기상 기후 강의 노트

플럭스 (flux)

지표면 에너지 수지

 

 

또는

 좌변은 순복사 플럭스, 우변 첫째항 부터 현열, 잠열, 지중열 플럭스

실제 지표면

수평적으로 heterogeneous하고, 기울기도 가질 수 있다. 따라서,  실제상황에서는 접촉영역의 어떤 층(interfacial layer) 에서의 에너지 수지를 고려하는 것이 타당.

}이 층은 유한한 질량과 열용량을 가지고 에너지를 저장하거나 방출한다고 가정하고, 이 에너지의 변화를 에너지 수지로 생각한다. 이 경우 아래와 같이 1차원 에너지 수지 방정식으로 표현할 수 있다.

 

 

여기서〖∆H〗_s 은 층 내에서 단위 면적당 단위 시간당 에너지 저장량의 변화이고, ideal surface 에서의 수지 방정식과의 주된 차이다. 

∆H_s층 내에서 단위면적당 단위시간당 에너지 저장량의 변화

 

 

if ∆H_s  > 0 ,"플럭스 수렴,  층 가열"

if ∆H_s  < 0 , 플럭스 발산, 층 냉각

 

 

어떤 매체의 열용량이 z에 독립이면, 이 식은 에너지 저장률과 층의 가열률 (또는 냉각률) 사이의 관계식.

∆H_s 는 층으로 들어오는 에너지와 나가는 에너지의 차이로 설명할 수 도 있다.

보웬비 (Bowen ratio) 

위 지표면 에너지 수지 식에서 잠열에 대한 현열의 비를 보웬비로 정의하고, 아래와 같이 전개할 수 있다. 

각 지표면 특성에 따른 에너지 수지 

1. 광활한 수면 (큰 호수, 바다와 해양)

작은 보웬비 (B<<1)를 나타내므로 에너지 수지 식은 아래와 같이 근사된다.

•     큰 열용량
•     해양 밑 수면 밑의 두꺼운 혼합층
•     수십 미터의 두께를 투과하는 태양 복사

따라서, 고온의 해양에서는 보웬비는 0에 가깝고, 저온의 설빙면에서는 보웬비가 상당히 크다. 

2. 건조한 나지

건조한 지표면이므로, Rn = H + HG 로 근사된다.

3. 습윤한 지표면

알베도 감소, 순복사 증가,  잠열 플럭스가 우세하고, 현열 플럭스는 감소하여 아래와 같은 근사를 보인다.

        RN ~ HL

4. 식생 캐노피

식생 캐노피 내에서 에너지 플럭스는 국지적인 공간에 따라 변함.

∆HS = 물리적인 에너지(열) 저장률  + 광합성에 따른 생화학적 열 저장률

HL  =  증발+증산(transpiration) ⇒ 증발산(evapotranspiration)

식생의 성장을 고려하면, 에너지 평형은 복잡해 지는 이유

1. Q*, H, LE모두가 canopy 내에서 변동하기 때문에 ∆HS 를  고려해 한다. 이 경우 Q, H, LE은 캐노피 top에서 측정된다.
2. 에너지 저장율이 물리적 열 저장률과 생화학적 열 저장율로 나뉘기 때문이다. 생화학적 열 저장률은 수 시간 ~ 수일 의 시간 규모에서는 무시할 수 있다.
3. 현열 플럭스는 증발 응결 뿐만 아니라 식물의 증산 작용에 의해서 많은 양이 발생한다. 증발과 증산의 결합을 evapotranspiration 이라고 하고, 캐노피 top에서 일정한 수증기 플럭스를 생성한다.

전나무 캐노피에서 관측된 에너지 수지의 예.

∆HS 는 나무의 열용량과 캐노피 내 기온 측정으로 추정한다. 주간에는 ∆HS 는 작지만, 야간에는 Q*와 거의 동일한 크기. 낮 동안 Q*는 거의 같은 양의 H와 LE로 나눠진다

5. 도시 캐노피

도시 캐노피는 건물, 거리, 나무 그리고 공원 등을 포함하는 다양한 거칠기 요소들이 포함됨.

또는

Qf: 도시에서 사용된 연료소비와 관련된 열 플럭스, 즉  인공열 플럭스 (Anthropogenic heat flux )

도시 폐열에 의한 기온 증가 및 거칠기 요소들에 의한 난류 발달로 인한 현열 플럭스의 증가.

불침투성 지표면에 의해 증발할 수 있는 지표수의 양 감소되어 잠열 플럭스가 감소됨.

따라서 ⇒ 큰 보웬비를 나타냄

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