Introduction to Climatology #5. 현열속 · 잠열속 · 수평운동량속
#1. 현열속(SHFLX, Sensible Heat Flux)이란 무엇인가?
단위 시간 동안 단위 면적을 통해 지표로부터 대기로 올라오는 열량을 현열속이라고 한다. 현열속의 크기는 지표온과 지표 부근 대기온의 기온차에 비례하며, 지표 부근의 풍속에 비례하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- $SHFLX = C_{p} \rho C_{hq} \sqrt{u_{2m}^{2} + v_{2m}^{2}} (T_{g} – T_{2m})$
당연히 현열속의 단위는 $J / m^{2} s = W / m^{2}$이다.
#2. 잠열속(LHFLX, Latent Heat Flux)이란 무엇인가?
단위 시간 동안 단위 면적을 통해 지표로부터 대기로 올라오는 수증기의 잠열량을 잠열속이라고 한다. 잠열속의 크기는 지표 · 해표 부근의 포화 수증기량(이들이 포화되어 있다고 가정)과 지표 부근 대기의 비습의 차이에 비례하며, 지표 부근의 풍속에 비례하므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- $LHFLX = L_{v} \rho C_{hq} \sqrt{u_{2m}^{2} + v_{2m}^{2}} (q_{s, g} – q_{v, 2m})$
당연히 잠열속의 단위는 $J / m^{2} s = W / m^{2}$이다.
#3. 수평 운동량속이란 무엇인가?
단위 시간 동안 단위 면적을 통해 전달되는 대기의 운동량을 수평 운동량속이라 한다. 수평 운동량속은 x방향과 y방향으로 나눌 수 있고, 각각을 UFLUX, VFLUX로 흔히 표현하며 수평 운동량속 역시 각 방향으로의 표층과 지표 부근 대기에서의 풍속 차이에 비례하고 2m 대기의 풍속에 비례하므로 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
- $UFLUX = \rho C_{m} \sqrt{u_{2m}^{2} + v_{2m}^{2}} (u_{g} – u_{2m})$
- $VFLUX = \rho C_{m} \sqrt{u_{2m}^{2} + v_{2m}^{2}} (v_{g} – v_{2m})$
Wind Stress는 $Wind Stress = \sqrt{UFLUX^2 + VFLUX^2}$로 구할 수 있다.
수평운동량속과 Wind Stress의 단위는 모두 $N / m^{2}$이다.
#4. 현열속은 전 지구적으로 다음과 같은 분포 특징을 가진다. 그 이유를 각각 설명하면?
#4-1. 남반구와 북반구 모두 여름의 경우 대륙에서 현열속이 높고, 겨울의 경우 대륙에서 상대적으로 낮은 현열속을 보인다.
현열속은 지표와 2m 고도 대기온 사이의 온도차에 영향을 받는다. 여름 반구의 경우 비열이 낮은 대륙은 태양복사선속밀도에 의하여 복사 가열되어 2m 대기보다 높은 표면온을 가지게 되므로 큰 양수값을 가지게 된다. (지표로부터 대기로 현열 유입) 반대로, 겨울 반구의 경우 비열이 낮은 대륙은 낮은 태양복사선속밀도에 의해 복사 냉각되므로 2m 대기보다 낮은 표면온을 가지게 되어 음수 값을 가지게 된다.
#4-2. 북반구 겨울철 (DJF) 한반도와 일본 부근의 해역에서 현열속이 높다.
북반구 겨울철 한반도와 일본 부근 해역은 시베리아 고기압의 영향으로 인해 북서 계절풍에 노출된다. 북서 계절풍이 강하게 불어 대륙의 상대적으로 한랭한 공기가 온난한 해양으로 유입되므로, 풍속도 강하며 해양 위에서 2m 고도 대기온과 표층온의 차이가 커지게 된다. 이 때, 현열속은 당연히 더욱 커질 수밖에 없다.
#4-3. 북반구 여름철 (JJA) 한반도와 일본 부근 해역에서 현열속이 낮다.
북반구 여름철 한반도와 일본 부근 해역은 북태평양 고기압의 영향으로 인해 남동 계절풍에 노출된다. 남동 계절풍이 강하게 불어 저위도 해역의 상대적으로 온난 다습한 공기가 한반도와 일본 부근의 해역으로 유입되는데, 오히려 이 경우는 2m 부근의 이류로 인한 온난 대기의 기온이 표층 기온보다 높아 반대로 대기로부터 표층으로 열이 전달되므로 현열속이 낮고 음수를 보인다.
#5. 잠열속은 전 지구적으로 다음과 같은 분포 특징을 가진다. 그 이유를 각각 설명하면?
#5-1. 잠열속은 전 지구적으로 양수를 보인다. 음수인 영역이 없다.
전 지구적으로 수증기는 연평균적으로 지표나 해표로부터 증발하여 대기 중으로 유입되기 때문이다. 물론 대기가 최대로 함유할 수 있는 수증기에는 한계량이 있으므로 (포화 수증기량) 이들 전지구적으로 양인 잠열속에 의한 수증기의 공급은 지면 강수(PRECT)의 형태로 다시 지표로 되돌아가며 물의 순환을 이룬다.
#5-2. 중위도 지역의 무역풍대에서 높은 잠열속이 관찰된다.
위도 30도와 0도 사이의 무역풍대는 고기압계에 의한 북동 무역풍과 남동 무역풍이 강하게 분다. 잠열속은 표층 부근의 풍속에 비례하므로, 강한 바람이 해표 위로 불어가며 저 · 중위도이므로 기온도 높아 상대적으로 해표 부근의 포화 수증기량도 많기 때문에 비교적 높은 잠열속이 관찰된다. 이들 무역풍대에서의 높은 잠열속은 이 부근의 무역풍에 많은 수증기를 공급하고, 결과적으로 적도의 무역풍 수렴 지대인 ITCZ에서 높은 PW가 관측되도록 한다.
#5-3. 대체로 잠열속은 대륙보다는 해양에서 높게 관찰된다.
수증기의 Source는 대륙보다는 아예 수괴인 해양이 더 좋은 Source가 되기 때문이다.
#5-4. 일본-한반도 부근 해역의 경우 북반구 겨울철 (DJF) 에는 잠열속이 높게 나타나지만, 북반구 여름철 (JJA)에는 잠열속이 상대적으로 낮게 나타난다.
이 지역은 북반구 겨울철의 경우는 시베리아 고기압으로 인한 북서 계절풍의 발달로 강한 바람이 불며, 또한 대륙의 한랭건조한 기단이 온난다습한 해양 위로 유입되므로 2m 고도의 대기의 비습과 해표 부근의 포화 수증기량의 차이가 커지므로 높은 잠열속이 나타난다. 반대로, 북반구 여름철의 경우는 북태평양 고기압으로 인한 남동 계절풍의 발달로 강한 바람이 불며, 또한 저위도의 온난다습한 기단이 대륙이나 상대적으로 한랭다습한 해역 위로 유입되므로 잠열속이 높게 나타나지는 못한다.
#6. 전지구적 LHFLX의 월변동은 PRECT와 유사하다. 그 이유는?
지구 대기가 최대로 함유할 수 있는 수증기량에는 한계가 있기 때문에, 당연히 상대적으로 수증기 공급이 많을수록 반대로 지표로 되돌려주는 강수량이 증가할 수밖에 없다.
