일반기상역학(4-4)

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일반기상역학(4-4)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

차시명
15. 대기 난류

학습목표
1. 행성 경계층의 구조
2. 플럭스
3. 부시네스크 근사
4. 레이놀즈 평균

들어가기 전에
앞 시간에는 순압 위치소용돌이도 방정식과 경압 위치소용돌이도 방정식을 학습하였다. 순압대기에서는 연직방향으로 고도에 따라 지균풍이 변하지 않고 따라서 지균 소용돌이도 또한 고도에 무관하므로, 위치소용돌이도 가 보존된다. 특히 흐름이 수평적이라면, 절대 소용돌이도가 수평운동을 따라 보존된다. 그러므로 500hPa 고도에서는 거의 비발산이기 때문에 절대 소용돌이도가 보존되고 따라서 이 고도에서 종관규모 흐름장은 단기예측하기 쉽다.
한편 비단열 가열이나 마찰 토크가 존재하는 경압대기에서는 에르텔의 위치소용돌이도가 보존되지 않고 운동을 따라 변화되는데, 이 경우의 지배 방정식은 등온위 좌표계에서 간단히 유도될 수 있다. 이 방정식 유도 과정에서 몽고메리 유선 함수가 도입되었다. 에르텔의 위치소용돌이도는 비단열 강제력과 마찰이 작으면 등온위 좌표계에서 운동을 따라 거의 보존된다.

학습내용

1. 행성 경계층의 구조
행성 경계층이란 대기 흐름이 지표면과의 상호 작용에 의해 직접적으로 강하게 영향을 받는 대기의 부분이다. 이 상호 작용은 궁극적으로 분자 점성에 의존한다. 그러나 분자 확산은 연직 쉬어가 대단히 큰 지표 수 mm내에서만 그 크기가 운동방정식의 다른 항과 비슷하다. 이 얇은 층을 점성 아층(viscous sublayer)이라 하는데, 여기서는 분자 확산이 작은 규모의 난류 에디 운동에는 중요하지만 이 층 밖에는 분자 확산이 평균 바람에 대한 경계층 방정식에 중요하지 않다. 그러나 점성은 여전히 중요한 간접 역할을 한다. 즉 점성은 지표 부근에서 속도를 줄여 지면에서는 0이 되게 한다. 결국 아주 약한 바람에 의해서도 지표 근처에서 큰 속도 쉬어가 생겨 연속적으로 난류 에디를 발달시킨다.

난류 에디는 두 종류로 나눌 수 있는데, 하나는 지표 가열에 의해 생기는 대류 에디이고, 나머지 하나는 바람 쉬어에 의해 유발되는 에디이다.
이 에디들은 운동량을 대기에서 지면으로 수송하고 열(잠열 및 현열)을 지면으로부터 대기로 수송하는 데 매우 효율적이다. 즉, 운동량이나 열 수송에 있어서 분자 과정에 의한 수송보다는 에디에 의한 수송이 몇 십 배 또는 몇 백 배 더 빨리 이루어진다.

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행성 경계층은 이와 같은 난류 수송에 의해 형성되는데, 정적으로 안정한 경우는 30m정도이고 대류가 활발한 경우는 3km 이상의 깊이를 갖기도 한다. 평균적으로 중위도 지역에서 행성 경계층은 대기 하층 1km 정도를 차지하고 전체 대기 질량의 약 10%를 포함한다.

행성 경계층의 구조와 특징은 다음과 같다.

① 마이크로층
수 mm 두께의 얇은 층으로 분자 확산이 활발하다.
② 지표층
고도가 10~50m이고 플럭스가 높이에 따라 일정하다.
③ 혼합층
고도는 100m에서 2km까지 변화가 심하고, 평균 풍속․평균 온위․평균 비습․ 평균 오염물 농도 등이 높이에 따라 일정하다
④ 전이층
혼합층과 구름층, 구름층이 없을 때는 혼합층과 자유 대기 사이의 층으로서 그 두께는 혼합층 두께의 10~30%이다. 이 층에서 온도의 역전이 나타난다.
⑤ 구름층

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얇은 적운이나 층적운이 끼어 있는 층이다.

2. 플럭스(속)
대기 경계층의 특징은 난류가 존재한다는 점이다. 난류는 여러 가지 크기의 에디의 집합체라 할 수 있다. 대기 경계층에서 가장 작은 에디는 크기가 m정도이고 가장 큰 에디는 경계층 깊이에 해당되는 약 m이다. 이 경계층에서는 또한 난류에 의한 플럭스가 항상 존재한다.
“플럭스”란 단위 시간에 단위 면적을 통과하는 물리량으로 정의된다. 플럭스(속)는 다음 네 가지를 많이 취급한다.
① 질량속 단위는 (공기)/
② 열속 단위는
③ 수분속 단위는 (수증기)/
④ 운동량속 단위는

그러나 실제로는 플럭스를 운동학적 형태 (kinematic form)로 더 많이 쓴다. 운동학적 형태의 플럭스 단위는 아래와 같다.
① 운동학적 질량속

② 운동학적 열속

③ 운동학적 수분속

④ 운동학적 운동량속


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3. 부시네스크 근사
표준대기 기본 상태의 밀도는 대기 하층 수 km 내에서는 약 10%만큼 변하고, 그 밀도의 변동량은 기본 상태로부터 불과 수 %만큼 차가 난다. 이와 같은 상황은 대기 경계층 역학에서 밀도를 일정하다고 하고 대기를 균질 비압축성 유체로 취급해도 됨을 보여준다. 그러나 밀도 변동을 완전히 무시해서는 안되는 상황이 있는데, 바로 부력이 나타나는 경우이다. 이 경우에는 밀도 변동이 필수적이므로 반드시 고려되어야 한다.
부시네스크 근사란 이와 같은 경우에 매우 유용하다. 이 근사에서는 연직 운동(량) 방정식의 부력항의

키워드

기상역학,   역학,   대기역학,   소용돌이도,   순환류,   행성소용돌이도,   상대소용돌이도,   발산,   수렴,   대기