[자격증] 기상기사 필기 : 2과목 대기열역학 (대기 안정도 및 단열선도)

 정보

• 업무명     : 기상기사 핵심이론 소개
• 작성자     : 박진만
• 작성일     : 2019-12-07
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 내용

[핵심이론 01] 불안정도 결정

• 정적 불안정도
  • 대기의 안정도를 나타낼 때 환경기온감률을 \(\Gamma\), 건조단열 감률을 \(\Gamma_{d}\), 포화단열감률을 \(\Gamma_{s}\)로 표시하여 안정도를 나타낸다.
  • 절대 안정 : \(\Gamma<\Gamma_{s}<\Gamma_{d}\)(수증기 함량에 관계없이 안정) (ex : 새벽안개 등)
  • 절대 불안정 : \(\Gamma>\Gamma_{d}>\Gamma_{s}\) (수증기 함량에 관계없이 불안정) (ex : 대류, 적란운, 천둥번개, 뇌우 등)
  • 조건부 불안정 : \(\Gamma_{d}>\Gamma>\Gamma_{s}\) (포화 공기에 대해서는 불안정하나 불포화 공기에 대해서는 안정)
  • 중립 평형 : \(\Gamma=\Gamma_{d}\)(건조 중립), \(\Gamma=\Gamma_{s}\) (포화 중립)
  • ※ 참고로 \(\Gamma=-6.5^{\circ} \mathrm{C} / \mathrm{km}\), \(\Gamma_{d}=-9.8^{\circ} \mathrm{C} / \mathrm{km}\),  \(\Gamma_{s}=-5 \mathrm{C} / \mathrm{km}\) 이다.
• 잠재 불안정도
  • 비잠재불안정 : 상층과 하층을 통틀어 음의 면적(N ; Negative)만 있는 경우(상승하더라도 불안정하지 않는 기온감률)
  • 위잠재불안정 : 하층의 음의 면적(N)이 상층의 양의 면적(P ; Positive)보다 큰 경우
  • 진잠재불안정 : 상층의 양의 면적(P)이 하층의 음의 면적(N) 보다 큰 경우
• 대류 불안정도(=위치 불안정도)
  • 어떤 기층이 상승하게 될 때 기층 중 어떤 부분은 빨리 포화되고 어떤 부분은 그렇지 못하다. 기층의 대류 가능성 에 대한 지표로서 기층 전체를 포화하기까지 올리면 불안 정이 되는 경우를 말한다.
  • \(\frac{d \theta_{e}}{d z}<0\) : 대류불안정
• 부력진동수(N ; Buoyancy Frequency)
  • 부력진동수 \(N=\sqrt{(g / \theta)(d \theta / d z)}\)은 안정도를 판별하는 하나의 지수로서 정적으로 안정한 대기에서는 \(d \theta / d z>0\)이므로 양의 값을 가진다. 
  • * \(\frac{d \theta}{d z}>0\) (안정), \(\frac{d \theta}{d z}<0\) (불안정), \(\frac{d \theta}{d z}=0\) (중립)

 

[핵심이론 02] 단열선도

• 단열선도 : 고층 기상 관측 자료를 신속하게 정리 분석하여 한 관측 지점의 연직 방향의 열역학적 특징을 파악하기 위한 그림(Diagram)
• 기본 등치선 : 등압선, 등온선, 건조단열선, 포화(습윤)단 열선, 포화혼합비선(가지)
• ※ Skew T-log P 선도의 등치선 기울기순
• 건조단열선>포화단열선>등포화혼합비선>등온선
• 단열선도의 조건
  • 단열선과 등온선이 이루는 각이 클 것
  • 등치선은 직선에 가까울 것
  • y축은 고도로 표현
  • 공기덩이가 한 일(에너지 적분)은 단열선도의 면적에 비례할 것(면적 동등성)
• 단열선도의 종류
  • Clapeyron Diagram (P-V)
    • 등온선과 단열선의 각이 작다.
    • 등온선과 단열선이 곡선이다.
    • \(w=-\oint p d v=\sum a r e a\) (단열선도 상의 면적)
  • Tephigram
    • 등온선과 단열선이 이루는 각이 90°이다.
    • 등온선과 단열선이 직선이다.
    • 시계방향으로 45° 회전 → 등압선은 거의 직선(y축 이 고도에 대응함)
    • \(w=-\oint T d s=-C_{p} \sum a r e a\)
  • Emagram(Energy Per Unit Mass Diagram
    • 등온선과 단열선이 이루는 각이 약 45°이다.
    • 등압선과 등온선은 직선이다.
    • \(w=-\oint p d v=R_{d} \sum a r e a\)
  • Pseudo Adiabatic 또는 Stuve Diagram
    • 단열선과 등온선의 교차각은 Scale에 따라 결정되지 만 거의 45°이다.
    • 등압선(P)과 등온선(T)는 거의 직선에 가깝지만, P와 T가 0인 지점에서 수렴
    • 면적이 에너지를 대변하지 못함(Not Areaequivalent).
  • SkewT-log P Diagram
    • Emagram을 변형시켜 등온선과 건조단열선의 교각 이 90°에 가깝게 되도록 한 Diagram으로서 우리나 라 기상청(KMA)과 미공군의 공식 단열선도이다.
  • 층후(Thickness)
    • 두 등압면의 Geopotential 고도의 차로
    • \(h=\frac{R_{d}}{g} T_{v} \ln \frac{P_{1}}{P_{2}}\)
    • \(R_{d}\) : 건조공기기체상수
    • g : 중력가속도
    • \(T_{v}\) (혹은 \(T\)) P1과 P2 사이의 평균가온도 식을 이용하여 구할 수 있다.