2.8.1~3. Temperature Variations with Altitude / Atmospheric Sounding / Isothermal Layer / Temperature Inversion

2.8. Temperature Variations with Altitdue

 기온 감률은 높이에 따른 온도의 감소로 정의됩니다. [Table 1-2 https://jicho9597.tistory.com/130]를 보면 표준 대기에서는 1km 당 6.5 ℃(1,000 feet 당 3.57℉) 감소한다고 이야기했던 적이 있습니다. 하지만 이것은 평균이기 때문에, 정확한 값은 거의 존재하지 않다는 걸 참고하시길 바랍니다. 사실, 대류권의 온도는 때때로 일정하게 유지되거나 심지어 높이에 따라 증가하기도 합니다. 표준 기온 감률을 사용하여 빙결 고도(freezing level)를 추정할 때 주의해야 합니다. 꽤 자주 경계층이 건조한 단열층(dry adiabatic layer)이며 빙결 고도의 추정치는 오류가 있을 수 있습니다.

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2.8.1. Atmospheric Sounding

 Atmospheric Sounding, 쉽게 이야기하면 Sounding은 고정된 위치 위에서의 온도, 이슬점 또는 바람과 같은 하나 이상의 대기 매개변수의 수직 프로파일(profile)의 구성입니다. Sounding은 기상학자에 의해 대기의 상태를 결정하기 위해 광범위하게 사용됩니다. (최하단에 추가적으로 설명해놨습니다.)

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2.8.2. Isothermal Layer

 아래 [Figure 2-8]과 같이 등온층은 온도가 높이에 따라 일정하게 유지되는 대기권 내의 층입니다. 

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2.8.3. Temperature Inversion

 기온 역전, 또는 간단히 역전은 고도에 따라 온도가 증가하는 층입니다. 만약 기온 역전의 시작 부분이 지표면에 있다면, 그것은 지표면 기반 역전(surface-based inversion)이라고 불립니다. 만약 기온 역전의 시작 부분이 지표면에 있지 않다면, 그것은 위쪽에 있는 상층 역전(inversion aloft)이라고 불립니다.

 지표면에 기초한 역전은 일반적으로 바람이 가벼운 맑은 밤에 육지 위에서 발달합니다. 육지는 대기보다 훨씬 빠르게 복사되고 식습니다. 육지와 접촉하고 있는 공기는 차가워지는 반면에 몇 백 피트 위의 온도는 아주 조금 변하게 됩니다. 따라서, 온도는 높이에 따라 증가하게 됩니다.

 역전은 또한 조건이 좋을 때 어느 고도에서도 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 지표면 근처에서 차가운 공기를 타고 하늘 높이 흐르는 따뜻한 공기는 상층 역전(inversion aloft)을 발생시킵니다. 

 역전층의 주요 특징은 눈에 띄는 안정성으로, 그 안에서는 매우 약한 난류가 발생할 수 있습니다. 

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• 기온 감률(lapse rate of temperature) : 대기 중에서는 위로 높이 올라갈수록 기압이 낮아지므로, 상승하는 기단은 팽창하고 온도는 하강하게 됩니다. 고도 상승에 따른 온도의 변화율을 기온 감률이라고 합니다. 대류권 내의 기온 감률은 약 6.5℃/km(표준 온도 체감률에 의한 온도 변화는 대략 1,000 feet 당 2℃씩 감소)입니다.
• 건조 단열 감률(drying adiabatic lapse-rate) : 공기 덩이(air mass or air parcel https://jicho9597.tistory.com/127)가 팽창하여 대기로 단열적(외부와 열을 주고받지 않는 상태에서 혹은 수증기 응결을 일으키지 않는 상태)으로 상승할 때 강하하는 온도의 비율을 말합니다. 단열이라는 조건이 붙는 이론적인 기온 감률로, 이것을 기준으로 실제의 기온 감률과 비교하여 대기 안정도를 알 수 있습니다.
• 빙결 고도 또는 결빙 고도(freezing level) : 어떤 지역의 대기의 온도가 0℃가 도달할 때의 가장 낮은 지상으로부터 높이(고도)를 말합니다. 
• Atmospheric Sounding : 대기 측정(atmospheric sounding) 또는 대기 프로파일(atmospheric profile)이란 압력, 기온, 풍속 그리고 풍향(windshear를 발생시키는 것들), 액체 상태의 물 함유량(수액량), 오존 농도, 오염, 및 기타 특성 등과 같은 대기 기둥의 물리적인 특성에 대한 수직 분포를 측정한 것입니다. 이러한 측정은 원격 감지 및 상황 관찰을 포함한 다양한 방법으로 수행됩니다. 가장 흔한 측정(sounding)은 라디오존데인데, 보통 기상 관측 기구이지만 로켓 존드일 수도 있습니다. 원격 감지는 일반적으로 수동 적외선 복사계(radiometer) 및 마이크로파 복사계(radiometer)를 사용합니다. 종류로는 [공중 기구(airborne instruments)], [지상 시설(surface stations)], [AIRS 및 AMSU와 같은 지구 관측 위성 기구(Earth-observing satellite instruments such as AIRS and AMSU)], [화성 정찰 위성의 화성 기후 경보 발생기와 같은 다른 행성의 대기 관측(observation of atmospheres on different planets, such as the Mars climate sounder on the Mars Reconnaissance Orbiter)] 등이 있습니다. Atmospheric Sounding은 우리말로 어떻게 표현을 해야 할지 감이 잡히지 않는데 그냥 대기 측정이라 생각하시면 편하실 것 같습니다. 
• 라디오존데(radiosonde) : 전파를 이용한 기상 관측 기계 중 하나입니다. 대기 상층의 기상 상태, 대기 중의 자외선, 우주선 따위를 관측하여 기구(氣球), 로켓 따위에 장치한 작은 무선 송신기로 지상에 송신합니다. 1회용 측정기기입니다.
• 로켓존데(rocketsonde) : 낙하산이 강하하는 동안에 대기의 상태를 측정하며 기구나 항공기보다 높은 고도까지 쏘아 올릴 수 있다는 장점이 있습니다. 쏘아 올린 낙하산은 회수합니다.
• 등온층(Isothermal Layer) : 높은 공중의 기온이 변화하지 않는 공기의 층을 말합니다. 특히 성층권의 하부에서 형성되는 일이 많습니다.
• 기온 역전(temperature inversion) : 보통 기온은 지상으로부터 높이 증가에 따라 감소하나, 반대로 높이 증가에 따라 기온이 증가하는 경우가 있습니다. 이를 기온 역전이라고 합니다. 주로 봄이나 가을, 이동성 고기압의 영향으로 날씨가 맑고 바람이 적은 날 새벽에 발생합니다. 이때 지표면에 복사냉각(radiational cooling)이 잘 이루어져 기온이 빠르게 내려가기 때문으로, 즉, 새벽에 지표면이 차가워질 때 그 영향으로 지표면 위의 공기도 차갑게 식어 오히려 상층에 있는 공기의 기온보다 내려감으로써 대기 하층부의 기온이 상층부보다 낮아지는 현상이 발생되는 것입니다. 역전층 내의 대기는 무거운 찬 공기가 아래에 있고, 상대적으로 가벼운 따뜻한 공기가 위에 있어 대류현상이 발생하지 않기 때문에 안정적입니다. 대기가 안정되어 있는 것은 인간 생활에는 여러 가지 피해를 가져올 수 있습니다. 먼저, 대기가 순환되지 않음으로써 대기오염물질 또한 정체된다는 점입니다. 따라서 공장의 매연 등 여러 오염 물질들이 정체되고 스모그와 같은 대기오염이 심해질 수 있습니다. 또한 이른 봄이나 늦가을에는 기온역전에 의해 지표면 부근의 기온이 내려가고 이로 인해 서리가 발생하는 등 농작물의 냉해를 가져올 수도 있습니다. 역전층은 새벽 또는 아침까지 발생하다가, 해가 뜨고 지면이 데워지면서 기온이 올라가면 보통 자연적으로 사라집니다. 또는 외부로부터 바람이 유입될 때 공기가 순환하고 섞이면서 역전층이 사라지기도 합니다.
  
  

※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 2-11~13 해석