고층기상관측
정확한 일기예보와 대기 상태를 이해하기 위해서는 지상뿐만 아니라 상층의 기상 상태까지 파악해야 한다. 이를 위해 전 세계의 기상관측기관들은 관측장비(라디오존데, radiosonde)를 기구에 매달아 비양시켜 지상으로부터 30km 이상 상공까지 일정한 시간 간격으로 대기 상태를 직·간접적으로 관측하는 레윈존데(rawinsonde) 관측을 시행한다. 관측 자료는 무선 송수신 장치를 통해 지상으로 전송되고 지상 수신 장치에서 처리된다.
기상청은 포항, 백령도, 강릉, 흑산도, 국가태풍센터, 창원, 덕적도에서 지상으로부터 30km이상 상공까지의 기압, 기온, 습도, 풍향풍속을 레윈존데로 하루 4회(오전3시, 오전9시, 오후3시, 오후9시) 자동화 관측하고 있다. 공군에서도 오산과 광주에서 하루 4회(오전 3시, 오전 9시, 오후 3시, 오후 9시) 관측하고 있다.
자동화 이전에 고층기상관측은 사람 손이 많이 필요했다. 준비를 위해 풍선과 라디오존데를 긴 줄로 묶고, 풍선이 하늘에서 터졌을 때 천천히 내려오도록 별도로 낙하산을 매단다. 준비가 끝나면 풍선에 가스를 주입하고, 건물이나 나무 등이 없는 넓은 야외로 이동해 라디오존데와 기구를 날린다. 여기까지 1시간 정도 걸리는데, 만약 풍선이 파열되거나 정해진 고도까지 도달하지 못하면 처음부터 다시 해야 한다.
위험도도 컸다. 가스가 주입된 풍선은 성인의 키 정도까지 부풀어서 바람이 많이 부는 날이면 관측자가 풍선을 붙잡고 이동하는 것이 어렵고 위험했다. 야간에는 시야를 충분히 확보하지 못하므로 안전사고의 위험성도 컸다. 그래서 고층기상관측이 집중호우, 태풍, 대설 등 위험기상 시에 더 자주 필요함에도 실시에 한계가 있던 것이다.
하지만 라디오존데를 자동으로 날릴 수 있는 고층기상관측용 자동발사장치가 개발되면서 한계를 넘어설 수 있게 됐다. 이 장치는 정해진 시각에 자동으로 풍선에 가스를 주입해 사람 손이 닿지 않아도 하늘로 날려준다.
단열선도
단열선도는 고층 대기의 관측 자료를 신속히 정리, 분석하여 연직 방향의 열역학적 특성을 입체적으로 파악하기 위해 작성하는 도표로써, 복잡한 수식으로 계산해야 하는 기상 현상이나 기상 요소를 간단히 구할 수 있도록 고안되었다. 단열선도에는 여러 종류가 있으나 공통적으로 등온선, 등압선, 건조 단열선, 습윤 단열선, 포화혼합비선 등이 그려져 있고, 기울어진 온도를 x축(skew-T), 압력의 로그값을 y축(log-P)으로 한 Skew-T Log-P Diagram이 주로 사용된다.
단열선도(Skew-T log-P Diagram)의 구성
① 등압선(Isobars): 세로를 축으로 하여 수평으로 그려진 직선이며, 로그 척도로 그려지고 단위는 hPa로 표시한다.
② 등온선(Isotherms): 가로를 축으로 하여 등압선에 약 45° 각도로 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 기울어지게 그려진 직선으로, 단위는 ℃로 표시한다.
③ 건조단열선(Dry adiabats): 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 기울어져 있으며, 아래쪽으로 약간 볼록한 곡선이다.
④ 습윤단열선(Moist adiabats): 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 기울어져 있으며, 위로 볼록한 곡선이다.
⑤ 포화혼합비선(Saturation mixing ratio lines): 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 기울어지게 그려진 점선으로, 등온선보다 경사가 급하다.
단열선도를 이용한 기상 요소 산출
① 혼합비(Mixing ratio): 대기에 포함된 단위 질량의 건조 공기에 대한 수증기의 질량비(g/kg)
☞ 구하고자 하는 기층의 이슬점 온도를 지나는 포화혼합비선의 값
② 포화혼합비(Saturation mixing ratio): 현재의 온도에서 포화되었을 때의 혼합비
☞ 기층의 온도값을 지나는 포화혼합비선의 값
③ 수증기압(Vapor pressure): 대기 중 수증기가 기여하는 분압(hPa)
☞ 구하고자 하는 기층의 이슬점 온도를 지나는 등온선을 따라가서 622hPa 등압선과 만나는 포화혼합비의 값에 hPa 단위를 붙인 것
④ 포화수증기압(Saturation vapor pressure): 공기가 포화되어 있을 때의 수증기압
☞ 수증기압의 산출방법과 같으며 온도를 지나는 등온선을 따라간다
⑤ 상대습도(Relative Humidity, RH): 실제 공기가 포함하고 있는 수증기량과 공기가 수증기로 포화되었을 때의 수증기량의 백분율(%)
⑥ 상승 응결 고도(Lifting Condensation Level, LCL): 지상 부근의 공기가 건조단열적으로 상승하여 포화에 이르는 고도. 산악지형과 같이 경사진 지형을 만나 상승하거나 전선면에서 상승하는 경우 등이 있다.
☞ 지상의 이슬점 온도를 지나는 포화혼합비선과 온도를 지나는 건조단열선이 만나는 고도
⑦ 대류 응결 고도(Convection Condensation Level, CCL): 지표 부근의 공기 덩어리가 지표의 가열로 에너지를 받은 후 단열적으로 상승하여 포화에 이르는 고도. 가열로 생기는 적운의 운저 고도와 같다.
☞ 지상의 이슬점 온도를 지나는 포화혼합비선과 환경온도 곡선이 만나는 고도
⑧ 대류 온도 (Convective temperature, ): CCL에서 건조단열선을 따라 내려와 해당 지상의 기압면과 만나는 점의 온도. 지표면에서 수증기의 양이 변하지 않고 기온이 대류 온도까지 가열되면 CCL, LCL, LFC의 고도가 같아진다. 이러면 대류권계면 부근까지 구름이 발달하기 좋은 상태가 되기 때문에 뇌전을 동반하는 강한 대류성 비가 내릴 수 있다.
⑨ 자유 대류 고도(Level of Free Convection, LFC): LCL에서 공기가 습윤단열적으로 계속 상승하여 환경온도 곡선과 처음으로 만나는 고도. 이 고도 이상에서는 상승한 공기가 주위보다 따뜻해 자유롭게 계속 상승할 수 있다.
☞ LCL을 지나는 습윤단열선과 환경온도 곡선이 만나는 고도
⑩ 평형 고도 (Equilibrium Level, EL): LCL이나 LFC에서 부력을 얻어 상승하는 공기 덩어리가 환경온도 곡선과 같아지면서 부력을 잃기 시작하는 고도
☞ 대류응결고도나 자유대류고도에서 습윤단열선을 따라 계속 상승하여 처음으로 환경온도 곡선과 만나는 점의 고도
⑪ 대류 가용 잠재 에너지 (Convective Available Potential Energy, CAPE): LFC에서 평형 고도(EL)까지의 습윤단열선과 환경온도 곡선이 이루는 면적을 적분한 값. 부력에너지라고도 불리며, 상승 운동의 가능성을 나타낸다. 300~1000J/kg이면 약한 대류, 1000~2500 J/kg이면 중간 대류, 2500~5300J/kg이면 강한 대류가 나타난다고 볼 수 있다. CAPE가 증가할수록(특히 2500J/kg 이상) 우박 가능성도 증가한다.
⑫ 대류 억제도 (Convective Inhibition, CIN), 지표면에서 LFC까지 지면의 공기가 단열 상승한 온도 곡선과 환경온도 곡선이 이루는 면적을 적분한 값.
자료 및 내용 출처
https://www.kma.go.kr/kma/biz/observation03.jsp
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레윈존데(Rawinsonde) 정확한 일기예보와 대기 상태를 이해하기 위해서는 지상뿐만 아니라 상층의 기상 상태까지 파악해야한다. 이를 위해 기상청은 포항, 백령도, 강릉, 흑산도, 국가태풍센터, 창
www.kma.go.kr
https://m.hankookilbo.com/News/Read/A2022111413490003734
고층기상관측의 자동화 시대를 열다
우리 사회가 발전하면서 여러 부분의 자동화가 이뤄지고 있다. 날씨를 예측하기 위해 필요한 기상관측도 과거 관측자의 수작업에 의존하던 방식에서 벗어나 많은 부분이 자동화되고 있다. 특히
m.hankookilbo.com
https://data.kma.go.kr/data/hr/selectRdsdRltmList.do?pgmNo=49
기상자료개방포털[데이터:기상관측:고층:레윈존데:자료]
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data.kma.go.kr
https://www.noaa.gov/jetstream/upperair/skew-t-log-p-diagrams
https://weathertogether.net/weather-101/how-to-read-skew-t-charts/
How To Read Skew-T Charts – WeatherTogether
If you haven’t seen a Skew-T chart before, to say they can look a little intimidating is a huge understatement. But with a little practice, you can become a Skew-T master and open up new doors to learn about a variety of meteorological subjects. Skew-T c
weathertogether.net
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