Takahashi 적운 모형을 이용한

찬 구름에서의 에어러솔 효과 실험

Hannah Lee, Seong Soo Yum and Eun-Jin Woo

Department of Atmospheric Sciences, Yonsei University, Seoul, Korea

1. 서 론

에어로솔 수농도의 증가는 일반적으로 강수입자의 성장을 더디게 하여 강수 효율을 떨어뜨리는 것으로 알려져 있다. 그러나 이러한 에어러솔의 간접적 효과(aerosol indirect effect)는 대기의 열역학적 상태와 구름의 형태에 따라 다르게 나타날 수 있다. 일부 관측 결과와 모형실험에서는 에어러솔 수농도가 높은 경우 오히려 더 많은 비를 내리기도 하였다(Khain 2009). 따뜻한 구름(warm cloud)의 경우 대체로 에어러솔 수농도 증가에 따라 강수량이 감소하는 경향을 보이나, 얼음입자를 포함하는 찬 구름(cold cloud)에서는 반대의 경향을 보이기도 한다. 이것은 얼음입자의 생성과 발달 과정이 에어러솔 효과의 판도를 좌우하는 결정적 역할을 할 수 있음을 나타낸다. 그러나 현재 찬 구름에서의 얼음입자의 발달과정에 대한 이해도는 매우 낮은 편이다.

본 연구의 목적은 Takahashi 구름모형을 이용하여 찬 구름에서 에어로졸 수농도에 따른 얼음입자들의 수농도와 크기분포를 분석하여 에어러솔과 강수와의 상관관계를 살펴보고자 하는 것이다.

2. 모 형

본 연구에서 사용된 모형은 Takahashi (1976)에 의해 개발된 2차원 비정수계 비탄성 모형으로서 깊은 대류계를 모사하며, 모든 격자점에서 수문입자의 크기별 수농도가 계산되는 bin 모형이다. 또한 물 입자뿐 아니라 빙정, 우박, 싸락눈을 도입하여 따뜻한 구름은 물론 찬 구름의 미세물리 과정도 포함되어 있다. 물방울과 우박, 싸락눈은 그 크기에 관계없이 모두 구형으로 가정하였다.

동결과정에서 물방울 중에 반지름이 20 μm이하의 작은 것은 빙정의 싹이 되어 눈으로 성장한다. 한편 동결한 물방울의 반지름이 20 μm이상일 경우에는 밀도에 따라 우박과 싸락눈으로 분류된다. 우박과 싸락눈은 착빙과 승화에 의해 성장한다. 성장 과정에서 밀도가 0.7 g cm-3이상인 입자는 우박으로 분류하고, 이보다 작은 입자는 싸락눈으로 분류한다. 에어러솔 수농도에 따른 효과를 분석하기 위해 관측 값을 바탕으로 해양성(Maritime, M, 260 cm-3)과 대륙성(Continental, C, 3105 cm-3), 오염된 (Polluted, P, 11865 cm-3) 구름으로 분류하여 실험하였다. 초기 열역학 구조는 CAPE 2932 (J kg-1)으로 3.6 km 이상의 고도에서 얼음입자가 생성되어 찬 구름으로 발달한다.

3. 결과 및 토의

Fig. 1은 세 가지 에어러솔 수농도의 실험으로부터 얻어진 시간에 따른 지표강수량을 나타낸 것이다. 60분까지는 대체로 에어러솔 수농도에 따라 강수량이 감소하는 따뜻한 구름의 특징을 보이고 있으나 얼음입자가 생성되기 시작하는 60분 이후부터는 에어러솔 수농도가 높을수록 강수량이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

일반적으로 따뜻한 구름의 경우 에어러솔 수농도가 높을수록 구름입자의 크기가 작고 수농도는 높기 때문에 강수 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 실제로 실험 결과에서도 물방울의 경우 오염된 구름에서 그 수농도가 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2). 그러나 얼음입자의 경우 에어러솔 수농도가 가장 낮은 해양성 구름에서 가장 높게 나타나고, 얼음입자의 혼합비는 해양성이 가장 낮게 나타났다. 이것은 해양성 구름의 얼음입자 크기가 가장 크고 오염된 구름의 얼음입자가 가장 작다는 것을 의미한다.

Fig. 1. Time series of surface precipitation amount for the three initial droplet distributions.

따라서 찬 구름에서는 얼음입자 수농도가 더 낮은 오염된 구름에서 얼음입자의 성장이 더 빠르게 일어나고 결과적으로 더 많은 강수를 내릴 수 있게 된다. 향후 얼음입자 수농도 차이에 대한 자세한 분석이 더 이루어 질 것이다.

감사의 글

이 연구는 기상청 기상기술개발사업(CATER 2012-3051)의 지원으로 수행되었습니다.

References

Khain, A. P. 2009: Notes on state-of-the-art investigations of aerosol effects on precipitation: a critical review, Environ. Res. Lett., 4, 015004 (20pp).

Takahashi, T., 1976: Warm rain, giant nuclei and chemical balance-A numerical model, J. Atmos. Sci., 33, 269-286.

Fig. 2. Vertical profiles for mixing ratios (g kg-1) and number concentrations(cm-3)of water drop and ice particles (hail, graupel and ice crystal) at 80 min.