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상모 원
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손에잡히는예/ 보/ 기/ 술 ( 제 5호 - 2011년 7 월) 필수예보요소활용법과정의 등온위면분석 (Isentropic Analysis) 발행: 예보국 문의: 예보기술팀( 내선 1656/1657) 발행일: 2011년 7월 15 일( 금) 등온위분석의기본이해 1.

위의식 에서볼수있듯이같은온위( 등온위) 라면, 기압 P 가증가( 감소) 함에따라기온 T도증 가( 감소) 한다. 또한종관규모운동은강수지역을제외하고는대체적으로단열과정을유지 하므로, 온위는종관규모운동에서보존된다. 그림 1. 등온위선의연직( 기압고도) 분포. 붉은색굵은실선은 312K 등온위선. 그림 2.

1 손에잡히는예/ 보/ 기/ 술 ( 제 5호 년 7 월) 필수예보요소활용법과정의 등온위면분석 (Isentropic Analysis) 발행: 예보국 문의: 예보기술팀( 내선 1656/1657) 발행일: 2011년 7월 15 일( 금) 등온위분석의기본이해 1. 온위의정의 온위(Potential Temperature) 는건조한공기덩이의압력이표준기압 1000hPa이될때 까지단열적으로압축또는팽창하였을때의온도를말한다. 온위는 θ로나타내며, 그 식은다음과같다., 여기서 모든공기덩이는온위값이있으며, 이값은건조단열적인운동에서는보존된다. 위의식 에서볼수있듯이같은온위( 등온위) 라면, 기압 P 가증가( 감소) 함에따라기온 T도증 가( 감소) 한다. 또한종관규모운동은강수지역을제외하고는대체적으로단열과정을유지 하므로, 온위는종관규모운동에서보존된다. 그림 1. 등온위선의연직( 기압고도) 분포. 붉은색굵은실선은 312K 등온위선. 그림 K 등온위면을묘사한 3차원구조도 (Moore 2003) 그림 1과같이 A와 B지점상공으로 312K 온위선이 300~700hPa 고도사이에위치한다면, 700hPa 고도를기준으로 A지점상공의기온은 B지점상공의공기보다차갑다고할수있다. A지점상공 700hPa은약 285K, B지점상공은약 308K 이다. 또한, 312K 등온위선은 A와 B지점사이에약 300hPa과 700hPa 즉, 대기상층과중 하층의고도차이만큼기온차이가나타난다고할수있다. 만약, A에서 B로 312K 등온위선을따라기류가이동한다면, 하강기류와함께수평적으로는한랭이류가나타나고, B에서 A 로이동한다면상승기류와함께온난이류가나타난다. 여기에수증기량을이용하면, 기압면에서해석하기힘든구름의생성및강수현상등대기운동을이해하는데도움이된다. 그림 2 는특정온위면(300K) 의 3 차원구조를묘사한모식도이다. 기압이낮은지역 ( 고도가높은지역) 은차가운공기가, 기압이높은지역은따뜻한공기가존재한다. 1

2 2. 등온위면분석이란? 등온위면분석은입체적인대기운동을쉽게가늠해볼수있는방법으로서, 공기분자가 변하지않는고유온도( 잠재온도) 를가지고수평이동이아닌공간적으로이동한다는기 본적인개념을바탕으로시작한다. 공기분자의연직운동은등온위면의고도에따른경 사도와바람방향을이해하면쉽게해석할수있다. 그림 3(a) 에서등온위면을 305K * 라 고가정하자. 녹색으로표시된화살표는 850hPa 등압면을비스듬한각도로통과하여상 승하는바람이다. 이바람이등온위면을 따라 700hPa 까지이동한다면, 모식도에 서 850, 800, 750, 700hPa 등압면을모 두통과하는상승운동이라고할수있다. 만약, 습윤한공기가이런상승운동을했 다면, 구름이생기고비가내릴수있다. 습윤한공기의이동에대해서단열선도 (Skew T Log P) 를이용해분석해보자. 일단, 그림 3(b) 의남쪽(A) 지점을제주 도로북쪽(B) 지점을서울로가정하자. 305K 등온위면의기류는남풍으로서제 주도에서서울로향하는바람이다. 도의 제주 850hPa 기온과노점온도( 수증기량) 가주어진다면상승응결고도(LCL) 를계 산할수있다. 만약, 상승응결고도가 800hPa 800hPa 이라면등온위면에서기류가 등압면을통과하면서상승하게 되어공기는포화되고구름이발달한다. 이기류가계속해서등압선을가로질러 700hPa 까지이동한다면, 상승응결고도(800hPa) 의포화혼합비양에서포화단열선을따라 700hPa 까지상승했을때의포화혼합비양을뺀값만큼대기중으로수증기가빠져나가게 되므로등온위면의기류가 나타난다. 800~700hPa 그림 3. (a) 등온위면과고도로이루어진 3 차원모식도. 화살표는기류의방향, 실선은등압선, 붉은색점선은수증기량(g/Kg) 임. (b) 그림(a) 의남, 북방향을기준으로연직좌표로나타낸등온위( 붉은색파선), 기압( 파란색실선), 기류의방향( 녹색화살표 ).(Bluestein 1992) 등압면을통과하여지나가는구간에서강수가 * 우리나라의여름철 300~310K 등온위면에서남서풍의바람은 850hPa과 700hPa 등압면을가로지른다. 2

5K 간격) 등온위면상에서제공하고있음. 그림 4. 기상청에서생산하는등온위분석장아시아영역( 왼쪽) 과한반도영역( 오른쪽). 아시아영역의바람벡터는 30KTS 이상만표시하고있음. 2.

3 등온위분석장소개와해석 1. 자료의위치 위치 : COMIS3 일기도 예보장 등온위면분석(UM 전구, 한반도) 현재 UM 모델을통해아시아지역과한반도를대상으로 IPV(Isentropic Potential Vorticity) 와등압선, 바람벡터를 16 개(275~350K : 5K 간격) 등온위면상에서제공하고있음. 그림 4. 기상청에서생산하는등온위분석장아시아영역( 왼쪽) 과한반도영역( 오른쪽). 아시아영역의바람벡터는 30KTS 이상만표시하고있음. 2. 등온위면에서바람벡터와등압선 등온위면에서등압선을가로질러이동하는공기는연직운동을한다고생각할수있다. 그림 5는 2010년 1월 4 일중부지방을중심으로폭설이발생된사례이다. 그림 년 1월 4일 9 시(KST) 280K 등온위면( 왼쪽), 오산단열선도( 가운데), 레이더영상( 오른쪽) 280K 등온위면에서우리나라는제주도에서북한으로이어지는남풍의영향을받고있 다. 이바람은지상에서 700hPa 부근까지상승하는기류로써, 같은시각오산단열선도를 보면약 800~925hPa 사이에포화된상태에서난역의침투로인한역전층이발견된다. 3

제주도에서오산까지약 400km 거리를횡단하면서지상에서 800hPa까지약 2km의고 도를상승한경우로서일반적인온난전선의기울기인 280K 1/200 와비슷하다( 홍성길 2006). 등온위면에서붉은색파선으로그려진구역의오른쪽은상승기류가활발한지역으로 레이더영상의강수대는이지역내로한정됨을알수있다. 그림 6.

4 제주도에서오산까지약 400km 거리를횡단하면서지상에서 800hPa까지약 2km의고 도를상승한경우로서일반적인온난전선의기울기인 280K 1/200 와비슷하다( 홍성길 2006). 등온위면에서붉은색파선으로그려진구역의오른쪽은상승기류가활발한지역으로 레이더영상의강수대는이지역내로한정됨을알수있다. 그림 년 7월 9일 12 시(KST) 310K 등온위예상도 (+3H)( 왼쪽 ), 레이더영상 ( 오른쪽 ). 등온위면의채색된부분은 PVU(Potential Vorticity Unit) 로서, 오른쪽범례를이용하여값을읽음 그림 6은 2011년 7월 9 일남부지방에발생된호우사례이다. 310K 등온위면 3시간예측 장을보면우리나라가남서류의영향을받고있지만, 등압선을가로질러이동하는기류를 분석하면기압이높은데서낮은데로이동하는상승기류는붉은색점선의남쪽으로한정된 다. 북쪽지역은남서풍이지만기압이낮은데서높은데로이동하는하강기류를의미하며, 강 한강수구역은 을확인할수있다. 임을알수있다. Potential Vorticity Unit(PVU) 값이높은남부지방을중심으로위치하는것 표 따라서강한강수지역은저기압성와도와함께상승기류가강한지역 1. 계절별하층대기분석에유용한등온위면(Namias 1940) 계절 등온위면 (K) 겨울 290~295 봄 295~300 여름 310~315 가을 300~305 Namias(1940) 는표1 과같이계절별하층대기분석에유용한등온위면을제시했다. 리나라에서는여름철하층대기분석에 300~310K 등온위면분석이유용하며, 겨울철 275~280K 의등온위면분석이눈예보에활용성이높다. 겨울철눈발생층이대부분대 기중 하층고도로서 275~280K 등온위면은 925~700hPa 등압선을가로지르기때문이다. 우 4

3. 잠재와도(Potential Vorticity) 잠재와도는 로표현한다. 이식에서 ( 중력가속도) 가일정하다면, 결국 절대와도항 ( 상대와도 + 코리올리) 과 ( 기압의변화량에대한온위의변화) 의변화가 중요하다. 따라서, 저기압성순환은잠재와도의절대값을증가시키고, 고도에따른기압의 변화는마이너스항으로서온위값을증가시킨다.

5 3. 잠재와도(Potential Vorticity) 잠재와도는 로표현한다. 이식에서 ( 중력가속도) 가일정하다면, 결국 절대와도항 ( 상대와도 + 코리올리) 과 ( 기압의변화량에대한온위의변화) 의변화가 중요하다. 따라서, 저기압성순환은잠재와도의절대값을증가시키고, 고도에따른기압의 변화는마이너스항으로서온위값을증가시킨다. 간단하게잠재와도는 변화량 와도변화 온위변화로요약할수있다. 물리량을계산한단위식은 로사용하고있다. 대류권계면값으로여러연구에서 1~3PVU 값을사용하고있으나통상적으로 1.5PVU 를권계면값으로사용한다(Bluestein 1993). 1.5보다값이클경우는성층권으로해석할 수있는데, 대류권계면부터고도상승( 기압감소) 에따라기온이상승하기때문에온위값은 급격하게커진다. 1.5 PVU는온위값의증가율이급격하게커지기시작하는대류권계면 의잠재와도값이다. 반면, 대류권계면이하에서는고도감소에따라 PVU 도감소한다. 성층권에서대류권으로공기가침투하면서권계면접힘(tropopause folding) 현상이발 생하는데, 이는하부성층권의높은와도값이대류권으로침투하기때문이다. 이때권계 면고도가낮아지면서상층파동이발달한다. 파동이발생하면저기압발생및발달에중 요한원인을제공하므로, 1.5PVU 이상의잠재와도값을분석하는것은매우중요하다. 그 림 7은권계면접힘현상이발생한 2011년 2월 11일 285~295K 등온위면분석장이다. 285K에서 295K로등온위면고도가상승할수록 PVU값이증가하고범위도넓어지는것 을확인할수있다. 그렇지만, 높은 PVU값이나타났더라도상층등온위면의 PVU가증 가하지않는다면권계면접힘현상이아니라대류권내저기압성와도가발달한것으로 해석할수있다. 그림 년 2월 11일 21 시(KST) 등온위면분석. 아래쪽범례는 PVU 수치를의미함. 5

그림 8. 2011년 7월 15일 09 시(KST) 330K 등온위면분석장과 500hPa 와도장 그림 8의 330K 등온위면에서압록강과연해주부근에 1.5PVU 이상의값이분포하고있다. 이값은 500hPa 와도와정확하게일치한다.

여름철동아시아대기는기온이높아대류권계면접힘이겨울철만큼잘표현되지않는다. 4. 연직분포를이용한황사분석 등온위면의연직분포를이용하면공중에부양된황사가언제우리나라에도달할지가늠할수있다. 그림 9. 2011년 5월 1 일발생된황사사례.

6 그림 년 7월 15일 09 시(KST) 330K 등온위면분석장과 500hPa 와도장 그림 8의 330K 등온위면에서압록강과연해주부근에 1.5PVU 이상의값이분포하고있다. 이값은 500hPa 와도와정확하게일치한다. 이지역의높은 PVU는저기압성와도가강화되어나타난것이다. 330K 등온위면에서오호츠크해부근에높은 PVU값은성층권을의미하며그주위의기류를따라 1.5PVU 값으로상층제트가위치하고있다고해석할수있다. 여름철동아시아대기는기온이높아대류권계면접힘이겨울철만큼잘표현되지않는다. 4. 연직분포를이용한황사분석 등온위면의연직분포를이용하면공중에부양된황사가언제우리나라에도달할지가늠할수있다. 그림 년 5월 1 일발생된황사사례. 2011년 4월30일 09시 30 분위성영상( 좌상단), 4월 30일부터 5월 1일까지주요 3지점의 PM10 농도시계열그래프( 우상단), UM-RDAPS 예측장을이용한 2011년 4월 30일 09 시( 좌하단), 2011년 5월1일 03 시( 우하단) 연직온위분석 6

우선, 그림 9 와같이위성영상에서황사가나타났다면, 기류와일기패턴분석을통해 황사구역의이동경로를파악한다. 다음으로, 예측한이동경로로연직온위분포를분석하 면, 급격하게등온위가하강하는구역이발견되는데, 이때황사가지면과하층대기로하 강할수있는시점이다. 그림 9 의하단그림은이런연직온위분포를보여준다. A는위 성영상에서황사가탐지된발해만부근이고 B 는태안반도이다.

7 우선, 그림 9 와같이위성영상에서황사가나타났다면, 기류와일기패턴분석을통해 황사구역의이동경로를파악한다. 다음으로, 예측한이동경로로연직온위분포를분석하 면, 급격하게등온위가하강하는구역이발견되는데, 이때황사가지면과하층대기로하 강할수있는시점이다. 그림 9 의하단그림은이런연직온위분포를보여준다. A는위 성영상에서황사가탐지된발해만부근이고 B 는태안반도이다. 등온위값이약 3km 고도 에서 1km 고도로급격하게하강하는시간대에우리나라서쪽지방에위치한백령도, 안 면센터, 관악산등지에서황사농도값이급격히상승하기시작했음을볼수있다. 바람장 분석( 상승 하강기류파악) 과일기패턴분석( 시스템의이동경로파악) 이동시에이루어지 면정확성을높일수있다. 연직등온위분포는리눅스 FAS를이용해서분석할수있 다. 이외에도전선, 대기안정도, 파동분석등여러다양한방면에서온위 등온위면분 석도가이용되고있다. < 참고문헌> 김광식, 1992: 기상학사전, 향문사. 홍성길, 2006: 기상분석과일기예보, 교학연구사. Bluestein, H. R., 1992: Isentropic surfaces basic concepts energy equations dimensional analysis. Vol. I.Oxford University Press. Bluestein, H. R., 1993: Synoptic-dynamic meteorology in midlatitudes. Vol. II: observations and theory of weather systems. Oxford University Press. Hakim, G.J., D.Keyser, and L.F. Bosart, 1996: The ohio valley wave-merger cyclogenesis event of January Part II: diagnosis using quasigeostrophic potential vorticity inversion. Mon. Wea. Rev., 124, James, R. H., 2004: An introduction to dynamic meteorology. Elsevier Academic Press. Ken Crawford 2010: The value of isentropic analysis in a modern forecast office. 지식, 경험, 노하우( 지. 경. 노) 발표자료. Moore, J. T., 2003: Isentropic analysis workshop, millersville university Isentropic Workshop: 5 April Namias, J., 1940: Isentropic analysis, in Weather analysis and forecasting by S. Petterseen. New York, McGraw-Hill. 손에잡히는예보기술 과월호열람안내 손에잡히는예보기술과월호는예보관온라인가이드에서보실수있습니다. 종합기상정보시스템 - 예보 - 예보관가이드의 손에잡히는예보기술 메뉴 7

2. 850hPa 유선 유선은그림 2와같이 850hPa 면에서각지점의바람방향에평행하게연속적으로그은선으로서, 중위도에서대체로등고도선에평행하게불고, 그크기는등고도선의조밀도에비례한다. 관측된바람은크게지균성분과비지균성분으로분리할수있는데, 고도장에서는지균풍을, 유선을분석하면비지

2. 850hPa 유선 유선은그림 2와같이 850hPa 면에서각지점의바람방향에평행하게연속적으로그은선으로서, 중위도에서대체로등고도선에평행하게불고, 그크기는등고도선의조밀도에비례한다. 관측된바람은크게지균성분과비지균성분으로분리할수있는데, 고도장에서는지균풍을, 유선을분석하면비지 손에잡히는예 / 보 / 기 / 술 ( 제 13 호 - 2012 년 4 월 ) 보조일기도분석및적용 발행 : 예보국 문의 : 예보기술팀 ( 내선 1656/1657) 발행일 : 2012 년 4 월 24 일 ( 화 ) 보조일기도는기본일기도에서보여주지못하는기상요소들과 2 차변수들, 특정기상요소만을강조한자 료를예보관에게제공함으로써, 시스템의이해를돕고정확한분석과예측을할수있게보완해주는일기