Aerosol effect study on the cloud and precipitation using a CLR scheme of WRF model during Changma period

Abstract

에어로솔 크기 분포를 고려할 수 있는 Weather Research and Forecasting (WRF) 모델의 Chen-Liu-Reisner (CLR) 미세물리 방안을 이용하여 2012년 장마철 한반도의 제주도 지역에서 발생한 강수 시스템에 대하여 수치모델 내 에어로솔 크기 분포가 구름 및 강수과정에 미치는 영향을 연구하였다. 이상적인 실험에서는 선행 연구에 근거하여 에어로솔의 크기 분포가 다른 4가지 환경 인 해양, 깨끗한 대륙, 일반적 대륙, 오염된 대륙에서의 구름과 강수의 발달, 지속, 소멸에 대한 영향을 알아보았다. 일반적 대륙의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과는 관측자료와 비교하였을 때 가장 유사하게 나타나 현실을 잘 모의하는 것으로 나타났다. 장마기간의 상대습도는 100 % 이상으로 과포화상태가 나타나 매우 습윤한 환경임을 확인하였다. 운량은 해양의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과에서 짧은 구름 지속시간과 낮은 운량이 나타난 반면, 오염된 대륙의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과에서는 긴 구름 지속시간과 높은 운량이 나타나 에어로솔의 2차 간접효과를 확인하였다. 구름의 경우, 해양의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과에서는 낮은 양, 수 농도, 입자의 반지름이 나타난 반면, 오염된 대륙의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과에서는 높은 값이 나타나 이론과 반대의 결과를 나타내어 습윤한 환경인 장마철 한반도지역에서 나타나는 중요한 특징 중의 하나로 판단할 수 있다. 강수의 경우, 해양의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과에서는 높은 양, 수 농도, 입자의 반지름이 나타나 높은 지상 강수량을 기록함으로써 구름에서 강수로 변하는 과정이 빠른 시간 내에 이루어진 것을 의미하였다. 반면 오염된 대륙의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과에서는 낮은 양, 수 농도, 입자의 반지름이 나타났다. 이상적인 실험에서는 기존의 이론적인 결과와 다른 특징이 나타남으로써 한반도 습윤한 장마철에서의 의미 있는 결과로 판단된다. 현실적인 실험에서는 이상적인 실험의 결과를 토대로 실제 환경과 유사한 환경을 모의한 일반적 대륙의 에어로솔 크기 분포와 실제 한반도의 제주도 고산 지점에서 관측된 에어로솔 크기 분포를 이용하여 낮은 누적 강수량을 나타낸 사례와 높은 누적 강수량을 나타낸 사례를 비교하여 에어로솔에 의한 구름과 강수의 특징을 알아보았다. 낮은 누적 강수량 사례에서는 관측된 에어로솔 크기 분포보다 높은 에어로솔 농도를 나타낸 일반적 대륙의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과에서 강수량의 시간지연, 높은 운량, 상대적으로 긴 구름 지속시간 등이 나타남으로써 에어로솔의 효과를 명확히 확인할 수 있었다. 이는 많은 에어로솔 입자들이 구름응결핵으로 작용해 구름입자의 수 농도를 늘려 상대적으로 구름의 지속시간을 늘림으로써, 강수를 빨리 형성시키지 못해 시간 지연을 발생시킨 것으로 추정할 수 있다. 반면 높은 누적 강수량 사례에서는 관측된 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과, 일반적 대륙의 에어로솔 크기 분포를 적용한 모델 결과와 비슷한 누적강수량과 시계열 강수량의 변화가 나타났으나 에어로솔 효과가 명확히 나타나지 않았다. 이는 높은 상대습도, 불안정도, 상승류로 인하여 상대적으로 종관적인 영향이 크게 작용하여 에어로솔의 효과가 적게 나타난 것으로 판단된다. 최적화 실험에서는 2012년 장마 기간 중 6월 18일부터 7월 18일동안 한반도의 제주도 고산 지점에서 관측된 에어로솔 크기 분포를 이용하여 최적의 에어로솔 크기 분포를 산출하여 일반적 에어로솔 크기 분포를 제시하였으며, 이를 모델에 적용하여 두 가지 강수 사례에 적용한 결과를 나타내었다. 산출된 최적의 에어로솔 크기 분포는 0.1 μm 이하의 축적모드에서는 해양과 깨끗한 대륙에서 관측된 에어로솔 크기 분포 사이에 위치하였으며, 그 이상 크기에서는 깨끗한 대륙과 오염된 대륙에서 관측된 에어로솔 크기 분포 사이에 위치하였다. 3 μm 이상의 조대모드에서는 깨끗한 대륙에서 관측된 에어로솔 크기 분포보다 낮은 농도를 나타내었다. 0.01 μm 부터 3.0 μm 크기의 에어로솔 수 농도는 해양과 깨끗한 대륙 사이에 나타났다. 일반화된 에어로솔 크기 분포를 이용하여 두 사례에 적용해본 결과 전체적으로 최적화 실험 결과와 비슷하거나 약간 과대 모의되는 경향을 보였다. 전체적으로 에어로솔 크기 분포에 따라 구름과 강수에 미치는 영향이 다르게 나타났으며, 장마라는 습윤하고 강한 대류가 발생하는 불안정한 환경에서 에어로솔에 의한 구름과 강수의 변화는 선행논문들과는 다른 독특한 특징을 나타내었다. 강우량에 따라 에어로솔 간접 효과의 정도는 다르게 나타났으며, 특히 낮은 누적 강우량을 나타낸 사례에서 에어로솔의 효과가 크게 나타났다. 최적화 실험을 통한 한반도 제주도 지역의 에어로솔 크기 분포는 현실에 가까운 구름 및 강수 모의에 유용하며, 제시한 일반적 에어로솔 크기 분포는 향후 수치모델 수행에 현실을 반영한 향상된 결과를 제시할 수 있을 것이다.