A Numerical Study on a Tornadic Convective Storm and Effects of Land Use Type

Abstract

A strong convective storm sometimes includes the occurrence of tornadoes. In Korea, tornado is a rare event and has not been studied in detail, especially on the environmental conditions and mechanisms for its generation and development. In this study, we employ the Weather Research and Forecasting (WRF) model to simulate a tornadic convective storm (TCS) that occurred on 10 June 2014 in Goyang, Gyeonggi-do, Korea. We also performed several sensitivity experiments to examine the effect of land use type on development of this TCS. The TCS is well simulated by WRF in terms of various storm-related parameters, and distribution and intensity of storm cells, but with some phase errors. As a result, the simulated storm cells appeared two hours earlier on the average and shifted to the south than the actual observation. Our results indicate that the environmental conditions for the TCS development are quite sensitive to the choice of land use type --- in particular, some parameters including surface temperature, relative humidity, latent heat flux, convective available potential energy (CAPE), and the planetary boundary layer (PBL) height. WRF simulated high surface temperature with low latent heat flux for the urban type, whereas it showed humid air with high latent heat flux for the land types such as mixed forests, grasslands and croplands. In reality, the TCS has delveloped near the boundary of two land use types --- urban and croplands --- over which strong convection and high instability were predominant. ;토네이도성 폭풍이란 토네이도를 동반하는 대류성 뇌우폭풍을 말한다. 한국에서는 토네이도가 많이 발생하지 않았기 때문에, 그 발생 기작, 환경 조건 및발달과정에 대한 연구가 많이 이뤄지지 않았다. 하지만 최근들어 토네이도 발생 사례가 증가하고 있고 그 피해 또한 크기 때문에 토네이도의 잠재적인 발생에 대비하기 위한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 2014년 6월 10일 한국 경기도 고양시에서 발생하여 크게 피해를 준 토네이도성 대류 폭풍(Tornadic Convective Storm; TCS)에 대하여 WRF모델을 이용하여 모의하고, 발생기작 및 발달 과정에 대해 분석하였다. 또한 지면 피복 유형(land use type)이TCS의 발달에 미치는 영향을 확인하기 위해 민감도 분석을 수행하였다.TCS는 WRF모델를 이용하여 잘 모의됨을 확인하였는데, TCS와 관련된 변수인 지표 온도, 잠열, 대류 가용 잠재 에너지(Convective Available PotentialEnergy), 대기경계층(Planetary Boundary Layer) 높이와 폭풍 세포(storm cell)의 분포 및 강도에 대해서는 잘 모의하고 있는 반면, 약간의 위상오차를 포함하였다. 모의된 폭풍 세포는 평균적으로 2시간 앞서 발생하였고, 실제 관측에 비해남쪽으로 치우쳤다. TCS의 발달 조건인 강력한 대류와 높은 대기 불안정도는지면 피복 유형에 민감한 것으로 나타났다. 이는 지표 온도, 잠열, 대류 가용 잠재 에너지 및 대기경계층 높이에 영향을 미치기 때문으로 보인다. WRF모델은 도시(urban)에서 높은 지표 온도와 적은 양의 잠열을 모의하고 이는 강력한대류를 발생시킨다. 반면, 혼합 산림(mixed forests), 초원(grasslands)과 경작지(croplands)에서는 지표면 부근의 습한 공기와 함께 많은 양의 잠열이 모의되었는데, 이는 대기의 높은 불안정도를 나타낸다. 실제로 고양시에서 발생한 TCS는 도시와 경작지가 인접한 지역에서 발생하였다. 이는 모델에서 확인하였듯이 강력한 대류와 높은 불안정도를 갖는 대기 조건이 형성되었기 때문으로 보인다.