12.4. Processes that Change Atmospheric Stability
대기 안정성의 변화는 높이에 따른 온도(밀도) 변화와 반비례합니다. 만약 기온 감률이 증가한다면 안정성은 감소하게 됩니다. 반대로, 기온 감률이 감소한다면 안정성은 증가하게 됩니다. 이러한 변화들의 대부분은 공기의 움직임의 결과로 발생하지만, 일주(낮과 밤의) 온도 변화{diurnal (day/night) temperature variation)가 중요한 역할을 할 수 있습니다.
12.4.1. Wind Effects on Stability
바람은 기온 감률을 변화시킴으로써 대기의 기층(공기 기둥, column of air)의 안정성을 변화시키는 역할을 할 수 있습니다. 바람이 차가운 공기가 기층의 (찬 공기의 이류) 바닥으로 및/또는 따뜻한 공기가 기층의 (따뜻한 공기의 이류) 꼭대기로 흐르면 안정성이 증가합니다. 반대로, 따뜻한 공기가 기층의 바닥으로 및/또는 차가운 공기가 기층의 꼭대기로 흐른다면 안정성은 감소하게 됩니다.
12.4.2. Vertical Air Motion Effects on Stability
대기 중의 기층이 가라앉을 경우 더욱 안정적이게 될 것입니다. 기층이 가라앉음에 따라서 대기의 무게에 의해 압축되고 수직으로 수축하게 됩니다. 그러면서 단열 압축으로 인해 전체적으로 층이 따뜻해질 것입니다. 그러나 기층의 윗부분이 더 멀리에서 가라앉기 때문에 아래쪽 부분보다 더 따뜻해질 것입니다. 이러한 과정은 기온 감률을 감소시키고 안정성을 증가시켜줍니다.
반대로, 대기 중의 기층이 상승할 때 덜 안정적일 것입니다. 기층이 상승할 때, 공기 밀도의 빠른 감소는 기층을 수직으로 길게 늘어지게 합니다. [Table 11-1]에서 볼 수 있듯 층(layer)이 불포화 상태로 유지되는 한, 전체 층은 건조 단열 감률로 냉각될 것입니다. 스트레칭 효과(stretching effect)로 인해 기층 상단의 공기가 기층 하단의 공기보다 더 많이 차가워지게 됩니다. 이러한 과정은 기온 감률을 증가시키고 안정성을 감소시킵니다.
상승하는 기층에서 기층 하단의 공기가 상단의 공기보다 상대 습도가 더 높을 때 덜 안정적일 것입니다. 공기가 위로 이동함에 따라, 바닥 부분은 먼저 포화 상태가 되고 작은 비율의 습윤 단열 감률로 차가워집니다 (https://jicho9597.tistory.com/160 참조). 이로 인한 효과는 기층 내에서 기온 감률을 증가시키고 안정성을 감소시키는 것입니다. 이 과정을 *대류 불안정(convective instability)이라고 부르며 뇌우의 발달과 관련 있습니다.
12.4.3. Diurnal Temperature Variation Effects on Stability
일주(낮과 밤) 온도 변화는 대기 안정성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 낮 시간에 지표면에 대한 가열은 기온 감률을 증가시키고 안정성을 감소시킵니다. 반대로, 밤 시간에 지표면에 대한 냉각은 기온 감률을 감소시키고 안정성을 증가시킵니다. [Table 2-3]에서 확인할 수 있듯, 공기는 열 전도성이 낮기 때문에 일주 온도 변화는 낮은 대류권에서 가장 뚜렷하게 나타납니다.
일주 온도 (그리고 안정성) 변화의 크기는 주로 지표면의 유형, 위도, 하늘의 상태(예, 구름 및 오염물질), 대기 중 수증기 함량, 및 풍속의 영향을 받습니다. 낮은 위도에서, 맑은 하늘, 건조한 공기, 가벼운(약한) 바람과 함께, 육지에서의 온도 변화는 최대가 됩니다. 반대로, 높은 위도, 흐린 하늘, 습한 공기, 강한 바람과 함께, 큰 규모의 수역에서의 온도 변화는 최소가 됩니다.
12.5. Measurements of Stability
대기의 안정성과 대류 폭풍(convective storm)의 가능성을 평가하는 여러 안정성 지수 및 기타의 것들이 존재합니다. 이들 중 가장 흔한 것은 LI(Lifted Index)와 CAPE(Convective Available Potential Energy)입니다.
12.5.1. Lifted Index
LI(치올림 지수 또는 상승 지수)는 대기 중 주어진 압력(보통 500mb)에서 주변 환경의 온도와 단열적으로 상승한 공기 덩이(보통 지표면에서)의 온도 차이입니다. 양의 값은 안정적인 기층을, 음의 값은 불안정한 기층을, 그리고 0의 값은 중립적으로 안정적인 기층을 나타냅니다. 양(음)의 LI 값이 커질수록, 기층은 안정적(불안정적)이게 됩니다.
LI는 일반적으로 뇌우 예측에 사용됩니다. 그러나 보통 CAPE는 우세한 불안정성 측정(superior measurement of instability)으로 여겨집니다. 그러나 LI는 컴퓨터를 사용하지 않고 더 쉽게 확인할 수 있습니다.
12.5.2. Convective Available Potential Energy
CAPE(대류 가용 잠재 에너지)는 상승하는 공기 덩이에서 대류를 위해 사용할 수 있는 최대 에너지 양입니다. CAPE는 환경의 온도 프로파일과 공기 덩이가 이전의 따뜻한 층 위로 상승하는 경로 사이에 둘러싸인 영역에 수치로 표현됩니다. 단위는 공기의 킬로그램당 줄 (J/kg)입니다. 0(J/kg) 보다 큰 값은 뇌우의 가능성과 불안정성을 나타냅니다.
CAPE는 상승기류 내에서 최대 잠재 수직 속도와 직접적으로 관련되어 있습니다. 따라서, 더 높은 값은 더 강한 상승 기류의 가능성을 나타냅니다. 뇌우의 환경에서 관측되는 값은 보통 1,000(J/kg) 이상이며, 극단적일 경우 5,000(J/kg)을 초과할 수 있습니다.
12.6. Summary
대기 안정성은 공기의 수직 운동에 영향을 미침으로써 날씨에 영향을 미칩니다. 다음에 이어질 13장에서는 안정성이 구름과 강수 유형을 결정하는 방법에 대해 다룰 것입니다.
- 대류 불안정 (convective instability) : 대기의 연직 운동을 일으키는 부력이 대기의 연직 운동을 방해하는 점성력 보다 클 때. 따뜻한 공기가 하부에 있고 차가운 공기가 상층에 존재할 때 온난 공기가 상승하고 차가운 공기가 하강하여 질량에 따른 공기가 재배분이 일어나는 것을 말합니다.
- 상승지수 혹은 치올림 지수 (lifted index) : 대기의 연직 안정도를 나타내는 지수 중 한 가지로 하부 대류권의 안정도를 분석하는데 이용된다. 일반적으로 어느 한 입자가 지표 부근의 하층에서 단열 과정에 의해서 상승할 경우의 가상 온도와 주변 대기의 온도를 비교함으로 인해 그 입자가 계속해서 연직 상승을 할 수 있는지를 추정하여 대기의 안정도를 유추하는 방법입니다.
- 대류 가용 잠재 에너지 (convective available potential energy) : 공기 덩이가 상승할 때 사용될 수 있는 최대 에너지. 포화된 공기가 주변 공기보다 가벼워 구름을 발달시키면서 상승하는 대류성 구름 발달을 계산하기 위한 값으로 사용되며, 부력 에너지라고도 불리며 상승 운동의 가능성을 나타낸다고 정의할 수 있습니다.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 12-7~11 해석