대기 대순환을 결정하는 주요 인자로는 남북방향 온도 경도와, 지구 자전으로 인한 코리올리 힘이 있다. 남북방향 온도 경도에 따른 경압성 차이로 인한 대기 대순환의 변화는 지금까지 많이 연구되어 왔으나, 자전속도에 따른 대기 대순환의 반응은 크게 연구되어 오지 않았다. 때문에 본 연구에서는 현 지구보다 느리거나 빠른 자전속도 범위를 모두 포괄하여 이에 따른 해들리 순환과 제트의 변화를 확인하였다. 이 연구에서 우리는 지구의 자전속도가 빨라질수록 해들리 순환 경계와 제트의 위치가 적도에 가까워지고, 제트와 해들리 순환의 세기가 약해진다는 것을 발견하였다. 해들리 순환 경계와 제트의 위치는 자전속도가 매우 빠르거나 느린 경우를 제외하면 준선형적인 관계를 가졌다. 특히, 해들리 순환 경계는 자전속도가 현재보다 1/8에서 8배의 자전속도 범위에서 자전속도보다 그 제곱근에 더 잘 반비례하는 경향성을 보였다. 단, 이러한 자전속도에 따른 변화는 해들리 순환 세기와 제트의 세기에 대해서는 뚜렷하지 않았다. 이는 대기 대순환의 위치 구조 변화는 지구 자전속도와 관련이 큰 반면, 세기의 변화는 자전속도로 설명되지 않음을 의미한다.
대기 대순환을 결정하는 주요 인자로는 남북방향 온도 경도와, 지구 자전으로 인한 코리올리 힘이 있다. 남북방향 온도 경도에 따른 경압성 차이로 인한 대기 대순환의 변화는 지금까지 많이 연구되어 왔으나, 자전속도에 따른 대기 대순환의 반응은 크게 연구되어 오지 않았다. 때문에 본 연구에서는 현 지구보다 느리거나 빠른 자전속도 범위를 모두 포괄하여 이에 따른 해들리 순환과 제트의 변화를 확인하였다. 이 연구에서 우리는 지구의 자전속도가 빨라질수록 해들리 순환 경계와 제트의 위치가 적도에 가까워지고, 제트와 해들리 순환의 세기가 약해진다는 것을 발견하였다. 해들리 순환 경계와 제트의 위치는 자전속도가 매우 빠르거나 느린 경우를 제외하면 준선형적인 관계를 가졌다. 특히, 해들리 순환 경계는 자전속도가 현재보다 1/8에서 8배의 자전속도 범위에서 자전속도보다 그 제곱근에 더 잘 반비례하는 경향성을 보였다. 단, 이러한 자전속도에 따른 변화는 해들리 순환 세기와 제트의 세기에 대해서는 뚜렷하지 않았다. 이는 대기 대순환의 위치 구조 변화는 지구 자전속도와 관련이 큰 반면, 세기의 변화는 자전속도로 설명되지 않음을 의미한다.
The two key factors controlling the atmospheric general circulation are the equator-to-pole temperature difference and the Coriolis force driven by Earth's rotation. Although the former's role has been extensively examined, little has been reported about the latter's effect. To better understand the...
The two key factors controlling the atmospheric general circulation are the equator-to-pole temperature difference and the Coriolis force driven by Earth's rotation. Although the former's role has been extensively examined, little has been reported about the latter's effect. To better understand the atmospheric general circulation, this study investigates the responses of Hadley Cell (HC) and westerly jet to the rotation faster or slower than the present Earth's rotation rate. It turns out that the HC edge and jet position tend to move equatorward and become weaker with increasing rotation rate. In most cases, the HC edge is quasi-linearly related with the jet position except for the extremely slow or fast rotating cases. The HC edge is more inversely proportional to the root of rotation rate than the rotation rate in the range of 1/8 to 8 times of the current Earth's rotation rate. However, such a relationship does not appear in the relationship between HC strength and jet intensity. This result highlights that while the latitudinal structure of atmospheric general circulation can be, to some extent, scaled with the Earth's rotation rate, overall intensity cannot be simply explained by the Earth's rotation rate.
The two key factors controlling the atmospheric general circulation are the equator-to-pole temperature difference and the Coriolis force driven by Earth's rotation. Although the former's role has been extensively examined, little has been reported about the latter's effect. To better understand the atmospheric general circulation, this study investigates the responses of Hadley Cell (HC) and westerly jet to the rotation faster or slower than the present Earth's rotation rate. It turns out that the HC edge and jet position tend to move equatorward and become weaker with increasing rotation rate. In most cases, the HC edge is quasi-linearly related with the jet position except for the extremely slow or fast rotating cases. The HC edge is more inversely proportional to the root of rotation rate than the rotation rate in the range of 1/8 to 8 times of the current Earth's rotation rate. However, such a relationship does not appear in the relationship between HC strength and jet intensity. This result highlights that while the latitudinal structure of atmospheric general circulation can be, to some extent, scaled with the Earth's rotation rate, overall intensity cannot be simply explained by the Earth's rotation rate.
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문제 정의
때문에 본 연구에서는 지구의 자전속도를 넓은 범위에서 변화시켜 해들리 순환과 제트의 특성이 어떻게 변하는지를 다시 논의하고, 자전속도에 따라 해들리 순환의 경계가 위의 선행연구들(Held and Hou, 1980; Held, 2000)의 정의 중 어떤 스케일을 따르는 지를 확인할 것이다. 더불어 해들리 순환과 제트와의 관계가 자전속도에 따라 어떻게 변하는지를 확인하고자 한다.
그럼에도 불구하고, 아직까지 다양한 자전속도 범위에서 해들리 순환과 제트를 함께 살펴본 연구는 많지 않다. 때문에 본 연구에서는 지구의 자전속도를 넓은 범위에서 변화시켜 해들리 순환과 제트의 특성이 어떻게 변하는지를 다시 논의하고, 자전속도에 따라 해들리 순환의 경계가 위의 선행연구들(Held and Hou, 1980; Held, 2000)의 정의 중 어떤 스케일을 따르는 지를 확인할 것이다. 더불어 해들리 순환과 제트와의 관계가 자전속도에 따라 어떻게 변하는지를 확인하고자 한다.
특히, 해들리 순환의 반응은 후속 연구들에서도 지속적으로 확인되었다(Williams 1988a,b;Navarra and Boccaletti 2002). 이러한 실험들은 자전 속도에 관한 대기 대순환의 반응에 대한 기초적 이해를 닦아 두었다. 또한 Walker and Schneider (2006)는 자전속도를 현 지구 자전속도(1Ωe)의 1/32배에서 4배까지 변화시켜가며 해들리 순환 경계와의 관계를 살펴보았고, 그 결과 지구 자전속도가 느릴 때에는 경계가 Ω−1/5에, 빠를 때에는 Ω−1/3에 비례하게 변한다는 것을 보였다.
제안 방법
다음으로, 자전속도와 밀접한 관련이 있는 것으로 알려진 해들리 순환의 경계와 자전속도와의 관계성을 보다 자세히 확인하였다. 해들리 순환의 경계(φψ500)를 식 (1)과 같이 자전속도에 반비례(∝Ω-1) 혹은 식 (2)와 같이 자전속도 제곱근에 반비례(∝Ω-1/2)하는 두 가지 경우로 비선형 회귀분석 교정(nonlinear regression fitting)을 시도하였다(Fig.
이 때 아열대 지역에서 500 hPa 고도의 질량흐름함수가 0이 되는 위도가 존재하는데, 이 때의 위도를 해들리 순환 경계(edge, φψ500)로 정의하였다. 또한, 적도부터 해들리 순환 경계까지의 범위에서 500 hPa 질량흐름함수 절댓값의 최댓값을 해들리 순환의 세기(strength)로 보았다. 이는 해들리 순환의 역학적 기작을 살펴볼 때 주로 사용되는 정의이다(Waugh et al.
본 연구에서는 약 1.4o의 위경도 격자를 갖는 T85의 수평해상도(horizontal resolution)를 설정하였으며, 연직으로는 퓨어 시그마(pure sigma) 연직 격자를 이용하여 40개의 시그마 층을 가진 모형을 사용하였다. 지구 반지름은 그대로 유지한 채 자전 속도만을 변화시켜가며 각 실험마다 모형을 총 6,000일간 적분하였으며, 평형 상태에 도달한 이후의 대기장을 살펴보기 위하여 초반 2,000일을 제외하고 마지막 4,000일의 자료를 시간 평균하여 사용하였다.
해들리 순환의 세기와 경계는 지구의 자전 속도와 밀접한 관련이 있다고 알려져 있으며, 본 연구에서는 이를 건조 역학 모형에서 재확인하였다. 자전속도를 현재 지구의 자전속도의 1/8배부터 8배까지 넓은 범위에서 변화시켜 다양한 자전속도 하에서 대표적인 대기대순환인 해들리 순환과 제트의 변화를 확인했다. 자전 속도가 빨라질수록 해들리 순환과 제트의 경계는 모두 적도 방향으로 이동하였으며, 이들의 세기는 약해졌다.
자전속도에 따른 대기 대순환의 반응을 보다 자세히 분석하기 위해 자전속도에 따른 제트의 위치와 세기, 해들리 순환의 경계와 세기를 각각 자전속도에 대해 확인하였다(Fig. 5). 자전속도가 현재보다 빠른 실험들에서는 여러 개의 제트와 대순환들이 존재하나, 해들리 순환과 제트의 정의에 입각하여 계산한 결과 가장 적도 가까이에서 나타나는 대순환과 제트를 각각 해들리 순환, 제트로 정의하였다.
4o의 위경도 격자를 갖는 T85의 수평해상도(horizontal resolution)를 설정하였으며, 연직으로는 퓨어 시그마(pure sigma) 연직 격자를 이용하여 40개의 시그마 층을 가진 모형을 사용하였다. 지구 반지름은 그대로 유지한 채 자전 속도만을 변화시켜가며 각 실험마다 모형을 총 6,000일간 적분하였으며, 평형 상태에 도달한 이후의 대기장을 살펴보기 위하여 초반 2,000일을 제외하고 마지막 4,000일의 자료를 시간 평균하여 사용하였다. 본 연구에서는 지형을 모형의 경계 조건으로 고려하지 않았으며, 건조 모형이므로 습윤 효과 또한 배제되었다.
본 연구에서는 지형을 모형의 경계 조건으로 고려하지 않았으며, 건조 모형이므로 습윤 효과 또한 배제되었다. 지형이 고려되지 않았기 때문에 본 모형에서는 반구별 차이가 존재하지 않으며, 본 연구에서는 남반구 대기 대순환의 결과를 분석하였다.
해들리 순환의 세기와 경계는 지구의 자전 속도와 밀접한 관련이 있다고 알려져 있으며, 본 연구에서는 이를 건조 역학 모형에서 재확인하였다. 자전속도를 현재 지구의 자전속도의 1/8배부터 8배까지 넓은 범위에서 변화시켜 다양한 자전속도 하에서 대표적인 대기대순환인 해들리 순환과 제트의 변화를 확인했다.
데이터처리
해들리 순환의 경계(φψ500)를 식 (1)과 같이 자전속도에 반비례(∝Ω-1) 혹은 식 (2)와 같이 자전속도 제곱근에 반비례(∝Ω-1/2)하는 두 가지 경우로 비선형 회귀분석 교정(nonlinear regression fitting)을 시도하였다(Fig. 6).
이론/모형
이 모형은 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL)의 대기 대순환 모형(General Circulation Model; GCM)의 건조 역학 코어(dry dynamic core)를 기반으로 한다(Gordon and Stern 1982). 본 연구에서 사용된 역학 모형은 Held and Suarez (1994)에서와 같이 온도가 뉴턴식 시간 완화(Newtonian relaxation time)을 통해 복사-대류 평형 온도(radiative-convective equilibrium temperature, Te)로 도달하며, 이 평형 온도는 내부 확산(internal diffusion)과 지표 부근의 레일리 마찰(Rayleigh friction)에 의해 소산된다. Held and Suarez (1994)에서 평형 온도(Te)는 아래 식과 같이 주어진다.
본 연구에서는 원시 방정식(primitive equations)을 바탕으로 만들어진 전구 규모 스펙트럼 모형(global spectral model)을 사용하였다. 이 모형은 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL)의 대기 대순환 모형(General Circulation Model; GCM)의 건조 역학 코어(dry dynamic core)를 기반으로 한다(Gordon and Stern 1982).
본 연구에서는 원시 방정식(primitive equations)을 바탕으로 만들어진 전구 규모 스펙트럼 모형(global spectral model)을 사용하였다. 이 모형은 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL)의 대기 대순환 모형(General Circulation Model; GCM)의 건조 역학 코어(dry dynamic core)를 기반으로 한다(Gordon and Stern 1982). 본 연구에서 사용된 역학 모형은 Held and Suarez (1994)에서와 같이 온도가 뉴턴식 시간 완화(Newtonian relaxation time)을 통해 복사-대류 평형 온도(radiative-convective equilibrium temperature, Te)로 도달하며, 이 평형 온도는 내부 확산(internal diffusion)과 지표 부근의 레일리 마찰(Rayleigh friction)에 의해 소산된다.
제트의 세기(intensity)는 대류권 상부 300 hP부터 200 hPa까지 기압에 따라 가중평균된 동서평균 동서방향 바람의 최댓값으로 정의하였다. 제트의 위치(position)는 동서 평균 풍속이 최댓값을 갖는 위도이며, 사다리꼴 공식(Trapezoidal rule)을 통한 적분 방법을 이용하여 정의하였다.
해들리 순환은 동서평균된(zonal-mean) 질량흐름함수(mass stream function, ψ)를 이용하여 정의하였다.
성능/효과
1e-1g). 가장 강한 제트의 위치는 적도에 가장 가깝게 나타났으며, 자전속도가 증가할수록 적도에 가까워지며 그 세기는 지수함수적으로 약해졌다. 자전속도가 가장 빠른 Ω = 8Ωe 실험에서 제트의 위치는 약 17.
가장 빠른 Ω = 8Ωe 실험에서는 5개 이상의 대순환들을 발견할 수 있었지만 해들리 순환과 페렐 순환을 제외한 나머지 대순환들은 0.1×1010 kg s−1 미만의 세기를 가졌으며, 해들리 순환 세기도 0.3×1010 kg s −1 정도로 매우 약하게 관찰되었다.
8에 나타난다. 뚜렷한 선형성을 보였던 해들리 순환과 제트의 위치 관계와는 달리, 해들리 순환과 제트의세기는 자전속도 변화에 따라 뚜렷한 관계를 갖지 않았다. 0.
지구 반지름은 그대로 유지한 채 자전 속도만을 변화시켜가며 각 실험마다 모형을 총 6,000일간 적분하였으며, 평형 상태에 도달한 이후의 대기장을 살펴보기 위하여 초반 2,000일을 제외하고 마지막 4,000일의 자료를 시간 평균하여 사용하였다. 본 연구에서는 지형을 모형의 경계 조건으로 고려하지 않았으며, 건조 모형이므로 습윤 효과 또한 배제되었다. 지형이 고려되지 않았기 때문에 본 모형에서는 반구별 차이가 존재하지 않으며, 본 연구에서는 남반구 대기 대순환의 결과를 분석하였다.
이는 자전속도가 느려지면 해들리 순환이 φHH80, φH00 두 스케일링 모두로 설명되지 않지만, 자전속도가 빠른 경우에는 Held (2000) 스케일링(φHH00)으로 해들리 순환의 경계 변화가 설명됨을 의미한다. 이와 같이 본 연구에서는 자전 속도가 달라짐에 따라 에디와 평균남북순환 (mean meridional circulation)의 중요도가 달라져, 자전속도와 해들리 순환 경계의 관계가 달라질 수 있음을 재확인하였다.
자전 속도가 현재보다 느린 경우(Ω ≤ 1Ωe)에는 Ω−1 과 Ω−1/2 모두에 대해 유의하게 교정되지 않았으나, 자전속도가 빠른 경우(Ω ≥ 1Ωe)에는 해들리 순환 경계가 Ω−1/2에 더 잘 교정되는 모습을 보였다.
자전속도가 현재 지구의 자전속도(1Ωe)보다 느린 실험에서는 자전속도가 증가함에 따라 제트와 해들리 순환의 세기가 모두 급격히 감소하는 반면, 자전속도가 현재 자전속도보다 빠를 때에는 제트와 해들리 순환의 세기 모두 보다 느리게 감소했다(Figs. 5b, 5e).
제트가 대부분의 자전속도 범위에서 자전속도가 증가함에 따라 세기가 감소하는 것과는 달리, 해들리 순환의 세기는 자전속도가 느릴 때에는(Ω ≤ 1Ωe) 급격하게 감소하다가 4Ωe 이상의 자전속도에서는 매우 완만한 감소를 보였다(Fig. 5e).
자전 속도가 빨라질수록 해들리 순환과 제트의 경계는 모두 적도 방향으로 이동하였으며, 이들의 세기는 약해졌다. 제트의 위치와 해들리 순환 경계는 대부분의 자전속도에서 선형적 관계를 보였으나, 해들리 순환 세기와 제트 세기의 관계는 자전속도로 잘 설명되지 않았다.
4), 자전속도가 현재보다 느린(Ω ≤ 1Ωe) 실험들에서는 적도 근처에서 발생하는 직접 순환인 해들리 순환과 중위도의 페렐 순환만 존재한 반면 자전 속도가 빨라진 실험들(Ω > 1Ωe)에서는 두 순환 외에도 추가적인 대기 대순환이 생성되는 모습이 확인되었다. 총 대순환의 갯수는 자전속도가 빨라질수록 증가하지만, 각 대순환들의 세기는 해들리 순환과 마찬가지로 자전속도가 빨라질수록 약해졌다. 이는 현재보다 빠른 자전속도를 확인한 선행 연구들과도 일치하는 결과이다(Hunt 1979; Williams 1988a,b).
후속연구
이로 인해 위 결과를 실제 대기에 적용하고 일반화시키는 데는 한계가 있다. 때문에 향후 다양한 물리과정이 고려된 습윤 모형을 이용한 연구가 필요하며, 이를 통해 지구자전 속도에 대한 대기대순환의 변화를 보다 정량적으로 평가할 수 있을 것으로 기대한다.
단, 극단적으로 느리거나 빠른 자전속도를 갖는 실험의 경우에는 대기 대순환의 반응이 이러한 선형성에서 벗어나는 것이 확인되기도 했다. 이러한 극단적인 자전속도 실험에서의 대기 대순환 반응이 단순히 모형의 기술적 오차인지 혹은 대기 대순환의 역학적 특성인지에 대해 추후 심도 있는 연구가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해들리 순환은 무엇인가?
해들리 순환(Hadley circulation; HC)은 지구에서 남북 방향으로 불균등하게 입사되는 복사 에너지를 재분배하는 직접 순환이다. 적도 지역에서 상대적 공기의 가열로 인해 단열 팽창하는 공기는 상공에서 극 방향으로 이동한다.
해들리 순환 경계와 제트의 위치는 어떤 관계를 갖고 있는가?
이 연구에서 우리는 지구의 자전속도가 빨라질수록 해들리 순환 경계와 제트의 위치가 적도에 가까워지고, 제트와 해들리 순환의 세기가 약해진다는 것을 발견하였다. 해들리 순환 경계와 제트의 위치는 자전속도가 매우 빠르거나 느린 경우를 제외하면 준선형적인 관계를 가졌다. 특히, 해들리 순환 경계는 자전속도가 현재보다 1/8에서 8배의 자전속도 범위에서 자전속도보다 그 제곱근에 더 잘 반비례하는 경향성을 보였다.
전구 규모 스펙트럼 모형의 기반은 무엇인가?
본 연구에서는 원시 방정식(primitive equations)을 바탕으로 만들어진 전구 규모 스펙트럼 모형(global spectral model)을 사용하였다. 이 모형은 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL)의 대기 대순환 모형(General Circulation Model; GCM)의 건조 역학 코어(dry dynamic core)를 기반으로 한다(Gordon and Stern 1982). 본 연구에서 사용된 역학 모형은 Held and Suarez (1994)에서와 같이 온도가 뉴턴식 시간 완화(Newtonian relaxation time)을 통해 복사-대류 평형 온도(radiative-convective equilibrium temperature, Te)로 도달하며, 이 평형 온도는 내부 확산(internal diffusion)과 지표 부근의 레일리 마찰(Rayleigh friction)에 의해 소산된다.
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