태풍에 대하여 이해하기(feat. 태풍의 북상 이유와 함께)

매년 여름철이면 우리나라를 찾는 강력한 비바람이 있습니다. 오늘 이야기 할 주제인 태풍이라는 아이입니다. 거의 매년 우리나라를 찾으며 많은 피해를 입힘과 동시에 에너지 수송, 가뭄해소 등의 역할을 하여 반드시 필요한 기상현상이기도 합니다. 때문에 태풍이 온다는 예보가 있으면 반드시 잘 대비하고 피해를 최소화하는 방안을 생각해 보아야 합니다. 

** 함께보면 좋습니다.

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태풍 힌남노의 특이한 이동 경로에 따른 해수의 용승과 세력변화

 

  1. 태풍의 정의

태풍은 열대 해상에서 발생하고 풍속이 17m/s 이상으로 성장한 열대 저기압을 말합니다. 때문에 열대 지방에서 열대 저압부로 성장했다 하여도 풍속이 17m/s 이상으로 성장하지 않으면 태풍이라고 보지는 않습니다.

  2. 태풍의 발생

수온이 따뜻한 열대지방에서 발생합니다. 열대지방에서 주로 발생하는 이유는 태풍이 에너지원으로 수증기가 응결할 때 방출하는 잠열을 이용하기 때문인데, 따뜻한 해상의 경우 바닷물의 증발이 활발하게 일어나기 때문에 공기중에 수증기의 공급이 원활하게 발생할 수 있습니다. 그래서 수증기 공급이 활발한 여름철에 열대 해상에서 발생할 수 있는 것입니다.

그림은 전세계 태풍의 발생 지역을 나타내었습니다. 눈 여겨 볼 것이 몇 가지 있는데, 서태평양에서 발생한건 태풍, 동태평양이나 대서양은 허리케인, 그리고 남태평양에서는 사이클론이라 표기되어 있는 점입니다. 사실 이들은 모두 열대 저기압이며, 구조적으로 거의 같습니다. 다 같은 태풍이란 소리입니다. 그냥 어디에서 발생하였느냐에 따라 명칭만 다를 뿐입니다. 발생 지역에따라 명칭이 다른건 오래전 원주민들이 불렀던 방식을 차용하여 이름지어졌기 때문이라 합니다. 참고로 호주에서는 태풍을 윌리윌리라 하였는데 최근에는 사이클론으로 명칭을 통일했다고 하네요.

 

또 한가지 눈여겨 볼 것이 있는데, 적도와 그 인근 저위도에서는 태풍이 발생하지 않는다는 것입니다. 태풍은 분명 따뜻한 열대해상에서 발생한다 하였음에도, 적도에서 발생하지 않는 이유는 적도에서 지구 자전효과가 0이기 때문입니다. 지난번 전향력에 대한 포스팅 때 아래와 같은 그림을 그린적이 있습니다.

지구의 회전은 어느 위도에서나 자전축과 평행한 방향입니다. 하지만 회전이란것은 분명 지면에 평행한 방향에서 일어나고, 회전성분은 바로 이 지면의 수직 방향만 유효합니다. 그래서, 지구 회전을 지면에 평행한 성분과 수직한 성분으로 벡터 분해를 하면, 저위도로 갈 수록 이 힘이 점점 작아지고, 적도에서는 아예 0이 됩니다. 이렇게 지면에 수직한 방향의 회전 성분을 수식으로 표현하면

적도에서는 파이가 0이기 때문에 저 값은 온전히 0이 됩니다. 무슨말이냐 하면, 적도에서 지구 자전 효과는 0이란 소리입니다. 초기에 태풍이 열대 저압부에서 성장하기 시작할 때에, 혼자 힘만으로는 강하게 성장하기 어렵습니다. 반드시 지구 자전 효과가 회전을 도와주어야 하는데, 적도에서는 이 힘이 없기 때문에, 적도와 그 인근 저위도에서는 태풍이 성장하지 못하는 것입니다. 그래서 우리나라에 올라와 태풍이라고 부루는 아이들은 보통 북위 5~25사이에서 많이 발생합니다. 25도 보다 높은 위도에서는 해수온이 충분히 높지 않아 태풍이 발생하기 어렵습니다. 보통 태풍은 수온 약 26.5도 수준의 해상에서 발생하거든요.

  3. 태풍의 성장과 소멸

열대 해상에서 소규모 열대 저압부가 만들어지는것을 시작으로 합니다. 저위도의 강한 태양복사열은 저위도지방에 종종 적란운을 동반하는 스콜을 만들어 냅니다. 이런 소규모 열대 요란이 태풍의 시작인데, 이 때 저위도에서 발생하는 편동풍 파동이 이 아이들을 한곳에 가두어 두면 열대 소용돌이로 성장하게 됩니다. 이렇게 되면 상승기류가 강해지기 시작합니다.

그럼 이제 태풍으로 발달할 준비는 끝난 상태입니다. 수증기를 잔뜩 머금은 하층 공기는 상승기류와 함께 상층으로 올라가면 기온이 낮아집니다. 기온이 낮아지면, 공기중의 수증기가 응결하기 시작하고, 이 때 숨은열을 방출합니다. 이 숨은열은 공기를 더 가열시켜 상승을 더욱 가속화 시킵니다. 상승기류가 강해지니 당연히 하층의 저기압이 강화되고, 이것이 태풍으로 성장하게 되는 것입니다. 

 

따라서 태풍이 잘 성장하기 위해서는 반드시 수증기의 공급이 필요합니다. 수증기가 있어야 상승기류가 강화될 수 있으며, 그래야 태풍과 같은 큰 기압경도를 가지는 저기압이 만들어질 수 있기 때문입니다.

 

때문에 태풍은 수증기 공급이 원활하지 않은 지역에 오면 소멸하게 됩니다. 우리나라에 올라오는 태풍의 대부분이 힘이 약해지는것도 이 때문입니다. 태풍 입장에서는 제주도 앞바다 정도의 해수온도 굉장히 차가운 바닷물입니다. 이에 북위 30도를 지나가며 태풍의 눈은 조금씩 희미해지기 시작합니다. 해수온이 낮아 수증기 공급이 원활하지 못한 탓입니다. 그리고 육상으로 올라오면 수증기 공급이 아예 차단되어 태풍은 힘을 잃게 됩니다. 또한 육상에 올라오면 지면과의 마찰이 증가하고, 이로인해 중심으로 공기 공급이 원활하지 못해 마찬가지로 힘을 잃게 됩니다. 이렇게 우리나라 주변에 올라오는 태풍은 대부분 소멸하게 되고, 온대저기압으로 변질되는 경우도 굉장히 많습니다.

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  3. 태풍의 구조

태풍의 구조를 이야기하며 빼 먹을 수 없는 것이 태풍의 눈입니다. 태풍의 가장 중앙에 있으며, 기압이 가장 낮음에도 하강기류가 나타나 구름이 별로 없는 그런 영역입니다.

 

태풍의 눈이 발생하는 이유는 다소 복잡합니다만 간단히 논의해 보겠습니다.

 

태풍 주변에서 바람이 회전하며 중앙으로 들어갈 때, 처음에는 회전 반경이 컸고, 이로인해 저기압성 경도풍과 유사한 회전을 보입니다. 그러니까, 이 회전에 작용하는 힘에 기압경도력, 전향력, 원심력이 포함되는 것입니다. 그런데 안으로 들어갈수록 회전반경이 작아지고, 이로인해 원심력이 증가하게 됩니다. 눈 벽 부근으로 올 수록 회전속도가 빨라지게 되면서 공기에 작용하는 유효한 힘으로 기압경도력과 원심력만이 남게 됩니다. 여기서 전향력이 무시되는건, 우선 회전반경이 너무 작아졌고, 원심력이나 기압경도력이 터무니없이 증가했기 때문입니다. 이렇게 기압경도력과 원심력이 평형을 이루어 공기는 더이상 안으로 들어가지 못하고, 중심 부근을 뱅뱅 돌다 여기에 공기가 쌓이며 위로 상승하게 됩니다. 참고로 기압경도력과 원심력이 평형을 이루는 바람을 선형풍이라고 합니다.

 

이런 연휴로 태풍의 눈까지 바람이 들어가지 못하고 그 주변에 쌓여버리니 태풍의 눈 주변으로 눈 벽이라는 구름을 형성하며 여기서 상승기류가 발생합니다. 상승기류를 타고 꼭대기 까지 올라간 공기의 대부분은 다시 시계방향으로 회전하며 중심 반대방향으로 퍼져 나가지만, 일부 공기는 중심 안쪽으로 스멀스멀 내려가며 하강기류가 형성되게 됩니다. 중심부는 강한 원심력 때문에 공기의 공급을 받지 못했기에 가능한 현상입니다. 때문에 태풍의 눈은 바람도 엄청 약하고, 고요하며, 상대적으로 구름의 양도 적게 됩니다.

<태풍의 풍속을 나타낸 2차원 컬러지도와, 태풍의 중심에서부터 풍속 변화(출처 : https://eos.org/features/chasing-cyclones-from-space)>

위 그림은 지금까지 설명한 내용이 잘 나와있습니다. 오른쪽 그래프를 보면 중심에서 거리가 가까워 질수록 처음에는 풍속이 증가합니다. 하지만 중심부근 태풍의 눈벽에서 풍속의 최대지를 보이고, 눈으로 들어오면서 풍속이 급격히 감소하는것을 볼 수 있습니다.

 

왼쪽의 컬러 지도에서도 이것이 여실히 잘 드러나고 있습니다. 빨간색일수록 풍속이 빠르고, 파란색일수록 풍속이 느린것을 나타내는데, 중심부근에서 파란색으로 풍속이 엄청나게 느린것이 보이며, 그 주변은 빨간색이나 연두색입니다. 그런데 태풍의 왼쪽에서 풍속이 느리고 오른쪽만 유달리 풍속이 빠릅니다. 이는 추후 다시 논의하겠습니다.

위의 그림은 중심으로 갈 수록 나타나는 기압과 풍속 변화입니다. 국내그림은 저작권에 걸릴까 하여 부득이 해외그림으로 가져와 영어로 되어 있지만, 간단한 영어이니 해석에는 큰 무리가 없을 것 같습니다. 빨간색 그래프가 기압, 파란색 그래프가 풍속인데, 중심으로 갈 수록 저기압이니만큼 기압이 훅 떨어지는것이 보이며, 풍속은 눈벽까지는 급격히 증가하다, 눈에서 감소하는것이 확인됩니다.

 

아래 그림은 탐사선이 태풍의 눈으로 들어가며 촬영한 사진이라 합니다. 엄청난 구름벽이 보이는것이 매우 신기하네요.

<엡실론이라는 허리케인의 눈(출처 : https://www.firstcoastnews.com/article/weather/accuweather/photos-video-hurricane-epsilons-stadium-effect/507-aad5537e-5601-47c1-860d-886b5ebc339c)>

그리고 태풍 전체에서 모두 비가 강한것은 아니라고 합니다. 위의 그림을 보면 자세히 나와있는데, rainband라는 곳에서 강수가 집중적으로 나타나며, 이 외에는 강수가 상대적으로 약하다고 합니다.

  4. 태풍의 이동경로

태풍의 이동경로는 주변 기압의 배치에 따라 달라지는 경우가 많지만, 무역풍이 부는 위도 30도 이하에서 북서진하다 30도 이후에서는 북동진 하는 것으로 많이 알려져 있습니다. 위 그림은 기상청에서 가져온 데이터로, 실제 우리나라를 통과한 어떤 태풍의 이동경로입니다. 모든 태풍이 저런 패턴을 가지지는 않지만, 기장 교과서적인 이동경로를 보여주는 사례입니다.

 

교과서나 참고서에서 태풍이 저리 움직이는 이유를 저위도에서는 무역풍에 의해, 우리나라 인근에서는 편서풍에 의해 움직인다 설명합니다. 위도 30도 이후에 북서진하는 것이야 이해하는것이 어렵지는 않은데, 저위도지방, 그러니까 무역풍이 부는 지역에서 저리 움직이는 것은 다소 이해하기 어렵습니다. 무역풍은 북동풍 계열이기 때문입니다. 아래그림을 한번 보겠습니다.

위의 그림에, 무역풍과 편서풍의 바람만 표시하였습니다. 무역풍이 부는 지역에서 태풍이 서쪽으로 이동하는건 이해가 되지만, 북상하는 것은 이해하기 어렵습니다. 이유는 무역풍에 의해 북동진한다 설명하기 때문입니다. 교육과정 테두리에서 설명하다보니 이런 문제가 발생합니다. 여기서 태풍이 북상하는 이유를 자세히 알아보겠습니다.

가. 열 수송을 위한 북상

태풍이 발생하는 이유는 기본적으로 저위도의 남는 에너지를 고위도로 수송하기 위함입니다. 찬물은 뜨거운 물 쪽으로, 뜨거운 물은 찬물 쪽으로 이동하는것이 당연한 현상입니다. 뜨거운 곳에 있던 태풍이라는 공기는 당연히 차가운 고위도로 움직이려 할 것입니다. 때문에 당연히 태풍은 북동풍 형태인 약한 남쪽 방향의 무역풍을 이기고 북쪽을 향하려 합니다.

나. 전향력

태풍 북상의 원인에 전향력도 한 몫을 합니다. 전향력이 어떻게 태풍 북상의 원인이 되는지는 아래 그림을 보시면 쉽게 이해할 수 있습니다.

태풍의 회전 반경 남쪽은 저위도이고, 북쪽은 고위도입니다. 전향력은 물체 운동방향의 오른쪽으로 작용하는 힘이구요. 따라서 1번 구역에서는 물체 회전의 남쪽으로 전향력이 적용하고, 2번 구역에서는 북쪽으로 전향력이 작용하게 됩니다. 그런데 저위도보다 고위도에서 전향력이 더 큽니다. 때문에 전향력의 알짜힘은 북쪽 방향이 됩니다. 결국 태풍은 이런 원인으로 북쪽으로 올라가게 됩니다.

다. 와도

와도도 영향을 줍니다만, 이해하기 가장 어려운 개념이라 마지막에 썼습니다. 기본적으로 공기는 잠재와도(포텐셜 와도)가 보존되는 형태로 움직입니다. 참고로 반시계 방향의 와도는 +, 시계방향의 와도는 -로 정의합니다. 잠재와도는

 

(행성와도+상대와도)/유체의 두께  

 

로 표현할 수 있는데, 이 경우 유체의 두께는 변하지 않으니 생각하지 않겠습니다. 1번 위치에서 위로 올라가는 공기의 경우 위도가 증가함에 따라 행성와도가 증가합니다. 그런데 잠재와도는 보존되어야 하므로 상대와도가 감소, 즉 시계방향의 와도가 유도됩니다. 2번 위치에서는 반대 상황이 연출됩니다. 저위도를 향하는 공기는 행성와도가 감소하고, 잠재와도는 보존되어야 하기에 상대와도가 증가합니다. 이로인해 반시계방향의 와도가 유도됩니다. 태풍 왼쪽에서 반시계 방향의 회전이, 태풍 오른쪽에서 시계방향의 와도가 유도되고, 이렇게 형성된 와도에 의해 태풍이 북상하는 힘을 얻게 되는 것입니다.

이런 이유가 복합적으로 작용하여, 결국 태풍은 편서풍 지대에서는 당연히 북상하는 것이고 무역풍 지대에서도 북상할 수 있는 힘을 얻게 됩니다.

라. 위험반원과 안전반원

태풍을 논하며 절대 잊어서는 안되는 개념이 위험반원과 안전반원입니다. 워낙 많이 알려진 내용이라 간단히만 소개하겠습니다.

 

그림을 보면 알 수 있는데, 태풍 진행경로의 오른쪽은 위험반원, 왼쪽은 안전반원이라 부릅니다. 진행경로의 오른쪽이 더 풍속이 강하고 왼쪽은 풍속이 더 약하기 때문에, 이런 현상이 나타나는 것이며, 실제 태풍 진행경로의 오른쪽이 피해가 더 큽니다. 왜 오른쪽이 바람이 더 강할까? 이유는 간단합니다. 태풍 진행경로의 오른쪽은 진행방향과 바람이 부는 방향이 일치하여 풍속이 강화되는 것이고, 왼쪽은 방향이 반대이기 때문에 풍속이 약화되는 것입니다.

 

이와 더불어 태풍과 관련한 여러 문제들에서 많이 논하는것이 진행경로의 오른쪽과 왼쪽에서 풍속의 변화 형태입니다. 이거야 말로 정말 많이들 논하는 내용이기 때문에 여기서는 간단히 결과만 논의하겠습니다.

 

진행경로의 오른쪽에서는 풍향이 시계방향으로 변화하며, 왼쪽에서는 반시계 방향으로 변화합니다. 다만 이는 태풍이 관측소를 지나기 직전과 직후에나 뚜렷하게 나타나는 변화인 점을 알아두세요.

 

여기까지 태풍에 대한 내용을 자세히 다루어 보았습니다.

태풍이 상륙하였을 때 미치는 영향까지 다루다 보면 글이 너무 길어질 것 같아, 이와 관련된 내용은 추후 포스팅에서 작성해 보도록 하겠습니다.