<강수량 측정방법> 기상청 강수량 측정기준

기상청 강수령 측정방법

기상청 강수량 측정기준

 

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최근 기후변화로 인한 극한 기상현상이 급증하면서 우리는 지금까지 들어보지 못한 강수량 예보들을 접하곤 합니다.

최근 우리나라도 여름철 강수특성이 국지적으로 강하게 발달한 비구름대에 의해 짧은 시간에 많은 비를 내리는 빈도가 커지고 있고, 이로 인한 침수 피해가 발생하고 있습니다.

최근 뉴스나 신문기사를 통해 날씨예보를 확인할 때 "시간당 30mm 내외의 강한비", "시간당 50mm 물폭탄" 등의 강수량에 관한 내용을 자주 보셨을 텐데요. 이러한 강수량은 어떻게 측정되는 것일까요?

오늘은 강수의 정확한 기상학적 의미와 함께
강수량의 측정 방법을 알아보겠습니다.

 

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강수 종류(?)
강수는 비, 눈, 우박 등 모든 액체상 또는 고체상을 포함하는 지상으로 떨어지는 모든 형태의 물 입자를 이르며 대기의 바람, 온도, 수증기압 등에 따라 그 형태가 달라집니다. 지표 기온이 0℃ 이상일 때 액체 상태로 떨어지는 물 입자를 ‘비’라고 합니다. 반면, 지상의 기온이 0℃보다 낮아 액체 상태로 녹지 않고 떨어지는 것을 ‘눈’이라고 합니다. 눈은 기온이 아주 낮은 한랭한 날에는 큰 눈송이로 성장하지 못합니다. 하지만 기온이 높아 포근한 날에는 가장자리가 녹은 눈 결정들이 서로 엉겨 붙어 큰 눈송이를 형성할 수 있습니다. 눈이 내릴 때 지면 부근의 기온이 0℃ 이상으로서 지면 가까이에서 눈 일부가 녹아 나타나는 것을 ‘진눈깨비’라 합니다.

또한, 액체상의 강우가 내리다가 0℃ 이하인 지상으로 떨어지면서 지면 등 물체에 닿아 고체상태로 상변화가 일어나는 강수 형태를 ‘어는비’라 합니다. 싸락눈이나 우박은 구름 속에 상승기류가 존재할 때 빗방울들이 얼기 녹기를 반복하며 공 모양, 원뿔 모양으로 성장하는데 이때 입자의 직경이 5mm 미만일 경우 ‘싸락눈’이라 하고, 5mm 이상일 경우 ‘우박’이라 합니다.

강수의 종류를 다시 정리하자면, 비, 눈, 진눈깨비, 어는비, 싸락눈, 우박 등으로 그 형태가 다양합니다. 강수량은 이러한 강수가 땅속으로 스미지 않고 또 지면을 흘러가거나 증발이 되지 않고 그 자리에 고였을 때의 깊이를 말하며 보통 mm 단위를 사용합니다. 강수의 종류와 강수량의 개념에 대하여 알았으니 이제 이를 어떻게 측정하는지 알아볼까요?

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1. 강수량 첫번째 측정 방법 우량계
① 표준 원통 우량계
우량계는 일정 용기에 빗물을 받아 강수량을 측정하는 기구입니다. 여러 가지 우량계 종류 중 간편하면서 널리 사용되는 강수량 측기로는 표준 우량계가 있습니다.

표준 우량계는 세계기상기구(WMO)가 권고한 규격 기준 범위 내에서 나라마다 제작하여 사용하고 있습니다. 상부 직경이 약 20cm이고 내부에는 집수 깔때기가 있어 빗물이 좁은 입구를 통해 원통 모양 측정 튜브로 모이게 됩니다. 측정 튜브의 직경은 빗물을 받는 부분의 약 1/10 크기입니다.

원통형 우량계에 의한 강우 관측은 가장 원시적인 방법으로 강우 시작과 종료 시각에 사람이 직접 측정을 해야 하므로 무인관측이 불가능하지만 적은 비용으로 강우를 관측할 수 있다는 장점이 있습니다.

② 전도형 자기우량계
강수량을 측정하는 또 다른 우량계로는 전도형 우량계가 있습니다. 우리나라에서는 강수량 측정에 이 우량계를 가장 많이 사용하고 있습니다. 전도형 우량계는 강수량뿐만 아니라 발생 시각 및 강도(시간 단위당 양)도 기록이 가능합니다. 빗물을 받는 깔때기가 2개의 작은 금속 전도 용기로 이루어져 있습니다.

빗물은 하나의 용기에 모이고 0.5mm의 빗물이 채워지면, 빗물의 무게에 의해 기울어지면서 물이 쏟아져 용기를 비우게 됩니다. 그러면 다른 용기가 바로 세워지면서 빗물이 다시 채워집니다. 용기가 기울어질 때마다 컴퓨터에 전류를 유도하여 용기가 기울어진 시간을 정확히 기록하기 때문에 단위 시간당 용기가 기울어진 횟수와 전도 용기의 물의 양을 이용하면 강우 강도를 계산할 수 있습니다. 전도형 우량계는 원격 측정이 가능한 장점이 있지만, 강수가 많을 때 강수 유실이 있다는 한계가 있습니다.

그 외에도 저울형 우량계, 무선로봇 우량계 등의 우량계가 있습니다.

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2. 강수량 두 번째 측정 방법 레이더
기상레이더는 재래식 레이더(1세대), 도플러 레이더(2세대), 이중 편파 레이더(3세대) 순으로 발전해 왔습니다. 2010년대에 도입되기 시작한 제3세대 기상레이더 이중 편파 레이더에서 강수량을 추정하는 방법에 대하여 좀 더 자세히 알아볼까요?

레이더는 전자기파를 송신하고 대기 중에 존재하는 매질에 의해 반사 또는 산란된 전파를 수신하여 대기 중의 기상 현상을 관측합니다. 레이더에서 송·수신하는 전자기파는 파의 진행 방향의 수직 방향으로 진동하는 전기장과 자기장으로 구성되며 전기장 벡터가 레이더에서 사용하는 파의 편파를 결정합니다. 전기장이 수평 방향으로 진동하면서 전자기파가 진행하면 수평 방향 진동파, 수직으로 진동하면 '수직 방향 진동파'라고 부릅니다. 기존의 단일 편파 레이더가 수평 방향 진동파만을 송·수신하는 반면, 요즘 사용하는 이중 편파 레이더는 수평 방향 진동파와 수직 방향 진동파를 모두를 송·수신할 수 있는 레이더입니다.

이중 편파 레이더에서는 단일 편파 레이더에서 산출되는 변수를 활용합니다. 반사도(Z), 시선속도(Vr), 스펙트럼 폭(SW)에 더하여 차등반사도(ZDR), 상관계수(HV), 차등위상차(DR), 비차등위상차(KDP)의 산출 변수들을 이용하여 강수 입자의 모양이나 형태 등의 정보를 파악합니다. 좀 더 자세히 설명하자면 차등반사도(ZDR)는 강수 입자의 크기와 모양 분석에 활용이 되고, 상관계수(HV)는 눈과 비 구분 그리고 비기상 에코 판별에 활용이 됩니다. 차등위상차(DR)는 강우 강도 판별 및 정량적 강수량 추정을 위한 초기 변수로 활용이 되고 마지막으로 비차등위상차(KDP)는 강우 강도 판별 및 정량적 강수량 추정에 활용이 됩니다.

* 시선속도(Radial Velocity (Vr)) : 목표물이 레이더로부터 멀어지고 가까워지는 운동 성분을 나타내는 인자

* 차등반사도 : 수직반사도에 대한 수평반사도의 비를 나타내는 변수로서 대기수상체의 크기, 형태, 방향과 강도에 따라 달라지며, 수상체의 형태를 파악할 수 있어 특히 우박감지에 유용하게 사용됨

* 차등위상차 : 전자기파가 매질을 통과하는 동안 진행속도의 감소로 인하여 위상이 지연되며, 이 때 수평편파와 수직 편파 사이의 위상 차이

* 비차등위상차 : 거리에 따른 차등위상차의 변화율. 변수의 값은 수상체의 크기 모양, 방향성, 굴절지수에 의존

(좌)우량계를 통해 관측한 강수량의 분포도 (우)레이더를 통해 관측한 강수량의 분포도 출처

왼쪽의 사진은 우량계를 통해 관측한 강수량의 분포도이며 오른쪽 사진은 레이더를 통해 관측한 강수량의 분포도입니다. 왼쪽의 우량계로 관측한 분포도의 경우 공간 해상도가 다소 떨어지지만 정확하다는 장점이 있습니다. 반면, 오른쪽의 레이더로 측정한 분포도 같은 경우 고해상도의 레이더 격자 강수가 추정되어 보다 정확하고 상세하게 강수 정보를 분석할 수 있다는 장점이 있습니다.

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3. 강수량 세 번째 측정 방법 인공위성
인공위성 자료를 이용하는 강수량 추정에는 일반적으로 적외선, 마이크로파가 사용됩니다. 적외선 방법은 구름층을 통과할 수 없으므로 운정온도, 구름의 면적, 형태 등의 여러 특성을 이용하는 간접적인 강수 추정방법입니다. 마이크로파 방법은 마이크로파가 강수 층을 통과할 때 강수 입자에 의해 산란이 되거나, 또는 강수 층에서 방출되는 성질을 이용하는 직접적인 강수 추정방법입니다. 그러나 마이크로방법은 현재 극궤도 위성에서만 이용할 수 있기 때문에 하루에 2회 정도의 측정치만을 얻을 수 있습니다. 또한, 정지 위성의 적외선 자료보다 공간 분해능이 떨어지는 대신에 시·공간적인 분해능이 탁월합니다.

*운정온도 : 구름 최상부의 온도와 지상으로부터의 높이를 의미하며 구름을 흑체로 가정하면 적외 1, 2채널 자료로부터 구름 상부로부터 대 기상단까지의 수증기 영향을 제거하면 운정온도를 쉽게 구할 수 있다.

가장 대표적인 인공위성으로는 TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission, 열대성 강우 측정 임무) 인공위성이 있습니다. 이 위성은 고도 약 400km 상공에서 지구를 선회하고 있고 강수 레이더가 탑재되어 있어 과거에 접근 불가능했던 열대지방과 아열대 지방에 내리는 강우의 강도를 측정할 수 있게 되었습니다. 또한, 다른 위성과 협력하여 지구 기후 조절의 핵심인 수증기, 구름, 강수 사이의 상호 작용에 대한 이해를 높이기 위해 여러 우주 장비를 사용하여 중요한 강수 정보를 제공하고 있습니다.

 

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추가적인 정보: 강설량 측정 방법
앞서 비의 형태로 내리는 강수량 측정방법에 대하여 알아보았습니다. 그렇다면 눈의 형태일 때는 어떻게 측정하여야 할까요? 강설량은 두 가지 방법으로 측정할 수 있습니다. 지면에 쌓인 눈의 깊이를 측정하는 방법과 일정 시간 쌓인 눈을 모두 녹였을 때의 물의 깊이에 해당하는 물당량으로 나타내는 방법입니다. 여기서 물당량이란 어떤 물질의 열용량과 같은 열용량을 갖는 물의 질량을 말합니다. 일반적으로 약 10cm의 눈은 녹으면 1cm의 물이 되므로 이를 환산하여 강수량을 추정합니다.

강설량의 측정에 의한 강수량 추정은 우량계를 이용한 강우량 측정보다 그 정확도가 훨씬 낮습니다. 그 이유는 눈은 바람이 불 때 자유롭게 이동할 수 있고, 지형에 따라 눈의 깊이가 균일하지 않을 수 있기 때문입니다. 또한, 눈 자체의 무게에 의해 눈이 다져지거나 지표 복사 등으로 눈 일부가 녹을 수도 있기 때문입니다.

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지금까지 기상학적인 강수의 의미와 유형 그리고 우량계, 레이더, 인공위성 등을 이용하여 강수량을 측정하는 방법까지 알아보았습니다.

본 내용은 기상청 공식 홈페이지 출처를
기반으로 작성되었음을 안내드립니다

읽어주셔서 감사합니다.

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