중규모 대류계(MCS, Mesoscale Convective System)
복합적인 뇌우(Thunderstorm Complex)와 지속적인 강수가 나타나는 지역이 연결되어 수평 규모가 한 방향으로 최소한 100km 이상의 규모를 가지는 구름계(Cloud System)를 의미하며, MCSs 또는 MCS로 축약해서 사용한다.
MCSs에서는 깊은 습윤 대류(Deep-Moist Convection)활동이 지속적으로 발생하며, 이로 인하여 중규모 연직 순환(Mesoscale Vertical Circulation)이 발생한다(AMS Glossary, 2000). 표 1은 중규모의 기상현상을 요약한 것이다. MCSs는 Meso-β 규모로서 100km의 수평규모와 수 시간의 지속시간을 가진다.
MSC의 강수 구역별 특징
MCSs의 강수 구역은 대류성 강수(Convective Precipitation) 구역과 층운형 강수(Stratiform Precipitation) 구역으로 나눠진다. 대류성 강수구역은 연직으로 높게 발달한 대류운에 의해 강한 비가 내리며, 층운형 강수구역은 강수 강도가 상대적으로 약하다(그림 1 참조).
층운형 강수구역은 통계적으로 레이더 반사도 34dBZ(시간당 강수량 5mm) 이하로서, 발생한지 오래된 대류운이 소산되는 단계이거나 약한 상승운동의 결과로 나타난다. 그림 1(a)를 보면 강한 반사도를 가지는 대류성 강수 영역 후면(왼쪽)에 두 번째 높은 반사도를 가지는 영역이 보인다. 이 지역은 전방의 강한 상승기류를 따라 빙결고도 보다 높게 상승하여 형성된 빙정들이 후방으로 이동하는 기류를 따라 하강하면서 빙결고도 부근에 도달하여 녹으면서 발생하는 ‘밝은 띠(Bright Band)’ 구역으로 반사도는 대류성 강수구역과 비슷한 35dBZ(시간당 5mm강수) 이상이지만 층운형 구름에서 내리는 약한 강수가
나타난다.
MCSs에 동반되는 레이더 에코의 형태가 모두 이런 형태를 가지는 것은 아니지만, 최성기에 달한 MCSs의 운동역학, 구름물리 분석, 레이더 에코와 위성 영상 분석을 통해서 Houze et al. (1989)는 그림 2와 같은 MCSs의 개념도를 만들었다. 그림 2에서 반사도 35dBZ 이상인 구역을 회색으로 50dBZ 이상인 구역을 검은 색으로 채색하고, 강수가 내리는 지역(반사도
구역: Radar Echo Boundary)은 두꺼운 선으로, 구름 영역(Cloud Base)은 얇은 선으로 보여준다.
발달된 MCSs의 전면에는 돌풍전선(Gust Front)이 형성되고 약 10km 후방에 좁고 높게 발달한 대류활동 구역(Mature Cell)이 위치한다. 대류성 셀(convective cell)의 바로 후방에는 쇠퇴하는 셀(cell)이 형성되고 그 전면에 새로운 셀(cell)이 발달한다.
대류 활동에 의해서 대기 상층으로 이동했던 빙정들이 하강하면서 두 번째 높은 반사도 영역인 Bright Band가 대류계의 중층에 형성된다. 강한 대류셀의 전면(진행방향을 기준으로 동쪽)에서 유입되는 기류는 대류권계면까지 이동하고, 대류권계면 이하의 상층 고도에서는 강한 대류셀의 전면에서 후방으로 향하는 상승기류(Ascending Front-to-rear flow)가 위치한다. MCSs의 후방에서 전방의 대류 영역으로 유입되는 하강기류(Descending Rear Inflow)도 존재한다
그림 3은 최근 우리나라에서 발생한 MCSs에 동반된 강수 특징을 보여주는 사례로서, 그림 1과 2에서
제시한 MCSs의 모식도와 비슷한 강수에코 분포를 보여준다. 그림 3(a)를 보면, 2013년 7월 8일 10시 30분 현재 강화도에서 충청남도까지 남북으로 강하게 발달된 에코가 위치한다. 반사도가 45dBZ 이상을 보이며, 서에서 동쪽으로 이동 중이다. 이 에코는 11시경 서울 관측소를 통과하였는데, 15분간 최대 10mm의 강한 비를 뿌렸다. 그러나 이 에코가 지나간 후 경기만에 위치한 반사도 34dBZ 이상의 에코에서는 15분간 1mm 정도의 약한 비만 내렸을 뿐이다.
강한 에코중심을 기준으로 동서로 자른 그림 3(b)의 A-B연직단면도를 보면, 경기만에 위치한 강한 강도의 에코가 Bright Band라는 사실을 찾아 낼 수 있다. 지상부근의 에코강도는 34dBZ 이하로 강하지 않은 반면, 약 4~5km 고도에 떠
있는 에코의 강도는 34dBZ 이상이다. 이 에코(4~5km 상공)의 기온은 0℃ 부근 이었다. 남북으로 위치하면서
서에서 동으로 이동하는 이 시스템은 그림 1(a)와 2에서 제시한 MCSs 시스템의 대류성 강수지역,
층운형 강수지역, Bright Band의 특징과 구조에 일치하는 구조와 특징에 일치하는 사례였음을 알 수 있다.
그림 4는 같은 시각 천리안 위성사진이다.
경기만과 태안반도 부근으로도 높게 발달된 구름이 분포하고 있기 때문에 레이더 영상에서 Bright Band를 연진단면도로 분석하기 전에는 강수량을 과대 예측할 소지가 충분한 상황이었다. 따라서, MCSs내에서 강한 대류성 셀이 발달하여 이동할 경우 진행방향의 후면에 강한 에코대가 위치하면 Bright Band일 가능성을 의심하고 연직대기 분석 등을 통해 에코를 판별해야 한다.
여름철에 발생하는 뇌우의 경우 그림 3(b)와 같이 강한 반사도를 가진 구역이 빙결고도보다 낮은 뇌우의 하부에 위치한다. 충돌과 병합 과정을 거치는 따뜻한 비(Warm Rain)의 구조를 보이면서 강수가 매우 강한 것이 특징이다. 최성기에 도달한 뇌우가 얼마나 오랜 기간 강도를 유지하는가는 연직 바람시어의 크기와 관련성이 높다.
그림 5는 불안정한 대기에서 발생한 뇌우의 강도를 유지시켜주는 연직 바람시어의 역할을 나타낸 모식도이다. 풍향 혹은 풍속의 연직 바람시어는 하강기류와 상승기류를 지속적으로 발생시키고 이에 따라 뇌우의 최성기가 수 시간 동안 유지되는 다중 셀(Multi cell) 혹은 슈퍼 셀(Super cell) 뇌우로 발달할 수 있다.
