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LENS 모델 기반의 한반도 폭염 예보인자 산출 및 폭염지수 개발
장아헌,조서윤,민기홍 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
높은 기온으로 인해 발생하는 폭염은 여름철 대표적인 재해 현상 중 하나로, 최근 그 강도 및 빈도가 증가하는 추세를 보이면서 위험도가 점차 높아지고 있다. 폭염의 강화로 인한 온열 피해가 여러나라에서 크게 나타나고 있고, 최고기온의 극값을 갱신한 2016년과 2018년 폭염으로 이에 대한 폭염예측성 향상을 위한 연구가 다방면으로 이루어지고 있다. 기상청의 현업 앙상블 모델 LENS(Limited area Ensemble System)의 지상 기온 예측값과 ASOS 관측 기온을 비교한 결과, 최저기온의 경우 LENS 모델이 관측값과 유사하게 나타난 반면 최고기온의 경우 LENS 모델이 관측값에 비해 과소모의하는 경향이 나타남을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 LENS 모델을 기반으로 머신러닝 기법을 사용하여 폭염 예측에 중요한 역할을 하는 예보인자를 발굴하고 이를 바탕으로 다양한 통계적 기법을 바탕으로 한반도 폭염 예측에 기여할 수 있는 폭염지수를 개발하고자 한다. 폭염 예보인자 발굴을 위해 본 연구에서는 한반도 주요 6개 도시(서울,대전,광주,대구,부산,울산)를 대상으로, LENS 모델의 22개 중요 기상 변수를 독립 변수로 지정하였고, ASOS 최고기온을 종속 변수로 입력하여 의사결정나무(DT), 랜덤포레스트(RF), 그레디언트부스트(GB)의 머신러닝을 수행하여 머신러닝 기반의 폭염 예측모델을 구성하였다. 각 도시 및 예측모델에서 모두 사용된 변수는 체감온도 기반의 열지수, 온위, 해면기압이었으며, 50% 이상의 모델에서 사용된 변수는 상대습도, 풍향, 풍속, 대기경계층높이, 현열 및 잠열 등으로 나타났다. 현재, 머신러닝을 통해 발굴한 폭염 예측인자 연구를 바탕으로, 선형 회귀 모형, 로지스틱 회귀 등의 다양한 통계적 기법을 이용하여 한반도 폭염의 국지적 특성을 반영한 새로운 폭염 지수개발 연구를 수행하고 있다.
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장아헌,민기홍 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.4
폭염은 높은 기온에 의해 나타나는 재해 기상 현상 중 하나로 최근 폭염의 빈도 및 강도가 증가하면서 그 위험도는 점차 높아지고 있다. 2016년과 2018년, 극심한 폭염이 한반도에 나타나면서 최고기온 극값을 갱신하였고 이에 폭염에 의한 온열 피해가 크게 나타나면서 폭염 예측성 향상을 위한 연구가 국내외에서 활발히 이루어지고 있다. 한반도 폭염에 대한 국지 프로세스 분석 연구에서는 최고기온을 기반의 군집 분석을 수행하여 영남형, 영서형, 전국형 폭염으로 분류한 바 있다. 영남형 폭염은 남서풍 유입에 의한 유서 푄현상과 내륙의 높은 기온에 기인한 열적저기압의 발생으로 폭염이 나타나고, 영서형 폭염은 북고남저형 기압배치로 동풍이 산맥을 넘어오며 승온현상이 나타나는, 전형적인 푄 현상에 의해 폭염이 발생하였다. 또한 전국형 폭염은 북태평양 고기압과 티벳고기압의 영향으로 지상에서 대기 상층까지, 키큰 고기압에 의한 하강 기류의 단열압축으로 폭염이 발생하였고, 지상 기압 배치와 풍향이 폭염의 국지적 발생 메커니즘에 큰 영향을 미침을 보여주었다. 이에 본 연구에서는 ASOS 및 AWS 관측 데이터와 ERA5 재분석자료 기반으로 수행한 K-means 군집 분석(K-means Clustering Analysis) 결과를 바탕으로 한반도 폭염의 특징을 보다 세밀하게 분석하고 군집 간의 상관관계를 밝히고자 한다. 군집 분석에 사용된 기상 변수는 관측데이터에서 추출한 최고기온, 풍향과 상대습도와 최고기온을 결합한 체감온도 기반의 열지수를 사용하였고, ERA5 재분석자료의 해면기압을 추가로 분석에 사용하였다. 분석 결과 풍향을 기반으로 수행하였을 때는 남서풍, 남동풍, 무풍형 군집으로 분류되었고 열지수 분석에서는 남부형, 전국형이 주로 분류되었으며 해면기압은 동고서저형, 남고북저형, 북고남저형 군집으로 분류할 수 있었다. 풍향과 최고기온의 군집에 속하는 폭염 사례를 비교해본 결과 남서풍이 불어들어올 때는 영남 지방에 높은 기온이 나타났고, 동풍이 나타날 때는 영서지방에 고온이 나타나면서 한반도에 나타나는 폭염은 바람과 기온의 상관관계가 매우 크다는 것을 보여주었고 해면기압과 풍향의 군집을 비교해본 결과 해면기압이 남고북저형으로 나타나면 남서풍형이 주로 나타나고 북고남저형으로 나타나면 동풍형이 주로 나타나는 모습을 보이면서 해면기압과 풍향, 최고 기온은 유기적인 관계를 가진 것을 확인할 수 있었다. 현재 열대야에 대한 군집 분석을 진행하고 있으며 LENS(지역앙상블예측시스템)를 이용한 폭염/열대야 국지분석과 예측력 향상을 위한 개발을 수행하고 있다.
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민기홍,장아헌 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
한반도에서 발생하는 폭염은 21세기에 이르러 점차 발생 횟수와 강도가 증가하는 추세이고, 폭염기간 동안 도시별 폭염 발생 날짜 및 강도도 상이하게 나타나고 있다. 현재까지 대규모 및 종관규모 분석을 통한 폭염 연구는 활발히 수행되어 폭염의 발생 메커니즘을 상당수 밝혀냈으나, 한반도의 복잡한 지형을 반영한 연구는 미흡하여 상이한 폭염의 지역적 특징을 이해하기에는 한계가 있다. 2016년과 2018년 전세계적으로 극심한 폭염이 나타나면서 지구 곳곳에서 최고기온 극값을 갱신하였고, 폭염에 의한 온열 피해도 크게 나타나 폭염 예측성 향상을 위한 연구가 국내외에서 활발히 이루어지고 있다. 본 연구는 한반도에서 나타나는 폭염에 대한 국지 프로세스 이해를 위해 지상자동관측장비(ASOS)의 기온, 기압, 풍향을 기반으로 군집 분석을 수행하고, ERA-5 재분석 자료를 이용하여 우리나라에서 나타나는 폭염이 크게 영남형, 영서형, 전국형으로 분류될 수 있음을 제시할 것이다. 영남형 폭염은 남고북저의 기압배치로 한반도로 남풍의 바람이 유입될 때 발생한다. 영남지역의 지면 가열로 국지적으로 열적저기압이 생성되면서 남서풍 및 서풍이 내륙에서 강화되고, 서풍이 소백산맥을 넘으며 강한 태양복사와 더불어 풍하측이 풍상측보다 기온이 상승하는 유사 푄현상과 영남 지역으로 유입되는 남풍이 남낙정맥을 넘으며 풍상측에 구름, 풍하측에서 기온이 상승하는 푄현상이 결합되어 폭염이 발생하는 것으로 나타났다. 이때, 동해안으로 수렴 구역이 나타남을 확인할 수 있다. 영서형 폭염은 한반도 남쪽에 위치하는 열대저기압/태풍에 의해 동풍 혹은 남동풍이 유입될 때, 북태평양 고기압과 열대저기압의 영향으로, 고온다습한 공기가 태백산맥 및 소백산맥을 지나면서 전형적인 푄현상이 나타나 영서지역에 폭염이 발생하였다. 이때, 서해안으로는 바람의 수렴역이 형성되었다. 전국형 폭염은 티벳 고기압 및 북태평양 고기압이 한반도 상층에 중첩되어 위치하면서 지상부터 상층까지 키 큰 고기압이 형성될 때, 한반도에 고기압 돔이 발생하여 고기압 역내의 하강 기류에 의해 한반도 전체가 단열압축에 의한 승온이 발생하고, 고기압 역내에서 지면은 국지적으로 열적저기압에 의한 해풍 유입이 나타나나, 내륙의 대기는 정체되어 열돔 현상에 의한 폭염이 강화되는 구조로 발생하였다. 향후 열대야에 대한 군집 분석과 국지분석을 수행하여 우리나라의 폭염/열대야 예측성 향상을 위한 연구를 지속적으로 진행할 것이다.
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