제주학 아카이브

I. 제목

이어도 기지를 활용한 한반도 상륙 태풍 특성조사 및 예측 연구

II. 연구개발의 목적 및 필요성

1. 연구개발 최종목표

ㅇ 이어도 기지에서 관측된 해양 및 대기 자료를 이용한 한반도 상륙 태풍 특성 조사 및 태풍 예측 기술 향상.

III. 연구개발 내용 및 범위

ㅇ 이어도 기지를 통과한 태풍에 대한 기상 관측자료(바람, 기온, 기압 등)와 해양 관측자료(수온, 해수면, 해류 등) 분석

ㅇ 이어도 해양/기상 자료와 한반도 상륙 태풍강도 변화의 연관성 분석

ㅇ 지난 55년간 RSMC, JTWC 태풍자료 및 전구재분석자료를 이용한 한반도 상륙 태풍 강도/진로 분석 및 해양/기상 환경과의 연관성 조사

ㅇ 이어도 주변 여름철 태풍 경로 상의 해양환경 조사: 연안관측 수온 및 염분 자료 분석

ㅇ 기후변화에 따른 한반도 상륙 태풍특성 분석

ㅇ 이어도 기지 해양대기 관측 자료의 검·보증 및 수치모델 결과와 비교

ㅇ 이어도 기지에서 관측된 태풍 통과 시 해양의 반응을 조사하여 TMI 위성자료와 ARGO float의 연직 수온 자료와 비교

ㅇ 수치모델을 이용한 태풍 에위니아 통과 시 해양의 수온 변화 조사

ㅇ 태풍 강도에 영향을 주는 황해 저층 냉수 조사 : 미해군 자료동화 자료와 한국해양 자료센터 자료 분석

ㅇ ROMS 모델을 이용한 이어도 기지 통과 태풍에 대한 해양반응 조사 및 모델검증

ㅇ WRF모델을 이용한 이어도 기지 통과 태풍의 해양-대기 상호작용 연구 및 모델검증

ㅇ 이어도 기지 자료를 활용한 태풍-해양 접합모델 초기조건 개선

ㅇ 이어도 기지 자료를 활용한 태풍-해양 접합모델 검증

ㅇ 이어도 기지의 층별 수온 및 염분 관측자료 분석

IV. 연구개발 결과

1. 이어도 기지자료에서 관측된 과거 태풍 자료 분석 및 한반도 상륙 태풍 특성 조사

ㅇ 이어도 과학기지를 활용하여 한반도에 상륙한 태풍의 특성을 조사하였다. 조사결과 이어도 과학기지는 한반도에 상륙한 태풍의 63%가 지나는 길목에 위치하고 있으며, 매년 평균 한 개의 태풍이 기지 근처를 통과하는 것으로 나타남. 또한 이어도 과학기지는 한반도 북상하는 태풍이 서귀포에 도달하기 평균 4-6시간 전, 한반도 내륙에 도달하기 평균 8-10 시간 전의 귀중한 태풍자료를 관측하는 것으로 조사되었음.

ㅇ 이어도 과학기지는 쿠로시오 난류와 황해저층냉수가 만나는 경계에 위치하고 있어 태풍강도를 결정하는 해양의 수온변동을 모니터링하기에 가장 좋은 장소로 밝혀졌음. 실제로 2006년 태풍 에위니아 시기에 이어도 기지에서 관측된 층별수온 관측자료에서 최대 12℃의 수온 하강이 관측됨. 이러한 수온하강은 한반도에 상륙한 태풍의 강도약화에 크게 기여한 것으로 사료됨.

ㅇ 이어도 기지가 관측을 시작한 2003년 이후부터 2006년까지 기지를 가까이 통과한 태풍 매미(2003), 민들레(2004), 메기(2004), 에위니아(2006)에 대해 기상 및 해양 관측자료를 분석함. 특히, 태풍이 외해에서부터 육지에 상륙하기까지 연속적인 변화특성을 모니터링하기 위하여 이어도 기지와 육지 기상청 관측소를 연계하여 자료를 분석함. 향후 이러한 자료들은 지속적인 연구를 통하여 한반도에 상륙하는 태풍의 특성을 파악하고 궁극적으로 태풍예측에 활용할 계획임.

2. 한반도 상륙 태풍 강도를 결정하는 해양·기상 요인 조사 및 이어도 태풍 관측자료 검증

ㅇ 1950부터 2004년까지 한반도에 상륙한 태풍의 경로와 강도를 조사한 결과, 제주도 우측을 통과해 우리나라 남해안으로 상륙한 태풍들은 제주도 좌측을 통과해 우리나라 서해안으로 상륙한 태풍들에 비해 평균적으로 높은 강도를 유지하였던 것으로 나타남. 이것은 제주도 우측을 흐르는 따뜻한 쿠로시오 해류가 태풍에 에너지를 공급하여 그 강도를 유지 시키는 것에 반해 제주도 좌측에 위치한 황해저층냉수는 Cold Wake에 의해 태풍의 강도를 약화시키는 요인으로 작용하기 때문임.

ㅇ 해수면 온도 증가율의 경우 과거 약 140년간 보다 최근 30년간이 약 4배가량 더 가파르게 증가하는 경향을 보이며 지역적으로도 수온증가율이 최근 한반도 지역에서 열대 지역보다 무려 4~6배 이상 임을 보이고 있음.

ㅇ 태풍의 생성 및 발달에 영향을 주는 대기 요소인 수직바람시어를 계산 해본 결과 최근 30년간 한반도 주변에서 감소하는 경향을 볼 수 있었음.

ㅇ 한반도 주변의 이 같은 조건은 태풍이 발달하기 좋은 조건으로 향후 태풍 발생 시 태풍의 강도가 유지 될 수 있는 환경 조건임. 따라서 이 같은 해양과 대기의 조건은 한반도로 상륙하는 태풍의 강도가 강해질 것임을 보여줌.

ㅇ 3차원 해양모델을 이용하여 태풍 에위니아 시기의 해양의 반응을 조사한 결과, 태풍 에위니아는 북상하는 동안 북위 21도 근처에서 가장 큰 크기의 해수면 냉각(약 7℃)이 일어남. 이 시기에 태풍은 전향을 시작하였고 이동속도가 매우 느렸음.

ㅇ 태풍 에위니아는 한반도에 접근하여 제주도 남쪽을 통과할 무렵 또다시 강한 해수면 냉각이 발생하였는데 이 시기에 태풍의 이동속도는 비교적 빨랐지만 이 지역에 발달한 황해 저층냉수로 형성된 얇은 혼합층 때문에 해수면 냉각이 컸던 것으로 사료됨.

ㅇ 이어도 기지에서 에위니아 통과시기에 관측된 층별 수온 분포에서는 16m 수심에서 최대 11℃까지 수온 감소가 발생하였음. 그러나 모델에서 나타난 최대 수온 감소는 6℃에 불과하였음. 이러한 차이는 모델에 사용된 초기 수온분포가 실제와는 차이가 컸기 때문인 것으로 사료됨. 보다 정확하고 현실적인 모델의 초기장 생성은 향후 해결해야 과제임.

3. 이어도 기지를 이용한 태풍-해양 상호작용 연구 및 한반도 상륙 태풍강도 예측

ㅇ 해양에서 현장자료를 수집하는 것은 많은 비용과 어려움이 있음. 특히 태풍 같은 악기상시 현상자료를 직접 수집하는 것은 매우 어려움. ARGO(Array for Real-time Geostrophic Oceanongraphy)는 이러한 어려움을 보완할 수 있으며 위성자료와 달리 수직 수온 분포를 관찰할 수 있음. 태풍 에위니아의 바람 응력에 의해 수온의 혼합효과가 발생하여 전후로 혼합층이 더욱 깊어졌음 (약 30-35m).

ㅇ TMI는 NASA의 위성으로 마이크로웨이브 라디오미터(Microwave Radiometer)로 측정되어 구름층을 투과하여 해수면의 온도를 산출할 수 있음. 에위니아가 통과하기 전과 통과 후를 비교해보면 태풍경로를 따라 20-23˚N에서 약 4-5℃ 해수면 냉각이 관측됨. 또한 이어도 주변 해역에도 약 4℃ 냉각이 나타남.

ㅇ 1994년부터 2007년까지 14년 동안 8월 KODC(Korea Oceanographic Data Center) 황해저층 냉수 12℃ 등온선을 그려 조사함.

ㅇ 황해 저층 냉수 분포는 해마다 분포가 달라지고 있으며 그 장기 변화 경향을 파악하기 위해서는 보다 긴 기간의 관측자료가 필요함.

4. 태풍 예측기술 향상을 위한 이어도 기지 관측 자료를 이용한 해양 및 대기 모델의 검증

ㅇ 3차원 해양수치모델을 사용하여 태풍 에위니아에 의한 해양반응을 재현한 결과, 비교적 이어도 과학기지에서 관측한 결과와 유사한 결과를 얻어낼 수 있었음.

ㅇ 2006년 태풍 에위니아 시기에 이어도 과학기지에서 관측된 기록적인 수온 하강의 원인을 아래와 같이 찾아냄.

i) 이어도 과학기지 주변 해역의 특이성 : 얇은 혼합층, 큰 수직 수온 구배

ii ) 조류와 태풍에 의한 해류의 상호작용에 의한 용승 강화

iii) 용승을 강화시키는 해저 지형

ㅇ 저해상도의 초기 대기 입력장의 한계를 극복하기 위하여 GFDL 타입의 태풍 보거싱을 통해 태풍 초기 조건개선을 위한 연구를 진행함. 이후 개선된 초기장을 이용하여 2003년 태풍 매미를 재현해 본 결과 강도 및 진로에서 관측치와 상당히 일치함을 확인함.

ㅇ 현재 제공되고 있는 위성 해수면 온도 자료와 모델과의 민감도 테스트를 진행하였으나 한반도 연안에서 시공간적으로 빠르게 변화하는 해양의 특성을 재현하는 데에는 한계가 있음을 시사함.

ㅇ 2010년 이어도 과학기지를 통과한 3개의 태풍에 대한 분석을 진행함. 태풍 곤파스의 경우 약 5℃의 해수냉각과 약 10pus정도의 염분 상승이 관측되었다. 태풍 곤파스와 태풍 말로는 약 4일의 시간차이를 두고 거의 비슷한 진로로 한반도에 접근하였다. 따라서 태풍 말로의 경우는 태풍 곤파스가 냉각시켜놓은 뒤 아직 회복되지 못한 차가운 해양 위를 지나온 것으로 세력이 크게 발달하지 못하였음.

5. 이어도 기지 자료를 활용한 태풍-해양 접합모델 초기 조건 개선 및 예측능력 향상

ㅇ 이어도 기지자료를 토대로 태풍-해양 접합모델을 이용하여 태풍 통과 시 나타나는 중요한 해양요소들의 변화와 이에 따른 태풍의 반응을 조사함.

ㅇ GFDL-POM coupled model를 이용하여 이어도 주변 해역의 초기 해수면 온도와 혼합층 깊이에 따른 표층해수 냉각과 태풍강도의 민감도를 조사한 결과 초기 혼합층 깊이가 동일하다면 초기 해수면 온도가 높을수록 태풍의 강도가 강화되어 해수면 냉각이 커짐을 확인하였으며 같은 해수면 온도를 갖더라도 초기 혼합층 깊이가 깊을수록 표층 냉각이 약화되어 태풍강도가 강해짐을 확인함.

ㅇ 강수가 집중되는 여름철에는 이어도 과학기지에 저염수가 관측되며 태풍 역시 잦은 빈도로 그 위를 지나감. 본 연구에서는 이어도 기지에서 관측된 수직염분 프로파일을 토대로 저염 패치를 재현하여 태풍이 그 위를 지나갈 때 태풍강도 변화를 확인함

ㅇ 실험 결과 태풍이 저염 패치 위를 지나가는 경우 그렇지 않은 경우보다 적은 해수면 냉각이 일어남을 확인함. 저염수에 의한 성층은 수직 점도(viscosity)를 줄여 운동량이 하층으로 전달되는 것을 억제함. 따라서 해류시어에 의한 혼합이 얕은 수심에서만 일어나게 되며 결국 해수면 냉각이 적게 일어나게 되며 이러한 해수면 냉각의 저하는 해수면 플럭스의 증가를 불러일으켜 태풍의 강도를 강하게 함.

ㅇ WRF-ROMs접합 모델을 이용하여 이어도 기지 근처를 지나간 에위니아(2006)와 콤파스(2010) 두 태풍 사례를 재현하여 관측치와 비교함. 그 결과 곤파스의 경우 진로가 관측치 보다 약간 오른쪽으로 편중되어 있으며 이동속도가 조금 느리나 비교적 정확히 모사되었음. 특히 5일 예보 진로 오차가 약 190km로 상당히 잘 모사되었음. 에위니아 역시 모델에서 초반 바람을 강하게 모의하는 점을 제외하면 비교적 일치함을 보였음.

ㅇ 수온은 태양 복사에너지 유입량의 변화로 계절별 특징이 나타남. 겨울은 복사에너지의 유입량이 적으므로 전체적으로 수온이 낮고 성층화가 뚜렷하게 나타나지 않음. 반면 여름은 태양의 복사 에너지량이 많으므로 겨울보다 가열되어 해수면에서 약 4m깊이 수온은 약 30℃에 이름. 여름의 따뜻한 표층수는 아래에 존재하는 찬물보다 밀도가 낮고 아래로 쉽게 섞이지 않으므로 성층화가 뚜렷함.

ㅇ 해양은 대체적으로 겨울에는 해양 내부의 성층화를 보기 힘들고 최대 냉각현상이 나타나게 됨. 따라서 3월이 가장 최소 표층 수온을 보이며 태양열이 표면 가까이 흡수되기 때문에 수온의 계절 변화는 대부분 비교적 얕은 표층에 국한됨. 따라서 점점 일사량의 증가로 최고로 가열된 달은 8월이고 성층화도 제일 두드러짐.

IV. 연구개발 결과의 활용계획

ㅇ 태풍 바람 응력으로 인한 해양반응의 연구 활용

ㅇ 태풍의 진로와 강도 예측에 있어 해양의 영향을 조사하는데 활용

ㅇ 우리나라로 접근하는 태풍의 진로 및 강도 예측에 활용

ㅇ 이어도 주변 해역의 특징적인 해양환경을 실시간 관측자료의 사용으로 해수, 염분의 모니터링에 활용

ㅇ 바람응력과 파의 나이의 상관관계 연구에 활용

ㅇ 실시간 관측자료를 기상 및 날씨 예보에 활용