147장 연속방정식과 비지균 운동
7.5.4 마찰 항
방정식 (7.8)과 방정식 (7.9)에 있는 다음의 비지균 성분 항들을 생각해 보 자.
,
이 항들은 평가하기 어렵고 다른 항보다 훨씬 더 작은 경향이 있다. 첫 번째 큰 괄호 속 항들은 상층이나 하층으로부터 오는 지균풍의 연직 이류 효과 를 포함하고 있다. 반면 두 번째 큰 괄호 속 항들은 비지균 바람 성분의 가 속도에 좌우된다.
7장 연속방정식과 비지균 운동
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대기역학
-7.5 비지균 운동
마찰 편향에 의한 지균 편차는 지균풍으로부터 지상풍을 벡터적으로 빼면 알 수 있다(그림 7.14를 참고). 이것은 마찰로 인한 비지균 운동은 지균 흐 름에 반대 방향으로 향하고, 보다 중요하게는 저기압을 향한다는 것을 보여 주고 있다. 이제 마찰의 영향을 받는 흐름이 갖게 되는 수렴 또는 발산 특성 을 조사해 보자.
[그림 7.15]저기압 및 고기압과 연관된 경계층 비지균 운동
저기압 주위의 흐름을 고려하라. 지균풍의 강도가 어디서나 같다고 가정하 면, 경계층 위에서 지균 편차는 등고선을 따라 놓이게 되고 비발산적이다.
그러나 마찰은 바람을 편향시키고 지균 흐름과 반대 방향으로 등고선을 횡 단하는 지균 편차를 가져온다. 이때 수렴을 일으키는 것은 등고선을 횡단하 는 성분이다. 유사하게, 고기압은 경계층 안에서 발산 흐름을 발생시킨다는 것을 볼 수 있다. 그러므로 마찰 강제력은 저기압 영역에서 상승 운동을, 고 기압 영역에서 하강 운동을 일으킨다.
[그림 7.14]지상에서 바람의 마찰 편향에 기인한 비지균풍. 여기서 Vs는 지상풍을 나타낸다.
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7장 연속방정식과 비지균 운동대기역학
-7.5 비지균 운동
[그림 7.16]전선 형태의 골과 연관된 경계층 비지균 운동
수렴과 발산이 마찰로 인해 생기기 위해서 고기압과 저기압의 중심이 필요 한 것은 아니다. 골이나 능 하나 만으로도 충분하다는 것을 보일 수 있다.
그림 7.16에서 보인 전선 지역을 고려하라. 지상 전선을 따라 나타나는 예 리한 골 때문에 골 양쪽의 비지균풍은 수렴적인 반면, 각 기단 안에서의 흐 름은 비발산적이다. 이 수렴은 상승 운동에 대한 메카니즘일 뿐만 아니라 전선 발생의 원인이다. 즉, 이 수렴은 경계층 안에서 전선 횡단 방향으로 온 도와 습도의 경도가 강하게 되도록 작용한다.
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대기역학
-7.6 실제 대기의 비지균 운동
지금까지 이상화된 경우를 집중적으로 공부하였고 매우 이상적인 다인스 의 2층 모델을 사용하였다. 그러나 실제 대기는 앞에서 다룬 예보다 훨씬 더 복잡하므로, 단순히 상층 흐름 형태의 모양을 봄으로써 연직 운동 형태 를 정확하게 진단하는 것은 불가능하다. 만일 상층 흐름을 보고 연직 운동 을 진단하려 시도한다면, 완전히 틀린 부호의 연직 운동을 진단할 지도 모 른다. 그러나 비지균 운동을 고려함으로써 발달이 일어날 것 같은 어떤 대 기 영역이 존재함을 앞에서 보였다.
대부분의 발달하는 중위도 저기압은 상층 골 동쪽에 위치하고 고기압은 일 반적으로 상층 능 동쪽에서 발달한다. 관측 연구는 영국과 서부 유럽에 영 향을 주는 대부분의 저기압이 초기에 합류적 골과 연관된 저기압 영역에서 발달한다는 것을 보여 왔다. 더욱이 저기압은 흔히 상층 제트류의 오른쪽 입구 또는 왼쪽 출구 밑에 있을 때 발달하고 강해진다.
상층 특징과 연관된 저기압 영역이 존재해야만 항상 지상 저기압이 발달하 는 것은 아니다. 따라서 지상 저기압 발달이 일어나는 다른 조건들을 찾아 낼 필요가 있다. 그래도 상층 저기압 영역은 국지적 기압 하강을 이끌고 위 성 영상에서 보는 뚜렷한 높은 구름을 가진 대류 구름을 발달시킬 것이다.
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7장 연속방정식과 비지균 운동대기역학
-요약
• 연직 속도는 비교적 작지만 대기 흐름에서 중요한 부분이다. 이 연직 속도 는 구름의 형성 및 소멸과 강수 그리고 지상 기압 변화를 일으킨다. 이 속 도는 직접 측정하기가 매우 어렵다.
• 질량 보존(연속성)의 개념으로 수평 바람장과 연직 속도 사이의 간단한 관계를 얻을 수 있다.
• 현저하게 발달하는 환경에서 대기를 두 연직 층으로 나누어 조사할 수 있 다. 한 층에는 주로 발산 형태의 수평 흐름이 존재하고 다른 하나에는 주 로 수렴 흐름이 존재한다. 이 모델은 연직 운동의 부호를 추론할 수 있게 한다. 지상 기압의 변화는 공기 기둥 안에 있는 질량의 작은 순 변화에 기 인한다.
• 대기에서 발산과 수렴을 찾을 때, 바람의 지균 성분은 비발산적이기 때문 에 흐름의 비지균 성분에 집중하여야 한다.
• 비지균 운동은 두 성분을 가지고 있는데, 하나는 마찰에 의한 것이고 다른 하나는 가속도에 의한 것이다. 비지균 운동은 이 운동을 일으키는 가속도 의 직각 왼쪽으로 향한다.
• 등기압변화 경도는 경도가 감소하는 쪽으로 향하는 비지균풍을 발 생시킨다. 이것은 기압이 크게 하강하는 영역으로 수렴을 일으키고 기압 이 크게 상승하는 영역으로부터 멀어져 가는 쪽으로 발산을 일으킨다. 상 층에서는 등기압변화 효과가 온난 이류 영역에 발산을, 한랭 이류 영역에 수렴을 일으킨다.
• 흐름을 따른 가속도는 오른쪽에 공기 감소(발산)를, 왼쪽에 공기 축적(수 렴)을 일으킨다. 따라서 제트 입구에서는 이것이 입구 왼쪽에 고기압 영 역을, 오른쪽에 저기압 영역을 만든다. 제트 출구에서는 이와 반대로 된다.
• 흐름에서 곡률의 변화는 골의 앞과 능의 뒤에서 발산을, 골의 뒤와 능의 앞에서 수렴을 일으킨다.
• 분류/합류 및 곡률의 효과는 비대칭형 골과 능에서 결합되어 다른 크기와 다른 수평 범위의 고기압과 저기압 영역을 만든다.
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대기역학
-• 위도 변화에 따른 지균풍의 변화 또한 발달 영역을 만든다. 이 변화는 곡 률 효과와 반대로 작용되어서 큰 진폭을 가진 파동은 주로 정체한 채로 머물러 있거나 심지어 역행하기도 한다.
• 경계층의 마찰은 저기압 쪽으로 향하는 비지균 성분을 발생시킨다. 이것 은 저기압에서 경계층 수렴을, 고기압에서 경계층 발산을 일으킨다. 두 경 우 모두 마찰은 현존하는 비지균 운동과 연직 운동을 강화시킨다.
요약
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7장 연속방정식과 비지균 운동대기역학
-부록
하부 대류권의 결과적 비지균 운동은 파동 첨단 주위에 뚜렷한 수렴 영역 을 일으켜서 공기 상승, 구름 및 강수를 유발시킨다.