[자격증] 기상기사 필기 : 3과목 대기운동학 (대기 경계층)

 정보

• 업무명     : 기상기사 자격증 소개 

• 작성자     : 박진만

• 작성일     : 2019-12-08

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 내용

[핵심이론 01]  대기 난류

• 난류의 특성

  • 난류(Turbulent Flow) : 소규모의 공기가 방향과 속도 가 변하면서 불규칙적으로 운동하는 에디(Eddy)에 의 한 공기의 이동

  • 에디(Eddy)

    • 난류가 발생하고 유지되는 데 주요한 역할

    • 조그마한 에디일수록 에디의 회전속도가 빨라지고, 에디가 점차 작아져 분자 크기에까지 이르면 처음의 난류 특성을 잃고 균일하게 되어 완전한 무질서 상태 의 분자운동만 있으므로 난류의 성질은 없어지고 층류가 됨

• 난류에너지 및 에너지원

  • 대기 난류는 통상 두 개의 특별한 효과에 의해서 발생. 즉, 열적 난류의 원인이 되는 대기 가열, 기계적 난류의 원인이 되는 바람의 시어

  • 난류의 발생, 유지 및 소멸은 난류 운동에너지(Turbulent Kinetic Energy; TKE)의 식으로 표현됨

  • \(\frac{d T K E}{d t}=S+B+T r-D\)

    • S : 평균류의 속도기울기에 대해 레이놀즈 응력이 향하는 일을 나타내고, 난류에너지 생성항이라 불린다.

    • B : 부력에 의한 난류에너지의 생성(또는 소멸)을 나타내며 부력에 의한 에너지 생성항이라 한다. 부력은 온도 변동이 있는 난류장에서는 그 역할이 중요 하게 된다.

    • Tr : 에너지 플럭스의 발산을 나타내고, 난류에 의 한 에너지의 재분배(수송)를 나타낸다. 따라서 에너지 확산항이라 불린다.

    • D : 분자 점성에 의한 난류에너지의 소산을 나타낸다.

[핵심이론 02]  대기경계층의 연직구조

• 기온의 연직 분포 : 기온의 변화는 공기의 가열 또는 냉각에 의하며, 열전달과정은 주로 난류에 의한 열수송에 의하고 복사전달에도 의존한다.

  • 낮에는 고도에 따라 온도는 감소한다. 기온감률은 음의 값이 되며 이러한 상태를 체감상태라고 한다.

  • 밤에는 고도에 따라 온도는 상승한다. 기온감률은 양의 값이 되며 이러한 상태를 기온역전이라 한다.

  • 지표에 가까울수록 낮에 기온이 더 높고 밤에 기온은 더 낮다.

• 풍속의 연직 분포 : 대기 경계층에서의 바람은 지표면 마찰 의 영향을 크게 받는다. 일반적으로 평균풍속의 연직분포 는 고도와 지표면 거칠기 길이, 지표와 난류교환의 정도를 나타내는 마찰속도에 따라 달라진다. 평균풍속의 연직분 포는 지수 법칙으로도 나타낼 수 있으며, 다음과 같이 표현 된다.

  • \(\frac{U\left(z_{2}\right)}{U\left(z_{1}\right)}=\left(\frac{z_{2}}{z_{1}}\right)^{p}\)

  • p : 멱지수 -> p는 지표면 거칠기 길이와 대기안정도에 의하 여 변하는 것으로 여러 관측자들에 의하여 제안되고 있다

• 혼합층 : 맑은 날 일사에 의해 가열된 지표면으로부터 자유 대류가 발생한다. 저층대기에서는 약한 안정상태인데, 이 안정대기는 지표면으로부터 발생하는 대류에 의해 점점 파괴되어 온위가 높이에 관계없이 거의 일정한 층을 형성 한다. 이 층을 혼합층이라 한다. 강한 일사로 인하여 하층 으로부터 열 플륨이 역전층으로 침입하여 유입현상을 일으키면서 혼합층은 성장을 계속하여 1,400 ~ 1,500 LST 경에 최고가 된다.

[핵심이론 03]  대기-지면 상호작용 1

• 육지와 바다는 그 표층에서 낮 동안과 여름 동안에 열을 흡수 하고, 그 외 야간 및 겨울에는 열을 방출함으로써 대기에 대 하여 큰 저장고 역할을 한다. 이처럼 육지와 바다는 낮과 여 름 동안의 무더위와 야간 및 겨울 동안의 추위를 완화시키고 있으며, 해양의 효과는 훨씬 더 강력하여 많은 기상 요소의 지리적, 시간적 분포에 중요한 영향력을 가지고 있다.

• 대기 중의 에너지 순환의 개요를 대략적으로 설명하면 다 음과 같다.

  • 대기는 태양복사에 의한 가열보다 적외복사에 의한 냉 각이 더 높아 복사수지는 음(-)이고, 복사냉각을 일으 키고 있다.

  • 지표면은 태양복사와 대기에서의 적외복사를 흡수하 고 온실효과에 의해 고온으로 유지되고 있다.

  • 지표면은 자신이 발하는 순적외복사보다 많은 태양복 사를 흡수하기 때문에 순복사는 양(+)이다.

  • 순복사량은 지표면에서 증발의 숨은 열(잠열)과 느낌 열(현열)로 전환시켜 평형을 유지한다.

  • 증발 숨은 열 및 느낌열은 대기를 가열한다. 이 가열량 은 대기의 복사냉각과 균형을 이루어 대기온도는 평형 으로 유지하게 된다.

• 태양에너지는 더운 저위도 지방에서 많이 흡수되고 추운 고위도 지방에서는 적게 흡수된다. 이러한 에너지 불균형을 해소하기 위해서 대기 순환이 발생하며, 대기 순환은 열, 수증기(에너지)를 저위도에서 고위도로 수송한다. 그러나 대기만으로는 충분한 에너지 수송이 이루어지지 못하는데, 그 나머지를 해양이 수송하게 된다. 가장 많은 수송이 일어 나는 곳은 위도 38° 정도로 순복사량이 0이 되는 지점이다.

[핵심이론 04]  대기-지면 상호작용 2

• 에크만 층 : 대기 경계층 중 접지층 바로 위층을 에크만 층이라고 한다.

  • 풍향벡터가 나선형으로 이것을 에크만 나선이라 불 린다.

  • 고도가 거의 1,000m 에 달하는 에크만 층의 주요 인자 는 지표에서의 운동량 플럭스, 느낌열 플럭스 및 부력 파라미터 외에 코리올리 인자로 나타난다.

  • 구조가 안정도의 영향을 한층 크게 받는다.

  • 에크만 층의 안정도를 나타내는 인자로서 \(h / L\) (h : 대기경계층의 두께)가 흔히 사용되며 \(h / L>0\)이면 안정, \(h / L=0\) 및 \(h / L<0\)이면 각각 중립 및 불안정 을 나타낸다.

• 에크만 Pumping : 에크만 층에서는 지면마찰에 기인한 하층 공기의 수렴이 발생하여 그 상단을 통해서 내부영역 의 상대 소용돌이도에 비례하는 연직류가 발생하는데 이 현상을 에크만 수렴 또는 에크만 펌핑이라고 한다.

[핵심이론 05] 순환과 소용돌이도

• 소용돌이도 방정식 유체의 미시적 회전의 측도인 소용돌이도는 속도의 컬 (Curl)로서 표현되는 벡터장이다. 절대 소용돌이도 \(\omega_{a}\)는 절대속도의 컬이며, 상대 소용돌이도 \(\omega\)는 상대속도의 컬 (\(\left.\omega_{a} \equiv \nabla \times U_{a}, \omega \equiv \nabla \times U\right)\))이다. 대규모 기상역학 에서는 일반적으로 절대와 상대 소용돌이도의 연직성분 에만 관심을 가지며 이들은 각각 \(\eta\)와 \(\zeta\)로 나타내며 다음 과 같이 표현된다.
  • \(\eta \equiv k \cdot\left(\nabla \times U_{a}\right), \zeta \equiv k \cdot(\nabla \times U)\)
  • \(\eta\)와  \(\zeta\)는 절대 소용돌이도와 상대 소용돌이도로 쓰이며 둘의 차이는 향성 소용돌이도의 유무이며, 이것은 지구 자전에 의한 지구 소용돌이도의 국지 연직성분 \(k \cdot \nabla\)\(\times U_{e}=2 \Omega \sin \psi\) 이다. 그러므로 \(\eta=\zeta+f\)가 된다.
• 위치 소용돌이도 : 위치 소용돌이도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
  • \((\zeta+f) / h=\eta / h=\) Const
    \(\delta A=M(\rho h)^{-1}=\) Const \(/ h\)
  • 만일 깊이 h가 일정하다면 절대 소용돌이도는 운동 중 보존이 된다. 또한 깊이의 변화가 면적의 변화와 관련이 있음을 나타내며 위치 소용돌이도의 보존은 대기의 대규 모 운동에 대한 강력한 구속이다.

 

 참고문헌

[논문]

• 없음

[보고서]

• 없음

[URL]

• 없음

 

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