경계층 유형 (Boundary layer types)
앞에서 서술한 이론적 설명은 부력이 작용하지 않는 중립 경계층의 경우에 해당한다.
대기가 불안정하다면, 연직 운동의 확장 때문에 난류의 연직 발달은 강화된다. 반면에 안정한 상태에서의 난류의 연직 발달은 약화된다.
에디(소용돌이 Vortex)들은 중립 경계층에서 w' = u'로 회전한다. 불안정한 경계층에서의 역학적 난류는 여전히 지표 부근에서는 지배적이나, 고도가 증가함에 따라 부력의 영향에 의해 w' > u'의상태가 되기 때문에, 에디는 연직으로 뻗어 나간다. 그러므로 위로부터의 운동량 플럭스는 강화되고, 저층에서의 바람은 강해진다.
그림 9. 안정도에 따른 에디 형태와 바람과 온위의 프로파일
안정한 경계층일 경우, 지표 부근에서는 역학적 난류가 지배적이고 에디는 회전하나, 고도가 증가함에 따라 부력이 연직 운동에 저항하여 버팀으로서 에디는 옆으로 평평하게 펴지는 형태가 된다. 즉, 의 상태가 되고, 위로부터의 운동량 플럭스가 억제되기 때문에 지표 부근의 바람은 약해진다(그림 9).
이러한 안정한 상태에서 억제된 운동량 플럭스는 비록 중립의 경우보다 지표 부근의 바람이 더 약하다 할지라도 하층에서의 운동량 손실이 없는 만큼 고도별 바람은 더 강하다는 것을 의미한다. 불안정한 상태에서 운동량은
경계층 내에서 더 균등하게 분산된다. 그 결과, 고도별 바람은 중립의 경우 보다 더 약하고, 지표 부근의 바람은 더 강하다. 이러한 연직 변화량의 증가는 경계층을 더 깊게 하고, 반면에 안정한 프로파일은 경계층 깊이를 제한
한다(그림 10, 그림 11).
그림 10. 그림 9의 윈드 프로파일들을 합친 경우 (출처: Met Office)
그림 11. 그림 10의 로그 프로파일 형태 (출처: Met Office)
이론적 대수법칙 프로파일로 부터의 이러한 시도들은 식 (11.14)가 단지
중립 상태의 경계층 깊이 전체에 걸쳐서 유효하다는 것을 의미한다. 또한,
역학적 힘이 부력보다 지배적이고, 에디들이 회전하는 몇 미터 안 되는 최
하층에서는 여전히 유효하다.
역학적 vs. 부력 메커니즘 (Mechanical vs. Buoyancy mechanisms)
비중립 상태일 경우, 경계층에서의 난류 발생에 있어서 역학적 메커니즘 대 부력 메커니즘의 상대적 중요성은 Monin-obukhov 안정도 길이(L), 시어(shear) 대 부력의 비율로 나타내어진다.
고도 z를 고려하면, z < L 의 경우는 시어가 난류 형성에 지배적이고, 반면에 z > L 의 경우는 부력이 지배적이다.
전형적으로, 대류가 활발한 주간에는 이 약 50m이고, 그 아래에서는 시어가 지배적이다. 매우 안정적인 야간에는 이 약 10m이다.
굴뚝 배출 연기 형태 (Smoke plumes)
1. 중립상태
중립 상태의 유리한 조건은 강한 바람과 흐린 하늘이다. 그러한 상황에서,
지표는 열 에너지원으로 작용하지 않고, 공기는 가열되지 않는다. 기온감율
은 단열감율이고, 연직 변위하는 공기 덩어리에 부력이 작용하지 않는다.
그러므로 이러한 중립상태에서의 굴뚝에서 배출되는 연기는 같은 수평과
연직 비율로 순풍 방향으로 퍼져 나가며, 그림 12와 같은 원추형
(Coning)을 나타낸다.
그림 12. 중립상태에서의 원추형(coning) 굴뚝 연기
2. 불안정 상태
불안정한 경계층은 약한 바람과 햇빛이 있는 주간에 전형적으로 나타난다.
지표는 데워지고, 그 열은 하층 대기로 이동한다. 이것은 온도 상승과 자유
대류혼합을 일으키고, 불안정한 기온감율을 야기한다. 또한, 따뜻한 바다위
에서 부는 차가운 공기도 불안정한 경계층을 발생시킨다. 이 두 경우에, 강
한 바람이 불면 역학적 난류가 증가되고 연직교환을 위한 자유 대류가 덜
지배적이기 때문에 경계층이 중립적으로 되어 간다. 매우 불안정한 대기에
서, 굴뚝에서 배출되는 연기 형태는 그림 13과 같은 큰 대류성 에디들에
대응하는 환상형(Looping) 패턴을 보인다.
그림 13. 불안정 상태에서의 환상형 (looping) 굴뚝 연기
3. 고요한 상태
고요한(Calm) 야간의 육상에서 발달하는 경계층은 안정 상태이다. 지표면
은 열을 손실하고, 대기 최하층부는 차가워진다. 이로 인하여 역학적인 난
류를 억제하는 안정적인 기온감율이 나타난다. 이러한 안정적인 상태에서
적당히 거칠은 지표일 경우의 10m 바람은 일반적으로 경도풍(Gradient
Wind)의 25%정도 이고, 중립 상태에서는 50%, 불안정 상태에서는 70%정
도 이다. 또한, 불안정 경계층의 경우에 언급했듯이, 바람 강도의 증가는 경
계층을 더 중립적으로 만든다. 이때, 혼합에 의하여 차가운 공기는 위로 보
내지고, 위에 있던 따뜻한 공기는 아래로 내려온다. 대기가 안정한 상태일
때, 굴뚝에서 배출되는 연기는 순풍 방향으로 수평하게 퍼져 나가지만, 연
직으로는 퍼지지 않는다. 그러므로 연기형태는 그림 14와 같이 부채형
이다.
