5.5 온도와 습도의 연직 분포

Transcript 5.5 온도와 습도의 연직 분포

5. 대기 경계층 내의 기온과 습도

◦

5.1 기온과 습도에 영향을 미치는 인자

기온 ①대기 경계층 바로 위의 기단의 형태와 온도 ②지표면과 지중 매질의 열적 특성 ③지면에서의 순 복사와 이의 고도에 따른 변화 ④지면에서의 현열플럭스와 이의 고도에 따른 변화 ⑤잠열 교환 ⑥온난 또는 한랭이류 ⑦대기경계층의 두께

◦ 비습 ①대기경계층 바로 위의 기단의 비습 ②지면의 형태, 온도, 수분가용성 ③지면에서의 증발 또는 응결률과 수증기 플럭스의 고도에 따른 변화 ④수증기의 수평이류 ⑤경계층내의 평균 연직운동, 구름형성, 강수 과정 ⑥대기경계층의 두께

공기의 가열율 



  ( 



) / 

c p

5.2 기본 열역학 관계식과 정의

① 정역학 방정식 (hydrostatic equation) 



  

②상태방정식 (the equation of state or the ideal gas law)

= =

T m

m: mean molecular mass of air, R*: Absolute gas constant 8.314 J K -1 mole -1

③열역학 제 1법칙 (the first law of thermodynamics):conservation of energy

= δ

+ δ

W dU

C V dT

= -

PdV

U H W : 내부에너지 : 열 : 일

= 1 ρ

C V dT

= δ

PdV

= δ

RdT

VdP C P dT

= δ

VdP

Adiabatic process

C P dT



VdP dP

  

g dz C P dT

 

gdz



dT dz



g C P

 



 adiabatic lapse rate 0

• 온위(Potential temperature)

C P dT



VdP dT T



RT P



R C P dP dP P

1 

R C P



1 (

1 )

C P PV



2  1000

hPa

   

R T

1 ( 1000

1 )

C P

온위(Potential temperature):공기덩이를 단열적으로 1000hPa까지 이동시켰을 때 공기덩이가 갖게 되는 온도.

단열과정에서 보존됨

• 비단열 대기에 대해서

ln  1 

dz d







R C P d

 1

T dT dz



R C P

dP P dz T





dT dz



RT C P P

(  

)   

  



g dz C P



 (

 





 

)

  In the PBL   

 



 

5.2.1 불포화 습윤공기 (Moist unsaturated air)

비습 (Specific humidity): 수증기를 포함하고 있는 습윤공기의 질량에 대한 수증기의 질량의 비

M w q

M w

M d

혼합비 (Mixing ratio): 습윤공기 중에서 수증기를 뺀 건조공기의 질량에 대한 수증기의 질량의 비 γ =

M w M d

수증기와 혼합비의 관계 γ = ε

e P d

Clausius-Clapeyron equation (포화수증기압과 온도와의 관계식)

L de s e s

m w L e R

dT T

2 ln

e s

ln 6 .

11 =

m w L e R

* 1 [ 273 .

2 1 ]

T e m w

잠열 : 수증기의 분자량

습윤공기에 대한 상태방정식

( 1 + 0 .

)

R d T

MR d T v T v

= ( 1 + 0 .

)

가온도 (Virtual temperature) : 건조공기의 압력과 밀도가 습윤공기의 압력과 밀도와 같을 때 건조공기가 갖게 되는 온도

5.2.2 포화공기 (Saturated air )

수증기의 응결 잠열의 방출 : saturated lapse rate (포화단열감율) < 건조 단열감율  s   (  T  z ) s  g ( C p  L e dq s )  1 dT

dq s dT

포화비습의 온도에 따른 변화

5.2.3 열역학 에너지 방정식 (Thermodynamic energy equation)

DT Dt

 

 2



S H



h S H

thermal diffusivity (열확산도) : source term

5.3 정적 안정도의 국지와 비국지 개념

정적 불안정: 연직방향으로 이동된 공기덩어리가 원래의 위치로부터 더 멀어지는 경우 정적 안정 : 연직방향으로 이동된 공기덩어리가 원래의 위치로 되돌아오는 경우 중립 : 공기덩이에 어떠한 부력도 작용하지 않는 경우 연직방향으로 이동 된 공기덩어리가 현재의 자리에 머무는 경우

부력 가속도 a b  g (    p  p )   g ( T v  T v T vp )  

:공기덩어리의 밀도 : 주변공기의 밀도



g T v

  

z v

5.3.1 국지 정적 안정도 (Local static stability)

정적 안정도의 분류 ①

 0 ,   

z v

 0

 

T v



 

②

 0 ,   

z v

 0



T v



  

③

 0 ,   

z v

 0

 

T v



 

불안정 중립 안정

기온감률 (LR)과 건조단열 감률( )에 근거한 분류 ①

 

superadiabatic(초단열) ② ③

0   

d LR

 

adiabatic(단열) subadiabatic(아단열) ④

 0 isothermal(등온) ⑤

 0 inversion(역전) 한계점 : 대류경계층 (convective boundary layer)   

z v

 0 or slightly positive But unstable layer

5.3.2 비국지 정적 안정도

◦ 지표면으로부터 공기의 연직운동이 중요하지 않은 층(역전층)까지의 깊은 층 내에서의 기온감율 이용 ①불안정 : 부력에 의해서 공기가 이동할 수 있는 영역 ②안정 : 아단열감율(Subadiabatic lapse rate)을 갖는 불안정하지 않은 영역 ③중립 : 단열감율(adiabatic lapse rate)을 갖는 불안정하지 않은 영역 ④불분명: 탐측의 윗부분 또는 아랫부분이 안정 또는 중립으로 나타나지만 지면, 강한 역전층과 같은 물질면으로 끝나지 않은 경우

5.4 혼합층, 혼합하고 있는 층, 역전층 (Mixed layers, Mixing layers and inversion)

◦ 혼합층: 혼합이 되어 보존되는 스칼라 양이 고도와 관계없이 균일한 분포를 갖는 층 초단열(superadiabatic) 지표층 위에 있는 단열층 ◦ Mixing layer: 혼합하고 있는 층 스칼라 양이 균일한 분포를 가지지 않을 수 있음 혼합하고 있는 대기경계층 자유대기에서도 간헐적으로 존재함

◦ 역전층: 고도에 따라 기온이 증가하는 층 연직운동이 억제됨 복사역적, 침강역전 대류경계층 위의 역전층: 오염물질의 대부분을 PBL내에 머물게 함 영구적인 지상역전층: 남극 대륙이나 북극지역 상