온대 저기압의 발달과 경압 불안정

다음 그림 4.20은 북반구 500hPa의 평균 고도장을 보여주고 있다. 여기에 서 주목해야 할 것은 북반구 중위도 지역을 중심으로 4개에서 6개 정도의 반영구적인 상층 기압골이 형성되어 있다는 점이다.

이들 반영구 기압골은 남북 온도 경도에 의한 경압불안정과 파동 불안정의 결과로 하층에 요란이 발생할 경우 온난 저기압으로의 발달을 유도한다. 상 층 기압골에 동반되는 발산은 하층의 수렴에 비해서 강하기 때문에 하층에 서 상층으로 이동하는 기류가 강해지고 지상의 온난 저기압의 중심 기압은 점점 떨어지게 된다. 온난 저기압은 뚜렷한 연직 바람시어와 온도/노점온도 경도가 큰 선형 밴드를 따라서 형성된다. 따라서 온난 저기압은 경압성 저 기압으로도 부를 수 있다.

경압성 저기압 이론의 핵심은 그림 4.21에서 보는 것과 같이 상층 단파와 발산 구역이 하층의 저기압과 연결되면 대기 하층의 북쪽으로 부터의 한기 이류를 강화하게 되고, 하층의 한기 난류는 다시 상층의 기압골 주변의 발 산을 강화시켜 상층 기압골을 강화시키는 상호작용을 하게 된다.

상층의 최대 수렴과 발산은 기압골과 기압능의 사이에서 발생하는데 이렇 게 상층의 기압골이 하층의 저기압에 비해서 서쪽으로 기울어져 있는 상태 가 되면, 지상 저기압의 서쪽에서는 남쪽으로 한랭 이류가 발생하고 이에 따라 단열 냉각 효과가 더해져 상층 기압골과 지상 저기압이 동시에 강화되 게 된다. 일반적으로 저기압의 발생 혹은 저기압의 형성은 상층 제트기류의 풍속이 최대가 되는 소위 제트 스트리크의 오른쪽 후방과 왼쪽 전방 분면의 상층 발산이 최대가 되는 전선 지역을 따라 형성된다.

하층의 저기압이 고도에 따라 서쪽으로 기울어져서 상층의 발산 구역과 연 결되는 공기 기둥은 하층 수렴을 강화시키고 이에 따라 상승 운동도 강화된 다. 강한 상승 운동은 지상 기압의 하강을 유도하고 상승하는 공기의 운동 은 온난 저기압을 더욱 발달시키게 된다. 결국 지상 온난 저기압이 발달함 에 따라 기압골 중심의 후방에 위치한 한랭 전선이 형성되어 차가운 공기를 에 따라 기압골 중심의 후방에 위치한 한랭 전선이 형성되어 차가운 공기를 저위도 부근으로 이동시키는 역할을 한다.

[그림 4.21]상층 수렴/발산과 지상기압계 발달

4.2.4 2차 저기압

동일 기단 내에 생기는 전선으로, 발달한 저기압에 수반되는 한랭전선 후면 의 찬 공기 내에서 침강․승온한 공기와 수평 운동을 한 공기 사이에 온도 차이가 생기는 등 동일한 기단의 변질 과정의 차이에 의해 생긴다. 그 과정 을 살펴보면, 파동이 발달함에 따라 중심 기압은 더욱 낮아지면서 풍속이 강화되고, 이에 따라 상대적으로 빠른 속도를 가진 한랭전선이 온난역의 면 적을 줄여가다가 결국은 온난전선을 추월하게 된다.

그런데 추월을 시작한 시점이 바로 저기압이 가장 강성한 시기로서 풍속, 강우, 구름 구역이 최대로 나타난다. 이후 한랭전선, 온난전선 그리고 폐색 전선이 만나는 교차점(Triple Point)은 저기압 중심으로부터 좀 더 이동함 에 따라 중심의 오른쪽으로 구부러지는 경향이 있으며 저기압이 소멸될 때 까지 나타난다. 폐색 단계에서는 온난역이 다시 나타나는데, 이 온난역을 중심으로 하여 다시 저기압이 발달하면 이를 2차 저기압이라 한다.

저기압들은 종종 이동하는 한랭전선을 따라 형성되는데, 저기압이 강해지 고 진폭이 커지기 전에 초기에는 파동으로 나타난다. 이런 과정은 한대전선 고 진폭이 커지기 전에 초기에는 파동으로 나타난다. 이런 과정은 한대전선 을 따라 연속적인 저기압 가족을 이끌 수 있다(그림 4.22 참조).

가끔 파동이 온난전선에서 형성되고 저기압으로 발달할 수 있다. 이것은 해 양성 열대공기가 대륙성 한대기단 위에 영향을 끼칠 때 일어나며, 전선을 따라 경압성이 커지면 저기압이 발생하기 쉬운 환경이 된다(그림 4.23).

[그림 4.23]온난 전선파에서의 저기압 형성

경우에 따라서는 주요 저기압 중심이 고지대 경계(산맥)에서 저지되었을 때, 교차점에서 이탈(Break-away) 저기압이 형성될 것이다(그림 4.24).

[그림 4.24]폐색점에서의 이탈(Break-away) 저기압

대기의 수평 온도 차이가 없다면, 상층류는 마찰층 위의 하층류와 정확하게 같을 것이고, 저기압과 고기압의 구조는 대기권 전 범위에서 동일할 것이다.

반면에, 지상에서 수평 기압경도가 없고 온도 차이만 존재한다면, 아래와 같은 이유로 고층에서는 기압경도력이 존재할 것이다.

정역학 방정식(Hydrostatic Equation)에서 입증된 바와 같이, 따뜻하고 밀 도가 낮은 기단에서는 고도가 높아짐에 따라 기압은 서서히 하강하고, 차고 밀도가 높은 기단에서는 고도가 높아짐에 따라 기압은 급격히 하강하기 때 문에, 저기압의 골은 한랭공기 상공에 존재한다.

대류권에서는 높이 올라갈수록 기온이 기압에 미치는 영향이 커지고, 열적 으로 발생된 상층기압 패턴은 고도가 높아짐에 따라 더 분명해진다. 물론 실제 대기에서는 지상 기압차와 수평 온도차가 모두 존재한다.

온난역 밑에 있는 지상 기압골(Surface Trough)은 연직으로 올라갈수록 한기 쪽으로 편향되어 점진적으로 서쪽으로 배치되고, 그곳의 기압은 급격 히 하강한다. 즉, 같은 방법으로 시스템 전면에 있는 고기압의 지상 마루 (Surface Ridge)는 고도가 높아짐에 따라 온난역을 구성하는 따뜻한 공기 (Surface Ridge)는 고도가 높아짐에 따라 온난역을 구성하는 따뜻한 공기 의 마루를 향하여 점진적으로 서쪽으로 배치하게 된다(그림 4.24 참조).

결과적으로 상층의 등고선 패턴은 그림 4.25에서 보인 것과 같다. 지상저기 압은 상류(Upstream)의 골과 하류(Downstream)의 마루 사이에 놓인다.

한기는 저위도 쪽으로 밀고 난기는 고위도 쪽으로 밀기 때문에 상류 골과 하류 마루의 진폭은 커진다.

온난과 한랭기단은 고도에 따른 기압 감률이 서로 다르기 때문에 상층에서 는 강한 기압경도력이 발생한다. 이는 대류권계면 1㎞ 아래에 중심을 둔 전 선대 위에서 강풍의 제트(Jet)를 발생시킨다. 제트는 왼쪽에 더 낮은 기압 (더 찬 공기)을 동반하고 분다.

비록 평면에서는 제트 중심핵(Jet Core)이 찬 공기에 있는 것처럼 보이지 만 이는 실제 전선대 위쪽인, 상층의 난기 위에 놓여있음을 기억해야 한다.

즉, 제트 중심핵은 지상 온난전선의 전면에 위치하나, 한랭전선의 후면에 더 가깝다. 제트 중심핵은 한랭, 온난, 그리고 폐색전선의 지상 교차점을 지 난다.

[그림 4.25]폐색저기압 모형의 3차원 구조. (상) 전선구름의 수평분포.

(중) 전선구름에서 그은 직선의 단면. (하) 300hPa에서의 유선

북반구에서는 온난전선이 접근 시, 바람이 고도가 높아짐에 따라 순전 (Veer)하고, 한랭전선 후면에서는 고도가 높아짐에 따라 반전(Back)한다.

이것은 그림 4.26에서 분명하게 볼 수 있다. 일반적으로 중위도 종관 현상 들과 관련된 온도 패턴은 지상의 기압 패턴과 반대이다. 예를 들어, 지상 골 은 온난기단의 온도 마루 아래에 위치하고, 지상 기압마루는 한랭공기의 온 도 골 아래에 위치한다. 이는 고도가 높아짐에 따라 서쪽으로 기울어진 구 조를 만드는 효과가 있을 뿐만 아니라, 상층의 등고선 패턴을 부드럽게 한 다. 그 근거로 300hPa에서 닫힌 저기압과 고기압 순환이 그리 많지 않고, 폭이 넓은 골과 마루의 이어짐이 많다는 것을 (예로)들 수 있다.

[그림 4.26]온대저기압의 3 가지 단계. 얇은 실선은 지표기압을 나타내고, 굵은 실선은 500 hPa의 고도선을 나타내며, 점선은 1000-500hPa 층후의 평균온도를 나타내는 등치선임. 높은 값일수록 그림의 아래 쪽으로 놓여있음

지상 온난전선의 전면을 관측한 연직 사운딩(Sounding)으로부터 기입된 단열선도는 지상 한랭전선 후면을 관측한 연직 사운딩에서 기입된 것과 유 사하다. 둘 다 하층의 찬 기단에서는 습구온위( )가 낮고, 고도가 높아짐에 따라 증가한다. 가끔 건조대(Dry Zone)가 더 한랭한 기단의 전선면 부근에 서 명확하게 보인다. 이것은 전선대 부근에서 하강하여 비단열적으로 따뜻 해지고 건조해진 공기에서 기인한 것이다. 때때로 이 공기는 성층권에서 나 와서 제트주변에서 대류권으로 유입되기도 한다. 이런 연직 사운딩에서 전 선이 온난형인지 한랭형인지를 알 수 있는 한 가지 방법은 전선면을 지나는 연직 풍향의 변화이다. 북반구에서 만약 풍향이 순전하면 온난전선이 있다 는 것이고, 풍향이 반전하면 한랭전선이 있다는 것이다. (그림 4.27 참조)

_

[그림 4.27]온난전선 전면과 한랭전선 후면을 관측한 연직 습구온도(θ_w) 분포