2021년 예보관 과정 훈련보고서

지형특성을 고려한 예보기술 연구

- 대형교량 강풍 예측기술 연구 -

소속: 기상청

성명: 이경준

2021

< 목 차 >

1. 서론	3
1.1. 바람과 강풍의 정의	3
1.2. 바람의 원인	3
1.3. 풍향	8
1.4. 바람의 관측	12
1.5. 강풍의 유형	20
1.6. 강풍의 영향	22
2. 본론	25
2.1. 광안대교 주변 지형 및 강풍 특성	25
2.2. 수치예측모형의 광안대교 강풍 예측 특성	45
3. 결론	49
참고문헌	51

1. 서론

1.1. 바람과 강풍의 정의

대기과학용어사전(2015)에 따르면, 바람은 '지표면에 대한 상대적인 공기의 수평운동'이다. 바람이 인간의 생명이나 재산에 피해를 입힐 만큼 강하게 부는 것을 강풍이라고 하며, 기상청은 강풍주의보와 강풍경보를 판단하는 풍속의 임계값을 정하여 임계값 이상의 강풍 예상시 특보를 발표한다. 강풍과 구분할 수 있는 개념이 돌풍이다. 돌풍은 대기과학용어사전에서 '짧은 시간 동안의 갑작스러운 풍속의 증가'로 정의하고 있다. 강풍이 높은 풍속의 절대량을 의미한다면, 돌풍은 높은 풍속의 변화율을 의미한다고 볼 수 있다.

그림  강풍 특보 발표 기준 (출처: 기상청 날씨누리)

1.2. 바람의 원인

1.2.1. 기압경도력

대기의 수평운동을 나타내는 주요 힘은 기압경도력, 전향력, 마찰력, 구심력이 있다. 기압경도력은 기압의 차이에 의해 만들어지는 힘이다. 이 힘에 따라 대기는 고기압에서 저기압으로 이동한다. 수평적인 기압의 차이는 수평적인 기온 차이에 의해 발생한다. 기압경도력의 크기는 수평 거리에 따른 기압의 차, 즉 기압경도에 비례한다. 따라서 일기도에서 같은 기압을 선으로 이은 등압선의 간격이 좁은 지역에서 큰 기압경도력이 작용한다는 것을 알 수 있다.

1.2.2. 전향력

전향력은 지구가 자전하기 때문에 공기의 이동에 영향을 주는 것처럼 보이는 겉보기 힘이다. 북극 상공에서 보았을 때 지구는 반시계 방향으로 회전한다. 지구를 반시계 방향으로 회전하는 판으로 가정하면 회전판 한쪽 끝 지점에서 반대편 끝 지점을 향해 물체를 던졌을 때, 던지는 순간에 반대편에 있었던 지점은 물체가 반대편으로 이동하는 동안에도 회전하고 있을 것이다. 따라서 물체는 직선으로 이동하더라도, 던진 지점에서 보았을 때 반대편 지점의 약간 오른편에 도달한다. 이처럼 회전하는 지구에서는 이동하는 물체를 전향시키는 어떤 힘이 있는 것처럼 보여지는데, 이러한 겉보기 힘을 전향력 또는 코리올리힘이라 한다. 지구의 자전 방향에 따라 북반구에서는 이동하는 공기를 오른쪽으로, 남반구에서는 이동하는 공기를 왼쪽으로 전향한다. 전향력은 이동 방향의 직각으로 작용하여 풍향에 영향을 주지만, 풍속에는 영향을 주지 않는다. 전향력의 크기는 지구의 자전 속도, 위도, 이동하는 물체의 속도에 의해 결정된다. 적도에서는 전향력이 없고, 북극과 남극에서 전향력이 최대가 된다.

1.2.3. 지균풍

대기의 상층에서는 기압경도력과 코리올리힘이 균형을 이룬다. 기압경도력에 의해 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 공기는 코리올리 효과에 의해 북반구에서 이동하는 방향의 오른쪽으로 이동한다. 이에 따라 공기가 등압선에 평행하게 이동하면 코리올리힘의 방향이 기압경도력의 반대 방향으로 작용하여 힘의 균형을 이루게 된다. 이와 같은 상태로 직선 형태의 등압선을 평행하게 부는 바람을 지균풍이라 한다. 기압경도력이 클수록 지균풍도 강해지는데, 이를 이용하면 상층 일기도의 등압선 간격으로부터 지균풍의 속도를 추정할 수 있다. 특정 위치의 위도와 주변 등압선 사이의 거리를 적용하여 속도를 산출할 수 있도록 만든 척도를 지균풍척 또는 지균풍척도라 한다.

그림  기압경도력과 지균풍이 균형을 이루는 과정(A~C)

1.2.4. 구심력과 경도풍

하지만 실제 대기의 등압선이 평행한 경우는 드물고, 대부분 곡선 형태이다. 기압경도력과 코리올리힘의 균형을 생각하면, 북반구 상층에서 주변보다 기압이 낮은 저기압의 경우 바람은 저기압을 가운데에 두고 반시계 방향으로 흐른다. 반대로 상층 고기압의 경우 바람은 고기압을 가운데에 두고 시계 방향으로 흐른다. 시계 또는 반시계 방향으로 방향이 변하는 흐름이기 때문에 기압경도력과 코리올리힘의 크기가 서로 다름을 알 수 있다. 기압경도력과 코리올리힘의 차이가 흐름의 방향을 바꾸는 가속을 일으킨다. 두 힘의 차이에 의해 곡선 흐름의 안쪽으로 작용하는 이 힘을 구심력이라 하며, 구심력이 작용하여 상층 고기압이나 저기압 주변으로 흐르는 곡선 흐름을 경도풍이라 한다. 지균풍과 마찬가지로 경도풍도 상층 일기도의 등압선 분포로부터 알아낼 수 있다. 앞서 언급한 지균풍척을 이용하여 지균풍속을 계산한 뒤, 등압선이 굽은 정도를 나타내는 곡률 반경을 구하면 경도풍을 계산해낼 수 있다.

1.2.5. 마찰력

상층 흐름과 비교하여 지상의 고기압과 저기압 주변 대기 흐름에는 기압경도력, 코리올리힘과 구심력 외에 추가적으로 마찰력이 작용한다. 마찰력은 이동하는 물체의 반대 방향으로 작용하는 힘이다. 지표 부근에서 수평으로 이동하는 공기는 지표면에 의한 마찰력의 영향을 받는다. 지표에서 멀어질수록 지표면에 의한 마찰 효과가 감소하기 때문에 풍속은 고도가 높아질수록 빨라진다. 지표면에 의한 마찰 효과를 받는 높이는 대략 1킬로미터 고도까지이며, 이 고도까지의 대기층을 마찰층 또는 행성경계층이라 한다. 마찰층에서 마찰력은 대기 흐름 방향의 반대 방향으로 작용하여 흐름의 속도를 감소시킨다. 흐름의 속도가 감소하면 북반구에서 흐름 방향의 오른쪽으로 작용하는 코리올리힘의 크기도 감소한다. 결과적으로 흐름은 등압선과 평행하지 않고 기압이 낮은 쪽으로 등압선을 가로질러 흐르는데, 이는 흐름의 수직 방향으로 작용하는 코리올리힘과 흐름의 반대 방향으로 작용하는 마찰력의 합력이 기압경도력과 균형을 이루기 때문이다.

그림  대기에 작용하는 기압경도력(PGF), 전향력(f)와 마찰력(F)

그림  고기압과 저기압 주변의 일반적인 흐름

1.3. 풍향

풍향은 바람이 불어오는 방향을 나타낸다. 예를 들어 북풍은 북쪽에서 남쪽으로 부는 방향이다. 각도를 통해 바람의 방향을 표시하기도 한다. 0도(360도)가 북풍으로, 시계 방향으로 각도를 증가시켜 90도는 동풍, 180도는 남풍, 270도는 서풍을 나타내는 식이다. 방위를 기준으로 하지 않고 바람의 방향을 나타내는 표현들도 있다. 이를테면 수면에서 육지로 부는 바람은 상안풍, 육지에서 수면으로 부는 바람은 하안풍이라 하고, 언덕 위쪽으로 부는 바람을 활승 바람, 언덕 아래쪽으로 부는 바람을 활강 바람이라 한다.

1.3.1. 해풍과 육풍

특히 바다에서 육지로 부는 바람은 해풍, 육지에서 바다로 부는 바람은 육풍이라 한다. 낮 동안 태양 복사, 즉 햇빛에 의해 육지와 바다가 가열될 때는 육지의 기온이 더 빨리 상승하여 바다의 기온보다 높아지고, 반대로 밤 동안 육지와 바다가 냉각될 때는 육지의 기온이 더 빨리 냉각되어 바다의 기온이 육지의 기온보다 높아진다. 이에 따라 두 지역 사이에서 공기의 수평적인 이동이 발생한다. 지표의 기압이 같은 두 지역에서라도 공기가 상부까지 차가운 지역은 밀도가 크다. 이는 압력과 온도, 밀도가 비례하기 때문이다. 이러한 압력과 온도, 밀도의 관계는 기체의 상태방정식을 통해 알 수 있다. 차가운 지역이 밀도가 크기 때문에 고도가 높아지면서 기압이 보다 빨리 감소한다. 그러나 공기의 밀도가 작은 따뜻한 지역에서는 위로 올라갈수록 비교적 느린 속도로 기압이 감소한다. 따라서 상층의 고도에서 따뜻한 지역에서 차가운 지역으로 공기의 이동이 발생할 것이며, 이로 인해 찬 지역에 공기가 유입되었기 때문에 지표에서 차가운 지역의 기압이 높아지고 반대로 따뜻한 지역에서는 기압이 낮아진다. 따라서 지표에서는 차가운 지역에서 따뜻한 지역으로 공기의 이동이 발생한다. 따라서 낮에는 해풍, 밤에는 육풍이 발생하는데, 이러한 현상들은 상대적으로 햇빛의 영향이 뚜렷한 여름철과 맑은 날에 자주 발생하며, 다른 요인으로 인한 바람이 약할 때에 두드러지게 나타난다.

그림  해풍의 모식도 (출처: COMET MetEd)

그림  육풍의 모식도 (출처: COMET MetEd)

1.3.2. 탁월풍

특정 지역에서 일, 월, 계절, 년 등 주어진 기간에 가장 빈번하게 부는 풍향의 바람을 탁월풍 또는 주풍이라 하며, 탁월풍의 풍향을 탁월풍향이라 한다. 탁월풍은 특정 지역의 기후적 특성을 파악하는 데에 중요한 요소이다. 이를테면 앞서 언급한 활승 바람이 탁월풍일 경우 그 지역에서는 공기의 상승 운동이 잦아 구름, 안개 형성이나 강수가 잦을 것임을 알 수 있다. 여름철에 해풍이 탁월풍이라면 그 지역은 바다의 습윤한 공기 유입이 잦아 습도가 높을 것이고, 반대로 육풍이 탁월풍이라면 육지의 건조한 공기 유입이 잦아 습도가 낮을 것이다.

1.3.3. 바람장미

각 풍향이 관측된 횟수를 나열하여 탁월풍을 알아내기도 하지만, 탁월풍을 알아내는 가장 좋은 방법은 바람장미로 나타내는 것이다. 바람장미는 특정 기간에서 관측된 풍향의 시간 비율을 원의 중심점에서 풍향의 방향으로 나가는 선의 길이로 표현한 그래프이다.

그림  바람장미의 예 (출처: 미국 국립 물·기후 센터)

1.4. 바람의 관측

1.4.1. 지상 바람의 관측 장비

지상의 바람 관측 장비로는 풍향계, 바람자루, 풍속계, 에어로베인 등이 있다. 지상이라 하더라도 지면과 가까운 곳의 바람은 지형에 의해 영향을 받기 쉬우므로, 일반적으로 지상 바람은 주변 장애물의 높이보다 10배 이상 떨어진 평지에서 10미터 높이의 풍향과 풍속을 관측한다. 풍향계는 깃이 달린 화살 모양으로, 깃 모양 구조에 의해 바람이 불어오는 방향으로 회전하여 화살 모양 구조가 풍향을 가리키는 방식이다. 바람자루는 바람이 통하도록 양 끝이 열린 자루 모양으로 한쪽 끝이 고정되어 있어, 반대편 바람자루의 끝이 향하는 방향과 바람에 의해 들어올려지는 정도를 확인하여 풍향과 풍속을 가늠할 수 있다. 바람자루는 눈에 잘 띌 수 있도록 크게 만들기 용이하기 때문에, 항공기에서 활주로 주변의 지상 바람을 확인할 수 있도록 활주로 인근에 설치된 경우가 많다. 풍속계는 풍속을 관측하는 장비로, 기상청에서는 광초퍼식 풍속계 또는 초음파식 풍속계 등을 사용한다. 광초퍼식 풍속계는 중심축에 3개의 컵을 달아 컵이 회전하는 속도가 풍속에 비례함을 이용하는 방식으로 컵 풍속계라고도 한다. 초음파식 풍속계는 공기의 이동에 따라 초음파의 전파 속도가 변하는 원리를 이용하는 방식이다. 프로펠러식 풍향풍속계라고도 하는 에어로베인은 풍향과 풍속을 함께 관측하는 장비로, 풍향계의 화살 끝부분에 프로펠러가 달린 구조이다. 프로펠러 반대편의 깃 모양 구조에 의해 프로펠러가 바람의 방향으로 향하며, 바람에 의해 프로펠러가 풍속에 비례하여 회전함으로써 풍속을 측정한다.

그림  에어로베인(좌), 컵 풍속계와 풍향계(우) (출처: COMET MetEd)

그림  초음파식 풍향풍속계 (출처: COMET MetEd)

1.4.2. 지상 바람의 관측 요소

기상청의 자동기상관측장비는 지상 풍향과 풍속의 순간 자료를 0.25초마다 수신한다. 관측되는 풍향의 최소 단위는 0.1도, 풍속의 최소 단위는 초속 0.1미터이다. 일반적으로 풍속은 10분 평균 풍속을 말하는데, 10분 평균 풍속은 과거 10분 동안의 풍속 순간 자료를 산술 평균한 값이다. 일 최대풍속은 그 날의 1분마다 산출된 10분 평균 풍속 중 가장 높은 값을 나타낸다. 순간풍속은 과거 3초 동안 수신한 12개의 풍속 순간 자료를 산술 평균하여 0.25초마다 산출하는 값이다. 1분 동안 산출되는 240개의 순간풍속 중 가장 높은 값을 1분 최대순간풍속이라 하는데, 일 최대순간풍속은 그 날의 1분 최대순간풍속 중 가장 높은 값을 나타낸다. 풍향 또한 풍속과 비슷하게 산출하나 평균할 때에 산술 평균하지 않고 벡터 평균하며, 최대풍향과 최대순간풍향은 최대풍속과 최대순간풍속이 나타난 때의 풍향으로 한다. 한편 일평균풍속은 하루 동안의 풍속 순간 자료를 산술평균한 값이고, 하루 동안 대기가 흘러가는 거리를 의미하는 풍정합은 일평균풍속에 86,400을 곱하여 산출한다.

1.4.3. 해상풍 관측

국외에서 운영하고 있는 극궤도 위성에서는 산란계를 활용하여 해상 바람을 관측한 해상풍 자료를 제공한다. 직접 관측이 어려운 해상에서 바람의 분포를 확인할 수 있는 유용한 자료이나, 남극과 북극을 지나는 방향으로 지구를 공전하는 극궤도 위성의 이동 경로 아래 5~6도 가량의 폭이 좁은 영역에서만 관측되기 때문에 시공간적으로 연속된 자료를 산출하기 어렵다. 또한 비가 오는 지역에서는 해상풍에 오차가 발생할 수 있다. 그러나 연구 결과에 따르면 30노트 이상의 바람이 불 것으로 예상되는 지역에서는 비로 인해 오차가 발생한 바람 자료도 다소 유용하다.

그림  극궤도위성 해상풍 관측 원리 (출처: COMET MetEd)

그림  해상풍 산출 결과 예시 (출처: COMET MetEd)

1.4.4. 상층 바람 관측 장비

레윈존데, 바람 프로파일러 관측은 상층의 바람을 관측할 수 있는 방법이다. 레윈존데는 상층의 기온과 습도를 관측하기 위해 공중으로 띄우는 라디오존데가 상층에서 수평적으로 이동하는 정도를 측정하여 상층 바람을 산출하는 방식을 말한다. 바람 프로파일러는 도플러 레이더를 이용하여 바람을 관측하는 장비이다. 전파를 발사하여 되돌아오는 후방 산란 에너지는 대기의 움직임에 따라 달라지며, 바람 프로파일러는 이를 이용하여 상층 바람의 연직 분포를 산출한다.(고층기상관측지침 참조)

그림  라디오존데 관측 장면(좌) 및 구조(우) (출처: COMET MetEd)

그림  바람 프로파일러 (출처: COMET MetEd)

1.4.5. 레이더를 활용한 상층 바람 관측

도플러 레이더는 목표물이 레이더로부터 가까워지거나 멀어지는 속도를 관측함으로써 바람의 방향과 속도를 산출할 수 있다. 레이더의 빔이 가리키는 방향을 시선방향 또는 방사방향이라 하는데, 이러한 시선방향의 속도를 시선속도 또는 도플러 속도라 한다.(한국기상학회, 기상청 390) 목표물이 이동하더라도 시선방향의 수직으로 이동하는 경우 시선속도는 관측되지 않는다. 또한 레이더로부터 전파되는 빔은 레이더에서 멀어질수록 고도가 높아지므로, 이러한 점들을 고려해서 하나의 레이더에서 관측한 시선속도를 통해 레이더 주변 목표물의 실제 바람의 분포를 추정해낼 수 있다. 시선속도의 분포 영상은 원형으로 표현되며, 원의 중심이 빔이 전파되는 레이더의 중심이다. 따라서 원에서 멀어질수록 높은 고도의 시선속도를 나타낸다. 레이더 주변 각각의 고도에서 바람이 균일하게 불 경우를 가정하면, 각 고도에서는 레이더의 시선방향과 수직인 바람의 흐름이 있어 시선속도가 없는 지역이 반드시 존재할 것이다. 그 지역에서 시선방향의 왼쪽 수직 방향과 오른쪽 수직 방향의 시선속도를 서로 비교했을 때 시선속도가 증가하는 쪽, 즉 레이더에서 멀어지는 방향으로 바람이 불어감을 알 수 있다. 기상레이더센터에서는 도플러 레이더와 지상 바람 관측 자료 등을 활용한 레이더 바람장(WInd Synthesis System using DOppler Measurements, WISSDOM)을 산출하여 제공하고 있다.

그림  WISSDOM 표출 결과 예시

또한 한 레이더의 시선속도로부터 상층 바람의 평균 연직 구조를 얻을 수 있는데, 이를 준-연직분포(Quasi-Vertical Profile, QVP)라 한다.

그림  준-연직분포 표출 결과 예시

1.4.5. 위성을 활용한 상층 바람 관측

기상위성에서 관측되는 수증기나 구름의 시간에 따른 이동 경향을 이용하여 풍향과 풍속을 산출할 수 있는데, 이와 같은 방식으로 산출되는 바람 자료를 대기운동벡터라 한다. 가시 채널, 수증기 채널과 단파적외 채널의 영상과 운정고도 등의 보조 자료를 사용하여, 위성에서 관측되는 수증기나 구름의 고도와 그 고도에서의 바람을 확인할 수 있다. 수증기 채널은 대기 중상층의 수증기 흐름과 관련이 있기 때문에, 수증기 채널의 대기운동벡터에서는 주로 중상층의 대기 흐름을 확인할 수 있다. 반면 가시 채널의 대기운동벡터는 주간에 하층을 포함한 대기 흐름을 파악할 수 있으며, 단파적외 채널의 대기운동벡터는 가시 채널을 활용할 수 없는 야간에 하층 바람을 파악할 수 있다. 다만 대기운동벡터는 구름이 없는 지역에서 수증기 채널의 품질이 낮아지는 경향이 있으며, 북반구에서 겨울철에, 북반구보다 남반구에서 품질이 낮은 경향이 있다.

그림  대기운동벡터 표출 결과 예시

1.5. 강풍의 유형

울산공항을 대상으로 한 선행 연구에서는 강풍 특보 발생 시 강풍의 유형을 서고동저형, 저기압통과형, 고기압동풍형, 태풍형 등으로 분류하였다(김기영 외, 2020).

1.5.1. 강풍의 유형 분류

서고동저형은 서쪽에 고기압, 동쪽에 저기압이 위치한 형세로 저기압 통과 후 대륙형 한대기단인 시베리아 고기압이 확장하는 경우와, 동해상에 위치한 저기압이 정체하는 중에 북쪽으로부터 확장하는 대륙형 한대기단과의 사이에서 기압경도력이 강해지며 강풍이 발생하는 경우로 세분화할 수 있다. 특히 동해상의 저기압이 정체하는 경우 캄차카 반도 부근의 상층 기압마루로 인한 저지고기압 형성이 동해상의 저기압을 정체시키며, 저기압이 저지고기압 주변을 반시계 방향으로 이동하면서 확장하는 대륙형 한대기단 사이의 기압경도력을 높여 강풍이 지속될 수 있다.

저기압 통과 시 강풍이 발생하는 유형은 강풍 발생 시점을 기준으로 저기압이 통과하기 전, 통과하는 중, 통과한 후로 구분되며, 강풍 발생 시점에 저기압이 대상 지역의 북쪽에 위치하는지 또는 남쪽에 위치하는지로도 구분된다. 북서쪽에서 저기압이 접근할 때 남쪽에 고기압이 위치한 경우 저기압 전면에서 기압경도력이 상승하여 강풍이 발생할 수 있으며, 발달한 저기압이 북쪽으로 통과 중일 경우 한랭전선 상에서 강풍이 발생할 수 있다. 또한 저기압 통과 후 그 후면에서 고기압이 접근하는 경우 기압경도력 상승으로 강풍이 발생할 수 있다.

주로 3~4월에 중국 북동부의 고기압이 남하하여 북쪽에 고기압, 남쪽에 저기압의 기압 배치를 보일 경우 두 기압계 사이에서 북동풍이 동해안으로 불게 되는데, 이 때 기압경도력이 강해지면서 강풍이 발생할 수 있다.

1.5.2. 강풍 유형 별 수치모형 예측 특성

서고동저형으로 구분되는 강풍은 주로 북서풍으로, 지상에는 동해상의 저기압과 북서 내륙의 확장하는 고기압이 위치하며 상층에서는 기압골의 서쪽에서 한기가 남하하는 형태이다. 저기압 통과형 강풍 중 저기압 통과 후 발생하는 강풍 또한 서고동저형 강풍과 마찬가지로 한기가 남하하면서 북서풍이 유입되는 형태이다. 울산공항을 대상으로 한 선행 연구에 따르면, 수치모형이 상층에서 남하하는 한기의 온도 경도를 작게 예측할 경우 상층에서 남하하는 한기에 동반하는 북서풍의 속도도 낮게 예측하는 경향을 보이며, 따라서 한기의 온도 경도가 작을 경우 지형 효과 등으로 인해 수치모형에서 예측하지 못하는 강풍이 발생할 수 있음을 보였다. 또한 서고동저형 강풍과 저기압 통과 후 강풍에 대해 수치모형에서 850헥토파스칼(hPa) 고도의 기온 경도를 작게 예측하여 낮은 풍속이 모의되더라도, 925헥토파스칼 고도의 하층에서 기온 경도가 크다면 강풍 발생 가능성이 있음을 확인하였다.

1.6. 강풍의 영향

1.6.1. 교량 차량 통행 제한

도로법 제76조제6항과 도로법 시행령 제78조제1항에 따르면, 교량에서의 10분간 평균 풍속이 초당 25미터 이상인 경우 또는 복층형 교량의 상부교량에서 10분간 평균 풍속이 초당 20미터 이상인 경우 차량의 도로 진입이나 도로에 진행 중인 차량의 통행을 일시적으로 금지 또는 제한하는 긴급 통행제한 조치를 취할 수 있다. 그러나 2020년 태풍 하이선 접근으로 발생한 강풍으로 인해 복층형 교량인 광안대교의 하부교량에서 택배 차량이 전도되는 사고가 있었는데, 당시 상부교량의 출입만 통제된 상태에서 사고가 발생하여 교량 통제 기준을 강화해야 한다는 지적이 제기되었다.

그림  강풍에 의한 광안대교 차량 전도 사례 기사

이에 부산시설공단은 광안대교 하부교량을 포함한 부산시 관할 해상교량 전체에 대해 차량 진입 통제 기준을 10분간 평균 풍속이 초당 20미터 이상인 경우로 강화하기로 하였다.

그림  부산 교량 강풍으로 인한 교통통제 기준 강화 기사

따라서 이번 연구에서는 우리나라의 대표적인 대형 해상 교량인 광안대교에서 발생하는 강풍의 특성과 수치모형의 강풍 예측 경향을 분석하여, 대형교량에서의 강풍 피해를 예방하는 데에 기여하고자 하였다.

2. 본론

2.1. 광안대교 주변 지형 및 강풍 특성

2.1.1. 광안대교 주변 지형

광안대교는 부산광역시 남구 대연동을 시점으로 수영만을 거쳐 부산광역시 해운대구 우동까지 이어지는 길이 7,420미터의 현수교이다.

그림  광안대교 주변 지도 (출처: 브이월드 누리집)

그림  광안대교 남쪽에서 내려다본 지형 (출처: 브이월드 누리집)

그림  광안대교 동쪽에서 내려다본 지형 (출처: 브이월드 누리집)

그림  광안대교 주변 지형고도 (출처: 기상청 선진예보시스템)

2.1.2. 광안대교 바람 특성 분석 방법

이번 연구에 활용되는 광안대교의 관측 자료는 부산시설공단에서 관리하는 광안대교(중앙)의 바람 자료로, 관측지점의 위치는 위도 35.14596도, 경도 129.12834도이며 해발고도는 50미터이다. 10분마다 관측되는 광안대교의 10분 평균 풍속과 풍향은 2019년 12월 18일 13시 50분부터, 10분 최대 순간 풍속과 풍향은 2020년 12월 1일 14시 30분부터 관측값을 확인할 수 있다. 평균 바람과 순간 바람 자료의 일부 시기 관측값이 누락되어 있어 이를 제외하고, 일자료 산출을 위해 평균 바람 자료는 2019년 12월 19일 자정부터 2021년 8월 10일 23시 50분까지, 순간 바람 자료는 2020년 12월 2일 자정부터 2021년 8월 10일 23시 50분까지의 관측 자료를 분석에 사용하였다.

서론에서 언급하였듯 광안대교의 강화된 차량 통행 제한 기준은 10분 평균 풍속이 초속 20미터 이상일 경우이다. 특히 컨테이너 차량은 10분 평균 풍속이 초속 15미터 이상일 경우 통행을 제한한다. 이번 분석에서는 10분 평균 풍속이 초속 15미터 이상일 경우를 강풍의 기준으로 설정하였다. 한편 순간 풍속에 대해서는 교량 차량 통행 제한 기준이 없기 때문에, 강풍주의보 기준을 준용하여 10분 최대 순간 풍속이 초속 20미터 이상일 경우를 강풍 기준으로 설정하였다.

2.1.3. 광안대교 바람 특성

분석기간에 관측된 평균 풍속에서 초당 2~4미터가 가장 많이 관측되었으며, 북동풍과 북풍이 가장 많이 관측되었다.

그림  분석 기간 전체 평균 풍속 히스토그램과 바람장미

분석기간의 일 최대 평균풍속은 초당 6~8미터가 가장 많이 관측되었으며, 풍향은 북동풍과 북서풍이 가장 많이 관측되었다.

그림  분석 기간 일 최대 평균 풍속 히스토그램과 바람장미

일 최대 평균풍속을 월 단위로 살펴보면, 겨울에는 동남동풍, 봄에는 북동풍, 여름에는 서남서풍과 남풍, 가을에는 북서풍과 북동풍 계열의 바람이 우세함을 알 수 있다.

그림  일 최대 평균풍속 월별 히스토그램(상반기)

1월	2월	3월
4월	5월	6월

그림  일 최대 평균풍속 월별 히스토그램(하반기)

7월	8월	9월
10월	11월	12월

그림  일 최대 평균 바람 월별 바람장미(상반기)

1월	2월	3월
4월	5월	6월

그림  일 최대 평균 바람 월별 바람장미(하반기)

7월	8월	9월
10월	11월	12월

전 기간의 평균 바람을 시간대별로 나누어 살펴보면, 낮에 비교적 높은 평균풍속이 더 많이 관측된다. 또한 밤 동안에는 북서풍이 뚜렷하게 우세하나, 낮에는 북서풍이 우세하며 저녁에는 북풍이 우세하다.

그림  평균 풍속 시간별 히스토그램(오전)

0시	1시	2시
3시	4시	5시
6시	7시	8시
9시	10시	11시

그림  평균 풍속 시간별 히스토그램(오후)

12시	13시	14시
15시	16시	17시
18시	19시	20시
21시	22시	23시

그림  평균 바람 시간별 바람장미(오전)

0시	1시	2시
3시	4시	5시
6시	7시	8시
9시	10시	11시

그림  평균 바람 시간별 바람장미(오후)

12시	13시	14시
15시	16시	17시
18시	19시	20시
21시	22시	23시

10분 최대 순간 바람 분석 결과 풍속은 초당 3~5미터가 가장 많이 관측되었으며, 풍향은 동북동풍과 동풍이 가장 많이 관측되었다.

그림  분석기간 전체 순간 바람 히스토그램과 바람장미

일별 최대 순간풍속 산출 결과 9~11미터의 풍속이 가장 많이 관측되었으며, 풍향은 동북동풍과 남동풍이 가장 많이 관측되었다.

그림  분석기간 일 최대 순간 바람 히스토그램과 바람장미

관측자료가 없는 9월부터 11월을 제외하고 월별 일 최대 순간풍속에 대해 히스토그램과 바람장미를 산출한 결과, 겨울에는 동풍과 동북동풍, 봄에는 북동풍과 북서풍, 여름에는 남동풍과 남서풍 계열이 우세함을 알 수 있다.

그림  일 최대 순간풍속 월별 히스토그램

1월	2월	3월
4월	5월	6월
7월	8월	12월

그림  일 최대 순간 바람 월별 바람장미

1월	2월	3월
4월	5월	6월
7월	8월	12월

최대 순간풍속을 시간대별로 살펴보면, 평균 바람과 마찬가지로 낮에 비교적 높은 순간풍속이 더 많이 관측된다. 다만 풍향은 새벽부터 아침까지 동북동풍이 우세하다가 낮부터 오후까지 남동풍과 서남서풍이 우세, 저녁에 동풍이 우세하다가 밤에 다시 동북동풍이 우세하는 경향을 보인다.

그림  최대 순간풍속 시간별 히스토그램(오전)

0시	1시	2시
3시	4시	5시
6시	7시	8시
9시	10시	11시

그림  최대 순간풍속 시간별 히스토그램(오후)

12시	13시	14시
15시	16시	17시
18시	19시	20시
21시	22시	23시

그림  최대 순간 바람 시간별 바람장미(오전)

0시	1시	2시
3시	4시	5시
6시	7시	8시
9시	10시	11시

그림  최대 순간 바람 시간별 바람장미(오후)

12시	13시	14시
15시	16시	17시
18시	19시	20시
21시	22시	23시

2.1.4. 광안대교 강풍 유형 분류

분석 기간 중 초속 15미터 이상의 10분 평균 풍속이 관측된 날은 총 7일이었다. 초속 20미터 이상의 10분 최대 순간 풍속이 관측된 날을 포함하면 강풍 사례일은 총 17일이다. 각 사례일에 대해 일기도 상의 기압 배치 등을 확인하여 강풍 유형을 분류한 결과는 아래와 같다.

그림  광안대교 강풍 관측 사례별 유형 분류 결과

관측일시	평균풍향	평균풍속	순간풍향	순간풍속	강풍유형	세부유형
2020-01-07 22:00	142.7	15.9	결측	결측	저기압통과	통과전/북쪽
2020-09-02 23:40	44.6	26.3	결측	결측	태풍	-
2020-09-03 02:00	75.7	38.4	결측	결측	태풍	-
2020-09-07 07:50	39.5	29.5	결측	결측	태풍	-
2020-11-19 13:20	147.2	16.7	결측	결측	저기압통과	통과전/북쪽
2020-12-30 15:00	268.0	9.0	264.0	22.2	서고동저	cP 확장
2020-12-31 02:50	298.9	9.2	294.0	26.0	서고동저	cP 확장
2021-01-17 03:30	282.5	15.3	278.0	24.0	서고동저	cP 확장
2021-01-28 17:50	271.9	10.7	253.0	25.6	저기압통과	통과중/북쪽
2021-02-15 18:40	258.5	13.4	273.0	25.9	서고동저	저기압 정체
2021-02-17 13:10	241.6	12.4	231.0	23.4	서고동저	저기압 정체
2021-02-27 08:50	24.0	11.7	13.0	20.1	고기압동풍	-
2021-03-01 17:40	146.2	13.1	151.0	22.7	저기압통과	통과중/북쪽
2021-03-22 01:00	270.5	12.2	267.0	21.6	서고동저	cP 확장
2021-04-14 03:50	304.2	13.3	293.0	22.4	서고동저	cP 확장
2021-07-04 04:00	215.5	16.2	228.0	24.3	저기압통과	통과전/북쪽
2021-07-06 06:00	241.7	9.0	225.0	21.3	저기압통과	통과전/북쪽

서고동저형과 저기압 통과형이 각각 7개와 6개 사례로 가장 많았으며, 고기압동풍형과 태풍형도 각각 1개와 3개 사례가 확인되었다.

그림  광안대교 강풍 유형별 사례 수

유형	서고동저형	저기압통과형	고기압동풍형	태풍	합계
사례 수	7	6	1	3	17

2.1.5. 서고동저형 강풍 사례 분석

분석 기간 동안 가장 많이 확인된 서고동저형 강풍은 세부적으로 저기압 통과 후 대륙형 한대기단이 확장할 때 발생한 사례가 5개였으며, 동해상의 저기압 정체로 인해 확장된 대륙형 한대기단(cP)과의 기압경도력으로 강풍을 발생시킨 사례는 2개였다.

그림  서고동저형 강풍 사례 세부 유형별 사례 수

세부 유형	cP 확장	동해상 저기압 정체	합계
사례 수	5	2	7

2.1.6. 저기압 통과형 강풍 사례 분석

저기압통과형 강풍은 통과 전의 저기압이 북쪽에 위치한 경우가 3개, 통과 중인 저기압이 북쪽에 위치한 경우가 3개로 세부적으로 분류되었으며, 저기압이 통과한 후나 저기압이 남쪽에 위치하는 경우는 분석기간 중 확인되지 않았다.

그림  저기압 통과형 강풍 사례 세부 유형별 사례 수

저기압 통과 시점	통과 전		통과 중	통과 후		합계
저기압 위치	북	남	북	북	남
사례 수	3	-	3	-	-	6

2.2. 수치예측모형의 광안대교 강풍 예측 특성

2.2.1. 수치예측 특성 분석 방법

광안대교 강풍 사례 중 태풍형을 제외한 14일의 강풍 사례에 대한 수치예측모형의 예측 특성을 분석하였다. 분석에 사용된 수치예측모형은 기상청에서 활용하는 통합모형(Unified Model, UM)의 전지구예보시스템(Global Data Assimilation and Prediction System, GDAPS)으로부터 광안대교 관측지점의 위경도와 가장 가까운 격자에서의 강풍 발생 직전에 생산된 6시간 예측값을 사용하였다. 각 모형의 단일면 자료에서 동서방향 풍속과 남북방향 풍속, 50미터 고도의 동서방향 풍속과 남북방향 풍속, 최대 순간 풍속을 추출하여 바람 분석에 활용하였으며, 상층 기온은 각 모형의 등압면에서의 기온 자료를 활용하였다. 50미터 고도의 바람 자료를 별도로 사용한 이유는 광안대교 관측 지점의 고도가 50미터로 같기 때문이다. 모델 특성 비교를 위한 바람 관측값은 앞서 분석한 광안대교 바람 관측 자료를, 상층 기온 관측값은 통합모형 전지구예보시스템의 분석장으로부터 추출하였다.

2.2.2. 광안대교 강풍 수치예측 특성

수치예측모형의 평균 풍속과 50미터 고도의 평균 풍속 예측값을 광안대교 관측값과 비교한 결과, 전반적으로 평균 풍속은 과소 모의, 50미터 고도의 평균 풍속은 과대 모의하는 사례가 많았다. 강풍 유형별로는 서고동저형에서 평균 풍속과 50미터 고도의 평균 풍속 모두 관측값을 밑도는 경우가 많았다. 특히 50미터 고도의 평균풍속의 경우 서고동저형에서만 과소모의 사례를 확인할 수 있었다.

그림  광안대교 강풍 사례별 평균풍속 예측 편차

유형		사례일	평균풍속관측	평균풍속		50m평균풍속
				예측	편차	예측	편차
서고동저형	대륙성 한대기단 확장	2020-12-30	9	15.1	6.1	17.3	8.3
		2020-12-31	9.2	11.6	2.4	13.3	4.1
		2021-01-17	15.3	11.1	-4.2	12.8	-2.5
		2021-03-22	12.2	9.1	-3.1	10.6	-1.6
		2021-04-14	13.3	7.1	-6.2	8.5	-4.8
	동해상 저기압 정체	2021-02-15	13.4	10.9	-2.5	12.6	-0.8
		2021-02-17	12.4	13.5	1.1	15.6	3.2
저기압 통과형	통과 전	2020-01-07	15.9	14.9	-1.0	18.6	2.7
		2021-07-04	16.2	15.7	-0.5	19.5	3.3
		2021-07-06	9	12.0	3.0	14.9	5.9
	통과 중	2020-11-19	16.7	15.5	-1.2	19.4	2.7
		2021-01-28	10.7	14.7	4.0	17.3	6.6
		2021-03-01	13.1	10.9	-2.2	13.9	0.8
고기압동풍형		2021-02-27	11.7	14.1	2.4	16.4	4.7

순간 풍속은 서고동저형의 대륙성 한대기단 확장 사례 1개와 고기압동풍형 사례를 제외한 모든 사례에서 과소 예측되는 경향을 보였다. 과소모의 정도는 서고동저형에서 가장 크게 나타났다. 서고동저형을 제외하면 전반적으로 약한 과소 모의 경향을 보이기 때문에 편차를 보정할 경우 신뢰성 있는 예측 자료로 활용할 수 있을 것으로 보인다.

그림  광안대교 강풍 사례별 순간풍속 예측 편차

유형		사례일	순간풍속 관측	순간풍속 예측	편차
서고동저형	대륙성 한대기단 확장	2020-12-30	22.2	23.3	1.1
		2020-12-31	26	18.0	-8.0
		2021-01-17	24	16.3	-7.7
		2021-03-22	21.6	14.6	-7.0
		2021-04-14	22.4	11.1	-11.3
	동해상 저기압 정체	2021-02-15	25.9	20.9	-5.0
		2021-02-17	23.4	21.8	-1.7
저기압 통과형	통과 전	2020-01-07	결측	21.2	-
		2021-07-04	24.3	22.5	-1.8
		2021-07-06	21.3	16.8	-4.5
	통과 중	2020-11-19	결측	22.4	-
		2021-01-28	25.6	21.7	-3.9
		2021-03-01	22.7	15.2	-7.5
고기압동풍형		2021-02-27	20.1	21.3	1.2

2.2.3. 서고동저형 강풍 예측 특성 분석

수치예측모형의 강풍 예측성이 가장 좋지 못한 유형은 서고동저형으로, 총 7개의 사례 중 4개가 실제 풍속보다 모든 풍속을 낮게 모의하며 2021년 4월 14일 사례에서는 강풍을 예측하지 못했다. 서론에 언급하였듯 서고동저형 강풍을 예측하지 못하는 경우 예측보다 실황에서의 하층 기온 경도가 강하게 나타남이 알려져 있다. 따라서 서고동저형 강풍을 예측하지 못한 사례와 나머지 사례에 대해 850헥토파스칼(hPa)과 925헥토파스칼(hPa) 고도의 기온 경도를 비교 분석하였다. 분석에 쓰인 사례별 기온 경도는 최대 풍속 또는 순간풍속이 관측된 시간의 6시간 전부터 6시간 후까지의 분석장을 확인하여 기온의 최대값과 최소값의 차이를 산출하였다. 강풍 시점 6시간 전에 생산한 수치예측자료로부터 강풍 시점 6시간 후까지의 3시간 간격의 기온 예측 자료로 예측 기온 경도를 산출하여 분석장으로부터 산출한 기온 경도와 비교하였다. 강풍을 예측하지 못한 사례의 경우, 925헥토파스칼 고도와 850헥토파스칼 고도에서 기온 경도를 실제보다 크게 예측함을 확인할 수 있다.

그림  서고동저형 강풍 사례별 925hPa, 850hPa 기온경도 예측 편차

사례일	강풍 예측	925hPa 기온경도			850hPa 기온경도
		예측장	분석장	편차	예측장	분석장	편차
2020-12-30		1.8	2.4	-0.7	5.1	3.7	1.4
2020-12-31		4.6	2.5	2.1	3.4	4.1	-0.7
2021-01-17		5.6	2.8	2.8	2.0	2.8	-0.8
2021-03-22		5.1	4.4	0.7	2.0	1.1	0.9
2021-04-14	미예측	6.0	7.2	-1.2	4.1	4.7	-0.6
2021-02-15		12.4	11.7	0.7	8.3	7.4	0.9
2021-02-17		3.1	2.9	0.2	2.9	2.6	0.3

3. 결론

이번 연구에서는 우리나라의 대표적인 대형 해상 교량인 광안대교에서 발생하는 강풍의 특성과 수치모형의 강풍 예측 경향을 분석하여, 대형교량에서의 강풍 피해를 예방하는 데에 기여하고자 하였다. 강화된 교량 통제 기준을 반영하여 10분 평균 풍속이 초속 15미터 이상일 경우와, 10분 최대 순간 풍속이 초속 20미터 이상일 경우를 강풍 기준으로 설정하였다.

광안대교의 평균 바람에 대한 탁월풍 분석 결과, 전체 기간에 관측된 평균 풍속에서 초당 2~4미터가 가장 많이 관측되었으며, 북동풍과 북풍이 가장 많이 관측되었다. 분석기간의 일 최대 평균풍속은 초당 6~8미터가 가장 많이 관측되었으며, 풍향은 북동풍과 북서풍이 가장 많이 관측되었다. 평균 바람은 겨울에는 동남동풍, 봄에는 북동풍, 여름에는 서남서풍과 남풍, 가을에는 북서풍과 북동풍 계열의 바람이 우세하며 시간대별로는 낮 동안 비교적 높은 평균풍속이 더 많이 관측된다. 대부분 시간대에서 북서풍이 우세하며 저녁에는 북풍이 우세하다.

광안대교의 순간 바람에 대한 탁월풍 분석 결과, 분석 기간 10분 최대 순간 풍속은 초당 3~5미터가 가장 많이 관측되었으며, 풍향은 동북동풍과 동풍이 가장 많이 관측되었다. 일별 최대 순간풍속 산출 결과 9~11미터의 풍속이 가장 많이 관측되었으며, 풍향은 동북동풍과 남동풍이 가장 많이 관측되었다. 관측자료가 없는 9월부터 11월을 제외하고 월별 일 최대 순간풍속에 대해 히스토그램과 바람장미를 산출한 결과, 겨울에는 동풍과 동북동풍, 봄에는 북동풍과 북서풍, 여름에는 남동풍과 남서풍 계열이 우세하였다. 시간대별로는 평균 바람과 마찬가지로 낮에 비교적 높은 순간풍속이 더 많이 관측된다. 다만 풍향은 새벽부터 아침까지 동북동풍이 우세하다가 낮부터 오후까지 남동풍과 서남서풍이 우세, 저녁에 동풍이 우세하다가 밤에 다시 동북동풍이 우세하는 경향을 보인다.

분석 기간 중 강풍이 발생한 사례일은 총 17일이다. 각 사례일에 대해 일기도 상의 기압 배치 등을 확인하여 강풍 유형을 분류한 결과 서고동저형과 저기압 통과형이 각각 7개와 6개 사례로 가장 많았으며, 고기압동풍형과 태풍형도 각각 1개와 3개 사례가 확인되었다.

수치예측모형의 평균 풍속과 50미터 고도의 평균 풍속 예측값을 광안대교 관측값과 비교한 결과, 전반적으로 평균 풍속은 과소 모의, 50미터 고도의 평균 풍속은 과대 모의하는 사례가 많았다. 강풍 유형별로는 서고동저형에서 평균 풍속과 50미터 고도의 평균 풍속 모두 과소모의하는 경우가 많았다. 특히 50미터 고도의 평균풍속의 경우 서고동저형에서만 과소모의 사례를 확인할 수 있었다.

순간 풍속은 서고동저형의 대륙성 한대기단 확장 사례 1개와 고기압동풍형 사례를 제외한 모든 사례에서 과소 예측되는 경향을 보였다. 과소모의 정도는 서고동저형에서 가장 크게 나타났다. 서고동저형을 제외하면 전반적으로 약한 과소 모의 경향을 보이기 때문에 편차를 보정할 경우 신뢰성 있는 예측 자료로 활용할 수 있을 것으로 보인다.

수치예측모형의 강풍 예측성이 가장 좋지 못한 유형은 서고동저형으로, 총 7개의 사례 중 4개가 실제 풍속보다 모든 풍속을 낮게 모의하며 2021년 4월 14일 사례에서는 강풍을 예측하지 못했다. 서고동저형 강풍을 예측하지 못한 사례의 경우, 925헥토파스칼 고도와 850헥토파스칼 고도에서 기온 경도를 실제보다 크게 예측함을 확인하였다.

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