대기경계층
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1. 개요
대기 경계층은 지표면과의 상호작용으로 인해 물리적 특성이 급격하게 변화하는 대기층으로, 기상, 환경, 물질 순환에 영향을 미치는 행성 대기의 최하층이다. 대기 경계층은 지표면의 영향을 받는 접지 경계층, 에크만 경계층, 대류 경계층, 안정 경계층, 이행층 등 여러 층으로 구성되며, 낮과 밤, 계절에 따라 구조와 특성이 변화한다. 우리가 생활하는 공간인 대기 경계층은 도시 기후 및 환경 분야에서 중요한 역할을 하며, 표면 바람 경사, 난류 혼합, 오염 물질 확산 등 다양한 현상과 관련이 있다.
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| 대기경계층 |
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2. 정의 및 명칭
대기 경계층은 지표면과의 마찰, 열 교환 등 상호작용으로 인해 물리적 특성이 급격하게 변화하는 대기의 가장 낮은 부분을 의미한다. 기상학이나 환경학 분야에서는 단순히 "경계층"이라고 말할 때 보통 이 대기 경계층을 가리킨다.
대기경계층은 기상, 환경, 물질 순환 등에서 고체 경계인 지표면의 영향을 받는 층으로, 행성 대기의 가장 낮은 부분에 해당한다. 지표면의 영향을 거의 받지 않는 자유 대기와는 구별된다.
대기 경계층은 지표면의 영향 정도와 기상학적 특성에 따라 여러 층으로 나뉜다. 이러한 층 구조는 특히 하루 중 시간대(낮과 밤)에 따라 뚜렷한 변화를 보인다.
이는 기상, 환경, 물질 순환 등에서 고체 경계인 지표면의 영향을 직접 받는 층으로, 행성 대기의 최하층에 해당한다. 지표면의 영향을 거의 받지 않는 상층의 자유 대기와는 구별된다.
영어로는 Planetary Boundary Layer|플래니터리 바운더리 레이어eng (PBL)라고 부르는데, 이는 지구뿐만 아니라 다른 행성의 대기에도 적용될 수 있는 일반적인 용어이다.
대기 경계층은 바람 방향이 일정하지 않은 난류가 지배적인 특징을 가지며, 유체 역학에서 다루는 경계층 개념에 해당한다. 층의 두께는 지역과 조건에 따라 다르지만, 일반적으로 온대 지역에서는 지상으로부터 대략 1km 이내, 열대 지역에서는 2km 이상에 달한다.
3. 특징
이 층의 가장 큰 특징은 다양한 방향의 난류가 지배적이라는 점이다. 이는 유체 역학에서 다루는 경계층 개념과 유사하다. 대기경계층의 두께는 대류 활동에 따라 변하는데, 대류가 활발하면 두꺼워지고 성층이 안정되면 얇아진다. 일반적으로 온대 지역에서는 지상으로부터 약 1km 이내, 열대 지역에서는 2km 이상까지 확장될 수 있다.
또한, 대기경계층의 특성은 지표면의 상태에 따라 크게 달라진다. 예를 들어 해면, 내수면, 논, 밭, 목초지, 산림, 초원, 콘크리트로 덮인 도시 등 지표면의 종류에 따라 경계층의 상태가 다양하게 변화한다. 우리가 생활하는 공간이 바로 이 대기경계층 내부이며, 도시 기후나 환경 문제와 밀접한 관련이 있다. 이러한 복잡성 때문에 대기경계층 연구는 세밀한 관측이 필요하며, 관련 연구 분야로 경계층 기상학이 있다.
4. 구조 및 일변화
가장 아래, 지표면과 직접 맞닿는 층은 '''접지 경계층'''(Surface layereng)이다. 이 층은 지표면과의 마찰력 영향이 매우 크며, 지표의 상태(나지, 식생, 건물 등)에 따라 그 높이와 특성이 달라진다.
접지 경계층 위로부터 대기 경계층 상단까지는 '''에크만 경계층'''(Ekman layereng)이다. 이 층에서는 지표면 마찰의 영향이 줄어들고 기압 경도력과 코리올리 힘의 영향이 상대적으로 커진다. 에크만 경계층의 내부 구조는 시간대에 따라 크게 달라진다.
이행층은 대기 경계층의 가장 윗부분에 위치하며, 대기 경계층과 그 위의 자유 대기 사이의 전이 영역으로서 특징적인 기상 요소 변화를 보인다.
4. 1. 접지 경계층 (Surface Layer)
지표면과 직접 접촉하는 대기 경계층의 가장 아래 부분으로, '''표면층'''(Surface layer)이라고도 불린다.[4][5] 일반적으로 공기역학적 항력의 영향으로 지표면으로부터 약 100m 높이까지 형성된다. 나지(裸地)에서는 지표면에서 약 10m에서 50m 높이까지 해당하며,[23] 나무나 건물 같은 장애물이 있는 경우에는 그 위쪽으로 더 두껍게 형성되어 '''캐노피층'''이라고도 불린다. 이 경우 바람의 흐름은 더욱 복잡해진다.
지표면과의 마찰력 영향이 매우 크며,[6] 나비에-스토크스 방정식이 시사하듯 대기 경계층 내의 난류는 주로 속도 변화가 가장 큰 이 표면층에서 생성된다. 생성된 난류는 공기의 수직적인 혼합을 유발하여 오염 물질의 확산[7]이나 토양 침식[23] 등에 중요한 역할을 한다. 접지 경계층은 전체 대기 경계층(PBL) 깊이의 약 10% 정도를 차지한다.
풍속은 미끄럼 방지 조건에 따라 지표면에서 0이며 고도가 높아짐에 따라 증가한다.[4][5] 지표면의 거칠기 정도에 따라 풍속 감소율이 달라지므로, 풍속의 연직 분포는 지형 유형에 따라 상당히 다르다.[5] 예를 들어, 거칠고 불규칙한 지면이나 인공 장애물이 많은 도시 지역에서는 상층 지균풍 속도의 40~50%까지 감소할 수 있지만,[8][9] 장애물이 적은 탁 트인 바다나 얼음 위에서는 감소율이 20~30% 정도에 그친다.[10][11]
일반적으로 고도가 높아짐에 따라 기온, 온위, 혼합비는 감소하고 풍속은 증가하는 경향을 보인다. 풍향은 지형의 영향을 크게 받는다.
4. 2. 에크만 경계층 (Ekman Layer)
접지 경계층의 상부에서 대기 경계층 상단까지의 영역을 '''에크만 경계층'''(에크만층)이라고 한다. 이 층에서는 지표면 마찰력의 영향이 점차 작아지는 반면, 기압 경도력과 코리올리 힘의 영향이 커져 지균풍에 가까운 바람이 분다. 또한, 고도에 따라 바람의 방향이 변하는 에크만 나선 효과가 나타나는 층이기도 하다.[20][21]
에크만 경계층의 구조는 시간대에 따라 변한다.4. 3. 주간 대류 경계층 (Convective Boundary Layer)
주간 대류 경계층(Convective Boundary Layer, CBL)은 낮 동안 일사에 의해 지표면이 가열되면서 발생하는 대류 활동으로 인해 형성되는 대기 경계층의 한 유형이다. 지표면에서 발생하는 양의 부력 플럭스가 열적 불안정성을 만들어 내고, 이것이 난류를 활발하게 일으키기 때문에 난류 경계층, 난류 혼합층, 또는 단순히 혼합층(Mixed layer)이라고도 불린다.[1][2]
대류 경계층은 주로 낮 시간 동안 열대 및 중위도 지역에서 흔히 관찰된다.[2] 해가 뜬 직후 일사가 시작되면, 밤사이 형성되었던 기온 역전층이 가열된 공기의 상승으로 인해 점차 사라지기 시작한다.[3] 이때 지표면 부근에서 대류 경계층이 형성되기 시작하여 시간이 지남에 따라 점차 상층으로 그 두께가 확장된다.[1] 이러한 대류 활동은 좁은 상승 기류 영역과 넓은 하강 기류 영역을 가진 대류 세포에 의해 이루어지는데, 이 세포의 직경은 보통 200m에서 500m를 넘기도 한다.[4]
대류 경계층 내부에서는 활발한 난류 혼합으로 인해 온위, 풍속, 혼합비 등의 기상 요소들이 고도에 따라 거의 일정한 값을 나타내는 특징을 보인다.[1] 즉, 공기가 잘 섞여 상하층 간의 차이가 적다. 대류 경계층의 상부에는 이행층(Entrainment layer)이 존재하며, 이 층을 통해 자유 대기와 공기가 섞이게 된다.[1]
해가 지면서 지표면이 냉각되기 시작하면 대류 활동은 약해지고 안정 경계층이 지표 부근에서 발달하기 시작한다. 이때 기존의 대류 경계층은 지표면과 분리되어 상층에 잔류하게 되며 점차 얇아진다.[1] 일부 관점에서는 야간에는 대류 경계층이 매우 얇아지거나 거의 사라지고 자유 대기가 지표면 가까이 내려온다고 보기도 한다.[1]
4. 4. 야간 안정 경계층 (Stable Boundary Layer)
야간 안정 경계층(Stable Boundary Layer, SBL)은 밤 동안 지표면이 냉각되면서 형성되는 안정한 대기 층을 말한다. 이는 '''접지 역전층''', '''야간 안정층''', '''야간 경계층'''이라고도 불린다.
SBL은 지표면에서 발생하는 음의 부력 플럭스(공기가 주변보다 차가워 가라앉으려는 힘)가 난류를 억제할 때, 즉 대류 억제 상태에서 형성된다. SBL은 바람에 의한 시어 난류에 의해서만 유지될 수 있으므로, 자유 대기에 바람이 없는 경우에는 존재하기 어렵다.
일반적으로 모든 지역에서 밤에 나타나며, 낮 동안이라도 지표면이 그 위의 공기보다 차가울 경우 형성될 수 있다. 특히 고위도 지역에서는 SBL이 며칠에서 몇 달까지 장기간 지속되면서 매우 낮은 기온을 유발하기도 하여 중요한 의미를 가진다.
SBL은 지표면 부근에서 시작하여 고도 수백 미터 부근까지 발달한다. 시간이 지남에 따라 점차 상승하지만, 특정 고도에 이르면 상승 속도는 느려진다. SBL의 가장 큰 특징은 고도가 높아짐에 따라 기온이 상승하는 기온 역전 현상이 나타난다는 점이다. 중위도 지역의 야간 PBL(SBL 포함) 두께는 보통 300m 정도이며, 겨울철 북극에서는 50m 정도로 매우 얕게 형성될 수도 있다.
낮 동안에는 태양 복사에 의해 지표면이 가열되면서 상승 난류가 발생하고, 밤사이 형성되었던 기온 역전층(SBL)은 점차 사라진다. 대기 경계층은 해가 지기 직전에 다시 안정화되기 시작하여 밤 동안 안정 상태를 유지한다.
4. 5. 이행층 (Entrainment Layer)
'''이행층'''(Entrainment layer)은 천이층 또는 엔트레인먼트층이라고도 불리며, 대기 경계층의 상부에 위치한다. 일반적으로 고도가 높아짐에 따라 온위와 풍속은 상승하고, 혼합비는 급격히 감소하는 특징을 보인다. 이행층의 가장 아랫부분은 구름 밑바닥의 고도가 되는 경우가 많다.
5. 표면 바람 경사 원인
공기역학적 항력으로 인해 지구 표면으로부터 약 100미터 높이까지 바람 경사가 존재한다. 이 영역을 대기 경계층의 표면층이라고 부른다. 미끄럼 방지 조건에 따라 지표면에서의 풍속은 0이며, 높이가 올라갈수록 풍속은 증가한다.[4][5] 지표면 근처의 공기 흐름은 지형이나 건물 같은 장애물에 부딪히면서 속도가 줄어들고, 원래 바람 방향과 다른 방향으로 불규칙하게 움직이는 난류가 발생한다.[6]
이러한 난류는 서로 다른 높이의 공기층을 수직으로 섞는 혼합 작용을 일으킨다. 이는 오염 물질의 확산[7]이나 토양 침식[23]과 같은 현상에 중요한 역할을 한다.
지표면 근처에서 바람 속도가 줄어드는 정도는 지표면의 거칠기에 따라 달라진다. 따라서 바람 속도의 수직 분포(프로파일)는 지형의 유형에 따라 크게 차이가 난다.[5] 예를 들어, 거칠고 불규칙한 지면이나 인공 장애물이 많은 지역에서는 마찰로 인해 상공의 지균풍 속도보다 40%에서 50%까지 풍속이 느려질 수 있다.[8][9] 반면, 장애물이 거의 없는 탁 트인 바다나 얼음 위에서는 풍속 감소율이 20%에서 30% 정도로 상대적으로 작다.[10][11] 이러한 지표면의 영향은 풍력 터빈을 설치할 위치를 선정할 때 반드시 고려해야 하는 중요한 요소이다.[12][13]
공학적인 목적으로 바람 경사를 모델링할 때는 멱법칙을 사용하기도 한다. 이 방법은 지표면의 종류에 따라 정해진 지수 계수를 사용하여 높이에 따른 풍속 변화(단순 전단)를 나타낸다. 지표면 마찰의 영향이 거의 없어지는 특정 높이를 "경사 높이"라고 하며, 이 높이 이상의 풍속은 일정한 "경사풍 속도"를 갖는다고 가정한다.[9][14][15] 예를 들어, 일반적인 경사 높이는 대도시에서 457m, 교외 지역에서 366m, 탁 트인 지형에서 274m, 그리고 탁 트인 바다 위에서는 213m 정도로 추정된다.[16]
하지만 멱법칙 모델은 계산이 편리하다는 장점이 있지만, 이론적인 근거는 부족하다.[17] 대기의 온도 변화가 단열적일 경우, 이론적으로 풍속은 높이에 따라 로그 법칙을 따라 변해야 한다.[18] 실제로 1961년에 탁 트인 지형에서 측정된 자료에 따르면, 약 100m 높이까지(표면층 내에서) 로그 적합과 잘 일치했으며, 그보다 높은 1000m까지는 평균 풍속이 거의 일정하게 나타났다.[19]
바람의 전단 현상은 단순히 속도 변화뿐만 아니라 풍향의 변화까지 포함하는 3차원적인 특징을 가진다.[20] 즉, 지표면 근처의 바람과 마찰의 영향을 받지 않는 상공의 '자유' 지균풍 사이에는 풍향의 차이가 존재한다.[21] 이는 에크만 나선 효과와 관련이 있다. 지표면 근처에서 부는 바람이 등압선과 이루는 각도는 탁 트인 바다 위에서는 약 10°이지만, 거칠고 언덕이 많은 지형에서는 30°까지 벌어질 수 있다. 특히 바람이 약한 밤에는 육지에서 이 각도가 40°-50°까지 커지기도 한다.[11]
해 질 녘 이후에는 지표면이 냉각되면서 대기가 안정화되고, 이로 인해 지표면 근처의 바람 경사는 더욱 뚜렷해지는 경향이 있다.[22] 야간의 복사 냉각은 대기 안정성을 높여 난류 와류의 수직 이동을 억제하고, 결과적으로 바람 경도를 증가시킨다.[23] 바람 경사의 크기는 주로 날씨, 특히 대기 안정성 상태나 대류 경계층 또는 역전층의 높이와 같은 기상 조건에 따라 크게 달라진다. 이러한 효과는 경계층의 일변화가 상대적으로 적은 해양보다 육지에서 훨씬 더 두드러지게 나타난다.[24] 반대로 낮 동안 대류 활동이 활발한 대류 경계층에서는 강한 혼합 작용으로 인해 수직 바람 경도가 감소한다.[25]
6. 중요성 및 응용
우리가 생활하고 있는 공간은 바로 이 대기 경계층 내부이며, 이곳은 도시 기후나 환경 분야에서 중요한 역할을 한다.[1] 대기 경계층은 지표면의 상태, 예를 들어 해면, 내수면, 논, 밭, 목초지, 산림, 초원, 콘크리트로 덮인 도시 등 다양한 조건에 따라 그 특성이 크게 달라진다.[1] 이러한 복잡성 때문에 대기 경계층 연구는 세밀한 관측망이 필요하며 연구에 어려움이 따른다.[1] 경계층 기상학은 바로 이 대기 경계층 내에서 일어나는 대기의 움직임이나 여러 기상 현상을 전문적으로 연구하는 학문 분야이다.[2]
7. 추가 설명
행성 경계층(PBL)의 역학과 미세물리를 지배하는 물리 법칙과 운동 방정식은 강하게 비선형적이며, 지구 표면의 특성과 자유 대기에서의 과정 변화에 크게 영향을 받는다. 이러한 복잡성을 다루기 위해 다양한 난류 모델링 기법이 제안되었으나, 실제 요구 사항을 충족할 만큼 정확하지 않은 경우가 많다. 대규모 에디 시뮬레이션(Large Eddy Simulation, LES) 기술을 PBL 관련 문제에 적용하면 상당한 개선이 기대된다.
대기 모델에서 PBL을 정확하게 표현하는 것은 매우 중요하다. 특히 수분의 난류 수송(증발산)과 대기 오염 물질의 이동은 PBL 표현의 정확성에 크게 의존한다. 경계층의 구름은 무역풍, 수문 순환, 에너지 교환에 영향을 미친다.
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