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일기와 전선
기상 관측 기기 날씨와 컴퓨터
 일기와 전선 |
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| 날씨
또는 일기(日氣)는 우리들의
생활과 밀접한 관계가 있다. 일기는 어느 시각에서 기상의 종합
적인 상태를 말하며, 이를 지배하는 기상 요소는 기압, 기온, 습도,
풍향, 풍속, 구름의 양과 형태, 강수량 등이다. 대류의 순환에
의하여 남쪽 바다로부터 온난 다습한 거대한 공기
덩어리 (air mass)가 북쪽으로 이동하고, 또한
북쪽으로부터 찬 공기가 남쪽으로 이동한다. 성질이
균질한 거 대한 공기 덩어리를 기단(氣團)이라고 하는데
공기의 물리적 성질, 즉 기온, 습도, 밀도 등이 비슷하다.
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그림 20. 기단의 종류. |
기단은 발생지의 열적 특성에 따라 열대(T, tropical)와 한대(P,
polar)로 구분하고 발원지의 종류에 따라 해양성(m,
marine) 혹은 대륙성(c, continent)으로
분류된다 (그림 20). 예를 들어,
열대 해상에서 형성된 기단은 해양성 열대 기단으로 mT라 표시하며
대륙의 고위도 지방에서 형성된 기단은 대륙성 한대 기단, 즉 cP이다.
각 기단의 특징은 열대 기단은 따뜻하고, 한대 기단은 차갑고, 해양 기단은 습하고 그리고 대륙 기단은 건조하다. 이 때, 성질이 서로 다른 기단이 만나게 되면 기단 사이에 불연속면이 생긴다. 이 불연속면을 전선(前線)이라 한다. |
 전선(前線)
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그림 21. 전선의 발달과정을 보여주는 전선의 수직 단면도. A: 한랭전선과 온난전선, B: 정체전선, C: 폐색 전선. |
전선은 어느 기단이 전진(front)하고
있는가에 따라 분류된다 (그림 21).
온난 기단을 밀면서 한랭 기단이 전진하게 되면 차가운 한랭 기단이 상대적으로 무거우므로 온난 기단 아래로 파고들어 갈 때, 이 두 기단의 불연속면을 한랭 전선 (cold front)이라 부른다. 한랭 전선에서는 따뜻한 공기가 수직으로 상승하여 두터운 비구름이 형성되어 좁은 지역에 소나기가 오고 뇌우를 동반하는 경우가 많다. 반대로 온난 기단이 전진하며 한랭 기단을 밀게 되면 온난 전선(warm front)이 형성된다 (그림 21A). 온난 전선에서는 따뜻한 공기가 한랭 기단의 경계면을 따라 서서히 상승하게 되는데, 이 경우는 넓은 지역에 얕은 구름이 퍼지게 되며 적은 양은 비 혹은 눈이 내리게 된다. 두 기단이 만난 상태에서 머무르게 될 때의 전선을 정체 전선 (stationary fornt)이라 부르고, 여름의 장마 전선은 여기에 해당된다 (그림 21B). 정체 전선에서는 폭넓은 비구름으로 인하여 전선이 머무르는 동안 계속해서 비가 오게 된다. 한랭 전선은 진행 방향에 대하여 온난 전선 뒤에 놓이면서 그 이동 속도가 빠르기 때문에 온난 전선을 추월하여 그 아래로 파고들 경우, 이를 폐색 전선 (occluded front)이라 한다 (그림 21C). 이 전선에서는 기단이 상하로 분리되면서 아래에서는 찬 기단이, 따뜻한 기단은 상공에 남게 된다. 따라서 동일한 공기에 의한 층이 형성되면서 전선이 소멸된다. |
| 고기압과
저기압 |
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그림 22. 고기압과 저기압의 모식도. |
일반적으로 고기압이
발달하는 지역은 날씨가 좋고, 저기압이
발달하는 지역에서는 구름이 많이 생겨 비가 올 때가 많다. 고기압은 주위보다 기압이 상대적으로 높을 곳을 말하며, 원형으로 된 등압선의 중심부가 가장 기압이 높다. 바람은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 공기가 이동하는 현상이며 등압선의 간격이 좁을수록, 즉 기압차가 클수록 바람의 세기는 강해지고, 등압선의 간격이 넓을수록 바람은 약해진다. 북반구에서는 고기압에서는 시계 방향으로 바람이 불어 나가고, 반대로 저기압에서는 반시계 방향으로 불어 들어가게 된다 (그림 22).
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그림 23. 기압과 날씨. A: 맑은 날씨(고기압), B: 흐린 날씨(저기압). |
고기압이 발달하는 지역은 밀도가 큰
공기에 의해 하강 기류가 생기고,
그로 인하여 단열 압축을 하기
때문에 온도는 올라가게 된다. 그리하여 상대 습도가 감소되어
구름이 수증기로 변하게 되어 날씨가 맑아진다. 이와는 반대로 주위보다 기압이 낮은 저기압에서는 상승 기류가 발생한다. 이 때 공기가 상승하면서 단열 팽창을 하기 때문에 온도가 떨어지게 되고 상대 습도는 증가하게 된다. 따라서 대기 중의 수증기가 응결되어 구름을 이루게 되고 결국 비가 되어 하강한다 (그림 23).
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그림 24. 온대성 저기압과 발달과 소멸. |
보통 저기압이라 하면 온대성
저기압을 말하며 이것은 한랭 기단과 온난 기단의
접촉부에서 생기는데 겨울보다는 여름에 많이 발생한다. 온대성
저기압의 일생은 다음과 같다 (그림 24). (A) 두 기단에 서로 반대 방향의 기류가
나타나 정체 전선 형성하고, |
| 열대성
저기압 |
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그림 25. 태풍의 발생장소와 이동 경로. |
열대성 저기압은
여름철에 적도 부근 해역에서 강한 태양열을 받아 열 에너지를 많이
포함한 수증기가 증발하고, 그 상승 기류가 원인이 되어 저기압이
형성된다. 북태평양 남서부인 필리핀 부근 해역에서 발생하여 동북 아시아를 내습하는 태풍 (typoon), 서인도 제도에서 발생하여 플로리다를 포함한 미국 동남부를 피해를 주는 허리케인 (hurricane), 인도양에서 발생하여 그 주변을 습격하는 사이클론 (cyclon) , 호주 동쪽 해상에서 발생하는 윌리윌리 (willy willy) 등은 열대성 저기압의 대표적인 것으로 폭풍우를 동반한다 (그림 25).
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그림 26. 태풍의 눈. 허리케인 앤드류가 텍사스 해안으로 접근하고 있다. |
태풍은 매년 여름이면 수 차례 우리
나라를 내습하여 많은 인명과 재산 피해를 일으키기도 하는데,
열대성 저기압이 모두 태풍이 되는 것은 아니며 중심부의
최대 풍속이 32m/sec 이상일 때 태풍이라고 부른다.
성숙된 태풍의 규모는 직경 100~1,500km 이상까지 있으며, 바람은
반시계 방향으로 회전하면서 중심을 향해 분다. 중심 기압은 970 hPa(헥토파스칼)
이하이고, 풍속은 중심으로 갈수록 증가하여 50~100m/sec에 이른다. 태풍의 중심부를 태풍의 눈 (그림 26)이라 하는데 중심 부근에서는 기압 경도력과 원심력이 커지므로 전항력과 마찰력이 따라서 커지게 되어 5 m/sec 이하의 미풍이 불게 되고 비도 내리지 않고 날씨도 부분적으로 맑다.
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그림 27. 우리나라에 영향을 미친 태풍의 종류와 진로. |
태풍의 발생 장소는 북태평양의
남부 해상의 서쪽 부분, 즉 북위 5o~25o와 동경 120o~170o
사이의 범위 내에서 발생한다. 태풍의 대부분은 7월과 10월 사이에 발생하고 우리 나라에 영향을 크게 미친 태풍들의 진로는 그림 27과 같다. 대체로 12월부터 이듬해 6월까지 발생한 것은 서~서북서 방향으로 진행하여 남지나해를 거쳐 월남 또는 중국의 화남 지방으로 상륙하여 소멸한다. 그러나 7월에서 11월 사이에 발생한 것은 처음에 서~서북서 방향으로 진행하다가 점차로 북쪽으로 방향 을 바꾸고, 위도 30도 부근에서 전향하여 북동쪽으로 진행하므로 그 진로는 대체로 포물선을 그 리게 된다. 이때 우리 나라나 일본이 그 진로에 놓이게 되어 많은 피해를 입는다. |
그림 28. 태풍의 진로에 따른 위험 반원과 가항 반원. |
태풍의 진행 방향에 대해서 오른쪽
반원을 위험 반원, 왼쪽 반원을 가항 반원이라 한다 (그림
28). 위험 반원에서는 태풍의 풍향과 일반류의 바람(무역풍,
편서풍)의 풍향이 비슷하여 풍속이 더 증가하고 가항 반원에서는
태풍의 풍항과 일반류의 바람이 서로 상쇄되므로 폭풍의 정도는
비교적 약하다. 그러므로 항해 중 태풍을 만나게 될 경우, 가항 반원
쪽으로 항해해야만 피해를 줄일 수 있다. 일례로 1959년의 사라호 (그림 27의 ①)와 1987년의 셀마호 (그림 27의 ⑥)는 경남 내륙 지방을 통과하였는데 부산, 진주를 포함한 경남 해안 지방에 막대한 피해를 준 것은 바로 위험 반원에 놓여 있었기 때문이다. 특히 1995년 7월 23일 충무, 여수를 통과한 태풍 패이는 사라호에 버금가는 935 hPa의 A급 태풍으로 시속 35 km의 빠른 속도로 북상하면서 위험 반원에 놓였던 진주, 산청 등지에 많은 피해를 주었으며 주로 비보다는 강풍에 의한 피해가 더 심하였던 특이한 태풍이었다. |
| 기상 관측 기기 |
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그림 29. 지표에서 측정할 수 있는 다양한 기상 장비들. |
일기를 이해한다는 것은 지구를 둘러싸고
있는 대기의 물리·화학적 성질을 파악하는 것이다. 이를테면,
대기의 성분, 기온, 기압, 풍속, 풍향, 및 습도 등을 측정하여 그
변화량을 아는 것이다. 이런 기상 요소들의 변화는 전체 대류권에서 일어나지만, 실제 사람들이 경험하는 피부에 와 닿 는 날씨 변화는 직접 느낄 수 있는 지표로부터 수 m 이내에서 일어나는 것들이다. 따라서 기상 관측 기기들도 수 m 이내에서 측정하는 것들이 대부분이며 다음과 같다 (그림 29). ○ 온도계: 기온 측정 이 외에도, 이슬점, 강설량과 눈이 쌓인 높이, 대기압, 증발량, 토양 온도 등의 측정도 이루어진다. 이러한 측정은 매 시간 또는 더 짧은 주기로 이루어지며, 매일 그리고 매달 측정 자료를 정리한다.
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그림 30. 라디오존데를 이용하여 대기의 온도, 기압, 습도 등을 측정한다. |
이 외에도 지상에 설치된
레이더는 폭풍의 위치와 강수 구역을 알아내고, 이들의 이동 방향과
속도를 알아내어 일기 예보를 가능하게 한다. 경찰이 과속 차량을
단속할 때 사용하는 것과 비슷한 ‘도플러
레이더’(Doppler rader)는 지상에서 풍속 측정에
사용되기도 한다. 일기 변화의 전 과정을 보다 상세하고 정확하게 알기 위해 더욱 높은 곳까지 측정할 수 있는 기기가 필요한데, 라디오존데 (그림 30)는 풍선에 매달린 전파 송신기에 의해 높이 올라가면서 기온, 기압, 습도 등을 측정하여 지상으로 보낸다. 레이더나 전파 수신 모니터에 의해서 이 풍선을 추적하면 각기 다른 고도에서 풍속도 알 수 있다. 때로는 기상 관측 장비를 직접 비행기에 탑재하고 태풍 속으로 들어가 태풍에 대한 정보를 수집하기도 한다. 1984년에는 러시아에서 비슷한 전송 장치를 금성 대기에 떨어뜨리기도 했다. |
그림 31. EOS-1 AM 기상 위성. |
가장 높은 곳에서 관측하는 기기인 기상 위성 (그림 31)은 참으로 값진 정보를 제공해 준다. 이 기상 위성은 지구의 구름 사진을 찍어 전파로 송신해 줌으로써 전체적인 기상 변화의 양상을 한 눈에 알아볼 수 있도록 한다. 이러한 기상 위성이 탑재한 적외선 감응 장치를 사용하면 지구의 열 복사와 대규모 식물 분포 지역도 알 수 있다. |
| 날씨와 컴퓨터 |
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그림 32. 노아(NOAA)의 수퍼컴퓨터 크레이의 모습. 복잡한 대기 현상을 계산하기 위해서는 수퍼컴퓨터가 필요하다. |
날씨는 어느 순간의
대기 상태를 말하고, 기후는 장기간에 걸친
일기의 평균 상태를 말한다. 그러므로 지상 관측과 위성 관측에
의한 방대한 기상 자료를 오랫동안 추적하여 분석하고 예측하기
위해서는 방대한 처리 능력을 가진 슈퍼 컴퓨터의 사용이
필수적이다. 일례로 미국의 국립 해양 대기청 (NOAA)에
있는 수퍼 컴퓨터인 크레이
(그림 32)의 방대한 기억 용량은
백과 사전 3만 질보다 더 많은 양이다. 여기에 기록된 자료로부터
기상학자들은 과거의 기후 모델을 만들 수 있다. 수백 만년의 긴
주기의 기후 변화 모델은 이러한 컴퓨터 자료에 의해서만이
가능하다. 한편, 컴퓨터를 사용하면 미래의 기후 모델 (GCM: Global Circulation Model)도 만들 수가 있다. 현재의 지구 대기 성분은 대부분이 질소와 산소이고, 아르곤, 이산화탄소, 메탄, 그리고 기타 성분이 소량으로 들어 있다. 그러나 열을 흡수하는 대표적인 기체인 이산화탄소와 이와 비슷한 효과를 갖는 다른 기체들- 메탄, 프레온가스, 일산화질소 등- 의 증가는 지구의 기후 변화에 커다란 영향을 미칠 것이다. 이들 자료로부터 컴퓨터는 미래의 기후 모델을 만들어 낸다. 예를 들면 “만일 지금처럼 화석 연료의 소비에 의해 이산화탄소의 양이 증가하면 어떻게 될까?”와 같은 가정의 질문에, 컴퓨터는 앞으로 더욱 늘어나는 화석 연료의 소비를 예측하여 어떤 지역에서는 기대하는 양 이상으로 이산화탄소가 더 증가하리라는 것을 보여 줄 것이다. 그리하여“앞으로 100년 동안 대기 중의 이산화탄소량이 계속적으로 증가한다면 기후는 어떻게 변할까?”는 질문에 대하여 컴퓨터는 온실 효과로 현재보다 더욱 더워지게 될 것이라는 답을 알려 줄 것이다. 많은 질문 가운데서도 컴퓨터는 특히 온실 효과를 일으키는 기체, 화산재, 산불 연기, 성층 대기에서의 방사성 낙진 같은 것들의 이동을 추적하는데 적합하다. 이들이 대기 중에 끊임없이 퍼지면서 그 양이 더욱 증가한다면 기후에 상당한 영향을 미칠 것이다. 대기 중의 끊임없이 이러한 성분이 기후 변화에 주는 영향을 알아야 하며, 따라서 이러한 정보를 찾아낼 새로운 장비가 곧 개발될 것이다. |
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