안녕하세요! 이번 포스팅에서는 "수문 기상학"에 대한 내용을 다뤄보려고 합니다. 수문 기상학은 기상학과 수문학을 결합한 분야로, 홍수, 강우 예측, 저수지 운영, 기후 등과 관련된 중요한 정보를 제공합니다. 먼저, 이론적인 측면에서는 "가능최대강수량(PMP, probable maximum precipitation)"과 "가능최대홍수량(probable maximum flood)"을 산정하는 방법에 대해 다루고 있습니다. 이러한 정보는 홍수예보나 저수지 운영을 위한 강우 예측에 중요한 역할을 합니다. 또한, 일기와 기후에 대한 내용도 다루고 있는데, 이것은 수문 기상학에서 중요한 역할을 합니다. 지구의 기후, 지형, 지질 등이 수문 기상 현상에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 내용을 다룹니다. 기후학적 요인과 대기 권의 열순환 등이 어떻게 수문 기상에 영향을 미치는지에 대해 설명하고 있습니다. 끝으로, 기온과 습도, 바람에 대한 내용도 다뤄지고 있습니다. 이것들은 수문 기상학에서 중요한 요소로, 기온과 습도의 변화는 증발과 증산량을 추정하는 데 사용되며, 바람은 풍속분포곡선과 관련하여 중요한 역할을 합니다. 이런 다양한 주제들을 통해 수문 기상학의 중요성과 이론적인 내용을 살펴볼 것입니다. 다음 포스팅에서는 더 구체적인 내용을 다뤄보겠습니다. 계속해서 함께 공부해 보시죠!
기상학 분야의 이론이 수문학적 문제에 필요한 사항
- 가능최대강수량(probable maximum precipitation, PMP(가능최대홍수량(probable maximum flood)을 유발하는 강수량))의 산정, 통계학적인 방법과 기상학적인 방법이 있음
- 홍수예보(forecasting : 실시간(realtime))나 저수지 운영을 위한 강우예측(설계의 개념(prodiction : batch process))
- 저수지 내의 파고결정을 위한 최대풍속의 결정
- 증발과 증산량 추정을 위한 기온이나 습도 관측기록의 이용
- 강설예측이나 융설조건의 결정인자 등
일기와 기후
- 어떤 지역의 수문기상의 지배인자, 기후학적인 인자, 지형인자, 지질인자
- 대기권의 열순환(thermal circulation)
지구가 정지상태의 구형체라면 적도지방으로부터 양극지장에 이르는 열순환과정이 단순하여 단일폐합형 순환기류를 이루겠지만 지구의 자전에 의해 밤과 낮의 12시간 주기로 지각의 온도가 변화하여 지구상의 임의 지점의 기단은 12시간씩 가열 및 냉각이 반복한다. 뿐만 아니라 지구의 공전으로 기단의 가열과 냉각이 계절성으 가진다. 또한 지구표면이 분포가 불규칙한 지면과 수면으로 구성되어 있고 지면과 수면의 비열 및 열반사율이 상이하여 기단의 가열과 냉각에 영향을 미친다. 그러므로 지구 주위에는 다폐합형 순환기류들이 존재한다.
기온
기온의 양적표현
- 평균기온(average or mean temperature) : 어떤 시간장경동 안의 기온의 산술평 균기온
- 정상기온(normal temperature) : 특정일이나 월, 계절 혹은 년에 대한 최근 30 년간의 기온의 평균치
- 일평균기온(mean daily temperature) : 일 최고기온과 최저기온의 평균치, 시간별 기온의 평균치 보다 약 1℃ 정도 높다.
- 정상일 평균기온(normal daily temperature) : 특정일의 30년간의 일평균기온을 평균한 기온
- 월평균기온(mean monthly temperatue) : 해당월의 일평균기온 중 최고치와 최저치를 평균한 기온
- 정상월평균기온(normal monthly temperature) : 특정월에 대한 장기간(30년) 동안의 월평균기온의 평균치
- 연평균기온(mean annual temperature) : 해당면의 월평균기온의 평균치
기온의 측정
온도계, 최고치 온도계, 최저치 온도계, 자기 온도계
연직방향 온도변화율
- 대류권의 하부층 내에서의 온도변화율 : 0.7℃/100m
- 건조단열 온도변화율(dry adiabatic lapse rate) : 1℃/100m 포화단열 온도변화율(saturated adiabatic lapse rate) : 0.6℃/100m 4)
기온의 지리적 분포
- 삼림지역 일최고기온은 낮고 최저기온은 높다. 일평균기온 1 ～ 2℃ 낮음.
- 도시지역 : 열섬(heat island) 현상으로 주위보다 높다.
습도
수증기의 성질
- 증발(evaporation, 혹은 기화 vaporization) : 물이 기체상태의 수증기로 변하는 현상으로 수중의 물 분자가 온도상승에 따라 충분한 운동에너지를 받아 물 분자 간의 응집력보다 운동에너지가 더 커지면 물 분자가 수면을 이탈한다.
- 승화(sublimation) : 눈이나 얼음표면으로부터 물 분자가 직접 수증기로 변하는 현상
- 응축(condensation) : 수증기가 물 혹은 눈, 얼음으로 변하는 현상 (이슬, 서리)
- 증기압(vapor pressure) 습도와 증발 결정하는 중요한 요소 : 공기와 수증기의 혼합체에 있어서 수증기가 가지는 부분압(partial pressure, 두 가지 이상의 기체가 혼합체를 구성하고 있을 때 각 기체는 다른 기체와 무관하게 가지는 압력)
- 포화증기압(saturation vapor pressure) : 증발수표면이 폐쇄된 계내에 있을 때 공기가 수증기로 포화되어 더 이상 증발할 수 없을 경우 즉 평형상태에 도달할 경우 수증기 분자가 수표면에 가하게 되는 증기압으로 온도에 따라 다른 값을 가진다.
- 포화증기압미흡량(saturation vapor pressure deficit) : 어떤 온도에서의 포화증기압과 실제 증기압과의 차이를 말하며, 기단의 온도가 일정하게 유지될 때 포화증기압에 도달할 때까지 수증기를 계속 흡수하게 된다.
- 이슬점(dew point) : 기단의 습도가 일정하게 유지될 때 온도를 계속 강하시켜 공기를 냉각시키면 어떤 온도에서의 포화증기압에 도달된다. 이때의 온도를 이슬점이라고 한다. 기단을 이슬점이하로 냉각시키면 응축현상이 일어난다.
- 잠재증기 화열(latent heat of vaporization) : 온도의 변화 없이 액체상태로부터 기체상태로 변환하는 데 필요한 단위 질량당의 열량을 말하며 40℃까지 다음식으로 주어진다. Hv = 597.3 - 0.564t 여기서 Hv = 잠재증기 화열(cal/g), t = 대기의 온도(℃)
- 잠재융해열(latent heat of fusion) : 단위질량의 얼음 혹은 눈을 동일온도의 물로 변환시키는 데 필요한 열량(cal/g). 0℃에서 물의 잠재 융해열 = 79.7 cal/g.
- 수증기의 비중 : 동일 온도와 압력하에서 건조 공기의 비중의 0.622배 수증기의 밀도 ρv = 0.622 e/(Rgt) 여기서 t = 대기의 절대온도(°K, kelvin온도) Rg = 건조공기의 기체상수, 2.87 × 103 cm2/sec2/°K e = 증기압(milibars). 건조공기의 밀도 ρd = pd/(Rgt) 여기서 pd = 대기압(milibars).
- 습윤공기의 밀도는 단위혼합체적당 수증기와 건조공기의 질량합과 같다. 습윤한 공기에 작용하는 전압력을 pa라 하면 건조공기만의 부분압 pd = (pa - e), 그러므로 습윤공기의 밀도 ρa= ρv + ρd = pa/(Rgt)(1 - 0.378e/pa)로 주어져서 습윤공기가 건조공기 보다 가벼움을 알 수 있다.
- Example 1) Consider 1 m3 of dry air. What will be the weight in kilograms if air temperature and pressure are 5℃ and 1000 mb, respectively? solution) the density of dry air ρd = 1000/(2.87 ×1000 × (273 + 5) = 0.001253g/cm3 = 12.53 kg/m3
- Example 2) Compute the density of dry air at 20℃ and at a pressure of 1000 mb, and the density of moist air with relative humidity of 50% at the same temperature and pressure.
습도 관련 변수의 정의와 경험공식
- 포화증기압 결정 경험공식 (Goff-Gratchgud); -50℃< t <55℃ es ≈ 33.8639[(0.00738t + 0.8072) 8 - 0.000019∣1.8t + 48∣ + 0.001316] 오차는 1% 미만임
- 이슬점 경험공식 t - td ≈ (14.55 + 0.114t) X + [(2.5 + 0.007t) X]3 + (15.9 + 0.117t) X14 여기서 X = 1 - f/100 f = 상대습도 (%)
- 상대습도(relative humidity) f : 어떤 온도 t℃에서의 포화증기압 es에 대한 실제증기압 e의 백분율. f의 경험공식 (-25℃< t <45℃) f ≈ 100 × [(112 - 0.1t + td)/(112 + 0.9t)]8 여기서 td = 이슬점
- 비습도(specific humidity) qh : 습윤공기 단위 질량당의 수증기의 질량(g/kg) qh = 622 [e/(pa - 0.378e)] 여기서 pa = 공기의 전압력(milibars)
- 가용수수분(precipitable water deprth) Wp : 어떤 두께의 공기층 내에 존재하는 수증기의 총량. 어떤 두께의 공기층내 가강 수분의 크기는 그 층 내에서의 평균압력과 층의 상부 및 하부에서의 온도, 습도 등의 측정에 의한 경험식으로 계산할 수 있다. Wp = ∑0.01 qh Δpa 여기서 Wp = 가강 수수분(mm) Δpa = 층내의 압력 변화량(milibars) qb = 층의 상부면과 하부면에서의 비습도의 평균치(g/kg)
습도의 측정
- 습도계(psychrometer) : 2개의 온도계(건구, 습구 온도계)로 구성 기온 t°C에서의 실제증기압 e = ew - γ(t - tw) 여기서 ew = 습구 온도계의 독치 tw에서의 포화증기압 γ = 습도계상수, 0.66(for milibar), 0.485(for mmHg)
- Hair hygrometer
바람
- 풍속분포곡선(wind profile) : 지표면으로부터의 높이에 따른 풍속의 변화를 표시하는 곡선, 대수분포곡선식(logarithmic profile) 혹은 멱함수곡선식(power=law profile). v/v1 = (z/z1) k ; k = 0.1 ～ 0.6
- 연중 풍속이 가장 크고 변확가 심한 계절은 겨울이며 바람이 가장 조용한 계절은 여름이다. 지표면으로부터 약 300m 정도의 고도에서는 최대 풍속은 밤에 발생하고 최소풍속은 낮에 발생한다.
- 우리나라 각 지방의 풍향은 겨울철에는 대체로 북서풍이 지배적이고 여름철에는 남동풍 혹은 남서풍이 지배적이며 봄과 가을철에는 뚜렷한 특성을 보이지 않는다.
마치는 글
이번 포스팅에서는 제2 장인 수문 기상학에 대한 내용을 다뤘습니다. 수문 기상학은 수문학, 즉 강우와 수문학적 현상을 연구하는 데 있어서 기상학적인 이론과 지식이 필요한 중요한 분야입니다. 이 장에서는 몇 가지 중요한 주제를 다뤘는데, 그중에서도 가능최대강수량(PMP)과 가능최대홍수량의 산정 방법, 홍수 예보와 강우 예측, 그리고 기상학적 지식이 수문학에서 어떻게 활용되는지에 대해 다루었습니다. 기상학적 요소가 강우와 홍수를 예측하고 관리하는 데 얼마나 중요한 역할을 하는지 이 장을 통해 알아보았습니다. 또한, 기후와 일기가 수문 기상학에 어떤 영향을 미치는지에 대한 내용도 다뤘습니다. 지구의 기후와 지질 현상은 우리의 수문학적 상황에 큰 영향을 미칩니다. 기온과 습도에 대한 내용도 다루었는데, 평균 기온부터 일평균 기온, 정상 기온, 월평균 기온, 연평균 기온까지 다양한 기온 지표에 대해 설명하였습니다. 습도 또한 수문 기상학에서 중요한 개념 중 하나로, 수증기의 성질과 습도 측정 방법, 그리고 포화증기압과 이슬점에 대한 내용을 다뤘습니다. 마지막으로 바람에 대한 내용도 포스팅에 포함되었는데, 풍속 분포 곡선과 풍향에 대한 정보를 제공하였습니다. 바람은 수문 기상학에서 중요한 인자 중 하나로, 강우 패턴과 홍수의 발생에 영향을 미칩니다. 이렇게 다양한 주제를 다루며 수문 기상학의 중요성을 강조하고, 기상학적 지식이 수문학 분야에서 어떻게 활용되는지에 대해 설명해 보았습니다. 수문 기상학은 우리의 생활과 안전에 큰 영향을 미치는 분야이므로, 이를 이해하고 활용하는 것은 매우 중요합니다. 앞으로도 더 많은 기상학적 지식을 배우고 활용하여 수문학 연구와 안전을 더욱 향상해 나가길 바랍니다.
댓글