기상 기후 강의 노트

제 2 문 해설 강의

https://aeir.tistory.com/entry/TKE-%EC%88%98%EC%A7%80-%EB%B0%A9%EC%A0%95%EC%8B%9D

관련 강의

풀이과정

제 4 문 해설 강의

제2문 해설

https://aeir.tistory.com/entry/%EB%82%9C%EB%A5%98%EC%9D%98-%ED%86%B5%EA%B3%84%EC%88%98%ED%95%99%EC%A0%81-%ED%91%9C%ED%98%84-%EB%A0%88%EC%9D%B4%EB%86%80%EC%A6%88-%ED%8F%89%EA%B7%A0-%EB%B6%84%EC%82%B0?category=690148 

제3문 해설

https://aeir.tistory.com/entry/TKE-%EC%9C%A0%EB%8F%84?category=690148 

제 3 문 해설

선행학습: 미기상학 관련 용어 정리

대기 경계층 (Atmospheric Boundary Layer)

아래 그림:  Vertical cross-section showing the distinct nature of the turbulent boundary layer, filled with chaotic motions of many different scales, and the upper troposphere, characterized by gentle undulations. The color indicates the magnitude of the local variation of the density field, increasing from black to yellow. Simulation performed by J. R. Garcia using 5120_5120_840 grid points. (The plane on the top right corner is included for illustration purposes and it is not part of the simulations.)

대기 경계층 구조

Planetary boundary layer (PBL) 또는 Atmospheric boundary layer (ABL) 이라 불림. 

Boundary layer (경계층)

물체 표면과 바로 인접해 이는 유체의 층으로 정의

이 층에서는 momentum, heat, mass의 상당한 교환이 발생 (대기물리에서의 모멘텀)

속도, 온도, 질량 농도가 급격하게 변한다. 

Planetary Boundary Layer (대기 경계층)

수 시간~ 약 하루 정도 시간 규모에서 대기-지표 사이의 상호작용의 결과로 형성

지표면 마찰, 가열 등의 영향은 난류 수송(turbulent transfer)나 혼합(mixing)에 의해 즉시 전체 PBL에  전달됨.

PBL = surface layer (지표층) + outer layer (바깥층)

연직 범위:

수십 m ~ 수 km

PBLH  (Planetary Boundary Layer Height)

PBLH변동은 중규모와 종관 규모 시스템과 연관있다.

대기 오염의 관점에서 PBL

일반적으로 free atmosphere 보다 훨씬 오염이 심각 (aircraft로 관측)

유체역학 도시 기상학적 관점에서의 PBL

그림 4. Fine-scale turbulent flows over bulings: The ABLE-LBM modeling results (left panel) and the building generated lee-wakes due to colder temperature near building
caused by water vapor condensation. 

지표층, 접지층, 거칠기층, 분자아층

기상학

역사적으로 가장 오래된 학문중에 하나. 

그 기원은 아리스토텔레스의 Meteorology 라는 책.

고대인들은 공기 중에 나타나는 현상을 유성 또는 별똥별 (meteor) 이라고 생각

현대에서 기상학은 ‘대기과학’이라는 넓은 개념

대기를 이해하기 위해서 물리, 화학, 수학, 생물학 등 모든 지구 전반에 관한 학문분야를 알아야 하므로 상당히 난이도가 높고, 기상학 내 학문 영역을 규정짓기 어려움. 따라서, 제휴학문 interdisciplinary study라고 부른다.

다른 과학 분야들은 실험실에서 과정과 반응을 살피는 것이 주를 이루는데, 기상학은 현장(in-situ) or 필드에서 발생하는 대기과정을 살펴보는 방법을 사용한다.

미기상학은 유체역학적 개념에서 유도되었기에, 기본적인 유체역학 지식이 요구된다. 

• 유체역학 기본 개념
• 용어정리 - 응력,전단응력,레이놀즈응력,점성응력

미기상학

아래 그림과 같이 대기 규모(scale) 스펙트럼의 가장 낮은 끝단에서의 대기 현상과 과정을 다루는 기상학의 한 분야이다.

미기상학의 연구 대상은 대기 지표층 (surface layer)과 대기 경계층의 5 - 10% 높이에 해당하는 약 0.5 - 2km 깊이를 포함.

이 영역은 인간이 살아가는 환경이므로 대단히 중요.

지표면 마찰에 의해서 직접 영향을 받는 얕은 층으로 atmospheric boundary layer (ABL) 또는 planetary boundary layer (PBL)이라고 한다. 용어 정리

그림 1.  Schematic spectrum of wind speed near the ground estimated from a study of Van der Hoven (1957). (출처: Stull 1988)

미기상학의 연구 대상 

1. 바람,기온, 습도, 미량기체의 농도 등의 연직분포와 지표근처에서의 에너지 교환.

2. 대기와 지표면 상호간에 heat (energy), mass, momentum 의 교환.

• 지표근처의 에너지 수지 (budget)는 지표-대기-태양 시스템 에 포함되는 에너지 교환의 중요한 특징.

3. 기상변수의 단시간 평균 외에도 난류 섭동 (turbulence fluctuation) 의 통계학.

• 지표-대기 간 에너지 교환과 관련해서 중요.

대류운, 토네이도 같은 현상은 그 역학이 mesoscale과 macroscale 날씨 시스템에 영향에 의해 지배되기 때문에, 미기상학 분야에서는 제외.

미기상학의 중요성

난류 전달과정

PBL을 통한 질량,열,운동량의 교환작용

대기질은 PBL난류의 혼합능력에 의존

국지기상의 발달과 소멸에 큰 영향을 미침. 저/고기압 지역 내의 하층 수렴/발산에 영향을 미침

대기의 운동에너지는 난류에 의해서 연직적으로 소산됨. 

미기상학과 미기후학

공통점: 지표면 부근에서 발생하는 대기 현상을 다룸

차이점: 기상변수들을 평균(적분)하는 시간이 다름 (단기간 vs. 장기간 평균 및 변동)

대기 운동 규모 (크기, scale) 분류

• 수평규모: 수 mm ~ 지구 둘레 크기 까지
• 연직규모: 지표면~ 전체 대기높이 까지                      
• 시간규모: <1초 ~ 몇 년

이를 기준으로, 지난 50년 동안 미규모 (microscale), 중규모(mesoscale), 대규모(macroscale) 또는 국지규모 (local), 지역규모(regional), 지구규모(global) 로 대기 규모의 스펙트럼을 나누어 연구되어 왔음  (그림 2 참조)

• 3-6일의 주파수, 수천 km (Rossby wave) 의 공간규모, 즉 대기순환규모
• 수초-수분의 시간간격은 micro-turbulence 규모에서의 에너지와 물질 교환과 관련됨.

그림 2. Typical time and space orders of magnitude for micro and mesoscales. 

미기상학의 응용 

5급 공채 문제 - 미기상학 (2018)

1)대기오염기상학

오염물질의 대기 수송 및 확산

육지와 물 표면으로의 대기 침적

발전소 및 대규모 산업시설에 대한 부지 선정

2)중규모 기상학

도시경계층과 열섬

해륙풍

배수풍과 산곡풍

3) 농림 기상학

지표면 온도와 서리 조건 예측

증발산과 물수지

식물 캐노피 내의 이산화탄소의 교환

4) 도시계획과 관리

안개예측과 제거

난방 및 냉방 요구

바람 부하와 구조물의 설계

빌딩 주변의 흐름과 분산

도로면 온도와 착빙 가능성 예보

5) 연안기상학

기온, 지온, 토양습윤량, 일사량  등과 관련된

해안 생태계

해무 발생 기작

경계층 영문 약어 정리(Stull, 1988)

BL   Boundary Layer
   or Planetary Boundary Layer (PBL)

   or  Atmospheric Boundary Layer (ABL)

CL   Cloud Layer

FA   Free Atmosphere

ML  Mixed Layer

   or Convective Boundary Layer (CBL)

RL   Residual Layer

SBL  Stable Boundary Layer

    or Nocturnal boundary Layer (NBL)

SCL  Subcloud Layer

SL    Surface Layer 

h   Top of the stable boundary layer

 or Top of the NBL

z_i   Top of the mixed layer

  or the average base of the overlying stable layer

z_r   Top of the residual layer

  or the average based of the overlying stable layer

z_b   Top of the subcloud layer 

  or the height of cloud base, near the Lifting Condensation Level (LCL)

미기상 교재 내 생소할 수 있는 용어들

미기상학 

• 경계층 기상학과 동일어

"경험적으로" 또는 "선험적으로" 

• 실험실 내 관찰 실험이나 야외 필드에서의 관측을 통해서 분석한 결과를 바탕으로

플럭스 

• 단위시간당 단위면적당 유량 또는 대기오염에서 배출량의 개념

거칠기 요소 

• 지표 근처의 유체 흐름에 마찰력으로 작용하는
• 빌딩, 도로, 나무, 잔디, 공원 등
• 프로세스 (process)  작용(O) 과정(x)

응력 

• 유체 내 마찰력. 
• 유체역학 기본 개념 - 전단응력 (tistory.com)

난류 Turbulence

아층 (sub-layer) 또는 아지표 (sub-surface)

• 지표 근처의 경계층 내 하층 또는 부층(sub-layer).
• 지표면에 인접한 얇은 층 영역

분자 아층 (molecular sublayer)

• 지표 경계면 (interface) 인접 부근.
• 분자 아층은 지표에서 <1 mm 의 공기층으로서, 공기의 주된 열 전달 방법은 전도(conduction)로서 고체와 같다.
• 경계면에서 수 mm 만 올라가도 공기의 주된 열 전달 방법은 이류(advection)과 대류(convection)이다. 
• 호수나 해양에서 분자 아층은 수 m 이다.

끌림 항력 (drag force):

• 지표면은 대기 운동에 마찰 저항을 가하여 공기를 천천히 움직이도록 한다.
• 작용-반작용의 법칙에 의해서 지표 부근의 공기는 반대로 지표면에 동일한 크기의 끌림 항력 (drag force)를 가한다고 생각할 수 있다.
• 지표면이 더 거칠수록 단위면적당 끌림 항력은 더 커진다.
   

미량기체 

• tracer 또는 추적자로 불린다. 
• passive-trace와 non-passive 또는 active tracer 로 나뉘는데, 차이는 화학반응 유무이다. 

Surface Layer (지표층 또는 접지층)

경계층 Boundary layer 

• 물체 표면과 바로 인접해 이는 유체의 층으로 정의되는데,  이 층에서는momentum, heat, mass의 상당한 교환이 발생하고,  속도, 온도, 질량 농도 가 급격하게 변한다. 

PBLH  (Planetary Boundary Layer Height)

• PBLH변동은 중규모와 종관 시스템과 연관있다.
• 침강(하강운동)과 고기압에 의한 하층 수평 발산이 일어나는 경우 PBLH 는 얇아지고
• 구름 발달과 연관된 저기압과 관련되면, PBLH가 높아진다. 일반적으로 구름 하단을 PBL top 으로 간주 (Ceilometer 로 측정).
• 대기 오염의 관점에서 PBLH은 대기 오염 물질이 PBL 내에서 혼합되는 층의 두께 (mixing depth)를 말한다.
• 일반적으로 free atmosphere 보다 훨씬 오염이 심각. aircraft 관측시 발견됨.

가온도 (Potential temperature):

• 습윤공기를 그것과 같은 압력과 밀도의 건조공기로 바꾸어 놓았을 때, 그 건조공기가 가져야 할 온도.
• 같은 조건에서 수증기는 건조공기보다 가벼우므로 가온도는 습윤공기 자체의 온도보다 높다.
• 온도 T, 비습 q인 경우,습윤공기의 가온도 Tv 근사적으로 Tv=T(1+0.61q)이다.
• 실제 공기는 습윤공기이므로 가온도, 가온위를 생각해야 하나, 일반적으로 간단한 이해를 위해 건조공기에 대해 온도 또는 온위를 많이 사용.