2019 심화교육 – 유체지구과학(대기) 강의노트 1

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2019-10-20 경남과학고등학교 오유신 작성

#중위도/열대 기압계(기단, 전선, 온대저기압, 열대저기압)

기단

수평적으로 수백 km에 걸쳐 유사한 물리적 특성(온도/습도)을 가진 공기덩어리로, 연직으로 물리적 특성은 다르다.

기단의 생성과정: 지표로부터의 열/수증기의 교환 및 기단 내부의 혼합 및 복사과정을 통해 생성

> 대륙성 기단(건조)/해양성 기단(습윤), 한랭기단(고위도발, 한랭)/온난기단(저위도발, 온난)

우리나라에 영향을 미치는 기단: 시베리아 기단(대륙성 한랭 기단), 오호츠크 해 기단(해양성 한랭 기단), 북태평양 기단(해양성 온난(고온) 기단), 양쯔 강 기단(대륙성 온난 기단), 적도 기단은 가끔씩 태풍 가지고 옴

기단의 변질: 기단의 성질은 발생지역(대륙/해양, 고위도/저위도) 및 변질과정(이동지역의 지표 상태)에 의존한다(대륙성 기단이 중간에 해양을 건너오면서 습해지기도)

기단의 변질

기단이 이동하면서 하층에서부터 지표면 또는 해수면의 영향을 받아 하층에서부터 기단의 성질이 변화

1. 열역학적 변화
> 지표로부터의 열공급 및 손실
> 증발(습윤) 및 응결(건조)

2. 역학적 변화
> 난류에 의한 공기의 홉합
> 공기의 상승과 하강

따뜻한 기단이 한랭한 바다를 지나면 수증기 공급 + 안정화 -> 층운형 구름 or 안개

한랭 건조한 기단이 따뜻한 바다를 지나면 수증기 공급 + 불안정화 -> 적운형 구름

우리나라 주변의 기단

시베리아 기단, 오호츠크 해 기단, 양쯔 강 기단, 북태평양 기단, 적도 기단

우리나라는 계절마다 성격이 다른 기단의 영향을 받는다.

여름철은 북태평양 기단이 지배적, 겨울철은 시베리아 기단이 지배적, 봄, 가을에는 양쯔강 기단과 오호츠크 해 기단이 들어옴.

적도 기단: 여름철 적도 지역에서 발생한 기단이 한반도까지 북상하여 영향(태풍)

전선

전선면: 두 기단이 만나는 경계면(기온/습도의 변화가 크다(양단의 기단이 다르니까)

전선: 전선면과 지표면이 만나는 선

전선에서의 양단 기단의 강약에 따라서 전선을 구분

> 온난전선: 온난기단>한랭기단

> 한랭전선: 한랭기단>온난기단

> 폐색전선: 전선 vs 전선(만나서 소멸)

> 정체전선(장마전선): 한랭기단=온난지단

온난전선

온난기단>한랭기단의 형태

가벼운 온난기단이 무거운 한랭기단을 타고 위로 상승하며 생기는 전선(온난기단이 한랭기단을 민다)

전선면의 경사가 비교적 완만하고, 층운/층적운이 발생한다.

넓은 범위의 이슬비의 형태로, 전선의 앞에 강수지역이 발생한다.

한랭전선

한랭기단>온난기단의 형태

무거운 항랭기단이 차가운 온난기단의 밑으로 파고 들어가 옹난 기단을 밀어올리면서 생기는 전선(한랭기단이 온난기단을 민다)

전선면의 경사가 크고, 적운 또는 적란운이 발생한다.

좁은 범위의 소나기성 강우가 내리며, 전선의 뒤쪽으로 강수지역이 발생한다.

정체전선

한랭기단과 온난기단의 세력이 유사하여 정지된 전선으로, 수평적(동서)로 길게 발생한다.

날씨가 흐리고, 비가 오는 시간도 길어진다(Ex) 여름철 한반도의 장마전선)

폐색전선

후반의 한랭전선의 이동속도가 전방의 온난전선의 이동속도보다 빨라, 두 전선이 겹치면서 생성되는 전선

하층에는 찬 공기, 상층에는 더운 공기가 배치

온대저기압의 생성과 소멸 과정에서 발생한다.

폐색 전선은 온난폐색전선과 한랭폐색전선 2가지로 나누어진다. 중간에 온난기단이 배치되고 그 양단으로 한랭기단이 배치되는 것은 같으나, 앞쪽 한랭기단과 뒤쪽 한랭기단 중 어느 것이 더 차갑느냐의 문제에 따라서, 지표면의 두 한랭 기단 사이의 전선면이 2가지의 형태로 발달하게 된다.

> 앞의 한랭기단이 더 차가운 경우는 온난폐색전선이 발달하여, 완만한 두 한랭 기단 사이의 전선면이 발달한다.

> 뒤의 한랭기단이 더 차가운 경우는 한랭폐색전선이 발달하여, 급격한 두 한랭 기단 사이의 전선면이 발달한다.

온대저기압

중위도 지역에서 온난 기단과 한랭 기단의 경계지역에서 발생하고, 전선을 동반하며, 파동이 발생하면서 성장한다.

온대저기압의 발생 과정

1. 공기의 발산에 의하여 저기압 형성(편서풍과 극동풍 지역의 경계)
2. 마찰에 의하여 저기압 중심으로 바람이 편향되고, 찬 공기는 저위도로, 따뜻한 공기는 고위도로 이동하게 되며, 한랭전선과 온난전선이 구별된다.
3. 지표면의 저기압부 중심으로 공기가 수렴하므로, 상승기류가 발생하여 단열 팽창에 의한 온도 하강으로 수증기가 응결하여 구름이 발생한다.

4. 시간이 지나면서, 한랭전선의 이동속도가 온난전선의 이동속도가 빠르므로, 두 전선이 결국 만나며 폐색 전선이 발생한다.

5. 주변 공기의 유입(폐색 전선 발달 이후 전선 소멸)으로 하층은 차가워지고, 대기의 안전화에 의하여 온대저기압이 소멸하게 된다.

한랭전선이 온난전선보다 빠른 이유?

한랭전선의 경우는 찬 공기가 따뜻한 공기를 미는 것. 따뜻한 공기는 위로 올라가는데, 이에 의하여 전선면은 하부가 따뜻한 공기 쪽으로 편향(파고드는 모양)되고, 지표면과의 마찰에 의하여 하부의 전선이 마찰이 없을 때에 비하여 후퇴한다. (무거운 놈이 가벼운 놈을 미니 빠름, 동일 고도까지 도달하는데 전선면의 기울기가 급하므로 두 기단의 마찰 구간이 짧음)

온난전선의 경우는 따뜻한 공기가 찬 공기를 미는 것. 따뜻한 공기는 위로 올라가는데, 이에 의하여 전선면은 하부가 따뜻한 공기 쪽으로 편향(타고 올라가는 모양)되고, 지표면과의 마찰에 의하여 하부의 전선이 마찰이 없을 때에 비하여 후퇴한다. (가벼운 놈이 무거운 놈을 미니 느림, 동일 고도까지 도달하는데 전선면의 기울기가 완만하므로 두 기단의 마찰 구간이 큼)

물리적 해석(?) - 유도 과정이 정확하게 나오지 않았다:
1. 두 기단이 만났을 때 총 운동량은 보존된다.
[eqn: m _{1} v _{1} +m _{2} v _{2} =(m _{1} +m _{2} )v], 질량에 대하여 부피밀도인자를 적용하면
[eqn: rho _{C} V _{C} v _{C} + rho _{W} V _{W} v _{W} `=`( rho _{C} V _{C} + rho _{W} V _{W} )v]. 아래 첨자 C는 한랭, W는 온난.
따라서, 혼합 공기의 이동 속도는 [eqn: v= {rho _{C} V _{C} v _{C} + rho _{W} V _{W} v _{W}} over {rho _{C} V _{C} + rho _{W} V _{W}}].
2. 이를 한랭전선과 온난 전선에 각각 적용하여 본다.
> 한랭전선과 온난전선에서, 두 양단 기단의 부피는 같다고 여길 수 있다.
> 한랭전선에서는 차가운 기단의 이동속도가 더 빠르니 따뜻한 기단의 이동 속도를 [eqn: v _{0`}]라 두고, 차가운 기단의 이동속도를 [eqn: v _{0} +DELTA`v]로 두며,
온난전선에서는 따뜻한 기단의 이동속도가 더 빠르니 차가운 기단의 이동 속도를 [eqn: v _{0}]라 두고, 따뜻한 기단의 이동속도를 [eqn: v _{0} +DELTA`v]로 둔다.
-> 왜 한랭전선과 온난전선에서 더 느린 기단이 이동속도를 [eqn: v _{0}]로 같게 둘 수 있는 거지?
한랭전선의 이동속도 [eqn: v _{한} = {rho _{C} V(v _{0} + DELTA `v)+ rho _{W} Vv _{0}} over {rho _{C} V+ rho _{W} V} = {rho _{C} (v _{0} + DELTA `v)+ rho _{W} v _{0}} over {rho _{C} + rho _{W}}]
온난전선의 이동속도 [eqn: v _{온} = {rho _{C} Vv _{0} + rho _{W} V(v _{0} + DELTA `v)} over {rho _{C} V+ rho _{W} V} = {rho _{C} v _{0} + rho _{W} (v _{0} + DELTA `v)} over {rho _{C} + rho _{W}}]
따라서, 한랭전선과 온난전선의 이동속도 차이
[eqn: v _{한} -v _{온} = {rho _{C} (v _{0} + DELTA `v)+ rho _{W} v _{0}} over {rho _{C} + rho _{W}} - {rho _{C} v _{0} + rho _{W} (v _{0} + DELTA `v)} over {rho _{C} + rho _{W}}]
[eqn: = {1} over {rho _{C} + rho _{W}} ( rho _{C} DELTA `v- rho _{W} DELTA `v)= {DELTA `v} over {rho _{C} + rho _{W}} ( rho _{C} - rho _{W} )]  [eqn: (rho_{c}>rho_{w})]

열대저기압

적도 지역(위도 8~15도)에서의 대기의 가열에 의하여, 상승기류가 발생하고, 이 상승기류에 의하여 발생한 저기압을 열대저기압이라 한다.

전선을 동반하지 않으며, 동심원의 구조를 가진다(전선을 수반하는 온대저기압과는 다르다)

150~500km 정도의 반경. 태풍의 경우는 약 200~1500km 반경을 가진다.

지역에 따라서 열대저기압을 부르는 이름이 다르다. 동남아시아 지역으로 넘어오는 열대저기압은 태풍(Typhoon), 미국으로 넘어오는 열대저기압은 허리케인(Hurricane), 호주 지역이나 인도양 근해 지역으로 넘어오는 열대저기압은 사이클론(Cyclone)이라 칭한다.

열대저기압의 분류

열대 저기압은 발달 정도에 따라서 열대저압부 -> 열대폭풍 -> 강한 열대폭풍 -> 태풍 순으로 발달하며, 풍속이 강해지고 중심 기압이 낮아진다.

우리나라와 일본의 경우, 강한 열대폭풍과 태풍 모두를 태풍으로 명명한다.

태풍의 영향

동아시아 및 동남아시아 미크로네시아 일대에 태풍은 영향을 준다.

대부분 태풍은 여름철에 집중되는데, 여름철에는 태풍이 성장하기 좋은 해수온이 세팅되기 때문이다.

우리나라 조선시대에서는 태풍을 구풍이라는 명칭을 사용했다.

태풍의 명칭

태풍의 명칭은 호주의 예보관이 최초로 자신이 싫어하는 정치가 이름을 명명하는 것으로부터 출발했다.

그러다가 세계 제2차 대전 이후 미군에 의하여, 자신의 아내나 애인 등 여성의 이름을 사용하는 명명법을 사용했는데,

성차별 논란이 터져 1978년 이후 남성과 여성의 이름을 번갈아 사용하다가,

2000년 이후 태풍위원회에서 구성국 총 14개국에서 국가별 10개 제출하여 총 140개의 이름을 받아, 28개씩 5개조로 구분하여 순차적으로 명명하는 현대의 명명법을 채택하였다.

너무 강했던 태풍의 경우는 영구 결번 처리.

대한민국 기상청 기준의 태풍의 구분

강도구분
최대 풍속(m/s)을 기준으로 구분하는 방법
약: 17.2~24 / 중: 25~32 / 강: 32~43 / 매우 강: 44

크기 구분
풍속 15m/s 이상의 반경을 기준으로 구분하는 방법
소: 300km 미만 / 중: 300~500km / 대: 500~800km / 초대: 800km 이상

태풍의 발생

북태평양 서쪽 북위 5~25도(0도 부근의 온도는 생각보다 낮고, 전향력이 없음), 동경 120~160도 해역에서 발생한다.

높은 수온과 무역풍의 수렴 지역인 적도 전선 부근에서 발생한다.

태풍의 이동

초기의 태풍은 무역풍 영향권에 들어, 무역풍을 따라 동->서로 이동

전향력의 영향으로 북서진하다가, 전향점에서 북동진하여 7~9월에서는 소멸하거나, 6월 이전에는 서쪽으로 이동한다.

북태평양 고기압의 가장자리 부근을 따라 이동하는 경향이 많다.

즉, 전향점을 기준으로 하여 북동무역풍과 편서풍의 영향을 차례로 받으며 이동한다.

태풍의 성장과 구조

태풍의 성장
1. 고온의 해수면으로부터 수증기가 공급된다.
2. 대기의 상대습도가 증가
3. 고온 대기의 상승에 의한 단열 팽창, 응결, 잠열 방출
4. 잠열은 운동에너지로 전환되어 상승기류를 강화
5. 지속적인 수증기의 공급 및 잠열의 방출을 통한 성장 가속화(양의 되먹임)

태풍의 구조
> 중심에서는 바람이 없고, 중심부근에서는 최대 풍속의 경도풍과 유사한 바람이 불고(이 때문에 지표의 공기가 위로 올라감), 중심에서부터 멀어질수록 풍속이 감소한다(마찰에 의하여 나선형의 중심에 수렴하는 방향으로 바람이 분다)
> 태풍의 눈(태풍의 중심에서는 하강기류)에서는 날씨가 맑으나, 실제 기압은 저기압이다(저기압인데 하강기류)

외부로 유입되는 공기는 태풍의 벽을 따라 나선형 상승 기류를 타고 상층 대기로 올라가서, 상층 대기에서 다시 외부로 이동하여 하강.

태풍의 가항반원과 위험반원

가항반원(안전반원): 태풍의 이동방향과 태풍의 내부 바람의 풍향이 반대(내부 바람의 결과적인 풍속의 감소)

위험반원: 태풍의 이동 방향과 태풍의 내부 바람의 풍향이 반대(내부 바람의 결과적인 풍속의 증가)

태풍의 소멸

태풍이 소멸하는 원인에는 여러 가지 원인이 있다.

1. 낮은 해수면 온도에 의한 소멸(잠열 공급의 감소)

2. 지표에 도달하며 소멸(마찰력의 증가 및 잠열 공급의 감소)

3. 강한 고기압에 의한 진로 차단

태풍의 역기능과 순기능

태풍의 역기능
> 재산/인명 피해와 인프라 타격, 항공기 결항, 교량 통제, 정전 등...

태풍의 순기능
> 가뭄의 해갈, 대기의 정화, 지구 에너지 균형, 해수의 혼합(해수를 해집어놓음, 플랑크톤의 공급, 산소량 증가, 적조현상 방지, 병충해 방지)