[자격증] 기상기사 필기 : 3과목 대기운동학 (대기운동학)

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• 업무명     : 기상기사 자격증 소개

• 작성자     : 박진만

• 작성일     : 2019-12-08

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 내용

[핵심이론 01] 좌표계 변환

• 직각 카테시안 좌표계

  • 원점을 지나는 세 개의 직교하는 직선을 기선으로 공간 내의 점의 좌표를 표시한 좌표계를 말한다. 곡률은 고려되 지 않으며 원점 A 에 접한 평면 내에서 x축은 동쪽으로, y축은 북쪽으로, 그리고 z축은 천정(Zenith)을 향하도록 정한다.

• 자연좌표계

  • 공기가 흐르는 방향이 x축으로, 그리고 공기가 흐르는 방향의 왼쪽으로 수직하는 방향이 y축이 되도록 회전 된 직교 좌표계를 자연 좌표계라고 한다. 자연 좌표계 에서는 x축은 s축으로, y축은 n축으로 명하며, z축 은 변화가 없다.

  • 자연 좌표계 상에서 좌표 (s, n, z)의 방향은 각각 단위 벡터 t, n 그리고 k로 정의된다.

    • t : 유체가 움직이는 방향에 평행인 방향

    • n : t에 대하여 수직인 벡터이고 유체가 움직이는 방향의 왼쪽으로 향하는 방향이 +방향

    • k : 연직방향

• 구면좌표계

  • 지구의 형태는 거의 완전한 구형에 가깝기 때문에 기상 학에서는 지구 표면이 좌표면이 되도록 구면좌표계로 표현하면 매우 편리하다.

  • 좌표축은 (λ, Φ, z)이 되는데, 여기서 λ는 경도, Φ는 위도, z는 지구 표면에서 연직 상방으로 잰 높이를 나타낸다.

[핵심이론 02] 대기의 운동을 지배하는 힘

• 기본힘 : 기압경도력, 만유인력, 마찰력

  • 기압경도력 : 기압의 차이로 인해 발생하는 힘을 말하 며, 단위 질량당 총 기압경도력은 \(\frac{F}{m}=-\frac{1}{\rho} \nabla p\)로 나타낼 수 있다.

  • 만유인력 : 두 물체 사이에 그들의 질량에 비례하고 그 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로써 서로를 끌어당기는 힘이며 지구와 어떤 물체 사이의 만유인력 값은 보통(고도≪지구 반경)이므로 대기과 학에서는 \(g^{*}=g_{0}^{*}\)로 하여 만유인력 값을 상수로 다룬다 (\(g^{*}=9.8 \mathrm{m} / \mathrm{s}^{2}\)).

  • 마찰력 : 일반적으로 고체와 고체, 고체와 유체, 그리고 유체와 유체가 접한 상태에서 상대운동을 할 때 두 물 체 간의 속도 차이에 의하여 발생하는 저항력을 말하는 데 대기과학에서는 지표면 부근의 풍속이 지표면에 의 하여 감속되는 작용을 지면 마찰로 나타낸다. 보통, 마찰에 의한 공기의 감속은 바람의 속도에 비례한다고 근사적으로 볼 수 있다(\(F \propto u \Rightarrow F=-k u\), k = 비례상수, u = 풍속)

• 겉보기 힘 : 우리는 지구의 표면에서 대기 운동을 측정하고 있다. 그러므로 지구의 표면 위에서 정지한 공기덩이는 절대계에서 볼 때 정지한 것이 아니라 지구와 함께 자전하 므로 가속도를 가지게 되어 겉보기 힘인 원심력과 전향력 을 고려하여야 한다.

  • 원심력 : 원심력은 물체가 진행 방향을 바꿀 때 나타나 는 힘이다. 회전축을 향한 구심가속도는 \(-\omega^{2} r\)로 나타낼 수 있다.

  • 전향력 : 반시계 방향으로 회전하고 있는 회전 좌표계 가 있다고 가정할 경우 물체가 이동할 경우 물체가 오 른쪽으로 전향되는 어떠한 힘이 있는 것처럼 보인다. 이러한 겉보기 힘을 전향력 또는 코리올리 힘이라 부른다.

    • 코리올리 매개변수는 \(f=2 \Omega \sin \psi\), Ω = 각속도 (\(7.27 \times 10^{-5} s^{-1}\)), φ : 위도로 정의된다.

[핵심이론 03] 균형류

• 지균풍 : 마찰이 없는 상태에서 전향력과 기압경도력이 정확히 균형을 이루고 있을 때 부는 바람을 지균풍이라고 하며 \(f V_{g}=-\frac{1}{f \rho} \frac{\partial p}{\partial n}\)로 나타낼 수 있다.

  • 북반구(남반구)에서의 지균풍은 저기압을 왼쪽(오른 쪽)에 두고 등압선에 평행하게 분다.

  • 같은 기압 경도력일 경우, 저위도 쪽의 지균풍이 보다 강하다. f가 작아지면 지균풍은 강해진다.

  • 적도에 접근하면 f가 0에 가까워지므로 지균풍 식이 적용되지 않는다.

• 관성풍 : 마찰이 없는 상태에서 기압장이 수평적으로 균일하여 기압 경도력이 없는 경우에 일어나는 바람을 관성풍 이라고 하며 \(\frac{V^{2}}{R}+f V=0\)과 같이 나타낼 수 있다(전향 력+원심력).

• 선형풍 : 선형풍은 원심력과 기압경도력이 평형을 유지하 며 등압선에 평행하게 부는 바람인데, 이 바람이 선형풍이 다. 선형풍의 대표적인 예로서 토네이도를 들 수 있다.

• 경도풍 : 일정한 속력으로 원형 등압선에 평행하게 부는 무마찰 수평바람을 경도풍이라고 한다.

[핵심이론 04] 온도풍

• 일반적으로 풍향과 풍속은 높은 고도로 올라갈수록 뚜렷하 게 변하기 때문에 고도가 다르면 지균풍에서도 차이가 나 타나는데, 이러한 지균풍의 차이를 온도풍이라고 부른다 (\(V_{g 1}-V_{g 0}=V_{T}\)).

  • 북반구의 경우, 온도풍은 바람이 진행하는 쪽으로 보았을 때 따뜻한 공기를 오른쪽에 두고 평균 등온선에 평행하게 분다.

  • 지균풍이 반시계 방향으로 회전할 때에는 그 층 사이에서 는 차가운 공기의 이류가 있게 되며, 시계 방향으로 회전할 때에는 따뜻한 공기의 이류가 있게 된다.

 

[핵심이론 05] 연직운동

• 연직속도 성분 : 전형적으로 초당 수 cm 의 크기를 가짐

• 연직 운동장을 추정하기 위하여 사용되는 방법

  • 연속 방정식을 근거로 한 운동학적 방법

  • 열역학 에너지 방정식을 근거로 한 단열적 방법

• 등압 좌표계를 사용하여 위 두 가지 방법 모두를 적용하기 때문에 \(w(z)\)보다는 \(\omega(\mathrm{p})\)가 추정

 참고문헌

[논문]

• 없음

[보고서]

• 없음

[URL]

• 없음

 

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