2017년 7월 15일 서울과 수도권에 집중호우를 발생시킨 깊은 대류운과 강수 발달에 대한 종관 기상 메커니즘 을 규명하고 중국 동부지역으로부터의 PM2.5 에어로졸의 간접효과를 WRF-Chem 실험을 통해 분석하였다. WRF-Chem 모델에 에어로졸과 복사의 피드백, 구름 화학 과정, 습식 세정을 모두 포함한 ARI (Aerosol Radiation Interaction) 실험 과 에어로졸과 복사의 피드백을 제외하고 구름 화학 과정, 습식 세정만을 포함한 ACR (Aerosol Cloud Radiation interaction) 실험 결과의 차이로부터 PM2.5 에어로졸 간접효과를 산출하였다. 2017년 7월 15일 새벽에 황해와 한반도에 서는 동아시아 대륙에서 저기압-북서 태평양의 고기압 분포로 인해 중국 남동 지역과 동중국해로부터 덥고 습한 기류 가 수렴하고 있었다. 이러한 황해의 종관 기상에 의해 발달하는 대류운은 높이 12 km 이상이며 고체 수상체를 형성하 고 있었는데, 이는 주로 대륙 위에서 발달하는 한랭운(많은 빙정을 형성하며 운정고도가 8 km 이상)의 특성을 나타내고 있었다. 특히, WRF-Chem 모델 실험을 통해 중국 동부지역으로부터 확산하는 PM2.5 에어로졸이 구름물 형성에 5.7%, 고체 수상체 형성에 10.4%, 그리고 액체 수상체 형성에 10.8%로 대류운이 한랭운으로 발달하는 데 기여하고 있었다. 본 연구는 황해 위에서 깊은 대류운이 발달하는 과정에 대한 기상적 메커니즘과 더불어 중국 동부지역으로부터 에어로 졸에 의한 간접효과의 영향을 제시하였다.

수도권 지역의 고해상도 수치실험에 있어 연직 해상도와 대기경계층 모수화 방안의 효과를 조사하였다. WRF 모델을 이용하여 2013년 10월 25일 0000 UTC 부터 10월 26일 0000 UTC까지 수치 적분을 수행하였다. 수치 결과는 서울 남부에 위치한 선릉지역에서 관측된 6시간 간격의 라디오존데 자료와 서울지역의 43개 자동 기상 관측소 자료를 이용하여 검증하였다. 대기 하층의 연직해상도 비교 실험은 연직 44, 50, 60개의 층으로 구성되었으며, 특히 약 2 km 고도 이하의 층을 세분화하였다. 연직 해상도가 가장 높은 60개층 실험에서 대기경계층 고도의 일 변동이 가장 뚜렷하 게 나타났고, 특히 산악 지형과 같은 고지대에서는 대기경계층 고도와 10 m 바람장에서 연직해상도 실험 별 차이가 크 게 나타났다. WRF 모델 내 ACM2, YSU, MYJ 대기경계층 모수화 방안에 따른 온도의 민감도 실험에서는 모든 실험 수행 시간대에서 수치 모델 결과가 라디오존데 관측에 비교하여 온도를 과소 모의하였다. 지상 온도는 YSU 방안과 ACM2 방안이 MYJ 방안에 비해 상대적으로 편차가 낮게 나타났다.

A number of heavy rainfall events on the Korean Peninsula are indirectly influenced by tropical cyclones (TCs) when they are located in southeastern China. In this study, a heavy rainfall case in the middle Korean region is selected to examine the influence of typhoon simulation performance on predictability of remote rainfall over Korea as well as direct rainfall over Taiwan. Four different numerical experiments are conducted using Weather Research and Forecasting (WRF) model, toggling on and off two different improvements on typhoon in the model initial condition (IC), which are TC bogussing initialization and dropwindsonde observation data assimilation (DA). The Geophysical Fluid Dynamics Laboratory TC initialization algorithm is implemented to generate the bogused vortex instead of the initial typhoon, while the airborne observation obtained from dropwindsonde is applied by WRF Three-dimensional variational data assimilation. Results show that use of both TC initialization and DA improves predictability of TC track as well as rainfall over Korea and Taiwan. Without any of IC improvement usage, the intensity of TC is underestimated during the simulation. Using TC initialization alone improves simulation of direct rainfall but not of indirect rainfall, while using DA alone has a negative impact on the TC track forecast. This study confirms that the well-suited TC simulation over southeastern China improves remote rainfall predictability over Korea as well as TC direct rainfall over Taiwan.

본 연구는 지표항력모수화법과 공간해상도 설정에 대한 WRF 중규모모델내 지표풍속모의 성능을 평가하였다. 지표풍속 보정효과는 지형이 복잡한 한반도를 대상으로 연구하였다. 두 가지 새로운 지표항력모수화법과 수평 및 연직해상도를 가지고 총 5가지 실험(CTRL, Exp_JD, Exp_MO, Exp_h2, 그리고 Exp_l38)을 수행하였다. 1995년 한 해 동안 10m와 1000hPa에서 모의된 풍속을 검증 하였다. 실험결과, 지표풍속모의에 대한 최고성능은 WRF 모델내 아격자규모의 지표항력모수화법을 적용하고 연직층을 38개로 설계 한 실험 Exp_l38에서 나타났다. 10m 고도(1000hPa)에서 풍속 Bias와 RMSE가 각각 0.18(-2.65), 0.83(2.73)m/s였다. 이 연구에서 제안 한 MO의 지표항력모수화법과 연직층의 상세화가 풍속모의 설계는 WRF 모델을 활용하여 보다 정확한 바람정보를 생산하고 활용하는데 있어서 도움이 될 것이다.

큰 에디 모의과정을 포함한 WRF 모델 (WRF-LES)을 이용하여 수치모델의 수평공간 규모에 따른 대기경계층 모수화 실험과 LES 모의 결과를 지표층 근처의 풍속 예측에 대하여 비교하였다. 수치실험은 복잡한 산악지형과 해안지역을 포함하는 강원도 지역에서 수평해상도 1 km와 333 m 실험을 수행하였다. 수평해상도 1 km 실험은 대기경계층 모수화 방안을 채택하였으며, 333 m 실험에서는 LES를 이용하였다. 복잡한 산악지역에서의 풍속 예측의 정확성은 수평해상도 1 km 실험 보다 333 m 실험에서 향상되었으며 해안지역에서는 1 km 실험에서 관측과 더 일치하였다. 지표층 근처의 큰 난류를 직접 계산하는 LES 실험은 산악지역의 풍속예측 개선에 기여하였다.

2010년 11월 11-13일 한반도에 영향을 미쳤던 황사에 대해 WRF-Chem 모델을 이용하여 시뮬레이션 하였다. WRF-Chem 모델에서 미세먼지의 인위적 배출량은 RETRO 전구 배출량을 사용하였고, RADM2 화학 메커니즘과 MADE/SORGAM 에어로졸 스킴 및 GOCART 광물성 먼지 옵션을, 그리고 Fast-J 광해리 스킴을 선택하여 PM10 농도를 시뮬레이션 하였는데 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. WRF-Chem 모델 결과에 따른 PM10 농도의 공간적 분포와 연직 프로파일 분석결과 2010년 11월 11-13일에 우리나라에 영향을 미쳤던 황사는 강한 가을황사로 저기압의 발달로 인해 형성된 콤마구름 때문에 황사가 한랭전선 후면에서 갇혀 상공 2.5 km 이내에서 이동 및 유입됨을 알 수 있었다. 황사 발생 기간 동안 백령도와 서울의 기상청 관측 자료와 모델의 PM10 농도를 시계열로 분석한 결과 상관계수와 평균제곱근오차(RMSE)는 백령도의 경우 0.763과 192.73μg/m3, 서울의 경우 0.725와 149.68μg/m3로 나타났다. 미세먼지인 PM10과 PM2.5 농도의 공간적 분포는 유사하였고 PM2.5가 PM10의 약 50% 정도로 나타났으며 이는 기상청 UM-ADAM 모델 결과와도 유사하였다. PM10 농도와 경계층 높이, 동서 성분 바람장의 공간적 분포는 유사성을 지니고 있어 두 개의 변수를 이용하여 PM10의 농도를 예측하는 회귀 방정식을 구하고자 우리나라에 영향을 미쳤던 강한 가을 황사(2010년 11월 11-13일)와 봄 황사(2011년 3월 19-20일) 사례를 선정하였고, 통계 모델을 이용한 회귀식을 도출하였다.

이 연구의 목적은 2008년 5월 29일 우리나라에 영향을 미치는 황사를 예측하기 위해 WRF-Chem 모델 내 에어로졸 스킴과 광물성 먼지 옵션에 따른 미세먼지 농도 변화와 그에 따른 기상장의 민감도를 분석하는 것이다. 미세먼지의 인위적 배출량에 대해서는 0.5˚±0.5˚ RETRO 전구 배출량을, 광해리의 경우 Fast-J 광해리 스킴을, 그리고 황사 발생량을 추정하기 위해 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오, MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오, 그리고 GOCART 먼지 침식 시나리오를 각각 적용하였다. 그 결과 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오가 다른 시나리오들보다 우리나라 황사 먼지 농도와 배경 PM 농도를 더 높게 모사하였다. 그리고 이 시나리오와 서울의 각 대기질 측정망의 평균 PM10 농도와의 비교 결과, 상관계수는 0.67, 평균제곱근오차는 44μgm-3으로 나타났다. 또한 WRF-Chem 모델에서 상기 3가지 시나리오와 이들 시나리오가 없는 순수 기상에서의 온도, 풍속, 경계층 높이, 장파복사의 기상 민감도를 분석한 결과, 1,800-3,000 m 경계층 높이와 2-16ms-1 풍속 U 성분의 공간적 분포가 황사 먼지 발생의 공간적 분포와 유사하게 나타났다. 그리고 GOCART 먼지 침식 시나리오와 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오는 황사 먼지 또는 에어로졸과 기상이 온라인으로 상호작용함으로써 지구장파복사가 더 낮게 모사되었다.

이 연구의 목적은 한반도에서 CH4 농도의 수치모의 검증을 통하여 CH4 배출원의 기여 농도를 추정하는 것이고, 이 수치모의에 사용된 CH4 배출량을 상자모델로부터 추정된 CH4 배출량과 비교하는 것이다. 한반도에서 2010년 4월 1일부터 8월 22일까지 CH4의 평균 농도를 추정하기 위해 WRF-CMAQ 모델이 사용되었다. 모델에서 CH4 배출량은 전지구 배출량인 EDGAR와 한국에서의 온실기체 배출량인 GHG-CAPSS로부터 인위적 배출 인벤토리와 전지구 자연적 인벤토리인 MEGAN이 적용되었다. 이들 CH4 배출량은 안면도 및 울릉도에서 측정된 CH4 농도와 모델링 농도 자료를 비교함으로써 검증되었다. 울릉도에서 국내 배출원으로부터 추정된 CH4의 기여 농도는 약 20%로 나타났고, 이것은 한반도 내 농장(8%), 에너지 기여 및 산업공정(6%), 일반폐기물(5%), 생체 및 토지이용(1%) 등 CH4 배출원으로부터 기원하였다. 그리고 중국으로부터 수송된 CH4의 기여 농도는 약 9%였고, 나머지 배경농도는 약 70%로 나타났다. 박스모델로 추정된 CH4 배출량은 WRF-CMAQ 모델에서 사용한 CH4 배출량과 유의미한 결과를 얻었다.

In this study, the impact of cumulus parameterization usage in Weather Research and Forecasting (WRF) model on reproducing summer precipitation in South Korea is evaluated. Two sensitivity experiments are set up with using cumulus parameterization (ON experiment) and without using cumulus parameterization, which is called Convection Permitting Model (OFF experiment). For the both ON and OFF experiments, the horizontal grid resolution is 2.5km, and initial and lateral boundary conditions are derived from ERA5 reanalysis data. Overall, both of the two experiments can capture the spatial distribution of 2014 summer mean and extreme precipitation but show dry biases in the southern region of Korean Peninsula. Occurrence percentage analyses for different precipitation intensity reveal that OFF experiments show better performance than ON experiment for extreme precipitation. In the case of heavy rainfall over Gyeongnam region for 25 August 2014, OFF experiment shows similar characteristic of rainfall to the observations, although it simulates earlier precipitation peak. On the other hand, ON experiment underestimates the amount of precipitation. Also, vertical distribution of equivalent potential temperature and strong southerly wind which play an important role in developing heavy rainfall on 25 August 2014 are better simulated in OFF experiment.

Sensitivity analysis of the WRF model according to the impact of nudging (e.g., nudging techniques and application domains) was conducted during high nocturnal ozone episode to improve the prediction of the regional ozone concentration in the southeastern coastal area of the Korean peninsula. The analysis was performed by six simulation experiments: (1) without nudging (e.g., CNTL case), (2) with observation nudging (ONE case) to all domains (domain 1∼4), (3) with grid nudging (GNE case) to all domains, (4)∼(6) with grid nudging to domain 1, domain 1∼2 and domain 1∼3, respectively (GNE-1, GNE-2, GNE-3 case). The results for nudging techniques showed that the GNE case was in very good agreement with those observed during all analysis periods (e.g., daytime, nighttime, and total), as compared to the ONE case. In particular, the large effect of grid nudging on the near-surface meteorological factors (temperature, relative humidity, and wind fields) was predicted at the coastline and nearby sea during daytime. The results for application domains showed that the effects of nudging were distinguished between the meteorological factors and between the time periods. When applied grid nudging until subdomain, the improvement effects of temperature and relative humidity had differential tendencies. Temperature was increased for all time, but relative humidity was increased in daytime and was decreased in nighttime. Thus, GNE case showed better result than other cases.

The characteristics of atmospheric dispersion of radioactive material (i.e. 137Cs) related to local wind patterns around the Kori nuclear power plant (KNPP) were studied using WRF/HYSPLIT model. The cluster analysis using observed winds from 28 weather stations during a year (2012) was performed in order to obtain representative local wind patterns. The cluster analysis identified eight local wind patterns (P1, P2, P3, P4-1, P4-2, P4-3, P4-4, P4-5) over the KNPP region. P1, P2 and P3 accounted for 14.5%, 27.0% and 14.5%, respectively. Both P1 and P2 are related to westerly/northwesterly synoptic flows in winter and P3 includes the Changma or typhoons days. The simulations of P1, P2 and P3 with high wind velocities and constant wind directions show that 137Cs emitted from the KNPP during 0900~1400 LST (Local Standard Time) are dispersed to the east sea, southeast sea and southwestern inland, respectively. On the other hands, 5 sub-category of P4 have various local wind distributions under weak synoptic forcing and accounted for less than 10% of all. While the simulated 137Cs for P4-2 is dispersed to southwest inland due to northeasterly flows, 137Cs dispersed northward for the other patterns. The simulated average 137Cs concentrations of each local wind pattern are 564.1~1076.3 Bqm-3. The highest average concentration appeared P4-4 due to dispersion in a narrow zone and weak wind environment. On the other hands, the lowest average concentration appeared P1 and P2 due to rapid dispersion to the sea. The simulated 137Cs concentrations and dispersion locations of each local wind pattern are different according to the local wind conditions.

In this study, eight episode days of high-concentration PM10 occurrences in the Gimhae region between 2006 and 2011 were analyzed. Most of them appeared in winter and the highest concentration was observed around 12 LST. Furthermore, the wind direction, wind velocity, and temperature elements were compared with observed values to verify the WRF numerical simulation results used in this study, and they simulated well in accordance with the trend of the observed values. The wind was generally weak in the high-concentration episode days that were chosen through surface weather chart and the numerical simulation results for wind field, and the air pollutants were congested due to the effects of the resulting local winds, thereby causing a high concentration of air pollutants. Furthermore, the HYSPLIT model was performed with the WRF numerical simulation results as input data. As a result, they originated from China and flowed into Gimhae in all eight days, and the lowest concentration appeared on the days when recirculation occurred.

최근 계속되는 산업화와 도시화로 인해 많은 환경오염이 발생하고 있다. 특히, 대기 중 미세먼지(Particulate Matter, PM10)는 호흡 시 체내에 흡입되기 쉽고 큰 비표면적으로 인해 각종 유해성분을 많이 함유하고 있어 심장 및 폐기능 저하, 조기사망 등 인체뿐만 아니라 생태계까지 악영향을 초래할 가능성이 높은 오염물질로 알려져 있다. 따라서 국·내외적으로 PM10에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔으며, 주로 관측된 대기질 자료를 분석하거나 수치모델을 이용하였다. 본 연구에서는 2006년부터 2011년까지 연안 분지 지역인 김해지역을 대상으로 고농도 오염에 영향을 미치는 다양한 요인 중 고농도를 발생시키는 1차적인 요인이라고 할 수 있는 오염물질 양 이 외에 다른 부가적인 요인 중 중요한 요인으로 알려진 기상학적 요인에 의한 영향을 분석하고자 하였다. 김해지역으로 유입되는 PM10의 궤적을 살펴보기 위해 HYSPLIT 모델을 사용하였다. HYSPLIT 모델을 통한 군집 분석을 수행한 결과, 총 4개의 군집으로 분류되었으며, 대부분 중국으로부터 유입되는 수송 경로를 나타내었다. 본 연구에서는 김해지역의 일평균 PM10 농도가 전체의 95 분위수에 해당하는 80 ㎍/㎥ 이상인 날을 고농도 사례일로 정의하였으며, 사례일 선정 시, 황사, 연무, 박무와 같은 특이 기상일은 제외하였다. 그 결과, 연구대상기간 동안 고농도 사례일은 총 8일로 나타났다. 선정된 각 사례일의 WRF 수치모의 결과와 지상 일기도 분석을 통해 고농도 사례일은 전반적으로 바람이 약하게 나타났으며, 이로 인해 해륙풍, 산곡풍과 같은 국지순환계의 형성과 계절적 종관 기상장의 복합적인 작용으로 고농도가 유발된 것으로 판단하였다. 고농도 사례일을 대상으로 WRF/HYSPLIT 모델을 이용하여 역궤적 분석을 실시하였다. 선정된 고농도 사례일 8일은 모두 중국으로부터 발원하여 김해지역으로 유입되는 경로를 나타내었다. 특히, 재순환현상이 나타난 2008년 1월 10일의 경우, 고농도 사례일 중 가장 높은 농도를 보였는데, 이는 오염물질의 재순환과정이 연안 지역 오염물질의 농도를 상승시키는 주요 원인이라고 밝힌 여러 선행 연구의 결과와도 일치한다. 이처럼 중규모 기상장 수치모델과 역궤적 모델을 결합하여 분석해 본 결과, 김해지역과 같이 좁은 지역으로 유입되는 대기오염물질의 궤적과 이와 연관된 기상학적 특징을 상세히 살펴볼 수 있었다.