12강. 기상학
추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차
1. 기권의 구성 [본문]
2. 수증기로 인한 현상 [본문]
3. 대기 운동 [본문]
4. 일기예보 [본문]
5. 기후 [본문]
1. 기권의 구성 [목차]
⑴ 대기의 성분
① 주거의 난방으로 인한 이산화탄소 방출은 동력 설비로 인한 이산화탄소 방출의 1/5에 해당
② 대기 중 70-80%의 산소가 수중식물에서 생성
⑵ 대기의 진화
① 질소 : 반응성이 낮아 지구 전 연령에 걸쳐 그 양이 일정했음
② 이산화탄소 : 초기에는 질소보다 많았으나 탄산칼슘을 형성하거나 물에 녹아 양이 점점 줄어듦
③ 산소 : 광합성 생물의 등장으로 점점 증가. 21억 년 전 산소혁명이 일어남
⑶ 기권의 구조
① 대류권
② 성층권
③ 전리층
⑶ 음파의 이상전파
2. 수증기로 인한 현상 [목차]
⑴ 물의 세 가지 상태
① 잠열(숨은 열) : 물질의 상태변화가 일어날 때 출입하는 열, 온도변화가 없음
② 증발 : 물 → 수증기, 잠열을 흡수
③ 액화 : 수증기 → 물, 잠열을 방출
④ 융해 : 얼음 → 물, 잠열을 흡수
⑤ 응고 : 물 → 얼음, 잠열을 방출
⑥ 물의 순환 : 지구상의 물은 상태변화를 거치면서 지표와 대기 사이를 순환
⑵ 기온
⑶ 습도
① 응결 : 수증기의 양은 한계가 있어서, 그 이상이 되면 물방울을 만드는 것
② 응결핵과 승화핵
○ 응결핵 : 흡습성 물질 등
○ 빙정핵 : 화산재, 그을음 등
○ 응결핵, 빙정핵이 없으면 포화가 되어도 응결이 일어나지 않아 과포화 상태를 이름
③ 응결의 원인(냉각의 원인)
○ 접촉냉각 : 공기가 한 지면이나 찬 수면에 접촉할 때 일어나는 냉각
○ 혼합냉각 : 따뜻한 공기가 찬 공기와 섞여 일어나는 냉각
○ 복사냉각 : 야간 대기복사에 의한 냉각
○ 단열냉각 : 공기가 상승할 때 단열팽창에 의한 냉각
○ 단열냉각의 경우에 냉각효과가 가장 큼
④ 수증기압
○ 수증기압 : 대기압 중 수증기만의 압력, 수증기량에 비례
○ 포화수증기압 : 대기 중 수증기가 포화된 상태의 수증기압, 온도에 비례
⑤ 상대습도 : 현 온도에서 대기 중 수증기의 포화정도를 나타내는 양 (단위 : %)
○ 기온과 이슬점의 차이가 클수록 상대습도는 낮음
○ 기온과 이슬점이 같으면 상대습도는 100%
○ 상대습도 = 현재수증기압 ÷ 포화수증기압 × 100 (%)
⑥ 절대습도 : 자연공기(습윤공기) 1 ㎥ 속에 포함된 수증기량을 g 수로 나타낸 것
⑦ 이슬점 온도 : 수증기량이 변하지 않고 공기가 냉각되어 응결이 시작되는 온도
○ 상대습도가 100%인 온도
○ 현재 수증기압은 이슬점에서의 포화 수증기압과 같음
○ 수증기압이 같은 공기의 이슬점 온도는 같음
⑧ 습도계
○ 모발습도계
○ 건습구습도계
○ 단열포화온도(adiabatic saturation temperature)
Figure. 1. 단열포화온도
○ 습구온도(wet-bulb temperature)
Figure. 2. 습구온도
⑷ 단열변화, 단열감률
① 단열변화 : 상승 또는 하강하는 공기 덩어리가 오직 부피 변화에 의해 온도가 높아지거나 낮아지는 현상
○ 단열팽창(adiabatic expansion)
○ 공기 덩어리가 상승하면 주위 기압이 낮아지므로 부피가 팽창
○ 이때 외부 공기에 대하여 일을 하므로 공기 덩어리의 온도가 내려감
○ 단열압축(adiabatic compression)
○ 공기 덩어리가 하강하면 주위 기압이 높아지므로 부피가 압축
○ 이때 외부 공기로부터 일을 받아 공기 덩어리의 온도가 올라감
② 단열감률 : 공기가 상승하거나 하강하면서 단열 변화를 일으킬 때의 온도 변화율
○ 건조 단열감률 : 불포화된 공기가 상승할 때의 온도 변화
○ 1 ℃ / 100 m
○ 습윤 단열감률 : 포화된 공기가 상승할 때의 온도 변화
○ 강우 현상과 함께 수증기가 응결열을 방출하므로 건조 단열감률보다 작음
○ 0.5 ℃ / 100 m
○ 이슬점 감률 : 불포화된 공기가 상승할 때의 이슬점 변화
○ 불포화공기 : 0.2 ℃ / 100 m
○ 포화공기 : 0.5 ℃ / 100 m
○ (참고) 빙정은 0 ℃부터 생성됨
○ 예제
○ 상승 시 800 m에서의 온도 : 30 - 1 × 8 = 22 ℃
○ 상승 시 2,000 m에서의 온도 : 22 - 0.5 × 12 = 16 ℃
○ 하강 시 B 지점에서의 온도 : 16 + 1 × 20 = 36 ℃
⑸ 구름
① 구름의 발생
○ 구름 : 공기 중의 수증기가 단열 냉각되어 물방울이나 빙정이 하늘에 떠 있는 것
○ 구름의 생성 : 공기의 상승 → 부피의 팽창 → 단열 냉각 → 구름 생성
○ 빙정의 성장 : 빙정보다 과냉각 물방울에 대한 포화수증기압이 커 수증기가 빙정에 달라붙음
○ 0 ℃ 이하에서 과냉각 물방울과 빙정이 공존함
○ 구름 속 공기는 과냉각 물방울에 대해서 불포화생태
○ 구름 속 공기는 빙정에 대해서 과포화상태
② 상승 응결 고도
○ 불포화 상태의 공기 덩어리가 상승할 때
○ 공기 덩어리의 온도 변화 ; 건조 단열 감률에 의해 1 ℃ / 100 m씩, 이슬점은 0.2 ℃ / 100 m 씩 감소
○ 기온선의 변화에 대하여 상대적으로 생각할 것
○ 공기 덩어리가 상승할수록 기온과 이슬저믜 차이가 줄어들가가 같아지는 고도, 즉 상승 응결 고도에서는 공기의 상대 습도가 100%가 되어 구름이 생성됨
○ 상승 응결 고도 (m) = 125 × (지상 기온 - 이슬점)
③ 구름의 모양에 따른 분류
○ 적운형 구름 : 대기가 불안정한 경우
○ 밑면이 편평하고 정상부는 둥글게 부푼 모양
○ 상승하는 공기에 의해 연직방향으로 발달 : 상승기류이므로 대기안정도는 불안정
○ 소나기성 비가 내림
○ 층운형 구름 : 대기가 안정한 경우
○ 수평방향으로 넓게 퍼진 구름
○ 지속적이고 약한 비가 내림
④ 구름의 높이에 따른 분류
○ 상층운 : 고도 6 ~ 13 km
○ 권운
○ 권적운
○ 권층운 : 주로 빙정이 해무리와 달무리를 만듦
○ 중층운 : 고도 2 ~ 6 km
○ 고적운
○ 고층운
○ 하층운 : 지표 ~ 고도 2 km
○ 층적운
○ 층운
○ 난층운
○ 연직 발달 구름 : 높이와 상관없이 연직으로 발달, 적운, 적란운
⑹ 비, 눈
① 강수의 유형
○ 대류성 강수 : 대류에 의한 공기 상승이 원인
○ 지형성 강수 : 지형에 의한 공기 상승이 원인
○ 저기압성 강수 : 저기압 중심에서의 공기 상승이 원인
○ 전선성 강수 : 전선면에서의 공기 상승이 원인
② 뇌우 : 적운단계, 성숙단계, 소멸단계가 있음
○ 적운단계 : 상승기류만 발달하기 때문에 구름이 크고 두꺼움
○ 성숙단계 : 천둥, 번개가 잘 발생하는 단계. 강한 상승기류와 하강기류가 공존
○ 소멸단계
⑺ 안개
① 종류 1. 수증기 공급에 의한 안개
○ 증발안개
○ 전선안개
② 종류 2. 냉각에 의한 안개
○ 복사안개
○ 이류안개
○ 활승안개
⑻ 스모그(smog) : 연기(smoke) + 안개(fog)
① 런던형 스모그
○ 황 산화물에 의해 발생
② LA형 스모그
○ 질소 산화물에 의해 발생
○ 지표 부근에서 오존이 생성됨
○ 자외선이 강한 맑은 날에 발생할 수 있음
3. 대기의 운동 [목차]
⑴ 기압의 측정
⑵ 바람의 측정
① 풍속 : 풍속은 보통 로빈송풍속계나 다인즈 풍압계를 써서 관측
② 풍배도
⑶ 열의 복사운동
① 태양복사
② 지구대기에 의한 태양복사의 감쇠
③ 지구반사율
⑷ 대기안정도(atmospheric stability)
① 단열감률 : 공기 덩어리가 상승하면서 단열작용에 의해 온도가 하강하는 정도
○ 단열감률선 : 단열감률을 적용하여 얻은 고도에 따른 기온
② 기온감률 : 외부 요인에 의해 온도가 하강하는 정도
○ 기온변화선 : 기온감률을 적용하여 얻은 고도에 따른 기온
③ 안정 : 단열감률 > 기온감률
○ 지상 ~ 특정 고도 : 단열감률선 > 기온변화선
○ 특정 고도 ~ : 단열감률선 < 기온변화선
○ 지상 ~ 특정 고도 : 공기 덩어리 상승
○ 특정 고도 ~ : 공기 덩어리 하강
○ 현상 : 상승 또는 하강한 공기는 원래 위치(특정 고도)로 복귀
○ 미세먼지나 안개가 심할 때 대기가 안정하면 피해 증가
④ 불안정 : 단열감률 < 기온감률
○ 지상 ~ 특정 고도 : 단열감률선 < 기온변화선
○ 특정 고도 ~ : 단열감률선 > 기온변화선
○ 지상 ~ 특정 고도 : 공기 덩어리 하강
○ 특정 고도 ~ : 공기 덩어리 상승
○ 특정 고도를 중심으로 양 방향으로 공기 덩어리가 급격히 이동
⑤ 중립 : 단열감률 = 기온감률
○ 전 고도에 걸쳐 단열감률선 < 기온변화선인 경우 : 공기 덩어리가 완만히 하강
○ 전 고도에 걸쳐 단열감률선 > 기온변화선인 경우 : 공기 덩어리가 완만히 상승
⑥ 조건부 불안정 : 건조 단열감률 > 기온감률 > 습윤 단열감률
○ 불포화공기 : 안정
○ 포화공기 : 불안정
⑦ 푄 현상(Foehn, Föhn) : 녹새풍, 높새바람이라고도 함
○ 지점 1. 지표면 ~ 최초 응결 지점 : 건조 단열 변화. 상대 습도 증가. 절대 습도 감소
○ 지점 2. 최초 응결 지점 ~ 산 정상 : 습윤 단열 변화. 상대 습도 일정. 절대 습도 감소
○ 지점 3. 산 정상 ~ 산 너머 지표면 : 고온 건조. 건조 단열 변화. 상대 습도 감소. 절대 습도 증가
○ 단열감률 예제 (Figure. 3.) 참고
⑧ 상공 역전층
○ 역전층 : 고도가 증가할수록 기온이 증가하는 대기 구간
○ 종류 1. 상공 역전층 : 안개 등으로 인해 지표상에 형성된 역전층
○ 날씨가 맑고 바람이 약한 날 밤에 지표면의 활발한 복사냉각으로 발생
○ 구름이 많으면 복사냉각이 잘 안 일어나 역전층이 생기기 어려움
○ 경우 1. 단열감률선이 항상 기온변화선보다 낮은 경우 : 공기 덩어리가 모두 지표로 하강
○ 경우 2. 단열감률선이 기온변화선보다 높았다가 낮아지는 경우 : 매우 안정하여 공기가 단열감률선과 기온변화선의 교점으로 이동
○ 종류 2. 이류 역전층 : 차가운 공기 위로 따뜻한 공기가 지나갈 때
○ 종류 3. 침강 역전층 : 상공에 고기압이 있을 때 침강하는 공기의 단열압축으로 생기는 역전층
○ 종류 4. 전선 역전층
⑸ 바람을 일으키는 힘
① 기압경도력
② 전향력
③ 원심력
④ 마찰력 : 1 km 이하에서만 나타남
⑹ 기압경도에 따르는 바람
① 지균풍(geostrophic wind)
○ 기압경도력과 전향력이 평형을 이루는 바람
○ 1 km 이상에서 등압선이 직선일 때 부는 바람 : 마찰력과 원심력이 없으므로
○ 저위도일수록 풍속이 빠름 : (1/ρ) × ΔP/ΔH = 2vΩ sin φ
② 경도풍(gradient wind)
○ 기압경도력, 전향력, 원심력이 평형을 이루는 바람
○ 1 km 이상에서 등압선이 곡선일 때 부는 바람
○ 고기압성 경도풍
○ 풍향 : 시계방향
○ 코리올리힘 - 기압경도력 = 구심력
○ 코리올리힘 = 기압경도력 + 구심력이므로 지균풍보다 풍속이 빠름
○ 저기압성 경도풍
○ 풍향 : 시계 반대방향
○ 기압경도력 - 코리올리힘 = 구심력
○ 코리올리힘 = 기압경도력 - 구심력이므로 지균풍보다 풍속이 느림
③ 지상풍
○ 기압 경도력, 전향력, 마찰력이 관여함 : 원심력은 관여할 수 있도 안 할 수도 있음
○ 풍향 : 기압경도력 방향의 오른쪽 위쪽으로 비스듬한 방향
○ 경각 : 등압선과 지상풍이 이루는 각. 마찰력이 클수록 고도가 낮을수록 큼
○ 고기압성 지균풍 : 시계 방향으로 발산. 하강기류
○ 저기압성 지균풍 : 시계 반대방향으로 수렴. 상승기류
⑺ 대기의 순환운동에 따른 바람
① 대기 순환규모
Figure. 5. 공간 규모와 시간 규모에 따른 대기 순환운동
○ 공간규모가 클수록 시간규모도 큼
○ 규모가 클수록 연직규모 / 수평규모가 작아짐
② 대기대순환 : 위도별 에너지 불균형에 의해 일어남
A : 해들리 순환(Hadley cell), B : 페렐 순환(Ferrell cell), 나머지 : 극세포 순환
Figure. 7. 대기 대순환에 의해 지표 부근에서 부는 바람의 속도
○ 적도무풍대 (0°)
○ 무역풍 (0° ~ 30°) : 동풍
○ 중위도 고기압대 (30°)
○ 편서풍 (30° ~ 60°) : 서풍
○ 고위도 저기압대 (60°)
○ 주극풍 (60° ~ 90°) : 동풍
③ 해륙풍
④ 계절풍
○ 계절풍이 생기는 원인은 해륙풍이 발생하는 원인과 같음
○ 계절풍은 전향력의 영향을 받지 않음
○ 겨울철의 풍속이 여름철보다 빠름
⑤ 산풍, 곡풍
○ 산측풍
○ 평형풍
○ 정상산곡풍
⑥ 편서풍 파동
○ 원인 : 위도별 기온차, 전향력
○ 역할 : 위도별 에너지 불균형 해소, 온대 저기압과 이동성 고기압의 발생
○ 중위도와 북극 사이에는 강한 편서풍이 불고 있음 : 지구의 회전으로 인해 생성된 난류 파동
○ 그림 해석
○ 오른쪽, 아래쪽, 왼쪽, 위쪽이 각각 동, 서, 남, 북에 해당
○ 북쪽으로 솟은 부분을 기압마루, 남쪽으로 솟은 부분을 기압골이라고 함
○ A : 기압마루에 해당. 속력이 빠름 (∵ 고기압성 경도풍)
○ B : A에서 갑작스럽게 빨라진 풍속으로 B에서 하강기류가 유도돼 지상이 고기압이 됨 (이동성고기압)
○ C : 기압골에 해당. 속력이 느림 (∵ 저기압성 경도풍)
○ D : C에서 속력이 느려 D에서 상승기류가 유도돼 지상이 저기압이 됨. (온대저기압) 태풍이 발달하기도 함
○ 제트류(jet stream) : 중위도 상층 편서풍에서 속도가 가장 빠른 중심부. 대류권 계면에 위치
○ 종류 1. 아열대 제트류 : 위도 30도에 분포하는 제트류
○ 종류 2. 한대 전선 제트류 : 위도 60도 분포하는 제트류. 아열대 제트류보다 빠름
○ 중위도와 북극 사이의 기압차, 온도차가 강할수록 제트류는 강해지고 남북으로 커짐
○ 제트류의 풍속은 겨울철이 여름철보다 빠름 : 위도별 기온차가 겨울이 더 크기 때문
○ 겨울철에는 제트류가 남하하고, 여름철에는 제트류가 북상함
○ 제트류가 약해지는 경우 북극 찬 공기가 중위도로 쉽게 내려와 중위도에 한파나 폭설이 자주 발생함
⑦ 편동풍 파동
○ 팁. 편서풍 파동을 x축 반전시킨 것으로 이해하면 됨
○ 파동이 북쪽으로 돌출된 부분이 기압골
○ 상층 기압골의 동쪽의 지상부분에 저기압이 발달함
4. 일기예보 [목차]
⑴ 일기예보의 필요성
⑵ 기단의 발생
⑶ 기단의 변질
⑷ 기단의 분류
① 북극기단(Arcticair mass, A)
② 대륙성극기단(polar continental air mass, Pc)
③ 해양성극기단(polar maritime air mass, Pm)
④ 대륙성열대기단(tropical continental air mass, Tc)
⑤ 해양성열대기단(tropical maritime air mass, Tm)
⑥ 적도기단(equatorial air mass, E)
⑦ 계절풍기단(monsoon air mass, M)
⑧ 상층기단(superior air mass, S)
⑸ 우리나라 부근의 기단
① 시베리아 기단
○ 발원지 : 시베리아 대륙
○ 주로 동계, 봄·가을에도 볼 수 있음
② 오호츠크해 기단
○ 발원지 : 오호츠크해
○ 봄·가을에도 볼 수 있음
○ 초여름에 우리나라 영서지방에 고온 건조한 바람을 불게 함
③ 북태평양 기단
○ 발원지 : 남방해상
○ 주로 여름에 볼 수 있음. 봄·가을에도 볼 수 있음
④ 양쯔강 기단
○ 발원지 : 중국대륙
○ 봄·가을
⑤ 적도 기단
⑹ 불연속선의 형태
① 저기압
② 부저기압
③ 고기압
④ V자형의 저기압
⑤ 안상저압부
⑥ 설상고압부
⑦ 직선상 등압선
⑺ 전선
① Margules의 공식
② 온난전선 : 북반구 기준으로 설명
○ 온난전선이 통과하면서 풍향은 시계방향으로 변함
○ 구름이 나타나는 순서 : 권층운 → 고층운 → 난층운
③ 한냉전선
④ 정체전선
⑻ 온대성 저기압과 열대성 저기압
① 온대성 저기압
○ 기압이 가장 낮은 곳은 저기압의 중심 : (참고) 열대성 저기압도 동일함
② 열대성 저기압
○ 태풍의 명칭 : 윌리윌리, 사이클론, 타이푼, 허리케인
○ 태풍의 구조
Figure. 9. 태풍의 위험반원과 안전반원
○ 태풍의 눈 : 하강기류로 날씨가 맑음
○ 풍속은 태풍 중심에 가까울수록 빨라지다가 태풍의 눈에서 급격히 느려짐
○ 전향력 때문에 태풍은 반시계 방향으로 회전함
○ 위험반원(dangerous semicircle) : 북반구에서 위험반원은 태풍의 진행방향을 기준으로 오른쪽에 위치 (∵ 편서풍)
○ 안전반원(navigable semicircle) : 왼쪽에 위치
○ 태풍은 전선을 동반하지 않음
○ 태풍의 발달
○ 태풍이 통과하는 동안 풍향은 시계방향으로 변함
○ 일반적으로 위도 30° 부근에서 방향이 전향됨 : 적도는 지구 자전에 의한 전향력이 0이므로 태풍이 발생하지 않음
○ 수온이 27 ℃ 이상인 해상에서 발생함
○ 태풍은 전향 후 이동 속도가 빨라짐
○ 해수면의 온도가 높을수록 태풍이 발달함
○ 사리 때 만조와 겹치면 태풍이 발달함
○ 태풍의 소멸 : 태풍이 육지에 상륙하면 수증기의 공급이 차단되어 세력이 약해짐
○ 태풍의 관측 결과 해석
Figure. 10. 북동쪽 방향으로 이동하는 태풍을 관측한 결과
○ 태풍의 중심이 가까워짐에 따라 기압은 낮아지고 풍속은 커짐 : (가)는 풍속에 해당
○ 풍속 변화로 미루어볼 때 태풍의 중심은 관측소를 통과하지 않음
○ 태풍이 다가옴에 따라 풍향이 북동풍 → 남동풍 → 남서풍으로 변함
○ 풍향이 시계방향으로 변하므로 이 관측소는 태풍 이동 경로의 오른쪽에 있음
③ 온대성 저기압과 열대성 저기압의 비교
온대저기압 | 열대저기압 | |
발생 장소 | 한대 전선대 | 열대 해상 |
에너지원 | 공기의 위치에너지 | 수증기의 잠열 |
전선 | 동반 | 없음 |
이동경로 | 서에서 동 | 북서쪽으로 이동 후 북동쪽 |
등압선 모양 | 특정한 곳에서 꺾임 | 동심원 모양 |
눈 | 없음 | 있음 |
풍속 | 약함 | 강함 |
풍향 | 급변 | 연속적 |
기압경도 | 작음 | 큼 |
활동기 | 주로 겨울, 봄 | 주로 여름, 가을 |
Table. 1. 온대성 저기압과 열대성 저기압의 비교
⑼ 온난 고기압과 한랭 고기압
① 온난 고기압 : 고형 고기압, 키 큰 고기압이라고도 함
○ 온난 고기압은 대기 대순환에 의해 상공으로부터 하강기류가 형성되어 발생함
○ 온난 고기압은 중심부의 기온이 주변보다 높음 : 적도의 뜨거운 공기가 이동했으므로
○ 대표적인 온난 고기압으로 북태평양 고기압이 있음
② 한랭 고기압 : 저형 고기압이라고도 함
○ 한랭 고기압은 찬 지표면에 의해 공기가 냉각되어 발생함
⑿ 천기도와 천기예보
⒀ 장기예보
5. 기후 [목차]
⑴ 기후인자와 기후요소
① 위도
② 해발고도
③ 토질의 성질
④ 지형
⑤ 해륙의 분포
⑥ 해류
⑵ 기후대(W. Köppon 기후구)
① 열대 : 연중 월평균 기온으 20 ℃ 이상인 지역
② 아열대 : 1년 중 4-11개월 동안을 월평균 기온이 20 ℃ 이상인 지역
③ 온대 : 1년 중 4-12개월 동안을 월평균 기온이 10-20 ℃인 지역
④ 한대 : 1년 중 1-4개월 동안은 월평균 기온이 10-20 ℃이고, 그 외의 달의 평균 기온은 10 ℃ 이하의 지역
⑤ 극대 : 연중 월평균 기온이 10 ℃ 이하인 지역
⑥ W. Köppon 기후구 외에도 A. Supan 기후구, Miller 기후구, Trewartha 기후구, Thornswair 기후구가 있음
⑶ 기후의 분류
① 열대우림 기후
② 사바나 기후
③ 대초원 기후
④ 사막기후
⑤ 온난동기과우기후
⑥ 온난하기과우기후
⑦ 온난습윤기후
⑧ 한냉동기과우기후
⑨ 한냉습윤기후
⑩ 툰드라 기후
⑪ 영구동결기후
⑷ 기후의 변화
① Brückner의 35년 주기
② 주기적 변화와 대칭점
③ 극빙과 기후
입력 : 2016.06.22 20:54
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