바람은 일상생활과 밀접하게 관련된 기후 요소이다. 바람의 세기 즉 풍속은 신재생에너지인 풍력 발전의 생산성을 결정하는 핵심 요소이다(Pieralli et al., 2015). 대기 중 미세먼지 농도와도 깊이 관련돼 있어서 바람이 느리게 불 때 대기는 정체되고 미세먼지의 이동이 저하되어 농도는 상승한다(Chae, 2009). 또한 토목구조물의 내풍 설계에 사용되는 설계기본풍속(basic design wind speed)을 산정하는데 중요한 요소이다(Choi et al., 2010). 바람이 불어오는 방향인 풍향의 중요성도 무시할 수 없는데, 풍향의 변화는 날씨 조건이 경제나 사회에 끼치는 영향에 중요하게 작용할 수 있다(Bierstedt et al., 2015). 풍향은 또한 사고로 유출된 유해화학물질의 대기확산으로부터 안전하게 벗어날 수 있는 대피 장소의 위치 선정에 있어서 중요한 요소이며(Jeon et al., 2017) 환경친화적인 건축물의 설계에 필요한 기초자료로 사용된다(Yoon, 2003).

지구온난화에 기인한 기후변화는 대기 순환을 변화시켜 바람의 패턴에 영향을 준다(Lehmann et al., 2011). 풍속에 변화가 발생하며(Eichelberger et al., 2008; Keevallik, 2008) 풍향별 발생빈도도 달라진다(Jaagus and Kull, 2011; Lehmann et al., 2011). Hasanean et al. (2013)은 Hadley 순환이 우리나라를 포함한 동아시아 지역의 겨울철 기후에 지배적 영향을 미치는 시베리아 고기압과 깊이 관련돼 있음을 보고한다. 그리고 기후변화와 더불어 시베리아 고기압의 특성에는 상당한 변화가 있었음이 밝혀졌다. 그 강도는 점점 약해졌으며(Gong and Ho, 2002; Panagiotopoulos et al., 2005; Bae, 2019), 중심 세력의 위치는 남서쪽으로 이동하였다(Sugimoto and Hanawa, 2009; Surrey and King, 2015). Niu et al.(2010)과 Li et al. (2016)에 따르면 시베리아 기단의 세력 약화는 중국의 겨울철 풍속 감소의 원인이다. 이 기단의 직접적 영향권 안에 있는 우리나라도 이 기단의 세력 약화로 인해 기압경도력의 변화가 발생했을 수 있고 그에 따라 풍속이 영향받았을 것으로 예상된다. 또한, 이 기단의 중심 지역의 이동은 기압경도 방향에도 변화를 가져와서 그 결과 겨울철 바람의 풍향이 변화를 일으켰을 수 있다.

다수의 연구에서 우리나라 바람 특성 변화가 밝혀져 왔다. Lee (2012)는 1월과 8월의 평균 풍속과 최대 풍속이 해안 지역에서 감소한 것을 밝힌다. Lee et al.(2020)은 도시 지역의 지표면 풍속이 장기적으로 감소 추세를 보여 왔으며 이는 대기 정체도를 증가시킨다고 보고한다. 풍향의 변화에 대해서는, Lee et al.(2012)는 1월의 동해안에서는 남서풍 발생빈도 감소와 서남서풍 혹은 서풍 발생빈도의 증가가 일어나며 남해안에서는 북서풍 발생빈도가 감소함을 밝힌다. An et al.(2020)은 지구온난화로 인한 겨울철 기온 체계 변이가 우리나라 바람의 풍향에 영향을 미침을 보고한다.

본 연구는 서울 지역의 겨울철 풍향별 풍속과 발생빈도의 장기 추세를 분석하고자 한다. 서울은 대도시로서 많은 인구가 거주하고 있으며 시민들의 미세먼지 농도에 대한 민감도가 무척 높다. 또한 한반도 서쪽에 위치하여 겨울철에는 시베리아 기단의 영향을 강하게 받는다. 따라서 기후변화와 더불어 서울의 바람 특성에도 장기적인 변화가 발생했을 가능성이 크다. 기상청에서는 기상 월보·기상 연보를 통해 서울 지역의 월별·연도별 바람 특성을 보고하고 있지만, 서울 지역만을 대상으로 한 장기간에 걸친 바람 특성 변화에 관한 연구는 드물다. Yoon (1992)는 1981 ~ 1990년 기간을 분석하였지만 10년간에 걸친 변화가 아닌 이 기간의 평균적인 바람 특성을 분석하였다. 본 연구는 1963 ~ 2019년 57년간의 연도별 시계열 자료를 이용하여 풍향별 풍속과 풍향별 발생빈도가 장기 추세를 갖는지를 16방위 각각에 대해 파악하고자 한다. 겨울철은 12월, 1월, 2월로 규정하였고 월별로 분석한다. 본 연구에서 밝히고자 하는 풍향별 풍속과 풍향별 발생빈도에 있는 장기 추세는 겨울철 몬순의 변화가 그 원인이다. 이 인과관계의 특징을 규명하는 것은 서울 지역뿐만 아니라 우리나라 겨울철 기후변화를 이해하는데 있어서 중요하다. 이 주제는 본 연구의 목적을 넘어서며 추후 많은 연구로 이어질 것으로 기대된다.

탁월풍은 가장 자주 부는 풍향을 가리키는데, 서울의 겨울철 탁월풍은 서풍 또는 서북서풍으로 알려져 있다. 1981 ~ 1990년 10년간을 볼 때는 서풍이 가장 빈도가 높았고(Yoon, 1992), 1999년은 서북서풍(SI, 2000), 2005년은 북서풍(SI, 2007), 2012년은 서북서풍이 탁월풍이었다(SI, 2013). 기후변화는 탁월풍의 풍향을 변화시킬 수 있다(Lee et al., 2012). 만약 장기간에 걸쳐 꾸준히 어떤 풍향의 발생빈도는 증가하고 또는 어떤 풍향의 빈도가 감소한다면 탁월풍 풍향은 변할 수 있다. 이에 본 연구는 서울의 겨울철 탁월풍 풍향이 57년간 매년 어떻게 변화해 왔는지 보고자 하며 그 변화 양상이 풍향별 발생빈도의 장기 추세와 어떤 관련이 있는지 분석하고자 한다.

분석에 사용된 원자료는 12월, 1월, 2월의 서울 지역의 지상 풍속과 풍향의 시간별 자료이다. 1일 24시간 정시의 자료로써 각 시각의 값은 정시 이전 10분간의 평균풍향·풍속이다(KMA, 2016). 분석 기간은 1963 ~ 2019년의 57년이다. 1963년은 해당 3개월의 풍속과 풍향 모두 일24회 정시 관측자료를 얻을 수 있는 가장 빠른 연도이다. 풍향은 16방위로 구분하였다. 즉 북북동=20°, 북동=50°, 동북동=70°, 동=90°, 동남동=110°, 남동=140°, 남남동=160°, 남=180°, 남남서=200°, 남서=230°, 서남서=250°, 서=270°, 서북서=290°, 북서=320°, 북북서=340°, 북=360°이다. 자료는 기상청 기상자료개방포털의 종관기상관측에서 내려받았다(KMA, 2020). 측정 지점은 37°34′N, 126°58′E로서 서울시 송월동의 서울기상관측소이다. 풍속계의 고도는 1979년과 1999년에 두 차례 변화했는데 1963 ~ 1978년 기간에는 11.5 m, 1979년 ~ 1998년 기간에는 10.6 m, 그 이후에는 10.0 m였다(KMA, 1963 ~ 2019).

장기 추세 분석을 하기 위해 시간별 자료를 연도별 자료로 전환하였다. 1월을 예로 들면 전환 과정은 다음과 같다. 어느 한 해의 1월에는 744개의 시간 자료가 관측된다. 이 자료를 16개의 풍향별로 분류한 후 풍향별 평균 풍속과 풍향별 발생빈도를 구하였다. 풍향별 평균 풍속은 같은 풍향을 갖는 풍속들의 평균값이다. 풍향별 발생빈도는 상대적 빈도로서 16방위 풍향뿐만 아니라 정온(calm)을 포함한 744개 전체 시간 자료에서 각 풍향이 차지하는 비율을 퍼센트로 표현한 값이다. 정온의 기준이 2006년에 0.2 m/s 이하에서 0.4 m/s 이하로 변경되어 2005년까지의 자료도 변경된 기준을 적용하여 정온 여부를 판단하였다. 이러한 계산을 1963년부터 2019년까지 실행하여 1월의 16 풍향별 평균 풍속(이하에서는 풍속)과 풍향별 발생빈도에 대한 57년간의 연도별 자료를 얻었다. 같은 방식으로 12월과 2월에 대한 연도별 자료를 얻었다. 12월은 1월과 마찬가지로 744개, 2월에는 672개(윤년의 경우 696개)의 시간별 관측값이 있다.

위와 같이 구축된 연도별 자료에 대해 선형 추세 모형을 적용하여 장기 추세를 추정하였다. 추정은 16개 풍향별로 그리고 12월, 1월, 2월의 달별로 개별적으로 실시하였다.

본 연구는 서울 지역 겨울철 풍향별 풍속과 풍향별 발생빈도가 장기적으로 추세를 따라 변화하였는지 분석하였다. 분석 기간은 1963 ~ 2019년이다. 겨울철은 12월, 1월, 2월로 규정하였고 16방위에 따라 16개 풍향이 고려되었다. 16개 풍향의 풍속과 발생빈도에 관한 57년간의 연도별 자료를 월별로 구축하였으며 개별 풍향의 풍속과 발생빈도에 대해 선형 추세 분석이 이루어졌다. 주된 결과는 다음과 같다. 첫째, 서풍계열과 북풍계열인 서남서풍, 서풍, 서북서풍, 북북서풍, 북풍, 북북동풍의 풍속이 꾸준히 감소하였다. 서풍과 서북서풍은 3개월 모두에서, 서남서풍은 12월과 1월에, 북풍과 북북동풍은 12월에 그리고 북북서풍은 1월에 그러하였다. 특히 겨울철 대표적인 풍향인 서북서풍과 서풍은 12월, 1월, 2월 추세의 평균이 각각 0.0146 m·s^-1/년과 0.0127 m·s^-1/년으로 매우 큰 풍속 감소를 나타냈다. 둘째, 풍향을 고려하지 않은 전반적인 풍속도 감소 추세를 보였는데 2월과 1월은 각각 –0.0078 m·s^-1/년과 –0.0072 m·s^-1/년이었고 12월은 훨씬 작은 –0.0054 m·s^-1/년이었다. 셋째, 북풍계열인 북풍, 북북동풍, 북북서풍의 발생빈도는 증가 추세를 보였고 동북동풍과 서남서풍은 감소 추세를 나타냈다. 북북동풍은 12월과 2월에, 북북서풍과 북풍은 1월에 증가 추세를 보였다. 동북동풍은 12월과 1월에 하락 추세가 있고 추세 평균은 -0.1341%p/년으로 매우 컸다. 그 결과 동북동풍이 그 해의 탁월풍이었던 경우는 1979/1980년 이후에 확연히 감소하였다. 넷째, 12월과 2월의 시베리아 고기압의 강도에는 약화 추세가 발견되었다. 따라서 12월과 2월 풍속이 장기적으로 하락한 것은 시베리아 고기압의 강도가 장기적으로 약해진 것과 관련이 있다.

최근 들어 도시계획과 도시환경 측면에서 바람의 중요성이 점점 강조되고 있다. 서울시를 포함한 다수의 지방자치단체가 미세먼지 저감을 목적으로 한 바람길 조성 사업을 진행하고 있다. 또한 바람의 방향을 고려하여 대규모 개발단지를 설계하는 등의 도시계획 전략이 활용되고 있다. 이러한 노력이 성공하기 위해서는 대기의 변화 흐름 즉 바람의 특성을 정확히 파악하는 것이 필요하다. 풍향별 풍속과 풍향별 발생빈도가 장기 추세를 갖는다는 본 연구의 결과는 서울 지역 바람 특성에 관해 새롭게 밝혀진 결과이며, 이 결과는 바람의 특성을 더욱 정확히 이해할 수 있게 함으로써 서울을 더 환경친화적인 도시로 조성하는데 일조할 것으로 기대된다.

이와 같은 의의에도 불구하고 본 연구는 두 가지 한계를 분명히 가진다. 첫째, 시베리아 고기압 강도와 풍속 간의 관계만을 분석함으로써 기후변화로 인한 겨울철 몬순의 변화와의 관계를 제한적으로만 분석하였다. 시베리아 고기압 강도만으로는 겨울 몬순의 강도 변화를 표현하는 데 한계가 있기 때문이다. 또한 풍향별 발생빈도의 변화와 겨울 몬순의 변화 사이의 관계를 규명하지 못하였다. 서울 지역 고유의 특성까지 고려하면서 겨울 몬순이 서울의 바람에 어떻게 영향을 미치는지를 더 엄밀하게 분석하는 것이 필요하며 이는 추후 과제로 남긴다. 둘째, 풍속계의 고도 변화에 따른 보정 풍속을 사용하지 않았다. 높은 고도에서 측정할수록 풍속은 빨라지는 성질이 있고 Choi et al. (2021)에 따르면 측정 고도 보정이 풍속의 장기 추세에 영향을 미칠 수 있다. 서울 지역 관측지점의 풍속계 고도는 1979년과 1999년에 낮아졌다. 이는 본 연구에서 얻은 풍속의 감소 추세가 과대 추정되었을 가능성이 있음을 가리킨다. 다양한 방법으로 보정된 풍속을 분석하는 추후 연구가 필요하다.