[논문]해수면 온도변화에 따른 제주도 후면 흐름구조 변화에 관한 수치연구

이순환; 박광순

해수면 온도변화에 따른 제주도 후면 흐름구조 변화에 관한 수치연구
Numerical Studies on the Variation of Flow Structure Due to Sea Surface Temperature at the Lee Side of Jeju Island in the Korean Peninsula 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.27 no.1, 2006년, pp.61 - 72

이순환 (조선대학교 아시아몬순기후환경연구센터) , 박광순 (장영실과학고등학교)

초록
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대기-해양의 상호작용과 제주도 후면에서 발생하는 카르만소용돌이행렬의 상관관계를 수치실험을 통하여 분석하였다. 카르만 소용돌이는 한라산의 제한된 높이에서 형성되는 경향을 가지고 있다. 그리고 본 연구에서는 900 hPa고도에서 카르만 소용돌이가 뚜렷이 생성되었다. 카르만소용돌이행렬의 발생초기에는 하나의 소용돌이세포가 나타나고 시간이 경과함에 따라 소용돌이는 이류를 한다. 이때 작은 소용돌이로 분리되는 경향이 있다. 분리된 소용돌이의 강도와 지속시간은 해수면 온도 분포와 밀접한 관계를 가진다. 즉 약한 해수면의 온도경도는 카르만 소용돌이의 지속 시간을 길게 하며, 산 후면의 소용돌이도를 감소시킨다. 강한 해수면 온도경도는 혼합층과 대기하층 수증기량을 증가시키고, 강화된 하층대기 혼합은 산악에 의하여 형성되는 기계적 응력을 감소시키는 경향이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical studies on the influence of interaction between atmosphere and ocean on the variation of Karman vortex at the lee side of Jeju Island were carried out. Karman vortex tends to be occurred at limited height associated with Hanla mountain. And we can find clear Karman vortex at 900 hPa height in this study. One big vortex cell occurred at lee side of Jeju Island in the begging stage of its development and the cell was divided into three small cells as time goes by. And the strength and lifetime of small vortexes depend on the distribution of SST (Sea Surface Temperature). Weak gradient of SST makes long-lasting Karman vortex but produces weak potential vorticity at lee side of Jeju-do in comparison with the vortex under strong SST gradient. Strong SST gradient also increases not only the mixing depth but also the mixing ratio at lower level of troposphere. And the increased atmospheric mixing decreases the mechanical forcing due to isolated topography. Then the strength of Karman vortex at the lee side of Jeju Island becomes weak under strong gradient of SST. Thus the evolution of Karman vortex is closely related to distribution of SST around the isolated island.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대기-해양의 상호작용이 독립된 도서지형인 제주도 후면에 발생하는 흐름변화에 미치는 영향을 수치실험을 통하여 조사하였다. 제주도의 한라산에 의하여 발생하는 후류는 일정한 고도에서 제한적으로 발달하며, lOOOhPa 이하의 고도에서는 산악에 의한 요란이 나타나지 않는다.
하지만 이러한 독립지형 후면의 중규모적인 흐름이 대기-해양의 상호작용에 의하여 변질되는정도에 대한 연구는 매우 부족하다. 이 연구에서는 해수면 온도변화에 의하여 형성되는 대기-해양 간의 상호 작용에 의하여 제주도 후면에 형성되는 흐름의 변화를 살펴보고 흐름의 변화 메커니즘을 수치실험을 통하여 살펴보고자 한다.

제안 방법

MM5 병렬버전을 통하여 열수지변화가 실제 와열의 형성에 미치는 영향을 보았다. 제주지역의 중규모의 국지기상 모의와 전산용량을 고려하여 Table 1과같이 3영역으로 구분된 둥지격자체계로 구성하였다.
, 2000). 경계층 물리과정은 MRF, 지표물리과정은 5층 토양모형을, 복사과정은 구름-복사 상호작용을 적용하였다. 측면 경계조건은 무경도 조건을 주어 내부파장의 원활한 이동을 고려하였으며, 상층 경계에서는 대기 현상의 이류가 원활하고 중력파가 모델 내부로 반사되는 것을 효과적으로 막기 위해 레일리 (Rayleigh) 감쇄층을 연직 15 km부터 설정하였다.
그리고 제주도후면의 카르만소용돌이 행렬은 중규모 P-Y 규모이기 때문에 9 km의 격자보다 3 km 격자 계산이 더욱 현실적인 재현이 가능하다. 그러므로 이후의 해석은 제 3 둥지 격자 모형결과를 중심으로 실시하였다.
습윤물리과정은 27km 영역에서만 10-30km 격자에 적합한 Grell 적운모수화 방안과 Mixed-Phase(Reisner) 명시적 습윤 물리 과정을 적용하였으며 9, 3 km 영역에서는 Mixed-Phase(Reisner)만 적용하였다. 현재 적운모수화 방안은 10-20 km 이상 격자에서는 적극적으로 사용하며 3 km 이하 격자에서는 사용하지 않는 것이 일반화되어 있으나 이 사이 구간이 3-10 km 구간에서는 아직 명확한 권고 기준이 제시되고 있지 않다(Dudhia et al.
각 영역간 측면 경계자료는 27 km 영역은 RDAPS(Regional Data Assimilation Prediction System) 3시간 간격의 예측자료를, 9, 3 km 영역은 어미영역의 자료만 사용하는 일방 둥지화 기법(one way nesting)을 적용하였다. 여기에서 27km 영역은 초기추정 및 경계자료로 제공되는 RDAPS의 해상도인 30 km와 중복되지만, 이 연구에서 사용된 MM5의 물리과정과 일치하지 않아 모형 적분시간이 길어지면 발생하는 경계치 문제를 최소화하기 위하여 27 km 영역을 추가로 설정하였다 (Dudhia et al., 2000). 27km 영역의 격자 간격은 격자 간격이 크므로 이 영역에서 적분에 소요되는 시간은 3 km 영역에 1/9 이하임으로 영역 1의 추가에 따른 연산시간은 문제가 되지 않는다.
실시하였다. 전절에서 설명하였다시피 대기와 해양의 열교환을 대표하는 해수면 온도가 다른 세 가지 경우를 대상으로 수치실험을 수행하였다. Fig.
초기자료는 RDAPS의 자료를 초기자료로 사용하였으며, 해양표면의 열적 변화에 따른 카르만소용돌이 행렬의 변화를 보기 위하여 3가지 수치실험을 실시하였다. 해수면온도로 기후치 자료를 사용한 수치실험을 CASE 1, SST를 일정하게 둔 것을 CASE 2, CASE 1의 경도를 제주도의 북쪽 해안선을 기준으로 2배 크게 한 것을 CASE 3으로 설정하였다.
경계층 물리과정은 MRF, 지표물리과정은 5층 토양모형을, 복사과정은 구름-복사 상호작용을 적용하였다. 측면 경계조건은 무경도 조건을 주어 내부파장의 원활한 이동을 고려하였으며, 상층 경계에서는 대기 현상의 이류가 원활하고 중력파가 모델 내부로 반사되는 것을 효과적으로 막기 위해 레일리 (Rayleigh) 감쇄층을 연직 15 km부터 설정하였다. 모델의 지형은 30초 간격의 지형 자료로 산출하였고 평활을 위하여 Barnes 방법을 이용하였다.
해수면온도로 기후치 자료를 사용한 수치실험을 CASE 1, SST를 일정하게 둔 것을 CASE 2, CASE 1의 경도를 제주도의 북쪽 해안선을 기준으로 2배 크게 한 것을 CASE 3으로 설정하였다. 계산 적분 시간은 48시간으로 하고 두 번째 날 24시간을 분석에 이용하였다.

대상 데이터

대기와 해양의 상호 열교환이 카르만소용돌이 행렬형성에 미치는 영향을 보기위하여, 실제 카르만소용돌이행렬이 형성된 2003년 12월 13일을 대상으로 수치실험을 실시하였다. 전절에서 설명하였다시피 대기와 해양의 열교환을 대표하는 해수면 온도가 다른 세 가지 경우를 대상으로 수치실험을 수행하였다.
본 연구의 실험대상 영역은 한반도 남단의 제주도 주변 역으로 정했다. Fig.
그림상 제주도 내부의 온도변화는 전산상의 문제이며, 계산상에는 동일한 값이 들어간다. 제주도후면에서 발생하는 와열의 변화를 보기 위한 실제 2003년 12월 12일 발생한 제주도후면의 기류를 대상으로 분석하였다. Fig.
지형지표자료는 USGS(United State Geological Survey)의 30초 자료를 이용하였다. 습윤물리과정은 27km 영역에서만 10-30km 격자에 적합한 Grell 적운모수화 방안과 Mixed-Phase(Reisner) 명시적 습윤 물리 과정을 적용하였으며 9, 3 km 영역에서는 Mixed-Phase(Reisner)만 적용하였다.

이론/모형

저|1영역과 제2영역은 거의 비슷한 영역을 나타낸다. 각 영역간 측면 경계자료는 27 km 영역은 RDAPS(Regional Data Assimilation Prediction System) 3시간 간격의 예측자료를, 9, 3 km 영역은 어미영역의 자료만 사용하는 일방 둥지화 기법(one way nesting)을 적용하였다. 여기에서 27km 영역은 초기추정 및 경계자료로 제공되는 RDAPS의 해상도인 30 km와 중복되지만, 이 연구에서 사용된 MM5의 물리과정과 일치하지 않아 모형 적분시간이 길어지면 발생하는 경계치 문제를 최소화하기 위하여 27 km 영역을 추가로 설정하였다 (Dudhia et al.
측면 경계조건은 무경도 조건을 주어 내부파장의 원활한 이동을 고려하였으며, 상층 경계에서는 대기 현상의 이류가 원활하고 중력파가 모델 내부로 반사되는 것을 효과적으로 막기 위해 레일리 (Rayleigh) 감쇄층을 연직 15 km부터 설정하였다. 모델의 지형은 30초 간격의 지형 자료로 산출하였고 평활을 위하여 Barnes 방법을 이용하였다.
본 연구에 사용한 수치모형은 현재 한국 기상청에서 중규모 현업모형으로 사용하고 있는 MM5(The Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model) 이다. MM5는 미국 펜실베니아 주립대와 미국 대기과학연구소가 공동으로 개발한 모델이며, 본 모형의 특징은 다중 네스팅 능력, 비정역학, 4차원 동화시스템, 즉 다양한 외부자료 이용, 여러가지 계산기에의 적용성 및 다양한 물리과정 옵션 등을 들 수 있다.

성능/효과

그리고 최하층인 1000 hPa고도의 소용돌이도는 전시간과 마찬가지로 전체 영역에서 거의 동일하게 나타난다. 그러므로 독립지역 후면의 소용돌이행렬 발생은 중심 소용돌이 도의 생성구역이 하강하면서 나타나고, 최종적으로 산의 중간고도에서 계속적으로 소용돌이도의 소산과 생성이 반복되는 것을 알 수 있다. 그러나 카르만소용돌이가 발달하는 고도는 대기의 상태 특히 풍속과 지표 상태에 따라 달라질 수 있다(이순환과 박광순, 2004).
해수면 온도 경도의 증가는 대류권 하부 혼합층의 깊이를 증가 시켜 대기의 침강역전층의 하부경계를 상승시킨다. 상승된 하부경계는 간접적으로 카르만소용돌이 행렬의 형성에 필요한 장애물을 감소시키는 역할을 하였으며, 이에 따라 풍하측에 형성되는 카르만소용돌이 행렬의 공간규모가 감소되었다.
각 실험에서 나타난 연직 잠재소용돌이도의 가장 큰 차이점은 산후면의연직소용돌이도의 강도이다. 연직 잠재 소용돌이도의 강도를 보면 수평 해수면온도가 없는 CASE 2가 가장 작고, 수평온도경도가 가장 큰 CASE 3이 가장 크게 나타난다. 이것은 제주도 후면의 높은 해수면온도경도에 의하여 연직방향 상승류가 증가하여 형성된 것이다.

참고문헌 (12)

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이순환, 박광순, 2004, 독립된 산악지형에 의하여 형성되는 중규모소용돌이 발달에 관한 연구, 한국기상학회지, 40(2), 191-202

상세보기
이순환, 이화운, 김유근, 1999, 대가환경모형에 대한 지형성 난류 의존성에 관한 연구. 한국환경과학회지, 8, 653-660

원문보기 상세보기
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상세보기
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Smolarkiewize, P, K. and Rotunno, R., 1989, Reply. Journal of Atmosphere Science, 46, 3614-3617

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Yagi, S., Kimura, F., and Takahashi, T., 1987, Karman Vortex in the Atmosphere: Analysis, Consideration and Numerical Experiment with Two-Layer Model(in Japanese). Proceeding of Annual Meeting of Japan Meteorological Society, Oct, 1987

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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