복잡한 산악 지형 및 인근 지역에서 강수 발생 및 형태(phase)를 결정짓는 것은 겨울철 날씨 예측에 있어 가장 중요한 도전 중의 하나이다. 영동지역은 겨울철 누적된 강설의 무게로 인한 가건물 및 비닐하우스 붕괴, 미끄러운 도로조건으로 인한 교통사고 등의 재해기상 현상이 빈번하게 발생한다. 강설의 가장 기본 요소인 눈결정은 강수 입자의 낙하속도에 영향을 미치기 때문에 구름 및 강수 물리에 있어 중요한 역할을 하며, 수치모델에서 강수 강도와 위치를 변화시킬 수 있다. 또한 서로 다른 눈결정은 산란 및 흡수 특성이 제각기 다르므로 레이다와 위성과 같은 원격관측 측면에서도 중요한 이슈이다.
이렇듯 중요한 연구 주제임에도 불구하고 영동지역에서 강설 구름 및 눈결정 특성에 관한 연구는 소수에 불과하다. 국외에서도 이중편파 레이다 기반의 수년간의 연구와 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있으나 융해층의 관측 위치, 복잡한 가정 문제 등 여러 제한사항으로 인해 눈결정의 미세물리 특성에 관한 이해는 여전히 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 기존의 레이다 기반 연구들과는 다르게 조밀한 시간 간격의 고층 관측 및 고해상도 구름 모델링의 통합 연구를 통해 영동지역의 기상조건에 따른 강설의 이해와 눈결정 특성 차이를 규명하고자 하였다.
다년간의 강설집중관측실험(ESSAY) 캠페인 기간 영동지역에서 발생한 총 17개의 강설 에피소드에 대해 구름을 분류한 결과, 종관적인 패턴에 의한 빈도 분포는 저기압 남해상 통과형(LP; Low Passing)과 정체형(ST; Stagnation)이 대부분(약 90%)으로써 전형적인 영동지역 강설 패턴임을 확인하였고, 형태학적으로는 단층 구름의 빈도가 높았지만 두층 구름의 유형도 비교적 많았다(약 30%). 영동지역의 장기간 기상 특성과 눈결정 특징을 살펴보면, 850 hPa 온도가 -10℃(263 K) 이하일 때 주로 나뭇가지형(Dendrite)의 눈결정이 분포하였고 온도가 증가하면서 싸락눈(Graupel) 형태의 눈결정이 증가하였다. 또한 눈밀도는 850 hPa 온도와 연관성이 있었으며 ESSAY 캠페인 기간 영동지역에서 관측된 눈결정은 주로 Dendrite의 부착(aggregate) 또는 결착(riming) 형태가 대부분(50% 이상)인 것으로 파악되었다.
집중관측 및 재현 실험을 통해 영동지역의 강설 발생 시 열역학적 구조와 눈결정의 특성을 살펴보고자 서로 다른 두 가지 강설 에피소드를 선정하였다. ST형의 유사한 종관 조건하에서 Episode 1은 상대적으로 차갑고 단층 구름 구조를 가지며 Episode 2는 두층 구름 형태를 나타냈다. 두 가지 에피소드 모두 850 hPa 온도가 하강함에 따라 결착형 눈결정 입자가 부착형 형태로 변화하는 것을 알 수 있었다. 또한 2 ~ 3km 고도의 하층 구름 상부에 상당온위의 강한 역전층과 상·하층간 뚜렷한 풍향의 시어 등 영동지역의 강설시 독특한 연직 대기 특성을 확인할 수 있었다. 구름분해모델(CReSS)을 활용한 재현 실험을 통해서도 상당온위의 연직 구조와 상·하층간 풍향의 시어, 구름층의 위치와 강수 유형의 변화 경향 등 관측된 특징을 잘 재현하였다. 두 가지 에피소드에 대한 관측과 모델링 결과로부터 눈결정 특성에 미치는 두층 구름 효과는 뚜렷하지 않은 것으로 확인되었으며 눈결정 특성은 주로 온도에 의해 결정되는 것으로 판단하였다.
영동지역의 눈결정 특성에 미치는 다양한 기상 요인의 영향을 확인해보고자 재현(REAL) 실험과 이상적인(IDEAL) 실험으로 구분한 민감도 테스트를 수행하였다. 먼저 영동지역의 실제 기상 특성을 반영하기 위해 Episode 3에 대한 REAL 민감도 실험을 수행하였다. 규준(CTRL) 실험과 비교하여 온도(TEMP) 실험의 강수 유형 특성 분석 결과, 강수 중·후반 많은 비중을 차지했던 비(Rain)와 구름 물량(Cloud water)은 TEMP 실험에서 감소하였으며, 대신 강수 중반 싸락눈(Graupel)이 약 3.5배 증가, 강수 후반 눈(Snow)이 약 6.5배 증가하는 등 강수 유형 특성의 뚜렷한 차이를 확인할 수 있었다. 한편 단층(CLD1) 실험에서는 CTRL 실험과 비교하여 큰 차이가 없는 등 두층 구름 효과가 미미하였으며, 상·하층간 풍향의 시어 효과를 제거한 동풍(EAST) 실험의 경우, CTRL 실험 대비 3.6배 이상의 강수 강화 효과가 있었다. 다음으로 Episode 1에 대한 IDEAL 실험 기반의 TEMP 실험은 지형 유무와는 상관없이 하층 온도를 냉각시켰을 때 CTRL 실험 대비 Graupel은 26 ~ 27% 감소, Snow는 53 ~ 67% 증가하였다. 또한 온도의 냉각 효과가 연직적인 대기 수상체 구성을 변화시키는 것을 확인하였다.
지금까지 ESSAY 캠페인 기간 집중관측 및 수치모델링 기반의 연구 수행을 통해 850 hPa 온도와 눈결정 특성 변화의 연관성을 제시할 수 있었다. 또한 CReSS 모델 기반의 다양한 민감도 실험을 통해 눈결정 특성은 동풍 효과나 두층 구름 효과보다는 주로 온도에 의해 결정됨을 확인하였다. 본 연구의 결과는 영동지역 스키어, 관광객, 운전자들을 위한 강설 유형 예측의 기초 자료로써 활용될 수 있을 것이다. 그러나 눈결정 특성은 구름층 내의 난류, 연직 속도, 중력 등 복잡한 과정에 의해 영향을 받기 때문에 지상 관측만으로는 한계가 있다. 따라서 항공 관측 및 원격 장비를 추가 활용하여 결착 또는 부착과 같은 미세물리 특성에 관한 상세한 이해 등 다각도의 분석이 필요하다. 향후 고해상도 눈결정카메라(Multi-Angle Snowflake Camera: MASC) 장비를 활용한 CReSS 모델의 개선이 필요하며, 영동지역의 기상학적 특수성을 고려한 미세물리 과정 등의 스킴 개발이 요구된다.

The Yeongdong region has sometimes had meteorological disasters such as breakdown accidents due to heavy weight of accumulated snow, and traffic accidents due to slippery road condition. Determining the occurrence and phase of precipitation is a major challenge in winter weather forecasting over complex terrain such as Yeongdong. Snow crystals as a basic element of solid precipitation play an important role in cloud and precipitation physics because they affect fall speed of solid precipitation, which can change precipitation rate and location in the numerical simulation. They are also very important in remote sensing such as radar or satellite since different snow crystal habits show the corresponding scattering and absorbing characteristics.
However, there have been very few studies on cold clouds and snow crystal habits in the Yeongdong region although it is an important research topic there. Despite several years of research and technological development of dual-polarization radars, microphysical characteristics of snow crystal still remain poorly resolved due to many limitations such as observation location of the melting layer, a number of assumptions that may not always be valid, and so on. Therefore, this study investigates the characteristics of snow crystals and snowfall for the different meteorological conditions based on the combined integration of numerical modeling and upper-air observations in the Yeongdong region.
We used the temporally high-resolution dataset of rawinsonde soundings and snow crystal photographs during the Experiment on Snow Storms At Yeongdong (ESSAY) campaign for 2013 to 2016. Frequency distribution by synoptic pattern showed that low passing (LP) and stagnation (ST) type consist of 90% of total, and two-layered cloud structure consists of up to 30%. According to the long-term analysis, as the 850-hPa temperature was below -10℃ (263 K), the dendrite-like snow crystals were the main habits, while as the temperature increased, the graupel-like habits increased. Snow density also appeared to be related to the 850-hPa temperature. The snow crystal habits observed in the ESSAY campaign are mainly aggregates of dendrite or rimed dendrites, consisting of about 50% of the entire habits.
In this study, we investigated the intensive observation and numerical simulation of cold clouds and snow crystal characteristics for two snowfall episodes that occurred on 23-24 February and 13-14 December, 2016. Episode 1 has a single-layered cloud along with colder thermal trough and Episode 2 has two-layered cloud under the similar stagnation synoptic pattern. We found out that rimed particles in the first period tend to turn into aggregates of dendrite as 850-hPa temperature decreases with time in both episodes. Rawinsonde soundings showed well-defined low-level clouds around 2 ~ 3km along with the distinctive wind directional shear and strong inversion in equivalent potential temperature above the cloud layer. The Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS) simulation successfully represented the variations of snow crystal habits (riming to dendrite) as well as cloud locations along with the clear wind shear and vertical structures of equivalent potential temperature around 2 ~ 3km for both episodes. The observation and model simulations clearly suggested that snow crystal habits predominantly depend on the 850-hPa temperature.
Sensitivity experiments were carried out to investigate the effects of various meteorological factors on snow crystal characteristics. First, temperature (TEMP) experiment based on the real test for Episode 3 showed a significant difference in precipitation type such as increase (3.5 times) in graupel in the first period and increase (6.5 times) in snow in the second period, compared with the control (CTRL) experiment. In the single-layered cloud (CLD1) experiment, there was no significant difference, while the easterly (EAST) experiment enhanced the precipitation more than 3.6 times compared with CTRL. Second, TEMP experiment based on the ideal test for Episode 1 showed 26 ~ 27% decrease in graupel and 53 ~ 67% increase in snow compared to the CTRL experiment, regardless of terrain. Also, the cooling effect caused a change in the vertical hydrometeor distribution. Eventually the sensitivity experiments could suggest that the characteristics of precipitation type are to the first order dependent upon temperature.
Although this approach has a couple of limitations, the current results could be practically used to forecast snow types for skiers, travelers and drivers, etc. in the Yeongdong region. Certainly, further investigations are required for better insight into the microphysics of riming and aggregation, and potential role of sustained turbulence and vertical air motion on snow crystals generation. Future studies should illustrate complementarity of aircraft, dual-polarization radar and passive remote sensors for the description of snowfall microphysics in the Yeongdong region. In addition, we need to improve the CReSS model such as development of microphysics scheme and quantification of fall velocity using a Multi-Angle Snowflake Camera (MASC).