기상 기후 강의 노트

Biosphere Effects on Aerosol and Photochemistry Experiment (BEARPEX)

Lake Tahoe

lake tahoe - Google 검색

Blodgett Forest Research Station

BEARPEX 2009

BEARPEX 2009 - Home (berkeley.edu)

안정도 개념

안정한 대기 : 공기덩이가 주위환경보다 온도가 낮다면 공기덩이의 밀도가 주변보다 커질 것이고, 원래 위치로 되돌아 옴. 안정한 공기는 연직 운동에 저항

불안정 대기 : 상승하는 공기덩이가 주변보다  따뜻하면 주위보다 밀도가 낮아 공기덩이의 온도가 주위와 같게 되는 고도까지 계속 상승. 불안정한 공기는 부력때문에 상승함

NWS JetStream - Stability/Instability (weather.gov)

대기 안정도 : 날씨 조절 인자

절대 안정

환경감률이 습윤 단열감율보다 작을 때

안정한 공기덩이가 LCL이상으로 강제 상승되더라도 주위보다 여전히 차고 밀도가 높아 제 위치로 되돌아가려 함.

절대 불안정

환경감률이 건조단열 감률보다 클 때

상승하는 공기덩이는 항상 주위환경보다 따뜻하여 공기덩이 자체의 부력 때문에 계속 상승

태양의 지표 가열이 강렬할 때, 가장 따뜻한 달의 맑은 날 발생

조건부 불안정

대기불안정의 일반적인 유형

습윤공기가 습윤단열감률과 건조단열감률 사이의 환경 감률

대기가 불포화 공기에 대해서는 안정, 포화공기에 대해서는 불안정

자유대류고도(LCL) : 공기덩이가 자체 부력에 의해 상승되는 고도

풍상측 강수와 풍하측 비그늘

기온역전과 대기 안정도

온도가 고도에 따라 상승하는 대기층

지면 근처의 복사냉각

해가 지고 나면 지표면은 빠르게 냉각되지만 상부의 공기는 따뜻함

지면 근처의 공기가 차고 무거워 연직 혼합이 발생하지 않음

기온역전이 해소되기 전까지 오염물질 농도는 올라감

안개 발생시 안개 소산을 지연시킴

대기에서 대류활동이 역전층을 뚫지 못하도록하는 뚜껑처럼 작용

대기상층에서 발생

성층권에서 따뜻한 역전층을 형성하여 대류운의 성장을 멈추게 함

안정도와 대기오염

상승응결고도 (Lifting condensation level, LCL)

정의 : 지상 부근의 공기괴가 건조단열적으로 상승하여 포화에 이르는 고도. 지표 부근 공기의 LCL 은 보통 CCL 보다는 높을 수 없다. 대기의 상태곡선이 건조단열선과 평행일 때 LCL 은 CCL 과 같아진다.

대류응결고도 (Convective condensation level, CCL)

정의 : 지표 부근의 공기괴가 지표의 가열로 에너지를 받은 후, 단열적으로 상승하여 포화에 이르는 고도. 보통 지표 가열에 의해 생기는 적운형 구름의 운저고도가 된다.

구하는 법 : 지상의 노점온도를 지나는 포화혼합비선이 대기의 상태곡선과 만나는 점의 고도. 만일, 지상 부근에서 고도에 따라 습기의 함유량의 차가 심할 때에는 이 지상 부근의 낮은 층의 습도를 평균한 값을 이용하여 대류응결고도를 구한다.

 

 

접지층 또는 지표층(Surface Layer)

 

PBLH의 ~1/10 높이에 이르는 층.

코리올리 효과 무시.

기상 tower에 의해서 관측 가능.

높이에 따른 기상 변수들이 가장 급격하게 변하고, 운동량, 열, 질량 교환도 이 층에서 발생

미기상학은 outer layer 보다 surface layer 에 더 많은 관심이 있다.

 

Roughness layer (or canopy layer)

지표층 아래 거칠기 요소들의 영향이 쉽게 식별되는 층. 

도시로 인해 발달한 거칠기 층은 야간에 도시 경계층에 포함된다.

 

 

분자 아층 (molecular sublayer)

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

• 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.

모멘텀

뉴턴 법칙에서 가장 기본적인 개념. 

정의: 질량을 가진 물체가 속도를 가지고 운동하는 방향과 크기의 곱

p(모멘텀) = mv

뉴턴 제 2법칙 = 힘과 모멘텀의 관계

질량이 크면?

속도가 크면?

일반적으로, 대기과학에 살펴보는 공기덩이는 질량을 1로 취급하기에 풍속만 알면 모멘텀 계산 가능.

즉, 모멘텀의 시간 변화 = 가속도 = 힘.

대기 경계층 일변화

주간의 대기 경계층 기작

Mixed Layer (ML) 혼합층

혼합층은 기본적으로 기계적 대류와 열적 대류 2가지 방식의 대류에 의해 형성됨.

난류는 열, 습기, 운동량을 ML 내에서 연직으로 잘 혼합하는 역할.

기계적 대류 (wind shear)

ML 내 연직 바람 시어가 난류를 생성. 

청천난류일 경우 Kelvin-Helmholtz 파를 형성하기도 한다. (https://m.blog.naver.com/jungjinkim97/221410712597) 

열적 대류 (thermal) 

지표 가열로 인한 thermal 상승.

구름이 없는 경우, ML은 주로 지표가열로 인해 발생.

구름(stratocumuls)이 있는 경우, 구름 상단의 복사냉각으로 인해 하강 운동이 발생

일출 후 약 30분 후 부터, 난류가 생성되어 ML이 성장, 늦은 오후에 최대 깊이가 된다. 

열적 불안정으로 인한 연직 혼합 활발.

혼합층 상단 유입대(entrainment zone)에서 역전층이 존재하여, 상승하는 thermal의 뚜껑역할을 하고 ML 높이를 제한한다. (zi는 ML 깊이이면서 역전층의 하단 높이를 나타냄. )

대기오염 관점에서,

굴뚝에서 나온 대기오염물질은 불안정한 환상형(looping)을 보인다. 

* 대기경계층 내에서의 굴뚝 연기 형태

주간의 가온위, 풍속, 수증기 혼합비, 대기오염 농도 프로파일

ML 내 가온위, 혼합비, 농도, 풍속의 연직 분포는 아래 Fig. 1.9와 같다. 

가온위는 ML에서는 단열(adiabatic), SL에서는 초단열(superadiabatic) 상태.

• (용어) 가온도: 습윤공기 압력/밀도를 건조공기로  변환하였을 경우, 건조공기가 가져야 할 온도. Tv ~ T(1+0.61q) 가온도는 습윤공기 온도 보다 높다. 건조공기온도와 같다고 생각하면 간단히 이해될 수 있음. 
• (용어) 초단열 상태: 공기덩이가 환경(주변) 온도보다 항상 높은 온도를 가질 경우 절대 불안정 상태인데, 이 때의 기온감률을 초단열감율이라 부르고, 이 상태를 초단열 상태라 함.

풍속은 ML내에서 아지균상태(sub-geostrophic)로서 거의 일정. SL에서는 고도가 증가함에 따라 logarithmic 증가

풍향은 지표 근처로 갈수로 마찰에 의해서 등압선을 가로지르는 각이 커진다. 약 45도. 

혼합비는 고도에 따라 감소하는 경향. 이는 지표에서는 토양과 식생의 습기 증발과 건조 공기의 혼입층을 통한 유입 때문.

대기오염 관점에서,

오염농도는 대기오염 배출원들이 지표에 주로 존재하므로, ML내 농도는 높다. 오염물은 에디에 의해서 수송되기에 혼입층을 넘어갈 수 없고, ML에 갇혀서 높은 대기오염 농도를 유발. 

맑은날의 경우, 열기포(thermal)는 습기가 충분하면 LCL(lifiting condensation level)까지도 도달

흐린 날의 경우, 난류 강도가 약해서 ML은 천천히 발달. 구름이 두꺼우면 난류가 없거나 중립 성층이 된다. 

야간의 대기 경계층 기작 

Residual layer (RL) 잔류층

일몰 약 30분 전 thermal 생성이 중단되고 난류가 직전 ML층에서 쇠퇴하며 생성되는 층.

RL은 지표에 닿지 않음

안정한 경계층과 자유대기 사이에 존재, 낮 시간에 혼합층이었던 영역

중립대기

난류강도는 모든 방향으로 일정

냉각율은 RL 내에서 거의 일정하므로 가온위는 단열(adiabatic)에 가까움.

가온위(단순화하여 온위로 생각해도 됨)는 야간 복사 냉각에 의해 ~1도/day 감소.

이류가 없다면, 이 층에서 기상 변수와 대기오염 농도는 혼합층에서와 같은 값을 유지. 

다음날 ML이 RL하단에 도달하면 (S5), ML은 빠른 속도로 성장.

RL층 하단은 야간 안정 경계층의 두께가 점점 증가하면서 형태는 변하지만, 지표 난류 수송에 영향을 받지 않지 않고, 안정 경계층 내로 내려 오지도 않음. 따라서 RL은 경계층 기상에서 예외로 취급. 하지만, 야간 대기 오염 관점에서 중요함. 

대기오염 관점에서,

passive tracer (비반응성 미량기체) 

대기오염물은 주간에 ML에 유입되었다가 밤에는 RL 내 잔여물로 남음.

중립대기이므로, 굴뚝 연기가 RL에 들어가면 연직 및 수평 방향으로 같은 비율로 확산되어 cone 형태를 만든다 (Fig. 1.10 상부)

증발에 의해서 ML로 유입된 습기가 며칠 동안 누적되면  구름을 형성할 수도 있다. 

non-passive (반응성 미량기체)

화학적으로 반응성을 가지므로 RL 내에서 야간 화학반응을 통해 2차 오염물질을 생성. 

아침이 되어도 RL은 새로운 ML이 유입되기 전까지 한동안 남아 유지되는데, 이 시간동안 태양복사에 의해 광화학반응하여 2차 대기오염물질을 생성. 

Stable (nocturnal) boundary layer 야간 안정 경계층

야간 바람은 복잡한 구조를 가짐. 

일반적으로 정적으로 안정된 야간 대기에서는 풍속이 약해서 난류가 억제됨.

하지만, 경계층 내에서 지균풍을 발행하기도 하는데, 이것을 하층(야간)제트 (low-level jet or nocturnal jet) 라고 함.

정적으로 안정된 대기는 난류를 억제하는데, 야간 제트는 바람 쉬어를 강화하여 난류를 발생시킴.

결과적으로 난류는 순간적으로 SBL 내에서 혼합을 유발. 

주간 ML은 선명한 top이 있지만, SBL은 top이 선명하지 못하고 RL에 섞여 들어갈 수 있다. 

안정층(SBL)에서 대기오염물들은 연직 수송이 약하고, 수평으로 빠르게 확산되는 부채형(fanning)을 보임 (Fig 1.10 하층부) 약한 바람이 부는 경우 종종 수평 사행 (meandering)형태를 보임.

SBL내 지표에서는 풍속이 약하지만, 상공 200m에서는 10-30m/s 풍속의 야간 제트가 발생할 수 있음. 그 고도보다 더 높이 올라가면 풍속은 다시 약해지고 지균풍에 가까워짐. (Fig. 1.11) 

야간의 가온위 발달

레윈존데(sounding)로 측정한 가온위 연직 프로파일으로서 경계층 구조의 발달을 알 수 있다. Fig.1.12는 S1~S6 시간 동안 측정한 결과.

대기오염 관점에서,

가온위 프로파일은 시간에 따라 변하고, 따라서, 연기 플룸 형태에도 영향을 미침.

연기가 RL로 들어가면 난류가 억제되기 때문에 지상으로 확산될 수 없지만, 수평으로 약 수 백 km를 이류할 수 있다. 

RL내 연기 플룸이 안정된 SBL top에 부딪히면 상승하는 지붕형(lofting)을 생성한다 (Fig. 1.13) 

일출 후 새로운 ML은 점점 발달하여 전날 야간에 생성된 연기가 있던 고도까지 자란다. 이 때, 기존 연기는 새로운 ML에 의해서 지상으로 확산되는 훈증형(fumigation) 을 나타낸다 (Fig 1.14).

해설 강의 링크

풀이

https://aeir.tistory.com/entry/2021?category=944225 

제 2 문 해설 강의 링크

해설 강의

풀이 

제 3 문 해설

참고문헌: 대구 도심과 인근 교외지역의 하절기 복사 성분 특성 연구 – 최동호 등.

대구 도심과 인근 교외지역의 하절기 복사 성분 특성 연구 : 논문보기 - DBpia

2018 기출 풀이

제3문 풀이강의

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