대류 억제

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1. 개요
2. 상세 설명
3. 대류 유효 위치 에너지 (CAPE)와의 관계
참조

1. 개요

대류 억제는 대기 중에서 상승하는 공기 덩어리의 대류를 억제하는 에너지를 의미한다. 에마그램에서 가상 공기 덩어리 선과 실제 대기 선을 비교하여 자유 대류 고도, 중립 고도, 대류 억제 에너지(CIN)를 계산한다. CIN은 공기 덩어리가 상승하는 것을 억제하는 에너지로, CAPE(대류 유효 위치 에너지)와 함께 대기 불안정도를 판단하는 지표로 사용된다. CIN은 적분을 통해 계산되며, 단위는 줄/킬로그램(J/kg)을 사용한다.

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대류 억제
개요
명칭	대류 억제
로마자 표기	Daeryu Eokje
다른 이름	CIN CINH
상세 정보
설명	대류 억제(Convective Inhibition, CIN)는 대기 중에서 상승하는 공기의 움직임을 억제하는 현상을 의미한다.
예측 지표	AVE-SESAME II
참고 문헌	Colby, Frank P. Jr. "Convective Inhibition as a Predictor of Convection during AVE-SESAME II." Mon. Wea. Rev. 112.11 (1984): 2239–2252.

2. 상세 설명

대류 억제(CIN)는 공기 덩어리가 자유 대류 고도(LFC)까지 상승하는 것을 방해하는 에너지의 양을 나타낸다. 이는 주로 대기 하층에 안정한 층이 존재할 때 발생하며, 뇌우와 같은 강한 대류 현상의 발생 가능성을 예측하는 데 중요한 지표로 사용된다.

대류 억제는 에마그램과 같은 단열선도를 이용하여 시각적으로 이해하고 계산할 수 있다. 에마그램 상에서 가상의 공기 덩어리가 상승할 때 주변 대기보다 온도가 낮아 상승이 억제되는 구간이 나타날 수 있는데, 이 구간에 해당하는 에너지가 대류 억제 에너지(CIN)이다. 구체적으로는 지표면과 자유 대류 고도(LFC) 사이에서 실제 대기의 온도(상태 곡선)가 가상 공기 덩어리의 온도(가상 단열 상승선)보다 높은 영역으로 표현된다.

에마그램 상에서 이 영역의 면적은 CIN의 크기를 나타내며, 주로 적분을 통해 계산된다. 단위는 보통 에너지 단위인 줄 퍼 킬로그램(J/kg)을 사용한다.

${\rm CIN}=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}g\left(\cfrac{T_p-T}{T}\right)dz=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}R(T_p-T)\ d(\ln{p})$

대류 억제(CIN)는 공기 덩어리가 자발적으로 상승하려는 에너지인 대류 유효 위치 에너지(CAPE)와 함께 대기의 안정도를 평가하는 데 사용된다. 일반적으로 CAPE 값이 CIN 값보다 크면(CAPE - CIN > 0) 대기가 불안정하여 대류가 발생할 가능성이 높다고 판단한다. 반대로 CIN 값이 CAPE 값보다 크거나 같으면(CAPE - CIN ≤ 0) 대기가 안정하여 대류가 억제될 가능성이 높다.

하지만 CAPE와 CIN 값만으로 실제 대류 현상을 완벽하게 예측하기는 어렵기 때문에, 실제 기상 예보에서는 다른 여러 기상 지표들과 함께 종합적으로 고려하여 판단한다.

2. 1. 에마그램에서의 표현

에마그램 위에 그래프를 그려보면 대류 억제를 이해하기 쉽다. 어떤 지점에서 가상의 공기 덩어리를 상승시킨다고 가정해 보자. 처음에는 건조 단열선을 따라 기온이 하강하지만, 공기 덩어리가 이슬점 온도까지 내려가는 상승 응결 고도(LCL, Lifting Condensation Level)에 도달하면 상황이 달라진다. 이 고도부터는 구름이 발생하면서 방출되는 응결열의 영향으로, 기온 하강률이 작은 습윤 단열선을 따라 선이 그려진다.

이 가상의 공기 덩어리가 상승하는 경로(가상 단열 상승선)와 함께, 실제 대기의 온도 상태를 나타내는 선(상태 곡선)을 같은 에마그램 위에 그린다.

그러면 가상 단열 상승선과 상태 곡선이 교차하는 점들이 나타난다. 교점 부근에서 상태 곡선의 기울기(기온 감소율)가 가상 단열 상승선보다 더 가파른 지점을 자유 대류 고도(LFC, Level of Free Convection)라고 한다. 반대로 상태 곡선의 기울기가 더 완만한 지점을 중립 고도라고 부른다.

대류 억제 에너지(CIN, Convective Inhibition)는 가상 단열 상승선과 상태 곡선으로 둘러싸인 부분 중, 지표면(또는 중립 고도)에서 자유 대류 고도(LFC) 사이에 있으며, 상태 곡선이 가상 단열 상승선보다 오른쪽에 위치하는(즉, 실제 대기 온도가 상승하는 공기 덩어리보다 높은) 영역에 해당한다. 이 영역은 상승하려는 공기 덩어리가 주변 대기보다 차가워서 부력을 잃고 상승이 억제되는 구간을 나타낸다.

둘러싸인 부분의 면적의 넓이가 에너지의 크기를 나타내며, 면적은 주로 적분을 이용해 계산한다. 단위는 보통 줄 퍼 킬로그램(J/kg)을 사용한다.

{\rm CIN}=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}g\left(\cfrac{T_p-T}{T}\right)dz=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}R(T_p-T)\ d(\ln{p})

여기서,

$g$ : 중력 가속도
$T_p$ : 가상 공기 덩어리의 온도
$T$ : 주변 대기의 온도
$z$ : 고도
$R$ : 기체 상수
$p$ : 기압

한편, 공기 덩어리는 CIN과는 반대로 대기 중에서 계속 상승하려는 에너지도 가지고 있는데, 이를 대류 유효 위치 에너지(CAPE, Convective Available Potential Energy)라고 한다. 대기의 불안정도는 CAPE와 CIN의 차이(CAPE - CIN)로 평가할 수 있다. 이 값이 양수이면 대기가 불안정하여 대류가 발생하기 쉽고, 음수이면 안정한 상태로 본다. 다만, 이 수치만으로는 실제 날씨 현상을 완벽히 예측하기 어려워, 실제 예보에서는 다른 여러 기상 지표들과 함께 종합적으로 고려된다.

2. 2. 자유 대류 고도와 중립 고도

에마그램 위에 그래프를 그리면 이해하기 쉽다. 어떤 지점에서 가상의 공기 덩어리를 상승시킨다고 생각해보면, 처음에는 건조 단열선에 따라 기온이 하강하지만, 공기 덩어리가 이슬점 온도까지 내려가는 상승 응결 고도(LCL)에 도달하면, 그 이후에는 구름의 발생으로 방출되는 응결열의 영향으로, 감소율이 작은 습윤 단열선에 따라 하강하는 선이 그려진다. 그리고, 같은 에마그램 위에 또 하나, 실제 대기의 온도 상태를 나타내는 선(상태 곡선)을 그린다.

그러면, 가상 공기 덩어리 선(가상 단열 상승선)과 실제 대기 선(상태 곡선)이 교차하는 점이 나온다. 이 중, 교점 부근에서 가상 단열 상승선보다 상태 곡선의 감소율이 큰 것을 자유 대류 고도(LFC), 가상 단열 상승선보다 상태 곡선의 감소율이 작은 것을 중립 고도(EL)라고 한다. 여기서, 가상 단열 상승선과 상태 곡선으로 둘러싸인 부분 중, 중립 고도(CIN에서는 지상의 표고와 같은 경우가 많다)가 아래에 있고 자유 대류 고도가 위에 있는 것이 대류 억제 에너지(CIN)가 된다.

둘러싸인 부분의 면적의 넓이가 에너지의 크기를 나타낸다. 면적은 주로 적분에 의해 구해진다. 단위는 보통, 줄 매 킬로그램(J/kg)을 사용한다.

{\rm CIN}=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}g\left(\cfrac{T_p-T}{T}\right)dz=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}R(T_p-T)\ d(\ln{p})

단, 공기 덩어리는 또 하나, CIN과는 반대로 대기 중을 상승하려는 에너지도 가지고 있다. 이것은 대류 유효 위치 에너지(CAPE)라고 한다. 대기의 불안정도는 CAPE-CIN의 차이로 구하며, 양수이면 불안정, 음수이면 안정이라고 할 수 있다. 다만, 이 수치는 실제 날씨와 일치하지 않는 부분이 있어, 실용적으로는 다른 지표도 병용되고 있다.

2. 3. 대류 억제 에너지 (CIN)

에마그램 위에 그래프를 그려보면 대류 억제 에너지를 이해하기 쉽다. 어떤 지점에서 가상의 공기 덩어리를 상승시킨다고 가정해보자. 처음에는 건조 단열선에 따라 기온이 하강하지만, 공기 덩어리가 이슬점 온도까지 내려가는 상승 응결 고도(LCL)에 도달하면 상황이 달라진다. 이후에는 구름이 발생하면서 방출되는 응결열의 영향으로, 기온 하강률이 더 작은 습윤 단열선을 따라 온도가 변하는 선이 그려진다.

같은 에마그램 위에 실제 대기의 온도 상태를 나타내는 선(상태 곡선)을 함께 그린다. 그러면 가상의 공기 덩어리 선(가상 단열 상승선)과 실제 대기 선(상태 곡선)이 교차하는 점들이 나타난다. 이 교점들 중, 주변보다 가상 단열 상승선의 기울기가 상태 곡선의 기울기보다 가파른(온도 감소율이 큰) 고도를 자유 대류 고도(LFC, Level of Free Convection)라고 한다. 반대로 가상 단열 상승선의 기울기가 상태 곡선의 기울기보다 완만한(온도 감소율이 작은) 고도를 중립 고도라고 부른다.

대류 억제 에너지(CIN)는 가상 단열 상승선과 상태 곡선으로 둘러싸인 영역 중, 중립 고도(보통 지표면 고도)가 아래쪽에 있고 자유 대류 고도가 위쪽에 있는 부분을 의미한다. 이 영역에서는 가상 공기 덩어리의 온도가 주변 실제 대기 온도보다 낮기 때문에 상승하려는 움직임이 억제된다.

에마그램에서 이 둘러싸인 부분의 면적이 바로 대류 억제 에너지의 크기를 나타낸다. 면적은 주로 적분을 통해 계산하며, 단위는 보통 줄 매 킬로그램(J/kg)을 사용한다. 수식으로는 다음과 같이 표현할 수 있다.

{\rm CIN}=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}g\left(\cfrac{T_p-T}{T}\right)dz=\int_{\rm ground}^{\rm LFC}R(T_p-T)\ d(\ln{p})

여기서

g

는 중력 가속도,

T_p

는 가상 공기 덩어리의 온도,

T

는 실제 대기 온도,

z

는 고도,

R

은 기체 상수,

p

는 기압을 나타낸다. 적분 구간은 지표면(ground)부터 자유 대류 고도(LFC)까지이다.

한편, 공기 덩어리는 CIN과는 반대로 대기 중을 상승하려는 에너지도 가지고 있는데, 이를 대류 유효 위치 에너지(CAPE, Convective Available Potential Energy)라고 한다. 대기의 불안정도는 CAPE와 CIN의 차이(CAPE - CIN)로 평가할 수 있다. 이 값이 양수이면 대기가 불안정하여 대류가 발생하기 쉽고, 음수이면 안정하여 대류가 억제된다고 본다. 하지만 이 수치만으로 실제 날씨 현상을 완벽하게 예측하기는 어려우므로, 실제 예보에서는 다른 여러 기상 지표들과 함께 종합적으로 고려된다.

2. 4. 계산

에마그램 위에 그래프를 그려보면 대류 억제(CIN)를 시각적으로 이해하기 쉽다. 특정 지점에서 가상의 공기 덩어리를 상승시킨다고 가정해 보자. 이 공기 덩어리의 온도는 처음에는 건조 단열선을 따라 하강한다. 그러다 공기 덩어리가 이슬점 온도까지 냉각되는 고도인 상승 응결 고도(LCL)에 도달하면 구름이 생성되기 시작한다. 이때 방출되는 응결열의 영향으로 기온 하강률이 작아져, 이후에는 습윤 단열선을 따라 온도가 변화하는 선이 그려진다.

이 가상 공기 덩어리의 온도 변화선과 함께, 실제 대기의 고도별 온도 분포를 나타내는 선(상태 곡선)을 같은 에마그램 위에 그린다.

두 선(가상 공기 덩어리 선과 실제 대기 선)이 만나는 교점이 나타나는데, 이 교점 부근에서 실제 대기의 온도 감소율(상태 곡선 기울기)이 가상 공기 덩어리의 온도 감소율(가상 단열 상승선 기울기)보다 큰 지점을 자유 대류 고도(LFC, Level of Free Convection)라고 한다. 반대로 실제 대기의 온도 감소율이 가상 공기 덩어리의 온도 감소율보다 작은 지점을 중립 고도라고 한다.

대류 억제 에너지(CIN)는 가상 공기 덩어리 선과 실제 대기 선으로 둘러싸인 영역 중, 아래쪽 경계가 중립 고도(지표면인 경우가 많음)이고 위쪽 경계가 자유 대류 고도(LFC)인 부분에 해당한다. 즉, 공기 덩어리가 LFC에 도달하기까지 주변 대기보다 온도가 낮아 부력을 받지 못하고 상승이 억제되는 구간의 에너지 크기를 의미한다.

에마그램 상에서 이 둘러싸인 부분의 면적이 바로 CIN의 크기를 나타낸다. 면적은 주로 적분을 통해 계산하며, 단위는 보통 줄 퍼 킬로그램(J/kg)을 사용한다.

{\rm CIN} = \int_{z_{\rm SFC}}^{z_{\rm LFC}} g \frac{T_{v,parcel} - T_{v,env}}{T_{v,env}} dz \approx \int_{p_{\rm SFC}}^{p_{\rm LFC}} R_d (T_{v,parcel} - T_{v,env}) d(\ln p)

여기서,

$z_{\rm SFC}$ 는 지표면 고도, $z_{\rm LFC}$ 는 자유 대류 고도
$p_{\rm SFC}$ 는 지표면 기압, $p_{\rm LFC}$ 는 자유 대류 고도에서의 기압
$g$ 는 중력 가속도
$T_{v,parcel}$ 은 가상 공기 덩어리의 가온도
$T_{v,env}$ 는 주변 대기의 가온도
$R_d$ 는 건조 공기의 기체 상수
$\ln p$ 는 기압의 자연로그

한편, 공기 덩어리는 CIN과는 반대로 대기 중에서 부력을 받아 상승하려는 에너지도 가지고 있는데, 이를 대류 유효 위치 에너지(CAPE, Convective Available Potential Energy)라고 한다. 대기의 불안정도는 CAPE와 CIN의 차이(CAPE - CIN)로 평가할 수 있으며, 이 값이 양수이면 대기가 불안정하여 대류가 발생하기 쉽고, 음수이면 안정한 상태로 본다. 하지만 이 수치만으로는 실제 날씨 현상을 완벽히 예측하기 어려워, 실제 예보에서는 다른 여러 기상 지표들과 함께 종합적으로 고려된다.

3. 대류 유효 위치 에너지 (CAPE)와의 관계

대기 중의 공기 덩어리는 상승하려는 에너지와 상승을 억제하는 에너지를 동시에 가질 수 있다. 상승하려는 에너지를 대류 유효 위치 에너지(CAPE)라고 하며, 반대로 상승을 방해하는 에너지가 대류 억제(CIN)이다.

대기의 불안정도는 CAPE와 CIN의 차이, 즉 CAPE - CIN 값으로 판단할 수 있다. 이 값이 양수이면 대기가 불안정하여 대류가 발생하기 쉽고, 음수이면 안정한 상태로 간주된다.

하지만 이 수치만으로 실제 날씨 현상을 완벽하게 예측하기는 어려우므로, 실제 일기 예보에서는 다른 지표들도 함께 고려하여 대기의 안정도를 판단한다.

참조

_[1] 논문 Convective Inhibition as a Predictor of Convection during AVE-SESAME II
_[2] 논문 Convective Inhibition as a Predictor of Convection during AVE-SESAME II

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