한국농림기상학회지, 제 16권 제1호(2014) (pISSN 1229-5671, eISSN 2288-1859)
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 16, No. 1, (2014), pp. 39~50
DOI: 10.5532/KJAFM.2014.16.1.39
ⓒ Author(s) 2014. CC Attribution 3.0 License.


용문산 산악지역의 봄철 기온특성

천지민(1), 김규랑(1), 이선용(1), 강위수(2), 최종문(1), 홍순성(3), 박종선(2),
박은우(2), 김용삼(4), 최영진(1), 정현숙(1)
국립기상연구소 응용기상연구과, 국가농림기상센터,
경기도 농업기술원, 양평군 농업기술센터

(2014년 01월 20일 접수; 2014년 03월 13일 수정; 2014년 03월 19일 수락)

Characteristics of Springtime Temperature Within Mt.
Youngmun Valley

Ji Min Chun(1), Kyu Rang Kim(1), Seon-Yong Lee(1), Wee Soo Kang(2), Jong Mun Choi(1), Young-Jean Choi(1),
Soon Sung Hong(3), Yong Sam Kim(4), Hyun-Sook Jung(1)
Meteorological Application Research Laboratory, National Institute of Meteorological Research,
National Center for Agro Meteorology,
Gyeonggi-do Agricultural Research and Extension Services,
YangPyeong Agricultural Development and Technology Center


(Received January 20, 2014; Revised March 13, 2014; Accepted March 19, 2014)

ABSTRACT
This paper reviews the results of recent observations in the Yeonsuri valley of Mt. Youngmun during springtime (March to May) in 2012. Automated weather stations were installed at twelve sites in the valley to measure temperature and 2, 3 dimensional wind. We examined temporal and spatial characteristics of temperatures and wind data. The Yeonsuri valley springtime average temperature lapse rate between the top and bottom of the entire period is -0.44oC/100 m. It can be changed by the synoptic weather conditions, the lapse rates is greatest in order of clear days (-0.48oC/100 m), rainy (-0.41oC m) and cloudy days (-0.40oC m). In the night, the temperature inversion layer (thermal belt) and the cold pool are formed within the valley. In addition, we measured temperature and wind distribution from the bottom to 3.5 m, the cold layers existed up to 1.5 m, which were affected by ground mixed layer. The results will provide useful guidance on agricultural practices as well as model simulations.

Keyword: Mountain observation, Temperature laps rate, Valley wind

MAIN

 I. 서론

기상기술의 발달과 농업 대처 능력이 향상됨에 따라각종 기상재해로 인한 농가의 피해를 관리하고 감소시킬 수 있게 되었다. 그러나 국지적으로 발생하는 기상현상에 대해서는 정보가 제공되지 않는 문제가 있다.최근 지구온난화로 인해 겨울의 길이가 짧아지고 최저기온이 상승함에도 불구하고 동해는 자주 발생되고 있다(Lee et al., 2010). 과수재배는 국지기후와 미기후에 큰 영향을 받고 있으며, 동해 및 상해는 피해를입게 되면 해당연도에 대해, 또는 영속적으로 생산력을 잃게 만들므로 병충해와 더불어 생산량에 크게 영향을 끼치는 요인이다. 산지에 위치한 과수원에서는냉기류가 평지로 흘러가는 통로가 되어 사방의 냉기류가 장시간 정체되는 경우 동해 및 상해의 피해를 입는다.
동해 및 상해의 원인이 되는 저온 현상은 지형학적으로 피해가 자주 발생하는 지역이 있어 국지적인 저온 발생을 예측하기 위해 과수원 주변의 공기 흐름을관측하고 저온 발생을 모니터링 할 필요가 있다. 그러나 산지에서의 기상관측은 설치 및 운영의 어려움으로인해 매우 제한적으로 연구되고 있다. 이러한 어려움에도 불구하고 Song(2000)은 경기도 남양주군의 산간곡지에서 관측을 수행하여 일기, 식생, 사면의 방향,해발고도에 따른 기온차이를 비교하여 겨울철 산지의기온 분포 변화 과정을 살펴보았다. Choi et al.(2010)은 강원도 양구군 산간분지에서 자동기상관측망자료를 분석하여 여름철 시간 및 종관기상에 따른 기온감률의 특성을 밝히고, 냉기호, 온기호의 형성에 관해 연구하였다.
본 연구에서는 이러한 선행연구에서 나아가 산지에서 발생하는 기상현상을 더욱 조밀하고 정밀하게 관측하여 국지적인 산지의 기온분포 특징에 대해 알아보고자 하였다. 용문산 산악지역을 대상으로 종방향 및 횡방향으로 관측지점을 선정하고, 지점별로 4개의 높이에서 기온 및 바람을 측정하여 국지적 기상현상을 보다 세밀히 측정하고자 하였다. 이 자료를 바탕으로 봄철 용문산 산간지역의 기상 특성에 대해 알아보았다.

II. 연구지역 및 방법

경기도 양평군은 동, 북, 서로 높은 산들이 둘러 쌓여있는 분지 형태를 이루고 있으며, 산악형 분지 기후의 특징을 나타내어 같은 위도의 동해안 지방에 비해연평균기온이 낮다. 그리고 주변에 위치한 북한강 상류의 댐이나 팔당댐 등이 한강수의 유동을 막아 겨울에쉽게 동결되는 강물로 인해 내륙은 야간 복사냉각의영향을 받는다(Hong and Ryu, 1997). 2010-2011년경기도 농업기술원의 동상해 피해자료에 따르면 양평은중부내륙에 위치함에도 불구하고 피해가 크게 나타났다(경기도 농업기술원 내부자료). 연구대상지역인 연수리배 과수원은 양평군 용문산(1157m)의 남쪽 백운봉(840m) 아래의 연수리 계곡에 위치하여 찬 공기흐름및 정체에 의한 저온 피해의 발생이 잦은 곳이다.

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본 연구에서는 경기도 연수리 일대에서 기온 및 바람의 변화를 2012년 3월부터 5월까지 관측하였다. 연수리 계곡 하류 지역 중 냉기 형성 과정과 계곡 중류지역 온난대 형성 과정을 감시하기 위해 종방향(Valley aLong: VL1~6) 및 횡방향(Valley aCross:VC1~6)으로 각 6개씩 관측지점을 선정하였다(Fig. 1).모든 지점에서 온도는 0.5m, 1m, 1.5m, 3.5m 높이에서 관측을 하였고, 공기의 흐름 및 방향을 알아보기위해서 2, 3차원 초음파 풍속계를 1m, 3.5m에 설치하였다(Table 1, Fig. 2). 풍속계는 온난대 형성을 관측하기 위해 백운봉 정상아래 고도 600m지점(VL1)과백운봉 중턱(VL2), 골짜기 초입(VL4)에 설치하고, 냉기호의 형성과 냉기 흐름을 관측하기 위해 연수리 계곡 중심부의 동쪽 및 서쪽에 있는 두 야산의 중턱(VC2,5)과 평지(VL5) 그리고 계곡의 하류(VL6)에 설치하였다. 2차원 바람을 관측하기 위한 장비는WINDSONIC1-L(Campbell Scientific, Inc., Logan, UT,U.S.A.), 3차원 바람을 관측한 장비는 CSAT3 (CampbellScientific, Inc.)을 사용하였으며 CR800 (CampbellScientific, Inc.) 자료집록기를 이용하여 관측자료를 수집 및 저장하였다. 그리고 기온은 HOBO Pro V2(Onset Computer Corporation, Cape Cod, MA, U.S.A.)를 사용하였다. 2차원 바람은 WINDSONIC1-L를 이용하여 2초마다 2차원 바람 속도를 각 관측지점마다100, 350cm 높이에서 관측하고 5분마다 평균을 계산하여 저장하였다. 3차원 바람은 VL5 지점의 150cm높이에서 CSAT3를 이용하여 초당 10회 3차원 바람속도를 관측하고 10분마다 평균을 계산하여 저장하였다. 기온과 상대습도는 HOBO Pro V2를 이용하여각 지점마다 50, 100, 150, 350cm 높이에서 10분마다 관측하고 저장하였다. 관측자료 품질관리시스템은기상청에서 이미 개발해 놓은 기상관측자료 실시간 품질관리시스템(RQMOD, real-time quality control systemfor meteorological observation data; Heo et al., 2005)중 AWS 관측자료 QC모듈을 활용하여 농업현장AWS 관측자료의 품질관리시스템으로 구현한 것이다.RQMOD의 AWS 관측자료 QC 모듈은 물리한계검사,기후범위검사, f2단계검사, 지속성검사, 중앙값필터검사등의 과정을 거쳐서 관측자료의 품질관리를 수행한다.물리한계검사에 필요한 각 관측 요소별 문턱값(threshold)들은 농업용 AWS의 관측자료들의 요소별극값, 센서의 측정범위, 기상청 RQMOD에서 이용하는 물리한계값을 함께 고려하여 결정하였다. 기온의 경우 2005년부터 2009년까지 5년간의 전국 78개 농업용 AWS 관측지점의 자료에서 극값을 조사하여 문턱값을 정하였으나, 기상청 RQMOD에서 이용하는 물리한계값과 크게 차이가 나지 않아서 기상청RQMOD의 물리한계값을 그대로 이용하였다. 그 외나머지 관측 요소들은 기상청 AWS의 관측치와 농업용 AWS의 관측치가 근본적으로 차이가 날 이유가없으므로, 기상청 RQMOD에서 이용하는 물리한계값과 센서의 측정한계를 이용하여 물리한계값을 결정하였다(국립기상연구소, 2011, 2012).
연구기간 동안의 전기간 평균기온, 기온감률의 계산에 있어서는 각 지점에서 지표의 영향을 가장 적게받는 3.5m 높이의 온도자료를 사용하여 비교하였다.그리고 일별 종관기상 상태는 기상청 산하 양평 정규관측소에서 수집한 운량자료를 사용하였다. 또한 용문산의 산악지역 기후 특성을 알아보기 위해서 기상청의용문산 AWS자료와 양평관측소의 자료를 이용하여 비교하였다.

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III. 결과 및 고찰

3.1. 용문산 지점의 봄철 기온 특징

f52012년 봄철(3~5월) 용문산과 양평에 설치된 기상청AWS관측자료에 의하면 일 평균기온은 10.7, 11.9oC로 용문산 지역의 온도가 더 낮게 나타났다. 용문산지점의 장기간 봄철 평균온도(2002-2012년)인 10.4oC와 거의 차이가 없었다. 일 최고 기온은 양평에서29.4oC로 가장 높게 나타났고, 일 최저 기온은 용문산에서 -7.3oC로 나타났다. 봄철 총 강수량은 용문산에서 262mm, 양평에서는 228.5mm로 용문산에서 약1.2배정도 강수량이 많게 나타났다. 이로부터 용문산지점은 양평에 비해서 온도가 낮고 강수량이 높은 특성을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.

전 기간 동안의 시간평균 기온변화 곡선을 살펴보면(Fig. 5(a)), 야간에는 산정상부분(VL1)과 저지대(VL5)모두 기온이 서서히 낮아져서 유사한 기온변화폭을 보이나, 주간에는 저지대(VL5)의 기온상승 정도가 산정 상부(VL1) 기온변화폭에 비하여 훨씬 더 크게 나타남을 알 수 있었다. 저지대의 경우 일출~정오 사이에빠른 기온상승현상이 나타났다. 6시부터 15시까지 산정상부분에서 시간에 따른 기온 상승률은 0.89oC/1시간 이지만 저지대에서의 기온상승률은 1.45oC/1시간으로 1.63배 이상 높게 나타났다. 그 결과, 15시의 저지대와 산 정상부분의 기온 차는 오전 6시의 기온 차에 비해서 5.32배 이상 증가했다. 주간의 산 정상부분의 경우에는 직접 자유대기와의 혼합효과가 탁월하지만 계곡 내의 공기는 종관 기상현상의 직접적인 영향을 덜 받아 일 최고기온이 나타나는 시간이 지연된다(Richner and Phillips, 1984, Barr et al., 1989, Chunget al., 2009). 산 정상부분에서는 일 최고기온이 12시경에 나타나지만 저지대에서는 16시경에 나타났다. 또한, 저지대의 기온은 서서히 하강하기 때문에 산정상부와 저지대 지역의 기온 차가 가장 큰 시각도 16-17시 경으로 더 늦게 나타났다.

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산정상부의 VL1 (600m)지점과 계곡 내 저지대VL5 (137m) 지점의 봄철 일 평균기온을 비교하면,산정상의 일 평균온도는 8.38oC, 계곡 내 저지대의일 평균온도는 10.41oC로 해발고도에 따른 봄철 평균기온감률은 -0.44oC/100m로 나타났다. 전체기간 중VL1과 VL5의 시간별 기온감률의 변화폭을 살펴보면(Fig. 5(b)) 전반적으로 주간보다는 야간에 계절 내 기온감률 변동성이 높게 나타남을 알 수 있었다. 가령시간별 변동성과 관련하여 상하위 사분위 값과 평균으로부터 10퍼센타일 값의 변화를 살펴보면, 주간보다는야간에 그 차이가 약 2배 이상 크게 나타났다. 이 변동성 시계열에서 하루 중 기온감률 변동성의 최대값은아침 7-8시에 관찰되며, 가장 작은 변동성은 15시에나타났다. 아침 7-8시의 기온감률의 표준편차(0.24)는최저 변동성을 나타내는 15시 기온감률 표준편차(0.13)의 약 2배 이상에 달한다. 이러한 결과들은 용문산 지역의 기온감률 변동이 새벽에 가장 크게 나타남을 잘 보여준다.

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용문산 지역의 봄철 일평균, 일 최대, 일 최저 기온감률은 종관기상의 상태에 따라 그 값과 나타나는 시각이 상이하게 나타났다. 용문산의 일별 종관기상 상태는 양평 정규관측소에서 수집한 자료를 사용하여2012년 봄철을 크게 맑은 날, 흐린 날, 강수일로 구분하였다. 운량을 기준으로 운량이 4이하인 날을 맑은날, 운량이 5이상이고 강수가 없는 날을 흐린 날로간주하였다.
봄철 일평균 기온감률은 맑은 날에 -0.48oC/100m로봄철 평균 기온감률보다 크고, 강수일에는 -0.41oC/100m로 평균 기온 감률 값(-0.44oC/100m)과 유사하게 나타났다. 흐린 날에는 기온감률이 -0.40oC/100m로 상대적으로 작게 나타났다. 즉, 용문산의 봄철 일평균 기온감률은 맑은 날, 강수일, 흐린 날 순으로 높음을 알 수 있었다. 그리고 일 최고 기온감률도 역시같은 순서로 나타났다. 일 최저 감률은 강수일, 흐린날, 맑은 날 순으로 나타났는데 맑은 날의 일 최저값은 심지어 기온감률이 양의 값을 보이기도 했다. 즉,맑은 날에는 해발고도가 상승하면 오히려 기온이 증가하는 기온역전현상이 발생하는 것이다. 대체로 대부분의 종관일기 상태에서는 일 최고 기온감률은 오후4~5시에, 일 최저 기온감률은 오전 5~7시에 관찰되는데 용문산의 경우도 이와 같은 결과가 관측되었다.
종관 일기별로 하루 시간 진행에 따른 기온감률의변화를 살펴보면(Fig. 6a), 강수일에는 기온감률의 변동범위가 -0.2~-1.1oC/100m로 주·야간 사이에 차이가 뚜렷하지 않았다. 강수일에는 구름의 영향으로 계곡 내 저지대의 복사 냉각현상이 약화되고, 주간에는태양복사에너지의 유입을 감소시켜 지표복사가 잘 이루어지지 않기 때문이다(Oke, 1988; Barry, 2008).맑은 날에는 주·야간 기온감률의 하루 중 변화범위가-1.3~0.5oC/100m로 그 변동 폭이 상대적으로 커졌다.맑은 날 야간에는 지표복사냉각이 활발하게 나타나 지면의 인접대기의 온도가 뚜렷하게 하강하는 반면, 주간에는 상대적으로 더 많은 태양복사에너지가 유입되어 지표상의 공기가 쉽게 가열되기 때문이다(Geigeret al., 2009). 맑은 날 새벽(0~7시)의 기온감률은 평균과 비교하여 0.4oC/100m이상 작게 나타났다. 맑은날 야간에는 사면을 따라 냉각된 무거운 공기가 흘러내려 저지대로 모아져 냉기호(cold pool)를 형성한다.연수리 계곡 내에서도 맑은 날 새벽에는 저지대(VL5)의 기온이 봄철 전체 새벽 평균기온보다 -1.9~-0.7oC낮아지고, 기온감률도 양의 값을 보인다(Fig. 6c). 대조적으로 호우일 새벽에는 구름에 의한 장파복사의 간섭에 의해 복사냉각이 줄어들어 계곡 내 저지대에서는평균 야간기온보다 0.8~2.2oC 높은 온기호(warm airpool)을 형성한다(Chickering, 1884; Dunbar, 1966;Yoshino, 1984, Zangl, 2005).

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3.2. 용문산 계곡에서의 냉기호와 온난대 형성

Fig. 7은 용문산 계곡에서 나타나는 냉기호와 온난대 현상을 나타낸 그래프이다. (a)는 4월 7일 일몰후부터 4월 8일 일출 전까지 냉기호의 형성과정을 잘나타내고 있는 그림이다. 18시 이후 계곡의 정상 부분부터 온도가 감소하기 시작하여 22시경 계곡 하부의온도가 급격히 감소하여 03시에는 온도가 최저에 이르며 냉기호가 형성되었다. 이 냉기호는 일출 이후에도유지되다가 8시 이후에 완전히 소멸되었다. 이러한 냉기호의 형성은 활발한 지표복사 냉각작용도 뿐 아니라계곡을 따라 냉각된 공기의 무게로 인해 흘러내리는냉기의 흐름으로 인해 일어난 것이다. (b)는 5월 5일21시부터 5월 6일 7시까지 용문산의 횡방향으로 설치된 온난대 관측지점에서 관측된 시간에 따른 고도별 온도변화 그래프이다. 온난대가 형성된 높이는 계곡저지대(VL5: 137m)로부터 약 100~300 m 사이이며제일 고도가 낮은 부분과의 온도차는 약 4oC였다. 고도가 낮은 지역(239 m이하)은 21시부터 1시까지 온도가 16oC에서 10oC까지 무려 6oC가 감소하는 반면고도가 높은 지역은 13oC에서 11oC까지 약 2oC의온도변화가 있었다. 따라서 23시 이후에 산중턱에 온난대가 형성되며 5시간정도 유지되다가 5시 이후에는온도가 고도가 낮은 쪽의 온도와 유사해지며 온난대가소멸되었다. 이는 대기 중 지면과 접촉한 부분의 공기가 장파복사에 의해 빠르게 냉각되고, 상공의 공기는느리게 냉각되어 온난대가 형성되는 기존의 연구결과들과 일치한다(Chickering, 1884; Dunbar, 1966, Kimet al., 1967, Kwon et al., 1990, Lee, 2009).

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3.3. 관측 높이별 특징

f10연수리 계곡 내 각 관측 높이 별로 온도 변화를알아보기 위해 각 지점별로 0.5, 1, 1.5, 3.5m 높이의 온도를 측정하였다. 각 지점의 온도를 최하층(0.5m)의 온도와 비교하여 높이별 온도 특성에 대해알아보았다(Fig. 8). 연수리 계곡의 냉기형성을 알아보기 위한 관측망 중 가장 고도가 높은 VC6 (242m)지점과 계곡 최저지점에 위치한 VL5 (137m)지점의온도를 비교하여 보았다. 각 지점의 높이에 따른 온도차이를 비교해보면 0.5m에서 1.5m의 고도가 낮은VL5지점이 VC6지점에 비해 일변화가 작고 상하층간의 차이도 적게 나타났다. 이는 VL5지점에서는 지면으로부터 1.5m 지점까지는 혼합이 잘되어 지면의 영향을 많이 받는 층이 존재하기 때문이다. 반면에VC6지점은 밤시간에는 상하간의 온도변화가 적으나12시 이후에 0.5m의 온도가 급격히 높아지는 것으로보아 주간에 태양복사에 의해 지표면의 가열과 야간의복사냉각이 VL5지점보다 활발히 일어나고 있음을 알수 있다. 일반적으로 계곡에서는 낮에는 골바람이 불고 밤에는 산바람이 부는 것으로 알려져 있다. 낮에는경사면 및 골짜기가 일사에 의해서 가열되고 거기에접한 공기가 가벼워져서 상승하게 때문에 골바람이 불고, 밤에는 복사냉각에 의해 무거워진 공기가 낮은 곳으로 향하기 때문에 산바람이 분다(Fig. 9). 이러한현상은 주로 맑고 바람이 약한 날 뚜렷하게 발생하며이를 확인하기 위해 종관풍이 약한 날 중에서 맑은날과 비가 오는 날을 정하여 비교하여 보았다. VC2의 3.5m 높이에서의 풍향과 풍속을 사례별로 비교하였다. 맑은 날은 비가 온 날에 비해 일사량이 많아낮과 밤의 풍향변화가 뚜렷하게 나타나고 풍속 또한강하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 10).

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Fig. 11은 전체 관측기간 동안의 VC2, VC5의 높이별(1, 3.5m) 풍향 및 풍속의 시간평균을 종관 풍속에 따라 구분하여 나타낸 그래프이다. 양평관측소의10m 바람관측 자료를 이용하여 풍속이 2.5m/s 이상인날과 이하인 날로 구분하여 두 지점에서 종관풍의 영향을 알아보고자 하였다. 두 지점 모두 높은 곳(3.5m)에서 풍속이 세고, VC5지점이 VC2지점에 비해풍속이 강하게 나타났다. 종관풍이 약할 때(Fig. 11) Valley VC2지점은 주야간에 풍향의 변화가 뚜렷하게 나타나고 풍속이 종관풍에 비해 낮게 나타난 반면, VC5지점은 풍향의 변화가 적게 나타나고 풍속은 종관풍과비슷한 경향을 나타내었다. 이를 보아 VC5지점은VC2지점에 비해 종관풍의 영향을 많이 받고 있음을알 수 있었다. 또한 종관풍이 강한 사례에서도(Fig.12) VC5지점은 주야간의 풍향의 차이가 없고 종관풍과 유사한 풍향을 나타내고 있었다. VC2는 종관풍속이 강할 때 주야간의 풍향의 차이가 줄어들고 야간에는 종관풍과 유사한 풍향을 나타내기도 하였다. VC2(220m)와 VC5 (216m)는 두 지점 모두 야산의 중턱에 위치하고 있으나, VC2지점은 무덤가로 주변에 식생으로 둘러싸인 반면 VC5지점은 열린 공간에 위치하여 종관풍의 영향을 상대적으로 많이 받고 있었다. 따라서 VC5지점은 VC2지점에 비해 국지적인 산곡풍이뚜렷하게 발생하지 못했다.

적요

본 연구는 경기도 양평군 용문면 연수리 계곡에서관측을 통하여 봄철 용문산 계곡의 온도 및 바람의시공간적인 특성을 밝히고자 하였다. 2012년 3월부터 5월까지 기온 및 2, 3차원 바람을 관측하고 자료를수집하였다. 연수리 계곡의 집중관측 자료를 분석한결과, 용문산의 전기간 평균 기온감률은 -0.44oC/100m이며 맑은 날(-0.48oC/100m), 강수일(-0.41oC/100m, 흐린 날(-0.40oC/100m) 순으로 기온감률이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 기온상승률은 산 정상부분(0.89oC/1시간)에서 탁월한 대기와의 혼합효과에 의한영향으로 계곡하부(1.45oC/1시간)보다 낮게 나타난다.맑은 날 야간에는 산사면을 따라 냉각된 공기가 흘러내리는 현상이 온도와 바람장을 통해 확인하였다. 또한 계곡 저지대로부터 100-300m사이에서 온난대 형성도 확인 할 수 있었다. 산정상과 계곡하부에서 측정한고도별 온도분포의 관측결과 계곡하부에서는 지면으로부터 1.5m까지 지면의 영향을 받는 냉기층이 존재함을알 수 있었다. 관측 높이별 바람분포를 관측한 결과 풍속은 높은 곳(3.5m)에서 강하며 비슷한 고도에 위치한 지점이어도 종관풍의 영향을 많이 받는 지점은 국지적인 바람의 패턴이 뚜렷하게 나타나지 않고 있었다.

감사의 글

본 연구는 국립기상연구소의 주요 연구과제 “응용기상기술개발연구” 과제 및 기상청 차세대도시농림융합스마트기상서비스개발(WISE) 사업(153-3100-3133-302-350)의 지원으로 수행되었습니다.

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