해 상세한 조사가 필요할 것으로 보인다.

강릉과 원주의 기온차가 가장 큰 사례(2016년 4월 26일 1시)를 살펴본 결과 하층의 북동풍이 영동 해안의 기온을 하강시키고 푄 바람이 영서지방의 기온을 상승시켜 동서의 기온차가 커졌음을 알 수 있다. 또한 인제 북동부의 산지가 비교적 낮아서 푄 효과가 작아 인제의 기온이 원주에 비해 매우 낮았음을 알 수 있다.

이상의 결과에서 영서지방의 푄은 주로 열역학적 푄이며 역학적 푄은 적게 나타났다. 강릉-원주의 기온차는 영서지방의 푄에 의한 가열 외에 영서지방의 국지 가열, 하층 북동풍~동풍에 의한 영동지방의 냉각 혹은 기온 상승의 억제 등이 관련되어 있다.

영서지방에 푄 현상이 나타날 때 기온은 상승하고 습도는 낮아지므로 농업에는 불리하게 작용할 것으로 보인다. 또한 산불이 발생하였을 때에도 산불 확산에 기여하는 바가 있을 것으로 보인다. 다만, 영서지방에서 푄 현상이 나타날 때 강풍이 분다는 보고가 없으므로 미국 캘리포니아의 산타아나 바람에 의한 산불 확산과 같은 영향은 적을 것이라고 보인다. 그리고 영서지방의 푄 바람은 공기가 깨끗한 동해에서 불어오므로 원주와 같은 도시의 대기 오염을 약화시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구에서는 영서지방의 푄 유형별 일반화된 패턴을 조사하지 못하였는데 이는 차후의 연구에서 보완할 필요가 있다. 또한 해상도 약 50km의 CFSR을 이용하여 과감하게 푄의 유형을 분류하였는데, 공간과 시간 해상도(6시간)의 한계로 인하여 기류가 구체적으로 어떻게 태백산맥을 넘는지를 확인할 수 없었다. 3-8월 이외의 계절에서도 영서지방에 푄이 나타날 수 있으므로 모든 계절을 대상으로 한 연구도 필요할 것이다. 이들은 차후의 과제로 남긴다.

푄에 관한 이현영(1994)의 기준을 이 연구에서는 이용하였으나 이 기준은 일 평균 자료에 대한 것이다. 지상 관측소의 시간 자료를 이용할 경우 이 기준을 그대로 적용하는 것이 타당한지 검토할 필요가 있다. 지상 자료를 이용하여 푄을 그 판정 기준으로 객관적으로 구분하는 연구는 Drechsel and Mayr(2008)Plavcan et al.(2014) 등이 있다. 영서지방의 푄에 대해서도 지상 관측소의 시간 자료를 이용하여 푄 기간을 구분할 필요가 있다. 푄의 연구자들이 동일한 지상 자료를 이용하여 푄을 구분한 결과(Mayr et al., 2018) 푄의 시작과 끝 부분에서 상당한 차이를 보이고 있었으며 객관적 구분에서도 오차가 큰 경우가 나타나고 있었다.

1) 온위는 건조 단열변화에서 보존되므로 기류의 온위가 같다면(등온위) 이 기류가 건조 단열변화로 이동하였음을 의미한다. 일반적으로 기류의 하강에서는 건조 단열변화 대신 단순하게 단열변화를 쓴다.

2) 사례수가 큰 경우(N=284) 상관계수 0.3에서도 유의확률이 0.000이 된다.

3) 시그마 좌표계는 지표면 기압을 1, 대기 상단 기압을 0으로 놓고 그 사이는 지면기압과 대기상단 기압 차이에 비례한 값을 연직 좌표값으로 하는 좌표계이다. 그러므로 시그마 1.0면은 지표면을, 시그마 0.5면은 대체로 지면기압의 0.5배에 해당하는 면을 나타낸다. 시그마 0.995는 지표면 기압의 0.995배에 해당하는 고도이다. 지면 기압이 1000hPa이라면 시그마 0.995는 995hPa가 되는데, 지표면 부근에서는 1hPa의 기압 차이가 대체로 8m에 해당하므로 시그마 0.995는 지표면에서 약 40m 고도에 위치한다.

4) 비습은 단열과정에서 보존되는 양이므로 상승기류에서 비습이 감소하였다는 것은 수증기가 응결하여 그 함량이 줄었다는 것을 의미한다. 또한 상승기류에서의 온위 증가도 잠열 방출의 증거가 된다.

5) 이 사례가 이 연구에 포함된다면 상위 세 번째에 해당한다.

6) 속초, 강릉, 동해의 자료는 모두 1시간 강수량 자료였고, 대관령의 경우 1994년부터 2000년까지 4월 자료가 3시간 강수량이며 그 외는 1시간 강수량 자료였다.

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