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
T
t
(
H
z
) /
c p
5.2 기본 열역학 관계식과 정의
① 정역학 방정식 (hydrostatic equation)
P
z
g
②상태방정식 (the equation of state or the ideal gas law)
R
ρ
T
*
P
= =
R
ρ
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
dU
= δ
H
+ δ
W dU
δ
W
=
C V dT
= -
PdV
U H W : 내부에너지 : 열 : 일
V
= 1 ρ
C V dT
= δ
H
-
PdV
= δ
H
-
RdT
+
VdP C P dT
= δ
H
+
VdP
Adiabatic process
C P dT
VdP dP
g dz C P dT
gdz
dT dz
g C P
d
H
adiabatic lapse rate 0
• 온위(Potential temperature)
C P dT
VdP dT T
RT P
R C P dP dP P
ln
T
2
T
1
R C P
ln
P
2
P
1
T
2
R
T
1 (
P
2
P
1 )
C P PV
RT
P
2
T
2 1000
hPa
R T
1 ( 1000
P
1 )
C P
온위(Potential temperature):공기덩이를 단열적으로 1000hPa까지 이동시켰을 때 공기덩이가 갖게 되는 온도.
단열과정에서 보존됨
• 비단열 대기에 대해서
d
ln 1
dz d
dz
d
ln
T
1
dz
R C P d
ln
P
1
dz
1
T dT dz
R C P
1
dP P dz T
d
dz
dT dz
RT C P P
(
g
)
z
dT
g dz C P
T
z
(
T
T
z
d
d
)
T
In the PBL
z
T
z
d
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
PV
=
M
( 1 + 0 .
61
q
)
R d T
=
MR d T v T v
= ( 1 + 0 .
61
q
)
T
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
h
2
T
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 )
p
:공기덩어리의 밀도 : 주변공기의 밀도
S
g T v
z v
5.3.1 국지 정적 안정도 (Local static stability)
정적 안정도의 분류 ①
S
0 ,
z v
0
or
T v
z
d
②
S
0 ,
z v
0
or
T v
z
d
③
S
0 ,
z v
0
or
T v
z
d
불안정 중립 안정
기온감률 (LR)과 건조단열 감률( )에 근거한 분류 ①
LR
d
superadiabatic(초단열) ② ③
LR
0
d LR
d
adiabatic(단열) subadiabatic(아단열) ④
LR
0 isothermal(등온) ⑤
LR
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
5.5 온도와 습도의 연직 분포
1) 육지상에서 온도와 습도의 연직 분포 ◦ ① 온도 낮 :대기 경계층 얇은 지표층: 초단열 부력과 바람시어 혼합층: 단열 부력 (바람 시어 효과가 낮과 밤의 전이 기간 동안 중요함) 전이층(Transition layer): 혼합층과 자유대기 사이 아단열(subadiabatic) 난류가 고도가 증가함에 따라 급격히 감소
◦ 밤:지면의 복사 냉각 → 안정한 경계층 (난류 활동) 잔류층 (residual layer): 낮시간 혼합층의 잔재 안정한 경계층 위에 놓임 거의 단열(Nearly adiabatic):중립 바람 시어에 의한 간헐적인 난류
② 비습 ◦ ◦ 지면으로부터 증발 → 비습의 증가 낮: 잘 혼합됨 → 경계층내에서 균일한 분포 밤:이슬점 이하 지면 상에서 응결 → 수증기의 하향 플럭스
2) 해양 상에서 온도와 습도의 연직 분포 뚜렷한 일변화 없음
남극에서의 온도의 연직분포
5.6 일변화
◦ ◦ 1) 기온의 일변화 사막에서 가장 큼 ◦ : 강한 대규모 침강운동은 대기경계층의 성장을 억제함 낮시간동안 빠르게 가열됨 밤에 빠르게 냉각됨 식물과 수분의 가용성-> 온도의 일변화 감소 운량, 스모크, 연무(haze) 그리고 강한 바람 → 기온의 일변화 감소 2) 비습의 일변화 증발산, 응결, 지표면 온도, 평균 바람, 난류 그리고 대기경계층 고도 등에 의존