1. 등온위 정의
온위(Potential Temperature)는 건조한 공기덩이가 압력이 표준기압 1000hPa이 될 때 까지 단열적으로 압축 또는 팽창하였을 때의 온도를 말한다. 온위는 θ로 나타내며, 그 식은 다음과 같다.
여기서,
모든 공기는 온위를 갖게 되며, 이 값은 건조단열 운동에서는 보존된다. 위의 식에서 볼 수 있듯이, 같은 온위(등온위)라면, 기압 P가 증가(감소)함에 따라 기온 T도 증가(감소)한다. 또한 종관규모 운동은 강수지역을 제외하고는 대체적으로 단열과정을 유지하므로, 온위는 종관규모 운동에서 보존량으로 볼 수 있다.
아래 그림 1과 같이 A와 B지점 상공으로 312K 온위선(굵은 붉은 실선)이 300~700hPa 고도 사이에 위치한다면, 700hPa 고도를 기준으로 A지점 상공의 기온은 B지점 상공의 공기보다 차갑다고 할 수 있다. A지점 상공 700hPa은 약 285K, B지점 상공은 약 308K이다.
또한, 312K 등온위선은 A와 B지점 사이에 약 300hPa (대기상층)과 700hPa (대기중층) 고도차이만큼 기온차이가 나타난다. 만약, A에서 B로 312K 등온위선을 따라 기류가 이동한다면, 하강기류와 함께 수평적으로는 한랭이류가 나타나고, B에서 A로 이동한다면 상승기류와 함께 온난이류가 나타난다. 여기에 수증기량을 이용하면, 기압면에서 해석하기 힘든 구름의 생성 및 강수 현상 등 대기운동을 이해하는데 도움이 된다.
아래 그림 2는 특정 온위면(300K)의 3차원 구조를 묘사한 모식도이다.
기압이 낮은 지역(고도가 높은 지역)은 차가운 공기이고, 반대로 기압이 높은 지역은 따뜻한 공기다.
2. 등온위면 분석이란?
등온위면 분석은 입체적인 대기운동을 쉽게 가늠해볼 수 있는 방법으로서, 공기 분자의 변하지 않는 고유 온도(잠재온도)를 가지고 수평이동이 아닌 공간적으로 이동한다는 기본적인 개념을 바탕으로한다. 공기 분자의 연직 운동은 등온위면의 고도에 따른 경사도와 바람 방향을 이해하면 쉽게 해석할 수 있다.
우리나라의 여름철 300~310K 등온위면에서 남서풍의 바람은 850hPa과 700hPa 등압면을 가로지른다. 아래 그림 3(a)에서 등온위면을 305K라고 가정하자. 녹색 화살표는 850hPa 등압면을 비스듬한 각도로 통과하여 상승하는 바람이다. 이 바람이 등온위면을 따라 700hPa 까지 이동한다면, 모식도에서 850, 800, 750, 700hPa 등압면을 모두 통과하는 상승운동이라고 할 수 있다. 만약, 이런 상승운동이 습윤한 공기였다면 구름이 생기고 비가 내릴 수 있다.
습윤한 공기의 이동에 대해서 단열선도(Skew T Log P)를 이용해 분석해보자. 아래 그림 3(b)의 남쪽(A)지점을 제주로, 북쪽(B)지점을 서울로 가정하자. 305K 등온위면의 기류는 남풍으로서 제주도에서 서울로 향하는 바람이다. 제주의 850hPa 기온과 노점온도(수증기량)가 주어진다면 상승 응결고도(LCL)를 계산할 수 있다. 만약, 상승응결고도가 800hPa 이라면 등온위면에서 기류가 800hPa 등압면을 통과하면서 상승하게 되어 공기는 포화되고 구름이 발달한다. 이 기류가 계속해서 등압선을 가로질러 700hPa 까지 이동한다면, 상승응결고도(800hPa)의 포화혼합비 양에서 포화단열선을 따라 700hPa 까지 상승했을 때의 포화혼합비 양을 뺀 값만큼 대기중으로 수증기가 빠져나가게 되므로 등온위면의 기류가 800~700hPa 등압면을 통과하여 지나가는 구간에서 강수가 나타난다.
그림 3. (a)등온위면과 고도로 이루어진 3차원 모식도. 화살표는 기류의 방향, 실선은 등압선, 붉은색 점선은 수증기량 (g/Kg)임. (b)그림(a)의 남,북 방향을 기준으로 연직좌표로 나타낸 등온위(붉은색 파선), 기압(파란색 실선), 기류의 방향(녹색화살표).(Bluestein 1992)
출처: 손에 잡히는 예보기술(기상청)
