Introduction to Climatology #4. 수증기

#1. 대기에서 수증기는 크게 4가지 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 다음 각각의 역할에 대하여 설명하시오.

#1-1. 다습한 공기, 즉 혼합 공기는 건조 공기보다 밀도가 낮다.

수증기의 몰 질량은 건조 공기의 몰 질량보다 낮다. 따라서 수증기가 더 혼합된 공기일수록 건조 공기보다 동일 부피 대비 질량이 적으므로 밀도가 낮다. 바로 이 점은 대기가 다습해지면 그 대기의 단위면적당 그 대기 꼭대기까지의 대기기둥의 무게가 감소하는 효과를 내므로, SLP의 감소를 유도하기도 한다.

#1-2. 수증기는 5 ~ 7 마이크로미터 장파를 곧잘 흡수하는 주요한 온실기체로, Blanket Effect를 제공한다.

수증기는 5 ~ 7 마이크로미터의 장파와 긴 장파 영역을 흡수하는 온실 기체로서, 장파 복사를 흡수 및 재방출하여 지구의 온실 효과에 기여한다. 수증기가 많은 지역의 경우 수증기의 지표가 방출하는 장파 복사의 재흡수 및 양 방향의 재방출 때문에 수증기가 없는 경우보다 더 적은 외부로의 장파 복사의 방출이 일어나게 된다. 이 때문에 수증기가 많은 지역은 수증기가 없는 지역에 비해 온난한 효과가 나타나게 되는데, 이를 Blanket Effect (담요 효과)라 한다.

#1-3. 수증기는 구름 형성과 강수 유도에 기여한다.

수증기가 수렴 및 상승하여 응결하는 경우, 물방울이 되어 구름을 형성한다. 이들 구름 입자들이 상호 충돌하거나 어떤 응결핵을 중심으로 응결하면 강수가 유도된다.

#1-4. 구름의 단파에 대한 복사 강제력은 음수, 장파에 대한 복사 강제력은 양수이다.

복사 강제력이란 어떤 대상에 의해 복사 열적으로 지구의 Warming 효과를 낼지 Cooling 효과를 낼지 보여주는 지수라고 할 수 있다. 구름은 단파를 반사 또는 차단하므로 (구름은 그 구름입자의 총 단면적에 비례하는 단파 반사 효과를 보여줌) 구름의 단파에 대한 복사 강제력은 음수 (Cooling에 기여) 이며, 장파에 대한 복사 강제력은 구름과 수증기는 장파를 흡수 및 재방출하므로 구름이 없는 경우에 비해 지구 바깥으로 장파를 덜 내보내므로 가열에 기여, 즉 장파에 대한 구름의 복사 강제력은 양수 (Warming에 기여)이다.

#2. 상층운과 하층운 중에 어떤 구름이 더 지구의 냉각에 기여하는가?

일반적으로 하층운이 지구의 냉각에 더 기여한다. 지구 대기의 온도는 지표에 가까울 수록 높고 고도가 상승할수록 낮은데 (대류권에서만 적용, 그러나 구름은 대류권에서만 형성되므로 유효함; 이는 Heat Source인 지표로부터 멀어지기 때문임) 낮은 고도라 높은 온도를 가지는 하층운은 슈테판-볼츠만 법칙에 의하여 상대적으로 한랭한 상층에 형성되는 상층운에 비하여 방출하는 복사량이 크다. 즉, 하층운이 상층운에 비하여 지구 외부로 방출하는 복사량이 크므로, 상층운은 상대적으로 지구의 Warming에 기여하고, 하층운은 상대적으로 지구의 Cooling에 기여한다.

#3. 이산화탄소, 수증기는 각각 장파의 어느 Band를 흡수하는가? 전체 대기에 의한 장파 흡수 Band의 분포 특성은? 메테인은 왜 온실 기체로 주목받는가?

이산화탄소는 12 마이크로 미터 이상의 장파 Band를 거의 대부분 흡수하며, 수증기는 5 ~ 7 마이크로 미터의 장파 Band와 긴 파장의 장파 Band를 흡수한다. 이들 이산화탄소와 수증기에 의하여 전체 대기에 의한 장파 흡수 Band는 대체로 5 ~ 7 마이크로미터와 12마이크로 미터 이상의 장파를 거의 대부분 흡수하는 형태로 나타난다.

메테인은 상대적으로 이산화탄소나 수증기에 비하면 흡수하는 Band 영역이 작고 흡수율도 높지는 않으나, 최근 증가세가 빨라 주목받고 있는 온실 기체이다.

#4. 지구의 이산화탄소 농도가 Pre-Industrial의 4배가 되는 경우 비습과 상대습도는 각각 어떻게 변하는가?

지구는 이산화탄소 농도가 변해도 상대 습도를 계속 일정하게 유지하려는 성질을 가지고 있다. 이산화탄소 농도가 4배가 되어 지구의 온실 효과의 강화로 기온의 상승이 일어나면, 상대습도의 분모항인 포화수증기량이 늘어나게 된다. 지구는 상대습도를 유지하려고 하므로, 분자항인 비습도 함께 커져야 하기 때문에 전반적으로 전 지구적인 수증기량은 증가한다.

이 증가한 수증기는 또 온실 효과를 일으켜 양성 피드백을 일으킬 것으로 생각되나, 결국은 어느 시점에 이르면 지구는 복사 평형에 도달하기 때문에 결국 양성 피드백에도 불구하고 지구의 기온은 일정 수준으로 유지되는 평형에 도달한다.

#5. 전 지구적 수직적분 수증기량 (PW; Precipitable Water) 과 비습의 분포는 다음과 같은 특징을 가진다. 그 이유는?

#5-1. 저위도에서 PW가 높고, 고위도에서 PW가 낮다.

저위도에서는 무역풍대의 높은 잠열속에 의해 공급된 수증기가 무역풍에 의해 적도 부근으로 수렴하기 때문에 PW가 높다. 고위도의 경우는 기온이 낮으므로 당연히 증발이 적게 일어나 PW가 낮다.

#5-2. 해양에서의 PW가 높고, 대륙에서의 PW가 낮다.

해양에서는 수증기의 공급원이 될 수 있는 수괴가 바로 밑에 있으므로 당연히 수증기 공급이 원활하여 PW가 높다. 대륙은 수증기의 공급원이 될 수 있는 수괴가 강 등 담수원이거나 지상의 적은 수분일 뿐이므로, 수증기 공급이 원활하지 못해 PW가 낮다.

#5-3. 서태평양 지역에서의 PW가 높고, 동태평양 지역에서의 PW가 낮다.

서태평양 지역은 무역풍에 의한 난수 수송과 동안 용승으로 인해 동태평양 지역보다 수온이 높아 증발이 잘 일어나는 것도 있지만, 무역풍에 의한 수증기 수송으로 인해 PW가 높기도 하다.

그런데 서태평양 지역의 높은 PW는 온실 효과를 일으키므로 서태평양 지역의 기온 상승을 유도하고, 이는 다시 높은 PW를 유발하는 양성 피드백이 가능하다. 그러나 높은 PW에 의하여 형성되는 구름의 단파 복사에 대한 복사 강제력의 음의 효과에 의해 이는 상쇄될 가능성도 있다.

#5-4. 저위도의 비습이 고위도보다 높다.

저위도의 경우 무역풍에 의한 수송과 수렴으로 인해 고위도보다 비습이 높다. 또, 저위도의 높은 기온으로 인한 수증기 증발의 증가도 어느 정도 저위도의 높은 비습에 영향을 준다.

#5-5. 비습은 고도가 높아질수록 감소한다.

수증기의 공급처는 주로 지면 또는 수면이므로, Source가 되는 지면 또는 수면으로부터 당연히 멀어질수록 수증기 공급이 원활하지 못해 비습이 감소한다.

#6. 상대 습도는 위도 · 고도별로 다음과 같은 분포 특징을 가진다. 그 이유를 설명하면?

#6-1. 일반적으로 비습이 높은 고도 및 위도에서 상대 습도가 높은 경향이 나타난다.

상대 습도는 비습을 분자항으로 하여 정의되므로, 비습이 당연히 높을수록 상대 습도가 높은 경향이 나타난다.

#6-2. 적도 ITCZ 부근에서는 전반적으로 RH가 높으나, 북 남회귀선 부근 즉 위도 30도 대 부근에서는 RH가 낮다.

적도 부근에서는 수렴대의 발달로 인한 상승 기류의 발달로 단열 팽창 및 냉각이 일어나 RH의 분모항인 포화수증기량은 감소, 비습은 유지되므로 RH가 높은 편으로 나타난다. 반대로 위도 30대 부근에서는 고기압 부근에서의 하강 기류의 발달로 단열 압축 및 승온이 일어나 RH의 분모항인 포화수증기량이 증가, 비습은 유지되므로 RH가 낮은 편으로 나타난다.

#6-3. 지면이 아닌 고도 약 1km 부근서 RH가 Max가 된다.

바로 이 점 때문에 주로 하층운은 고도 약 1km 부근서 형성되는 편이다.

#7. 수증기량(PW) 분포와 지면강수량(PRECT)은 어떤 관계를 가지는가?

일반적으로 수증기량이 많은 지역에서 지면 강수량이 높은 편이나, 이러한 관계는 적도 부근에서만 잘 먹히고 고위도 부근에서는 잘 안 먹힌다. 단, 고위도에서 저기압이 지나는 Storm Track 부근은 예외이다.

수증기량이 많으면 일반적으로 단위면적 대기기둥의 질량 감소로 지상 저기압이 유도되고, 상승 기류의 발달로 대기가 상승하면서 단열 팽창 및 냉각되어 RH의 분모항 감소로 포화 및 응결, 구름 형성과 강수가 유도되므로 수증기량이 많을수록 지면강수량이 큰 편이다.

#8. 전-지구적 잠열속(Latent Heat Flux)의 분포는 다음과 같은 양태를 보인다. 그 이유를 설명하면?

#8-1. 전 지구적으로 잠열속은 양수이다. (음수인 지역이 없다)

전 지구적으로 잠열속은 양수라는 것은, 모든 지역에서 연평균적으로 지상 또는 수면으로부터 대기로 수증기가 공급된다는 것을 지시한다. 대기가 함유할 수 있는 수증기의 최대 량에는 한계가 있으므로, 잠열속이 양수인 것은 PRECT, 즉 지상 강수로 다시 지표로 되돌아간다.

#8-2. 잠열속은 30대 부근 무역풍대에서 높은 편이다.

잠열속은 바람이 강하게 부는 위도 30도대 부근 무역풍대에서 높은데, 일반적으로 잠열속은 바람의 세기가 강할수록, 그리고 해표 부근의 포화 수증기량과 위쪽 대기의 비습의 차이가 클수록 증가하기 때문이다. 이들 위도 30대 부근에서 높은 잠열속에 의해 공급된 수증기는 무역풍에 의하여 ITCZ로 수렴하여 ITCZ의 높은 PW 형성에 기여하며, ITCZ의 수렴에 의한 강한 PRECC와 PRECT 형성에 기여한다.