대기과학(Atmospheric Science) 문답 #11. Mesoscale Storms. Part I
#1. 뇌우란 무엇인가?
강한 강수, 돌풍, 번개와 천둥을 동반한 악기상 현상이나 이러한 악기상을 발달시키는 적란운을 뇌우라고 한다.
#2. 뇌우는 어떤 조건 하에서 발달하는가?
뇌우가 발달하기 위해서는 강한 상승 기류가 필요하고, 강한 상승 기류가 발달하기 위해선는 불안정한 대기와 상승 요인이 필요하다.
불안정한 대기의 경우 하층이 상대적으로 온난하거나 수증기가 많은 경우 발달할 수 있다.
상승 요인은 다양하지만 두 가지 정도를 들어볼 수 있다.
- 지형지물에 의한 강제 상승
- 국지적 지표 가열에 의한 열기포 형성과 상승
위와 같이 불안정한 대기 조건에서 상승 요인이 존재하여, 강한 상승 기류가 발달하는 경우, 강한 연직운인 적란운이 형성될 수 있으며 이는 뇌우의 발달로 이어진다.
#3. 연직 바람 시어란 무엇인가?
연직적인 풍향과 풍속의 차이를 연직 바람 시어라 한다.
#4. 연직 바람 시어의 세기와 뇌우의 강도 · 규모 · 지속시간은 어떤 관계가 있으며, 왜 그러한가?
일반적으로 연직 바람 시어의 세기가 셀수록 뇌우의 강도 · 규모 · 지속시간은 증가한다.
일반적으로 연직 바람 시어의 세기가 센 경우, 상승 기류가 더 많이 기울어지게 되며, 더 센 상승기류가 발달할 수 있다. 따라서 더 강한 상승기류에 의하여 더 큰 규모의 뇌우가 형성될 수 있으며(단세포 뇌우 → 다세포 뇌우 → 초대형세포 뇌우), 따라서 그 강도도 커지고 지속 시간도 길어질 수 있다.
#5. 뇌우 세포는 크게 3종류로 구분한다. 각각은 무엇인가? 각각을 간단히 정의하면?
뇌우 세포는 다음의 3종류로 구분할 수 있다.
- 단세포 뇌우: 하나의 적란운으로 세포가 구성된 뇌우
- 다세포 뇌우: 여러 개의 발달 단계가 다른 뇌우 세포로 구성된 뇌우
- 초대형세포 뇌우: 단 하나의 거대 규모의 뇌우 세포로 구성된 뇌우
#6. 단세포 뇌우란 무엇인가? 단세포 뇌우는 어떤 조건에서 발달하며, 그 지속시간과 규모, 위험성은 어떠한가?
하나의 적란운으로 세포가 구성되어 있는 뇌우를 단세포 뇌우라 한다. 단세포 뇌우는 주로 바람이 약하거나 약한 연직 바람 시어 속에서 강한 상승 기류가 발달하는 경우에 일어나며, 그 지속시간은 짧고 규모도 작다. 따라서 위험 기상은 별로 동반하지 않는 경우가 많다.
#7. 단세포 뇌우는 적운 단계, 성숙 단계, 소멸 단계의 3단계를 거친다. 각각의 단계에서 뇌우 전역의 기류, 강수, 발달 원인을 설명하면?
단세포 뇌우는 그 발달 단계에서 적운 단계, 성숙 단계, 소멸 단계의 3단계를 거친다.
#7-1. 적운 단계
적운 단계는 단세포 뇌우의 발달 단계 중 초기 단계로, 뇌우 전역에서 상승 기류가 지배적이며, 상승 기류를 따라 상승한 공기는 단열 팽창 및 냉각되어 구름을 형성한다. 상승 기류가 강하므로 연직운 중 적운이나 적란운이 형성되게 된다.
적운 단계에서는 아직 강수가 발달하지는 않는다.
#7-2. 성숙 단계
성숙 단계는 단세포 뇌우의 발달 단계 제2단계로, 뇌우 전역에서 상승 기류와 하강 기류가 혼합되어 나타나며, 강수가 나타난다. 한랭한 하강 기류는 지면의 온난 공기와 돌풍을 동반하는 돌풍 전선을 형성하기도 한다.
성숙 단계의 단세포 뇌우에서 하강 기류가 나타나는 이유는 강수 항력의 효과와 강수 형성의 빙정 과정에서 과냉각 물방울의 증발에 따른 기화열 흡수가 유력하게 손꼽힌다.
강수 항력 효과는 낙하하는 물방울의 경우 후류효과에 의하여 주변 공기까지 같이 끌고 내려가는 효과이고, 강수 형성시 빙정 과정에서 과냉각 물방울이 증발함에 따라 기화열이 흡수되어 전반적으로 공기가 냉각되어 밀도가 증가하는 것도 하강 기류의 형성에 주요하게 기여함이 알려져 있다.
#7-3. 소멸 단계
소멸 단계는 단세포 뇌우의 발달 마지막 단계로, 뇌우 전역에서 하강 기류가 지배적으로 나타난다. 상승 기류가 약화되어 강수가 내릴 만큼 내린 이후, 운저부터 소멸하여 상층운과 모루 구름만이 남는 단계이다.
뇌우가 소멸 단계에 이르는 주된 원인은 상승 기류의 약화이다. 상승 기류의 약화 요인으로는 뇌우 발달에 따른 다음의 3가지 요인을 지목할 수 있다.
- 강수에 의한 냉각
- 하강 기류의 발달 (+ 한랭한 하강기류)
- 뇌우 구름에 의한 일사 차단으로 인한 복사 냉각
위 3가지 요인, 즉 뇌우가 성숙 단계에 이르면서 하강 기류가 발달하며, 강수로 인하여 지표가 냉각되고 또한 뇌우운으로 인하여 지표가 복사 냉각되면서 상승 기류가 크게 약화되므로 뇌우는 곧 소멸 단계에 이르는 것이라 할 수 있다.
#8. 여름철 오후에 줄곧 발생하는 뇌우는 보통 갑자기 어두워지고, 돌풍이 분 이후, 강수가 내린다. 이것을 단세포 뇌우의 형성 과정과 연관지어 어떻게 설명할 수 있는가?
성숙 단계의 단세포 뇌우가 접근하는 경우, 우선 상부의 모루구름이 지역에 접근함에 따라 일사가 차단되어 갑자기 어두워진다.
이후 돌풍 전선이 도달함에 따라 갑자기 지역에 돌풍이 관측되게 된다.
마지막으로 강수대가 도달함에 따라 지역에 강한 강도의 강수가 내리게 된다.
#9. 성숙 단계의 단세포 뇌우의 경우, 모루 구름이나 돌풍 전선이 형성되기도 한다. 각각은 무엇이며, 어떻게 형성되는가?
#9-1. 모루 구름
뇌우가 형성될 때, 그 강한 상승 기류가 대류권 계면까지 도달하는 경우, 대류권 계면 상부의 성층권은 절대 안정하므로 상승 기류는 더 이상 상승하지 못하고 옆으로 퍼지게 되는데, 이 옆으로 퍼지는 기류에 의하여 상부에서는 옆으로 퍼진 모루형의 구름이 형성되게 된다.
이 구름을 모루 구름이라고 한다.
#9-2. 돌풍 전선
성숙 단계의 뇌우에서는 한랭한 하강 기류가 발달한다. 지표에 도달한 하강 기류는 지표의 상대적으로 온난한 공기와 만나 전선을 이루게 되는데, 이를 돌풍 전선이라 한다.
일반적으로 돌풍 전선은 전선을 경계로 양쪽의 기압차가 상당하므로 돌풍을 동반한다. 가끔 돌풍 전선의 규모가 어느 정도 큰 경우는 돌풍 전선을 따라 상승한 공기가 선반 구름을 형성하기도 한다.
#10. 다세포 뇌우는 무엇이며, 언제 발생할 수 있는가? 그 규모, 강도, 지속 시간은 어떠한가?
발달 단계가 다른 여러 개의 뇌우 세포로 구성된 뇌우를 다세포 뇌우라 한다. 일반적으로 다세포 뇌우는 강한 상승 기류가 존재하면서, 연직 바람 시어가 강한 조건에서 발달할 수 있다.
일반적으로 다세포 뇌우는 그 규모와 강도, 지속시간이 모두 단세포 뇌우보다는 큰데, 연직 바람 시어가 강하기 때문에 보다 기울어지고 강한 상승 기류가 발달하여 보다 오랫동안 유지될 수 있기 때문이다.
#11. 다세포 뇌우에서는 선반 구름, 두루마리 구름, 오버슈팅 구름, 유방 구름 등의 구조가 발달할 수 있다. 각각은 무엇인가?
선반 구름은 돌풍 전선 전면을 따라 상승하는 공기에 의하여 발달하는 선반형의 구름을 말한다.
두루마리 구름은 돌풍 전선 후면부에 하강 기류가 형성하는 맴돌이류에 의하여 발달하는 두루마리 혹은 베개 형태의 구름을 말한다.
오버슈팅 구름은 다세포 뇌우의 상승 기류가 강하여 대류권 계면 위의 절대 안정한 역을 살짝 넘어 발달하는 경우의 구름을 말한다.
유방 구름은 다세포 뇌우의 뇌우 측면 하부에 부착된 형태로 발달하는 동글동글한 구름을 말한다.
#12. 초대형세포 뇌우는 무엇이며, 언제 발생할 수 있는가? 주로 어떤 지역에서 형성되는가? 그 피해 정도는 어떠하며 왜 그러한가?
초대형세포 뇌우는 단 한 개의 매우 거대한 뇌우 세포로 구성된 뇌우이다. 이러한 초대형 세포 뇌우는 매우 강한 연직 바람 시어와 매우 불안정한 대기 조건에서야 형성될 수 있다.
한반도에서는 이러한 초대형세포 뇌우가 발달할 조건은 잘 갖추어지지 않으며. 이러한 초대형 뇌우 세포는 보통은 미국 대평원 지역에서 줄곧 발달하곤 한다.
초대형 세포는 그 규모가 어마무시하며, 연직 규모도 커서 큰 우박과 강한 돌풍, 강수 등의 악기상을 동반하며, 토네이도를 동반하기도 하면서 그 피해가 극심하다.
