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소백산맥에 의한 서풍 파동 발생
The Generation of Westerly Waves by Sobaek Mountains 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.38 no.1, 2017년, pp.24 - 34  

김진욱 (충북과학고등학교) ,  윤대옥 (충북대학교 지구과학교육과)

초록
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등학교에서 사용되는 고급지구과학 교과서에서는 서풍이 대규모 산맥을 넘어갈 때 풍하측에 파동이 발생하는 현상을 개략적인 그림으로 제시하여 간략히 이론적으로만 설명하고 있다. 이 현상은 편서풍 파동 현상으로 산을 넘어가는 공기 기둥의 소용돌이도(잠재와도) 보존 이론으로 설명될 수 있다. 그러나 우리나라와 같이 소규모 산맥이 존재하는 지역에서 관측자료를 바탕으로 중규모 편서풍 파동 현상에 대한 사례 연구는 부재하였다. 또한 서풍에 의한 파동이 형성되는 조건인 산맥의 폭과 길이에 따라 서풍의 풍속, 지속시간을 명확히 규정한 선행연구는 미미하다. 따라서 본 연구에서는 우선적으로 소백산맥을 대상으로 근처의 지표 관측소에서 관측한 지역별 상세관측자료를 이용하여 파동이 실제로 형성되는 지 확인하였다. 또한 소백산맥에 의하여 지표 근처에서 서풍 파동이 생성되기 위한 서풍의 최저속도인 임계 속도를 이론적으로 유도하여, 대략 $0.6m\;s^{-1}$의 값을 구하였다. 더 나아가 기상청 2014년 지역예보모델의 4-차원 자료동화 자료를 추가하여 소백산맥 풍하측 서풍 파동 발생의 연중 빈도와 서풍 파동의 진행 발달과정을 고도별로 분석하였다. 발생한 서풍 파동은 meso-${\beta}$ 또는 -${\gamma}$ 규모였다. 파동의 생성 및 소멸은 풍속 또는 풍향과 밀접한 관계가 있으며, 풍속이 감소함에 따라 산맥에 의한 서풍 파동은 점차 소멸되었다. 서풍이 강할수록 상층에 meso-${\beta}$ 규모의 파장을 갖는 와도 생성 비율이 높았다. 분석 범위를 동아시아 권역으로 넓혔을 때 중국 동북부 옌산 산맥에서도 서풍 파동 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 유체지구에 대한 이론과 현상의 이해, 특히 우리나라 산맥에 의해 발생하는 대기의 파동 현상을 실제 관측 자료를 바탕으로 이해를 돕는 교육 자료로 활용될 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The westerly waves generation is described in the advanced earth science textbook used at high school as follows: as westerly wind approaches and blows over large mountains, the air flow shows wave motions in downwind side, which can be explained by the conservation of potential vorticity. However, ...

주제어

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문제 정의

  • Bolin (1950)은 이를 설명한 식의 유도를 제시하였으나 구체적인 과정이 생략되어 있다. 따라서 본 연구에서는 위치 소용돌이도 보존식으로부터 곡률 반경에 대한 미분 기하학 내용을 응용하여 파동이 발생할 수 있는 임계 속도 산출 과정을 자세히 유도하여 다음과 같이 제시하였다.
  • 2960, 2970, 2980, 2990 gpm은 서풍이 소백산맥을 넘어갈 때 파동을 나타낸 지위고도선으로 이 선들이 다른 지역에서도 파동을 형성하고 있었다. 또한, 파동이 형성된 지역이 어떤 지형적 특징을 갖고 있는지 알아보았다.
  • 본 연구는 산맥을 넘어가는 기류가 산맥의 풍하측 상공에서 사행하는 현상인 편서풍 파동을 2014년 우리나라 소백산맥 지역에 대하여 실제 관측 자료를 이용하여 이 현상이 발생하는지 확인하였고, 기압층별 시간에 따른 발달 과정을 가시화하여 제시하였다. 본 연구의 결과는 이론적으로 설명되는 현상이 실제 중규모에서도 발생하고 있음을 보여주며, 고급지구과학 교과서에 이론적으로만 설명되어 있는 편서풍 파동 현상을 가시화하여 보여줄 수 있는 교육 자료로 활용될 수 있다.
  • , 2016). 본 연구에서는 소백산맥에 의한 편서풍 파동 발생을 2014년 한 해에 대해 자료를 가시화하여 분석하였다.
  • 특히, 편서풍 파동이 발생하는 속도의 정량적인 분석에 대해서는 지속적인 연구를 통해 그 원인을 밝혀야 하고, 풍속의 최댓값을 구하는 과정도 필요하다. 본 연구에서는 임계 속도에 따른 파동의 생성을 수식적으로 유도하였으나 편서풍 파동의 생성 유무에만 중점을 두어서 분석하였다. 임계 속도 이상에서 파동이 모두 발생하지 않은 이유와 임계 속도 이하에서 다시 되돌아오는 파동의 움직임에 대해서는 추가적인 연구가 필요하며 앞으로 산맥 이외의 다양한 변수를 고려한 연구가 진행되어야 할 것이다.
  • 이에 본 연구에서는 우선적으로 서풍계열의 기류가 산맥을 넘어 파동을 형성할 수 있도록 해주는 임계속도를 수식적으로 유도하여 제시하였고, 이를 소백산맥에 적용하여 임계 속도를 계산하였다. 소백산맥을 넘어가는 기류에서 보이는 편서풍 파동 현상을 확인하고 발달과정을 분석하였다.

가설 설정

  • 소규모 산맥에 의한 영향을 입증하기 위해 위도변화에 따른 코리올리 매개변수의 변화를 무시하고,산맥에 수직으로 통과하는 매우 좁은 흐름이 있다고 가정해 보자. 공기 기둥이 이동할 때 수직적으로 수축하면 수평적으로는 늘어난다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고등학교 고급지구과학 교과서 2단원 유체 지구과학에서 정의하는 파동 현상은? 고등학교 고급지구과학 교과서 2단원 유체 지구과학에서는 “같은 위도 상에서 수심이 변하는 지역이 존재하는 경우, 동서 방향의 해류가 이 지역을 통과한 후에는 남북으로 사행하는 파동형태의 흐름을 가지게 되는 현상”을 설명하고 있다(Jeong et al., 2013).
대규모 산맥에 의한 편서풍 파동의 발생원인은? , 2013). 대규모 산맥에 의한 편서풍 파동의 발생원인은 대기에서 공기 기둥의 높이와 절대 소용돌이도의 변화로 설명된다.
산맥에 의한 편서풍 파동 현상이 발생하기 위해 우리나라가 갖추고 있는 환경적 조건은? 산맥에 의한 편서풍 파동 현상을 가시화 한 수업자료는 우리나라의 지형적 특징과 지리적 위치 때문에 용이할 것이다. 우리나라는 겨울과 초봄에 서풍계열의 바람이 우세하고 북북동에서 남남서로 늘어선 소백산맥의 분포로 인해 약 1000 m 고도 상공의 대기에 파동이 형성될 수 있어 대기환경의 변화가 나타날 수 있는 조건을 갖추고 있다(Chung and Kim,2016). 또한, 우리나라 기상청에서는 대략 12 km 간격의 관측소 및 고해상도 4-차원 자료동화 기상 자료를 생산하고 있어 이를 활용한 대기역학 관련 탐구자료를 제공할 수 있다.
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참고문헌 (12)

  1. Bolin, B., 1950, On the Influence of the Earth's Orography on the General Character of the Westerlies. Tellus Series A, 2, 184-195. 

  2. Chang, Y.S., 2015, Development and Application of an Experimental Program for Mapping Temperature and Salinity Distribution around the Korean Marginal Seas Using Ocean Data View. Journal of the Korean Earth Science Society, 36(4), 367-389. (in Korean) 

  3. Cho, H.O., Son, S.W., and Lee, Y.H., 2016, Spatio-temporal Structure of Diurnal and Semidiurnal Tides in Geopotential Height Field. Journal of the Korean Earth Science Society, 37(6), 465-475. (in Korean) 

  4. Chung, Y.S. and Kim, H.S., 2016, The New Classification of Mountains in the Korean Peninsula and the Mountain Associated Influence on Atmospheric Environment. Journal of the Korean Earth Science Society, 37(1), 21-28. (in Korean) 

  5. Chung, Y.S., 1977a, On the Orographic Influence and Lee Cyclogenesis in the Andes, the Rockies and the East Asian Mountains. Archiv Fur Meteorologie Geophysik und Bioklimatologie, Serie A, 26, 1-12. 

  6. Chung, Y.S., 1977b, An Observation Study of the Influence of Large-Scale Mountains on Air Flow and Lee Cyclogenesis. Archiv Fur Meteorologie Geophysik und Bioklimatologie, Serie A, 26, 109-126. 

  7. Holton, J.R., 2012, Dynamic Meteorology. 5/E. Academic Press, USA, 576 p. 

  8. Jeong, J.W., Kyung, J.B., Wee, S.M., Kim, H.B., Cho, B.G., and Lee, K.H., 2013, Advanced Earth Science. Seoul Metropolitan Office of Education, Seoul, Korea, 365 p. (in Korean) 

  9. Kim, J.H. and Chun, H.Y., 2011, Development of the Korean Mid- and Upper-Level Aviation Turbulence Guidance (KTG) System Using the Regional Unified Model. Korean Meteorological Society, 21(4), 497-506. (in Korean) 

  10. Nevir, P. and Sommer, M., 2009, Energy-Vorticity Theory of Ideal Fluid Mechanics. Journal of Atmospheric Science, 66(7), 2073-2084. 

  11. Orlanski, I., 1975, A rational subdivision of scales for atmospheric processes. Bulletin of the American Meteorological Society. 56(5), 527-530. 

  12. Thomas, G.B., Weir, M.D., and Hass, J.R., 2010, Thomas' Calculus. 12/E. Pearson, USA, 1047 p. 

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