1. 서론 수문기상론 지구상의물의순환을이해하기위해서는지구상의에너지및대기의순환에대한이해가필수적이며, 대기중의물및에너지의이동에관한이해는대기중의기상학적현상에대한이해를필요로한다. 대기중수분의이동, 강수의형성, 지표에서의물의증발등과같이지상과대기사이의물의이동은태양복사에너지, 대기의순환, 기온, 압력, 습도, 바람등과같은기상학적인인자들에의해지배를받게된다. 따라서태양에너지, 대기의순환, 증기압, 대기압, 기온, 습도, 바람등에대해알아보기로한다. 2 장강의내용 ᆞ 태양복사및지구에너지균형 ᆞ 기온 ᆞ 습도 ᆞ 지구-대기시스템 ᆞ 기압의분포 ᆞ 바람 1
2. 대양복사및지구에너지 2. 대양복사및지구에너지 지구상의에너지흐름 ᆞ 태양복사에너지 (solar radiation) 는수문순환의에너지원. ᆞ 지표와대기사이의에너지흐름관계 ᆞ 복사에너지의분포 에너지의불균형 수문및기상현상 복사에너지의온도및에너지단위 ᆞ 온도 : Kelvin( K), K = 273.15 + C ᆞ 에너지 : Joule(J), 1J = 1N 1m = 1kg 1m/sec 2 1m = 1kg m 2 /sec 2 ᆞ 칼로리 (cal), 1cal = 4.186J ᆞ 동력 (power) : Watt(W), 1W = 1J/sec 2
2. 대양복사및지구에너지 2. 대양복사및지구에너지 지구의회전및계절 시간에따른기울기의변화 태양복사에너지의입사각의변화 기후의계절변화 위도에따른유입및유출에너지의변화 3
2. 대양복사및지구에너지 3. 지구 - 대기시스템 단파및장파복사에너지 대기권 ᆞ 대류권 (Troposphere, ~10km) 기온감소율 : 6.5 /km 대류현상 ᆞ 성층권 (Stratosphere, 10km~50km) 오존층 자외선흡수 지구온난화안정적인온도분포 No 대류현상 ᆞ 중간권 (Mesosphere, 50km~80km) 공기, 수증기희박 No 기상현상 ᆞ 열권 (Thermosphere, 80km~) 오로라현상 4
3. 지구 - 대기시스템 3. 지구 - 대기시스템 에너지이송과정 ᆞ 대기의구성가스 : 질소 (78.1%), 산소 (20.9%), 기타 (1%) ᆞ 전도 (conduction) - 분자의운동에의해에너지교환 - 금속체의열전달 ᆞ 대류 (convection/advection) - 질량의이동및순환에의한에너지이동 - 유체의이동에의한열전달 - 지구에너지의대류이동 ᆞ 복사 (radiation) - 매체없이진공상태에서에너지전달 - 태양및지구복사에너지 대기의순환 ᆞ 고위도 : 유입복사에너지 < 유출복사에너지 ᆞ 저위도 : 유입복사에너지 > 유출복사에너지 ᆞ 에너지의균형을위해저위도 ( 열대 ) 에서고위도 ( 극지방 ) 로바람및해류에의한에너지이송발생 ᆞ 지구의회전에의한열의순환 - 편향력 (corliolis force) 지구의자전에의해기단이우측으로이동하는것처럼보임 ( 북반구 ) 편향효과 (corliolis effect) - 다폐합형대기의순환 무역풍 / 극동풍열대수렴지역 5
3. 지구 - 대기시스템 3. 지구 - 대기시스템 대기의순환 대기의순환 ᆞ 지구가회전하지 않을때의순환 ᆞ 지구가회전할때 6
4. 기온 4. 기온 기온의시간적변화 ᆞ 기온 : 대기의온도 - 유입되는태양복사에너지와방출되는지구복사에너지간의차이에의해발생 시간별 / 계절별변화 기온의시간적변화 ᆞ 년간태양복사에너지유입에따른기온의변화 ( 미국 Madison 지역 ) 에너지수지에따른일간온도변화 7
4. 기온 4. 기온 기온의수평적변화 ᆞ 일반적으로위도에따라등온선분포 같은양의태양복사에너지가유입 ᆞ 극지방으로갈수록낮은기온분포. ᆞ 북반구에서는대륙의분포에많은영향을받음. ᆞ 겨울철에위도에따른온도변화가심함 위도에따라태양의각도가감소 ᆞ 대륙의등온선은여름에는극지역으로, 겨울에는적도쪽으로이동 - 여름 : 대륙온도 > 해양온도 - 겨울 : 대륙온도 < 해양온도 ) 기온의수평적변화 ᆞ1 월의해수표면기온 ( C) 8
4. 기온 4. 기온 기온의수평적변화 ᆞ7 월의해수표면기온 ( C) 기온의수직적변화 ᆞ 대류권의온도변화 T = T o -αz T : 고도 z에서의온도, T o : 지표면온도, α : 기온체감률 ᆞ대류권 (10-20km) 의연직방향변화율 (lapse rate) : 0.7 /100m ᆞ건조단열기온변화율 (dry-adiabatic lapse rate) : 1.0 /100m ᆞ포화단열기온변화율 (saturated-adiabatic lapse rate) : 0.6 /100m 9
4. 기온 4. 기온 기온의수직적변화 ᆞ 위치에따른온도의변화 온도의측정 ᆞ 온도계 (thermometer) 최고치온도계, 최저치온도계, 자기온도계 10
4. 기온 4. 기온 온도의측정 ᆞ 섭씨온도 (, Celsius scale) : 1 기압에서얼음의녹는점을 0, 물의끓는점을 100 로하고그사이를 100 등분. ᆞ 화씨온도 (, Fahrenheit scale): 얼음의녹는점 32, 물의끓는점 212. ᆞ 절대온도 ( K, Absolute (Kelvin) temperature): 절대영도는이론상 최저온도로분자의열운동이완전히정지한다. K = 273.15 + C 평균기온 ᆞ 평균기온 (Average/mean temperature) : 산술평균기온 ᆞ 정상기온 (Normal temperature) : 최근 30 년간의평균값 ᆞ 일평균기온 (Mean daily temperature) : 일최고기온과일최저기온의평균 ᆞ 정상일평균기온 (Normal daily temperature) : 특정일의 30 년간의일평균기온의평균 ᆞ 월평균기온 (Mean monthly temperature) : 해당월의일평균기온의평균 ᆞ 정상월평균기온 (Normal monthly temperature) : 특정월에대한장기간 (30 년 ) 동안의월평균기온의평균 ᆞ 년평균기온 (Mean annual temperature) : 해당년의월평균기온의평균값 11
4. 기온 5. 기압의분포 우리나라주요도시의기온극값 기압의분포 지명 서울인천수원철원춘천대관령강릉울릉도대전 기온 ( ) 기온 ( ) 최고최저지명최고최저 값년월일값년월일값년월일값년월일 38.4 94 7 24 38.9 49 8 16 37.3 94 7 23 36.9 88 8 10 36.6 72 7 21 32.7 73 8 12 39.4 42 7 25 34.6 94 8 4 37.7 94 7 24-23.1 27 12 31-21.0 31 1 11-25.8 69 2 6-29.2 01 1 16-27.9 69 2 6-28.9 74 1 24-20.2 15 1 13-13.6 81 2 26-19.0 69 2 6 충주전주광주여수포항대구부산제주 37.9 94 7 25 38.2 94 7 23 38.5 94 7 19 37.1 94 7 20 38.6 94 7 14 40.0 42 8 1 36.7 83 8 4 37.5 42 7 25-28.5 81 1 5-17.1 33 1 27-19.4 43 1 5-12.6 77 2 16-15.0 45 1 6-20.2 23 1 19-14.0 15 1 13-6.0 77 2 16 ᆞ 기압 : 대기의압력 ᆞ 단위 : millibar ( 표준대기압 =1013.2mb), 1mb=100N/m 2, 1N/m 2 =1P a ᆞ 유입되는태양복사에너지와방출되는지구복사에너지간의차이에의해발생 시간별 / 계절별변화 ᆞ 기압변화는기상변화를초래하는데중요한인자 12
5. 기압의분포 5. 기압의분포 기압의분포 기압의분포 ᆞ 세계의기압분포 (1 월 ) ᆞ 세계의기압분포 (7 월 ) 13
5. 기압의분포 기압의측정 ᆞ 기압 : 공기에무게에의해작용하는힘. 고도, 공기밀도, 압력, 기압 ᆞ 기압계 (barometer) 물의상태변화 ᆞ 물분자 : 운동에너지 > 응집에너지 수표면이탈 ᆞ 기화 (vaporization) : 액체상태의물 기체상태의물 ᆞ 융해 (melting) : 고체 액체 ᆞ 승화 (sublimation) : 고체 기체 ᆞ 응결 (freezing) : 액체 고체 ᆞ 응축 (condensation) : 수증기 액체 ( 물 ), 고체 ( 눈, 얼음 ) 표준대기압평균해수면위에서의대기압 1 기압 = 760mmHg = 10.33mH 2 O = 1.013X10 5 N/m 2 = 1.033kg/m 2 = 1.013 bar = 1013mb = 1013hP a = 101.3kP a 잠재열 (latent heat) ᆞ 상태변화를일으키는데필요한열 온도변화를일으키지는않는다. ᆞ 잠재기화열 : H v = 597.3-0.564T(40 까지 ) ; H v (cal/g), T( ) ᆞ 잠재융해열 = 80cal/g 14
물의상태변화 포화증기압 (saturation vapor pressure) ᆞ 증기압 (vapor pressure) : 공기와수증기의혼합체에있어서수증기가가지는부분압 ᆞ 포화증기압 : 증발현상으로공기가수증기로포화되어평형상태에 ᆞ 포화증기압계산 도달할때의증기압 온도의함수 또는 e s : mbar t : C 15
절대습도 (absolute humidity) 1cm 3 부피의공기에포함되어있는수증기의양 (g) 비습도 (specific humidity) 습윤공기단위질량당수증기의질량 (g/kg) 또는 ρ v : 절대습도또는수증기의밀도 (g/cm 3 ) e : 수증기압 (mb) R : 건조공기기체상수 (2.876 10 6 cm 2 /sec 2 / K) T : 대기의절대온도 ( K) q : 비습도 (g/kg) m v : 수증기의질량 m : 습윤공기의질량 (kg) m d : 건조공기의질량 (kg) e : 수증기압 (mb) P : 대기압 (mb) 16
혼합률 (mixing ratio) 건조공기의질량 (kg) 당수증기의질량 (g) 상대습도 (relative humidity) 어떤온도 t 에서의포화증기압 e s 에대한실제증기압 e 의비 또는 r : 혼합률 m v : 수증기의질량 (g) m d : 건조공기의질량 (kg) e : 온도 t 에서의실제증기압 e s : 온도 t 에서의포화증기압 t : 대기의온도 ( ) t d : 이슬점 ( ) 17
이슬점 (dew point) 포화되지않은공기가온도가내려감에따라포화상태에도달할때의온도 습도의측정 ᆞ 습도계 (psychrometer) : 습구온도계와건구온도계로구성 - 건구온도계 : 공기의온도측정 - 습구온도계 : 회전시면포안의물의증발로인해온도하강 습구강하량 (wetbulb depression) e sat(t) D t : 대기의온도 ( ) RH : 상대습도 (%) 18
습도의측정 ᆞ 실제증기압 습도의측정 ᆞ 습구온도강하를이용한상대습도의측정 t w : 습구온도계의독치 ( ) e w : t w 에서의포화증기압 e : 기온 t( ) 에서의실제증기압 γ : 습도계상수 (mb 단위 : 0.66, mmhg 단위 : 0.485) 19
습도의시간적및공간적분포 위도에따른수증기량의변화 가능강수수분 표고 0 부터 z 까지의공기기둥에포함되어있는수분의양 공기의정수압분포 위도에다른상대습도의 변화 가능강수수분량 20
7. 바람 가능강수수분 ᆞ 가능강수수분량의경험공식 W p : 가능강수수분량 (mm) q : 각층에서의평균비습도 (g/kg) P : 층간의대기압변화 (mb) 바람 ᆞ바람 : 이동하는기단 (air mass) 증발현상, 강수의이동 ᆞ기압의수평적변화로발생, 고기압 저기압 ᆞ편향효과 : 지구의자전으로인하여북반구에서는진행방향의오른쪽, 남반구에서는왼쪽으로편향. ᆞ기단이정체되면기단의증기압이수면의증기압과같이때문에증발산이일어나지않는다. ᆞ기단의형성 강수 21
7. 바람 7. 바람 편향표과 국지성바람 해풍및육풍 계곡풍및산악풍 22
7. 바람 7. 바람 바람의측정 ᆞ 풍향 : 바람이불어오는방향 (16 방위, N, NE, NNE, ) ᆞ 풍속 : 1km/hr = 0.621 mi/hr = 0.278 m/sec = 0.540 knots ᆞ 풍속계 (anemometer) : propeller type, pressure-tube type 풍속의계산 ᆞ 멱함수공식 v : 높이 z 위치에서의평균풍속 v1 : 기준높이 z1 에서측정한평균풍속 k : 지표면의조도와대기의상태에따른지수 지표면유형지표면상높이 (m) 과단열중립안정불안정 초원평지잔디비행장사막산림근처 10~ 70 11~ 49 8~120 9~ 27 6~ 61 11~124 0.25 0.16 0.14 0.09 0.15 0.19 0.27 0.20 0.17 0.08 0.18 0.29-0.25 0.27 0.18 0.22 0.35 0.61 0.36 0.32~0.77 - - - 23