Transcript 6.4 대기경계층 내의 바람에 미치는 안정도 효과

6. 대기경계층 내의 바람 분포
6.1 바람 분포에 영향을 미치는 요인
①대규모 수평기압 및 온도 경도
②지표면 거칠기 특성
③지구자전 (높이에 따라 풍향 변함)
④지표면의 가열과 냉각
⑤대기경계층의 두께(바람 시어 결정)
⑥자유대기의 경계층으로 유입
⑦운동량과 열의 수평이류
⑧지표면의 지형 특징: 국지 또는 중규모 순환
6.2 지균풍과 온도풍 (Geostrophic and Thermal winds)
① 지균풍: 마찰의 영향이 없는 대기에서 수평기압경도력과 전향력이
평형을 이루어 직선 등압선에 평행하게 부는 바람
Ug  
1 P
1 P
, Vg 
f y
f x
f  2 sin 
◦ 대기경계층 내 : 지면 마찰
풍속의 감소 ⇒
전향력 < 기압경도력 ⇒
바람이 등압선을 가로질러 붐
 : 지구의 회전 각속도
 : 위도
②온도풍 (thermal wind)
수평 온도 경도
→지균풍의 연직 경도
Vg
R
  k   pT
 ln P
f
지오포텐셜  (Geopotential): 평균 해수면으로부터 단위질량을 고도 z
까지 들어올리는데 요구되는 일
a)지면 등압선이 등온선에 평행할 때
지균풍의 크기 고도에 따라 증가 또는 감소
고도에 따라 지균풍의 풍향의 변화 없음
b) 지면 등압선이 등온선과 평행하지 않을 때
지균풍의 크기와 방향 모두 고도에 따라 변함
온난이류의 경우
지균풍의 풍향이 고도에 따라 시계방향으로 선회함 (순전)
한랭이류의 경우
지균풍의 풍향이 고도에 따라 반시계방향으로 선회함 (역전)
순압대기( barotropic atmosphere)
: 지균풍의 연직시어나 수평온도경도 없음
밀도는 기압만의 함수
경압대기 (baroclinic atmosphere)
: 지균풍의 시어 존재함
밀도가 온도와 기압의 함수임
◦ 경도풍 (Gradient wind): 곡선의 흐름에서 전향력과 원심력,
수평기압경도력이 평형을 이루어 등압선에 평행하게 부는 바람
P: 수평기압경도력
Co: 전향력
Ce: 원심력
6.3 힘의 평형에 미치는 마찰 효과
대기경계층 내
마찰력
→ 기압경도력 > 전향력
국지나 이류가속도가 없는 경우 (직선등압선)
 

1
fk  v    p  F


1

 
 p  fk  v g
  

fk  ( v  v g )  F
순압대기 경계층에서 바람은 고도에 따라 순전
  

fk × ( v - v g ) = F
◦ 순전각 (Veering angle): 지상풍향과 임의의 고도에서 풍향이 이루는
각
◦ 등압선 횡단각 (Corss-isobar angle): 실제 바람과 지균풍이 이루는 각
지표면 거칠기, 위도, 지표면 지균풍, 대기 경계층의
안정도 경압성, 대기 경계층의 두께에 의존
0° to 45° (성층화된 순압 대기 경계층)
-20° to 70° ( 경압 대기 경계층)
지상풍
실제바람
임의의 고도의 바람
순전각
등압선
등압선 횡단각
6.4 대기경계층 내의 바람에 미치는 안정도 효과
1) 열적 안정도는 운동량의 연직교환에 영향을 미침→ 대기경계층의
바람분포에 영향을 미침
①맑은 날 낮
지표면은 태양 복사에 의해 가열됨
→ 다양한 대류 순환
→ 연직 방향으로 열과 운동량의 직접 전달
→ 운동량의 활발한 혼합
→ 대기경계층 내의 평균 바람시어의 약화
맑은 날 밤
지표면의 복사 냉각
→ 지표면 역전층
→ 부력이 운동량의 연직 교환을 억제함
→ 현저한 풍속과 풍향 시어
대기경계층내의 평균 바람시어: 밤 > 낮
지표면 부근의 바람 시어: 낮 > 밤
3) 리차드슨 수 (Richardson number)
 2
g  v V
Ri 
Tv z z
◦ 역학적 안정도 매개 변수
◦ 무차원
◦ 혼합 강도의 더 좋은 측도
◦ Ri  0 stable
◦ Ri  0 unstable
6.5 관측된 바람의 연직 분포도
바람의 관측: 측풍기구(pilot balloon), 레윈존데, 계류기구 (thether
sonde), 도플러 레이더, 음파 탐측기 (acoustic sounder), 측기 탑재
비행기, 기상탑 (tower)
UHF wind profiler
1-2 GHZ : frequency
SODAR
Wind Lidar
1) 대류 경계층
대류 혼합층내에서 거의 균일한 분포
지표층과 전이층에서 강한 바람 시어
2) 야간의 안정한 경계층
야간 제트류
큰 풍향 시어
작은 대기 경계층의 두께
① 보통의 안정한 대기경계층
난류는 시공간적으로 다소간 연속적임
강한 바람이 부는 밤의 육지상에서 나타남
② 아주 안정한 대기 경계층
난류교환이 간헐적으로만 발생
육지상의 안정한 대기경계층에서 흔하게 발생
하층 제트류
1) 경사진 지면 위에서 경압성
온도풍 관계식
지면 부근은 마찰에 의해
풍속 감소
2) 관성진동
𝑑𝑈
= 𝑓𝑐 𝑉 − 𝑓𝑐 𝐹𝑢
𝑑𝑡
𝑑𝑉
= −𝑓𝑐 𝑈 + 𝑓𝑐 𝑈𝑔
𝑑𝑡
− 𝑓𝑐 𝐹𝑣
𝑈𝑑𝑎𝑦 = 𝑈𝑔 − 𝐹𝑣,𝑑𝑎𝑦
주간의 정상상태
𝑉𝑑𝑎𝑦 = 𝐹𝑢,𝑑𝑎𝑦
𝑑𝑉
𝑑𝑡
𝑑𝑈
= 𝑓𝑐 𝑉
𝑑𝑡
= −𝑓𝑐 𝑈 + 𝑓𝑐 𝑈𝑔
𝑑2 𝑈
𝑑𝑡 2
= −𝑓𝑐 2 (𝑈-𝑈𝑔 )
야간
𝑑𝑈
𝑑𝑡
=0
일반 해
𝑈-𝑈𝑔 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝑓𝑐 𝑡 + 𝐵𝑐𝑜𝑠 𝑓𝑐 𝑡
초기값 적용
𝑈𝑑𝑎𝑦 = 𝑈𝑔 − 𝐹𝑣,𝑑𝑎𝑦
𝑉𝑑𝑎𝑦 = 𝐹𝑢,𝑑𝑎𝑦
6.6 일변화
1) 지표면 부근
일출 후, 풍속 증가 ← 위의 대기로부터 훨씬 빠르고 효과적인 운동량의
전달
일몰 근처, 풍속이 급격하게 감소
2) 지표층 위
일출후, 풍속 감소
오후와 저녁시간대 풍속 증가