단열선도라는것은 연직방향으로 대기의 기온과 이슬점 온도, 풍향, 풍속 등을 관측한 결과를 온도와 압력에 대하여 나타낸 그래프에 표현한 그래프를 말합니다. 기상청에서 라디오존데(레윈존데)를 하루에 오전 9시와 오후 9시에 걸쳐 두 차례 띄운 결과를 수신하여 그래프로 나타냅니다. 그밖에 태풍과 같은 특별한 기상 이벤트가 있을 경우에는 3시와 15시에도 추가로 띄워서 관측을 한다고 합니다. 이 때 사용하는 라디오존데는 지표로부터 고도 30km까지의 대기 상태를 관측한다고 합니다. 측정 장치를 풍선에 매달아 고층으로 띄워 올려진 라디오존데는 기압이 낮아지며 풍선이 터지면 지상으로 낙하해 버리는 일종의 1회용 장치..(ㅠㅠ)입니다(글과는 상관없지만, 핀란드나 프랑스에서 수입해 사용하고 있으며, 대당 가격은 14만원이고, 한 해에 5천~6천개 정도의 라디오존데를 사들인다고 하네요)
어쨌든 이런 장치를 하루에 최소 2번, 최대 4번 정도 띄우며 대기를 관측한 뒤, 일기 예보에 사용한다고 합니다.
오늘은 이런 기상 관측의 기본인 단열선도에 대한 내용을 알아보고, 이후 건조단열선, 습윤단열선 등등에 대한 자세한 내용을 다루어 보고자 합니다.
1. 단열선도 - Skew T - Log P Diagram, 교육과정과 무엇이 다를까?
단열선도도 종류가 여러가지가 있는데, 기상청에서는 Skew T -Log P Diagram이라는것을 사용한다고 합니다. 이걸 우리말 그대로 번역하면, 기울어진 T - Log스케일 P 그래프라는 소리인데, 이게 무슨말인고 하니, 일종의 x축인 온도선은 수직이 아니고 기울어져 있으며, y축인 압력 단위는 로그 스케일이라는 소리입니다.
이게 이제 학생들이 지구과학2 시간에 배우는 단열선도와 배치되는 내용입니다. 학생들은 x축이 기울어지지 않은 수직인 온도, y축은 고도로 되어있는 단열선도를 배웁니다.
요 문제는 2022학년도 수능 지구과학2에 나온 대기과학 문제의 자료입니다. 단열선도는 정말 단골로 나오는 문제이며, 교육과정에서 학생들이 저렇게 배우기 때문에, 실제 기상청 직원분들이 쓰시는 Skew T - Log P Diagram은 별도의 언급이 없으면 같은 단열선도가 맞는지 의아할 정도입니다. 실제 기상학자들이 사용하는 단열선도는 너무 복잡하기 때문에, 하나씩 뜯어서 보도록 하겠습니다.
2. Skew T - Log P Diagram 하나씩 뜯어보기
우선 y축 같은건 압력선입니다. 그런데 Log 스케일입니다. 그러다보니 등간격이 아닙니다. 고도를 쓰지 않고 궂이 압력을 쓰는 이유는 간단합니다. 대기가 움직이는건 고도에 대한 함수가 아니고 압력에 대한 함수입니다. 고도가 변하며 압력이 변하기 때문에 대기 움직임이 발생하는거지, 단순히 고도가 변해서 대기가 움직이는건 아닙니다.
일단 저 첫번째 그림이 바로 등압선입니다. 편의상 저는 등간격으로 그렸지만, 로그 스케일이기 때문에 절대 등간격이 아닙니다. 다음으로 볼 것은 등온선입니다. 앞서 말씀드렸지만, 등온선은 보통의 그래프처럼 수직이 아니고 기울어져 있습니다. 그럼 등온선은 왜 해필 기울어졌나 하는 부분이 의문일텐데, 단열선도에 표시하는 여러가지 물리량들을 그나마 가장 편리하게 표시하기에는 등온선을 기울여버리는것이 낫다고 합니다. 앞서도 얘기했지만, 단열선도는 종류가 여러가지가 있는데, 기상청에서는 그중 이게 제일 편리한거 같아서 이걸로 채택해 사용하는거 같습니다. 어찌되었든 단열선도의 두 번째 구성요소인 등온선은 아래 그림처럼 됩니다.
슬슬 그래프가 복잡해지기 시작합니다. 그런데 이게 끝이 아닙니다. 대기는 기본적으로 단열적으로 움직인다고 가정합니다. 이에 대한 내용은 다음번에 하나씩 포스팅 할 건데, 어쨌든 단열적으로 움직이는 대기의 모습을 표현하기 위해 건조단열선과 습윤단열선이 필요합니다. 건조단열선은 1km당 10℃씩 감소하도록 그려진 선이고, 습윤단열선은 1km당 0.5℃씩 감소하도록 그려진 선입니다. 이에 대한 내용도 후에 포스팅 하겠습니다. 이렇게, 첫 번째 그려져야할 선은 건조단열선이고,
두 번째로 여기에 그려져야 할 선은 습윤단열선입니다. 습윤단열감율은 건조단열감율의 약 1/2배이기 때문에, 건조단열선보다 기울기가 작습니다. 추후 습윤단열선에 대한 포스팅을 할 때 다시 언급하겠지만, 엄밀히 말하면 습윤단열선의 기울기는 일정하지 않습니다. 고도가 높아지며 기울기가 급해지다가 건조단열선과 거의 평행이 됩니다.
이제 마지막으로 여기에 이슬점 감율선(포화혼합비선)이 추가됩니다. 이슬점감률은 1km당 0.2℃씩 감소합니다. 따라서 기울기가 가작 작은데, 희안하게 건조단열선과 습윤단열선과는 다르게 마치 증가하는 방향의 기울기처럼 보입니다. 그런데 여기서 주의해야 합니다. 보통의 그래프에 익숙한 우리에게는 마치 고도 증가에 따라 온도가 증가하는것 처럼 보이지만, 온도선 자체가 저리 기울어져 있다 보니, 가만가만 따져보면 고도 증가에 따라 온도는 정상적으로 감소하게 되어 있습니다.
이렇게 단열선도에 그려지는 기본 구성은 모두 보았습니다. 이제 요 그래프에다 라디오존데가 관측한 결과, 압력(고도)의 변화에 따른 각 압력(고도)별 온도와 이슬점온도를 모두 나타내면 됩니다. 아래 그림은 제가 멋대로 그린 예시 그림입니다.
자 그럼, 이제 지구과학2에서 다루는 단열선도를 보면
대충 이런식입니다. 전문가들이 사용하는 단열선도와 비교하면 좀 더 눈에 익습니다.
(참고로 저기 그린 교육과정에서 배우는 단열선도는 급하게 파이썬으로 그려본 것입니다. 코드는 추후 다른 포스팅에서 올리겠습니다)
이번 포스팅에서 단열선도에 대한 내용을 다루어 보았습니다. 다음 기상 포스팅에서는 이제 단열선도의 디테일한 부분, 건조단열선, 습윤단열선, 이슬점감률선 등등에 대해 다루고, 대기안정도 판단 등등 와 진짜 많네요 아무튼 이런 내용들을 하나씩 다루어 보겠습니다.
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