6. 기압과 바람

5.1 기압의 정의

지구의 단위면적 위의 공기의 무게. 압력에 의한 힘은 모든 방향을 가지며, 다시 말해 특정한 일하는 방향이 없다. 즉슨 대기의 총질량을 면적 압력으로 쉽게 구할 수 있다는 것이다.

뉴턴 법칙으로부터 $\vec{F} = m \vec{a}$이고, 아인슈타인 일반상대론에서 가속도와 중력은 같음. $\vec{a} = \vec{g}$

지구상의 물체가 받는 힘 또는 무게는 각각 $m \vec{a}, m \vec{g}$.

지구상 공기의 총 질량 = 표면압 × 지구의 표면적 ÷ 중력의 값

(1)
\begin{align} M_\mathrm{total\ air} = p(z=0) \times {{4 \pi R^2 } \over g} \end{align}

5.2 기압의 측정

  • 수은주 기압계
  • 물기둥 기압계
  • 아네로이드 기압계
  • 마이크로프로세서 센서

5.3 기압도

Pressure chart. cf) 등온선도 isotherm chart.

sfc3_2016100403.png
  • 지상기상도: 산악지역의 기압은 평균 해수면 높이 기압으로 바꿔 줘야 함. 등압선. 고도 8미터 상승 = 대략 1 헥토파스칼 감소.
  • 상층기상도: 동일한 기압을 두고 그 기압에 해당하는 높이를 표시. 1000, 925, 850, 700, 500, … 헥토파스칼 고도. (850 hPa ~ 1.5 km, 700 hPa ~ 3 km, 500 hPa ~ 6 km, 300 hPa ~ 9 km)

5.4 기압변화의 요인

  • 지상 고도변화
    • 지표 근처에서 1 헥토파스칼 ~ 8 미터
    • cf) 연직 고도 16 km ~ 100 헥토파스칼
  • 온도 변화
    • 뜨거운 공기 → 저압
  • 수증기
    • 수증기는 건조공기보다 가벼움

5.5 바람에 영향을 미치는 힘

  • 기압경도력(Pressure gradient force; PGF)
    • 지상 높이의 수평 방향 기압 분포로 인한 힘
    • 등압선 간격이 좁을수록(기압차가 클수록) 커진다.
    • 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로(음의 부호) 등압선의 직각 방향으로 작용
(2)
\begin{align} \mathrm{PGF} = - \alpha \vec{\nabla} p = - \alpha \left( {{\partial } \over {\partial x}} \hat{i} + {{\partial } \over {\partial y}} \hat{j} + {{\partial } \over {\partial z}} \hat{k} \right) p \end{align}
  • 전향력(Coriolis force)
    • 지구 자전으로 인해 생기는 힘.
    • 위도가 커질수록, 풍속이 빠를수록 커진다.
    • 북반구에서는 운동방향의 오른쪽 직각 방향, 남반구에서는 왼쪽 직각 방향으로 작용
(3)
\begin{align} f_\mathrm{cor} = 2 \Omega \vec{V} \sin \phi \end{align}

($\Omega =$ 지구의 자전각속도)

  • 마찰력(friction)
    • 지상 공기가 상층 자유 대기(고도 1 km 이상)와 마찰
    • 지표면 기복이 심할수록, 풍속이 빠를수록, 고도가 낮을수록 커진다.
    • 언제나 운동방향의 반대 방향으로 작용
(4)
\begin{align} \vec{f}_\mathrm{fric} = - k \vec{V} \end{align}

5.6 상공의 바람과 지면의 바람

  • 지균풍(Geostrophic winds)
    • 기압경도력 ≈ 전향력
    • 마찰력이 없는 상공(고도 1.5 km 이상)에서 저기압을 왼쪽에 두고 등압선과 평행하게 분다.
  • 경도풍(Gradient winds)
    • 기압경도력 ≈ 전향력 ± 원심력
    • 마찰력이 없는 상공(고도 1.5 km 이상)에서 원형 등압선을 따라 원형으로 분다.
  • 표면풍(Surface winds)
    • 기압경도력, 전향력, 마찰력
    • 마찰력은 풍속에 비례하나 방향은 언제나 반대

5.7 바람을 측정하는 기구