5. 구름의 발달과 강수

5.1 대기의 안정도

안정도란 평형조건을 말한다.

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  • 움푹한 곳의 바위는 어느 방향이든 위로 굴려도 원래 위치로 돌아온다. 이런 경우가 안정 평형 상태이다.
  • 언덕 꼭대기의 바위는 굴리면 굴린 방향으로 내려가서 돌아오지 않는다. 이런 경우가 불안정 평형 상태이다.
  • 대기가 상승 또는 하강해도 원래 위치로 돌아가려 한다면 안정 대기이고 약간의 힘만 가해도 멀리 이동하는 대기는 불안정 대기이다.

공기덩이가 주변과 열을 상호 교환하지 않고 팽창, 냉각, 압축, 승온하는 것을 단열과정(adiabatic process)이라 한다.

불포화 상태(상대습도 100% 미만)의 공기는 고도 변화 1,000 미터당 일정하게 10 ℃ 감률을 보이며 이를 건조단열감율(dry adiabatic rate)이라 한다. 공기가 상승하여 단열팽창하면 냉각이 일어나고, 온도가 노점에 도달하면 응결이 일어난다. 응결이 일어나면 잠열이 방출되어 냉각을 상쇄하므로 습윤단열감율(wet adiabatic rate)은 건조단열감율보다 작다. 습윤단열감율은 건조단열감율과 달리 일정하지 않고 온습도에 따라 크게 변동하지만 대략 1,000 미터당 6 ℃가 평균치

5.2 안정도의 판별

대기 안정도는 상승공기덩이의 온도를 주위 온도와 비교하여 판단한다.

  • 상승공기 온도가 주위 공기보다 낮으면 그 밀도가 더 커져서 본래 고도로 다시 하강하려 할 것이며 안정하다.
  • 상승공기 온도가 주위 온도보다 높으면 그 밀도가 작아져서 주위 온도와 같아질 때까지 계속 상승할 것이며 불안정하다.
  • 지표에서 높이 올라갈수록 온도가 감소하는 비율을 환경기온감율(environmental lapse rate)이라고 한다.

안정대기

  • 환경기온감율이 작을 때 대기는 안정하다.
  • 건조단열감율과 습윤단열감율이 모두 환경기온감율보다 크면 상승공기가 언제나 주위공기보다 무거워서 안정해진다. 이럴 때 절대안정(absolutely stable)하다고 한다.
  • 대기 안정 i.e. 지표공기 냉각요인
    • 지표의 야간복사냉각
    • 바람에 의해 찬 공기 유입
    • 찬 지표 위로 공기 이동

불안정대기

  • 환경기온감율이 클 때 대기는 불안정하다.
  • 건조단열감율과 습윤단열감율이 모두 환경기온감율보다 작으면 상승공기가 언제나 주위공기보다 가벼워서 일단 상승을 시작하면 계속 지표에서 멀어진다. 이럴 때 절대불안정(absolutely unstable)하다고 한다.
  • 대기 불안정 i.e. 지표공기 승온요인
    • 지표의 주간복사가열
    • 바람에 의해 더운 공기 유입
    • 더운 지표 위로 공기 이동

조건부 불안정대기

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  • 습윤단열감율 < 환경기온감율 < 건조단열감율 일 때
  • 불포화 공기가 어떤 과정(산을 만난다던지 따위)에 의해 강제로 상승했을 때 불포화 상태이므로 건조단열감율에 따라 온도가 감소한다.
  • 그러다 온도가 노점에 도달하면 응결이 일어나 구름이 형성되는데 이때 고도를 응결고도(condensation level)라고 한다.
  • 지표로부터 응결고도까지는 상승공기가 주변 공기보다 더 차기 때문에 안정한 상태이지만 응결고도 위로는 상승공기가 습윤단열감율을 따르기 때문에 주변 공기보다 더워질 수 있다.
  • 상승공기의 포화 여부에 따라 안정도가 결정되는 이런 상태를 조건부 불안정(conditional unstable)하다고 한다. 즉 조건부 불안정이란 불포화 안정대기가 어떤 경로로든 포화를 일으키는 고도(응결고도)까지 상승하면 불안정해질 수 있다는 의미이다.
  • 대류권 내 평균기온감율은 1,000 미터당 6.5 ℃이므로 대기는 통상 조건부 불안정 상태이다.

5.3 구름의 발달과 안정도

공기를 상승시켜 구름을 형성시킬 수 있는 주요 과정

  • 지표 가열과 대류
  • 지형에 의한 강제상승
  • 지표공기의 수렴(저기압)
  • 전선에서의 강제상승
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5.4 강수 과정

빙정과정

  • 과냉각 물방울이 증발한 뒤 빙정에 응결.
  • 같은 온도에서 물 표면 위의 포화수증기압이 얼음 표면 위의 포화수증기압보다 크기 때문.

충돌병합과정

  • 큰 물방울은 계속 커지고 작은 물방울은 흡수 및 증발.

5.5 강수의 유형

(rain)

  • 액체 형태의 물방울 직경이 0.5 mm 이상

이슬비(drizzle)

  • 물방울 직경이 0.5 mm 이하

(snow)

  • 빙정과정으로 형성된 강우는 처음에는 눈으로 내리다가 녹아서 비가 되는 것

싸락눈(graupel)

  • 작고 투명한 얼음알갱이로 고체형 이슬비

진눈깨비(sleet)

  • 눈이 녹아서 비가 되었다가 다시 얼어붙은 것

우빙(freezing rain)

  • 눈이 녹아서 비가 되었다가 진눈깨비처럼 완전히 얼어붙지 못하고 과냉각 액체방울 상태로 내려서 무언가에 닿으면 즉각 얼어붙음

우박(hail)

  • 싸락눈, 언 빗방울 따위 입자가 과냉각 액체방울들을 결착시켜 커져서 얼어붙은 것

5.6 강수의 측정