11.4. Common Sources of Vertical Motion
대기에 수직 운동의 많은 원인이 있습니다. 수직운동의 가장 흔한 4가지 유형은 산악 효과(orographic effects), 마찰 효과(frictional effects), 전선 상승(frontal lift), 부력(buoyancy)입니다.
11.4.1. Orographic Effects
산과 계곡을 가로질러 부는 바람은 공기를 산과 계곡을 번갈아 오르내리게 합니다. 만약 효과가 충분히 크다면, 결과적인 공기의 팽창 냉각(expansional cooling)과 압축 온난화(compressional warming)는 구름과 강수의 발달과 소멸에 영향을 미칩니다.
예를 들어, 바람의 흐름에 수직적인 산맥은 다른 쪽보다 산맥의 한쪽에서 더 흐리고 습한 기후를 초래하는 장벽과 같은 현을 형성합니다. 바람이 불어오는 경사면을 따라 공기가 상승할 때, 공기가 팽창하고 냉각되어 상대습도를 증가시킵니다. 충분한 냉각과 함께, 구름과 강수는 *상승 응결 고도 이상에서 발달합니다. 반대로, 산의 *풍하측 경사면에서 공기는 하강해 따뜻해지면서 상대습도를 낮추고 구름과 강수를 소멸시키는 경향이 있습니다. 이러한 방식으로 산맥은 *풍상측 경사면에서 습한 기후와 풍하측 경사면에서 건조한 기후와 같은 두 개의 대조적인 기후대를 유발합니다. *비그늘(rain shadow)이라 알려진 건조한 상태는 그 지역 산맥의 풍하측에서 종종 수백 마일에 이릅니다.
위 그림을 예로 왼쪽에서 불어오는 바람의 경우, 2,000 feet에서 온도는 15 ℃, 이슬점은 10 ℃, 상대 습도는 80%인 공기 덩이로부터 시작합니다. 풍상측 경사면을 따라 공기 덩이가 상승함에 따라, 상승 응결 고도인 4,000 feet에서 포화 상태가 될 때까지 기온은 건조 단열 감율로 1,000 feet 당 3 ℃ 씩 냉각되고 이슬점은 1,000 feet 당 0.5 ℃ 비율로 냉각됩니다. 그러고 나서, 공기 덩이의 온도와 이슬점 모두 산꼭대기인 12,000 feet에 도달할 때까지 1,000 feet 당 2 ℃의 습윤 단열 감률로 냉각됩니다. 이때 12,000 feet에서 공기 덩이의 온도는 -7 ℃, 이슬점은 7 ℃, 그리고 상대습도는 100%입니다. 그런 후 공기 덩이가 풍하측 경사면을 따라 하강하면서, 이슬점은 1,000 feet 당 0.5 ℃ 씩 상승하는 반면, 온도는 1,000 feet 당 3 ℃의 비율로 상승합니다. 그러고 다시 (산 기준 오른쪽의) 2,000 feet 부근에서 기온은 23 ℃, 이슬점은 -2 ℃, 상대습도는 33%로 처음 풍상측에서 상승할 때보다 더 건조하고 따뜻해진 상태로 끝이 납니다.
산악 효과는 특히 태평양 북서쪽을 가로질러 서쪽에서 동쪽으로 뚜렷하게 나타나는데, 여기서 남북 캐스케이드 산맥(north-south Cascade Range)은 태평양으로부터 습한 공기의 일반적인 흐름을 가로막습니다. 흐리고 비가 내리는 날씨는 서쪽 경사면에 일반적이며, 반건조성 기후는 동쪽 경사면과 더 동쪽의 지역에서의 특징이 됩니다.
11.4.2. Frictional Effects
북반구에서 지상풍은 마찰력에 의해 고기압으로부터 시계 방향 나선형을 그리며 빠져나오고, 그리고 저기압으로 반시계 방향의 나선형을 그리며 중심부를 향해 들어갑니다. 구름과 강수의 소멸에 도움이 되는 공기가 가라앉고, 압축되고, 따뜻해지는 것을 야기하는 지표면의 고기압으로부터 바람이 빠져나가게 되는 것입니다. 반대로, 충분한 습기를 가지고 구름과 강수의 형성에 도움이 되는 공기의 상승, 팽창, 냉각을 야기하면서 바람은 지표면의 저기압으로 수렴됩니다.
11.4.3. Frontal Lift
전선 상승은 따뜻하고 밀도가 낮은 공기 아래로 차갑고 밀도가 높은 공기가 끼어(파고) 들 때, 상대적으로 더 따뜻한 공기를 더 차가운 공기가 들어 올려버립니다. 이 과정을 *오버러닝(overrunning)이라고 합니다. 따뜻한 공기의 충분한 리프트(lift)와 수분 함량이 주어진다면 구름과 강수량이 형성될 것입니다.
11.4.4. Buoyancy
지면 근처의 공기는 접촉하고 있는 지면의 독점적인 특성에 따라서 다른 속도로 따뜻해질 수 있습니다. 예를 들어, 새로 경작된 밭은 인접한 호수보다 더 빨리 따뜻해지는 것과 같습니다. 이러한 온도 차이는 서로 다른 밀도를 초래하며, 따뜻한 공기가 부력의 역할이 되도록 합니다. 밀도가 높은 차가운 공기는 밀도가 낮은 따뜻한 공기를 하늘로 밀어내는 경향이 있습니다. 대규모로 보면, 가열로 인해 공기가 상승하는 경향과 상승하는 정도를 안정성(stability)이라고 합니다.
- 상승 응결 고도 (LCL, The Lifting Condensation Level) : https://jicho9597.tistory.com/160 참조.
- 풍하측 (leeward) : 바람이 불어 가는 쪽. 바람이 산을 향해 불어 넘어간 산 뒷면 쪽을 풍하측이라 하며, 바람을 맞는 풍상측과 반대되는 개념, 풍상측에 비해 풍량이 잔잔한 것이 특징.
- 풍상측 (windward) : 바람이 불어오는 쪽. 산의 바람받이 측. 바람이 산을 향해 불 때, 바람에 부딪히는 쪽을 풍상측이라 함.
- 비그늘 (rain shadow) : 산맥에서 바람이 불어오는 방향의 반대편 사면에 비가 내리지 않는 건조한 지역. 참고로 산맥의 정상을 넘어 내려가는 건조하고 따뜻한 바람을 푄 바람(현상)이라고 합니다. 또한, 높새바람도 태백산맥을 넘어 서쪽으로 불어 내리면서 푄 현상을 일으켜 고온 건조한 바람으로 부는 것으로 같은 원인으로 발생하는 것입니다. 이름이 다른 이유는 예로부터 북쪽을 ‘높 [高]’ 또는 ‘뒤[後]’, 동쪽을 ‘새[沙]’라고 했습니다. 즉, 높새란 북동쪽을 가리키고, 북동쪽에서 불어오는 바람이라 해서 높새바람으로 이름 붙여진 것입니다. 따라서 비그늘, 푄 현상, 높새바람 등 모두 산악 효과로 인해 발생하는 현상들입니다.
- 오버러닝 (overrunning) : 상승하는 기단이 지표 가까이에 있는 밀도 높은 다른 기단 위에 오른 상태. 주로 온난 전선 또는 준정체 전선의 앞쪽 위에 난기가 올라가는 것을 가리킵니다.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 11-5~7 해석