전산 수문학 및 실습

1. 전산 수문학 및 실습 Part 3 담당교수명: 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

2. 강 수 (Precipitation)

3. 서론 강수 (precipitation) - 구름이 응축되어 지상으로떨어지는 모든 형태의 수분 · 예) 강우 (rain), 눈 (snow), 우박 (hail), 이슬비 (drizzle) 등 - 수문순환과정에서 가장 중요한 입력 요소 - 강수는 대기 중의 수분으로부터 발생 · 대부분의 강수는 해양에서증발한 습한 해양 대기로부터 유래함. (대륙내부의 기단은 일반적으로 매우 건조) - 강수의 형태나 양은 바람, 온도, 대기압과 같은 기후인자의 영향을 받음.

4. 응축 및 구름의 형성 응축 (condensation) - 응축 · 공기 중의 수증기가 포화되어 물로 변하는 현상 · 응축현상의 결과로 이슬, 안개 및구름이 형성됨. - 대기 중의 공기가 포화되기 위한 조건 · 공기 중으로 수증기 유입 · 공기 온도가 이슬점까지 하강 (지배적인 조건) - 응결핵 · 응축 발생시 수증기의 응축표면을 제공하는 작은 입자 · 예) 미세먼지, 연기, 소금입자 등 - 빙점온도 이하에서 구름이 형성될 때는 작은 얼음 결정이 형성  구름은물방울또는얼음결정으로 구성되거나 두 가지를 모두 포함 - 응축현상만으로는 강수로떨어지기에 충분한 크기의 물방울을 형성하지 못함. · 구름입자<<빗방울

5. 응축 및 구름의 형성 응축 (condensation)

6. 응축 및 구름의 형성 응축 (condensation)

7. 응축 및 구름의 형성 대기의상승 - 대기상승 및 강우발생 · 지표의 일부분이 태양복사에너지를 받아 가열 (1) ·수증기를 많이 함유한 습한공기가 주위의 다른 공기보다 따뜻해져서 가벼워짐 (2). ·불안정한 공기가 상승하여 구름이 형성되고 강우가 내리게 됨 (3). - 공기의 연직적인 이동을 발생시키기 위한 상승작용 · 산악형 상승 (orographic lifting) · 전선형 상승 (frontal lifting) · 수렴형 상승 (convergence lifting) · 대류형 상승 (convective lifting) (3) (2) (1)

8. 응축 및 구름의 형성 산악형 상승 (orographic lifting) - 산사면을 통해 공기가 올라갈 때 단열냉각 (adiabatic cooling)으로인해 응축이 발생하여 구름이 형성되고 많은 비가 내리는 현상  산악형 강수(orographic precipitation) 발생 - 산악형 상승의 특징 · 대기의 상승에 의해 강수가 형성되어 대기 중의 수분을 감소시킴 · 강수발생으로 인하여 공기의 수평이동을 지연시킴. · 불규칙한 산지 지형에서 지표면의 불균등 가열과 이에 따른 공기 불안정 · 주위 저지대에 비해 산악지역은 많은 강우발생 · 공기가 산을 넘어 아래로 내려감에 따라 단열가열 (adiabatic warming) 발생  산지 반대쪽은 건조한 지역 형성 (비그늘, rain shadow)

9. 응축 및 구름의 형성 산악형 상승 (orographic lifting) (산악형 강수) (풍상측 사면) (풍하측 사면) (비그늘)

10. 응축 및 구름의형성 온난전선 전선형 상승 (frontal lifting) - 차가운 공기가 장벽역할을 하여 밀도가 낮은 따뜻한 공기를 상승시키는 현상. 한랭전선

11. 응축 및 구름의 형성 수렴형 상승 (convergence lifting) - 수평수렴 (horizontal convergence) · 지표면 근처에 낮은 압력의 공기가 존재할 때 모든 방향으로부터 저기압 중심 지역으로 바람이 모여들게 되는, 일정한 지점을 향한 수평적인 공기의 이동 - 수평수렴으로 인하여 불어오는 공기의 질량만큼 수직방향 이동을 통해 외부로 내보내게 되어 저기압 수렴지역에서 공기의 상승발생

12. 응축 및 구름의 형성 대류형 상승 (convective lifting) - 지표면의 불균등 가열로 인해 대류를 발생시켜 폭우 발생 - 대류는 가벼운 공기를 밀도가 큰 공기 위로 상승하게 하는 부양력에 의해 발생 - 부양력 자체적으로 초기의 상승력을 발생시키지만 지형학적인 영향, 전선형 상승, 수렴형 상승 등에 의해 상승력이 증가하거나 감소하게 됨.

13. 응축 및 구름의 형성 구름의 종류 - 형태 및 고도에 따른 분류 · 기본형태: 권운(cirrus), 적운 (cumulus), 층운 (stratus) · 기본형태 조합: 권적운, 권층운, 고적운, 고층운, 난층운, 층적운, 적란운등 · 고도에 따라 상층운 (6000m 이상), 중층운 (2000~6000m), 하층운 (2000m 이하)

14. 강수의 형성 강수의 형성조건 - 강수형성을 위한 5가지 조건 · 냉각: 대기가 이슬점 이하로 충분히 냉각 · 응결핵: 대기중에응결핵이 존재 · 응축: 응결핵으로 응축발생 · 물방울 체적증가: 물방울 입자들의 크기가 충분히 증가 · 충분한 수분: 빗방울로 내리기 위한 충분한 양의 수분 - 강수형성과정 · 수증기를 포함한 공기의 상승 · 단열팽창 및 기온하강 (단열냉각) (기온감소율: 100m당 0.7~1.0℃) · 포화상태도달 · 응결핵 중심으로 응축하여 작은 구름입자 형성 (평균 10~20㎛) · 버거론과정 (Bergeron process) 또는 빙정과정 (ice crystal process) · 충돌-응집과정 (collision-coalescence process)

15. 강수의 형성 과냉각 물방울과 빙정핵 - 과냉각물방울(supercooled droplet) · 0℃ 이하에서도 액체상태로 존재하는 물방울 · 공기 중에 떠있는 순수한 물은 -40℃에 도달하기 전에는 얼지 않음. - 빙정핵(freezing nuclei) · 얼음과 비슷한 결정형태를 가지고 있는 고체입자로서 과냉각물방울들이 이 입자와 접촉하여 얼게 됨.

16. 강수의 형성 빙정과정 (버거론 과정) - 얼음결정형성 · 영하보다 상당히 낮은 온도의 구름에서 얼음 결정이 형성되기 시작 - 과냉각 물방울과 수분획득 경쟁 · 얼음이 형성되면 가용한 수분을 획득하기 위해 과냉각된 물방울과 경쟁 · 얼음 결정은 잉여의 수증기를 계속 흡수하게 되며 주위 물방울의 상대습도를 낮추게 됨. · 물방울은 감소하는 수증기를 보충하기 위해 증발 얼음 결정의성장에 필요한 수증기를 지속적으로 제공 - 얼음 결정의 성장 · 얼음과 관련한 과포화의 정도가 비교적 크기 때문에 얼음 결정은 낙하하기에 충분한 크기의 결정으로 빠르게 성장 · 낙하하는 동안 얼음 결정은 구름방울과 충돌하여 표면에서 얼기 때문에 그 크기가 더욱 증가 · 많은 얼음 결정이 고리처럼 연결되어 큰 결정, 즉 눈 (snowflakes)을 형성 - 강우발생 · 지표면 온도가 4℃ 이상이 되면 눈이 지표면에 도달하기 전에 녹게 되며 강우로서 낙하하게 됨.

17. 강수의 형성 빙정과정 (버거론 과정) 얼음결정 눈 결정

18. 강수의 형성 충돌-응집과정 - 물방울 체적증가 · 응결핵 또는 흡습성 입자에 의해 물방울 체적의 증가 - 물방울 낙하, 충돌 및 응집 · 물방울이 연직방향으로 낙하함에 따라 느리게 낙하하는 작은 물방울들과 충돌하여 결합 · 이러한 과정에서 크기가 점점 커지고 따라서 더 빨리 낙하하게 되며 충돌 기회와 성장률이 증가함. · 많은 충돌 후에 물방울들은 지표면에 떨어질 수 있도록 커지게 됨. - 물방울 분리, 응집 및 낙하 · 물방울의 표면장력 < 공기에 의한 항력 (drag force)  물방울 분리,새로운 물방울로 구름방울을 흡수하며 낙하하게 됨.

19. 강수의 형성 충돌-응집과정

20. 강수의 형성 인공강우 - 한랭구름에서 인공강우를 유도하는 방법 · 과냉각 구름입자 중에 인공 빙정핵, 드라이아이스, 요오드화은 (AgI)을투입  주위의 과냉각 구름입자로부터 빙정으로 수분을 이동시켜강수 발생 - 온난구름에서 인공강우를 유도하는 방법 · 구름 속에 응결핵이나 소금가루 등의 친수성 물질을 뿌려 큰 물방울로 성장 및 강수 발생 · 또는 처음부터 빗방울과 비슷한 물방울을 뿌려줌으로써많은 강수 발생

21. 강수의 형성 인공강우

22. 강수의 종류 및 유형 강수의 종류

23. 강수의 종류 및 유형 강수의 유형 - 대류형 강수 (convective precipitation) - 산악형 강수 (orographic precipitation) - 선풍형 강수 (cyclonic precipitation) - 열대성 저기압 (tropical cyclone) - 장마전선

24. 강수의 종류 및 유형 대류형 강수 (convective precipitation) - 맑은 여름날 대기 하부층의 공기가 가열되어 높이 상승할 때 내리는 강수 - 대류형 강수발생과정 · 대기 하부층의 공기는 주로 지표면의 복사열로 가열 · 가열속도는 지점마다 다르며 주위 공기보다 빨리 가열되어불안정해진 공기는 상승하기 시작 · 이슬점 온도 이하로 냉각되어 응결이 시작, 그 결과 적운 발생. 공기의 대류가 활발한 경우 적란운으로 성장  강수발생 - 열대 습윤 지역에서는 연중 내내, 중위도 지역에서는 주로 여름철에 내리며 국지적으로 내리는 것이 특색

25. 강수의 종류 및 유형 산악형강수 (orographic precipitation) - 습윤한 공기가 산지를 넘을 때 내리는 비나 눈 - 바다에서 불어오는 습윤한 공기가 산지로 상승할 때 이슬점 온도에 빨리 도달 하며, 그 이후에도 계속 상승하면 산사면에 비가 내림. - 바다에서 불어오는 고온 다습한 바람이 해안지방의 높은 산지로 불어 올라 가는 경우 자주 발생 - 집중호우와 뇌우를 동반할 때가 많음. - 공기가 산을 넘어 아래로 내려감에 따라 단열가열 (adiabatic warming) 발생  산지 반대쪽은 건조한 지역 형성 (비그늘, rain shadow)

26. 강수의 종류 및 유형 선풍형 강수 (cyclonic precipitation) - 저기압을 중심으로 성질이 서로 다른 대규모의 두 기단이 모여들어 상승함으로써 발생 - 공기기단의 이동은 고기압에서 저기압으로 발생 - 서로 다른 기압의 기단이 만나 전선이 형성되며, 차가운 공기 위로 따뜻한 공기가 상승하여 전선형 강수 (frontal precipitation) 발생 - 한랭전선형 강수 · 찬 공기가 따뜻한 공기 아래로 밀고 들어 올 때 형성 · 좁은 지역에 강한 비를 발생 · 예) 토네이도 - 온난전선형 강수 · 찬 공기 위로 따뜻한 공기가 밀고 올 때 형성 · 넓은 지역에 비를 내리고 한랭전선형보다는 강우강도가 낮음. - 한랭전선은 온난전선보다 빨리 이동하며, 따라서 따뜻한 공기가 상승하는 속도가 커서 강한 강도의 비를 내림.

27. 강수의 종류 및 유형 선풍형 강수 (cyclonic precipitation)

28. 강수의 종류 및 유형 선풍형 강수 (cyclonic precipitation) 한랭전선형 강수: 토네이도

30. 강수의 종류 및 유형 열대성 저기압 (tropical cyclone) - 열대지역에서 수표면 온도가 일반적으로 26℃보다 높을 때 발생하는 강한 회오리 바람 (33m/sec 이상)으로서 많은 양의 비를 발생 - 열대성 저기압의 종류 · 허리케인 (hurricane): 멕시코만 지역 · 태풍 (typhoon): 서태평양 지역 · 사이클론 (cyclone): 인도양 지역 - 눈 (eye)을 중심으로 북반구에서는 반시계방향으로 회전 - 지속적인 바람과 강우를 발생시키기 위해서 열대성 저기압은 따뜻한 물위에 위치하여 에너지를 지속적으로 공급받음.

31. 강수의 종류 및 유형 열대성 저기압 (tropical cyclone) Typhoon Maemi (2003) Typhoon Rusa (2002)

32. 강수의 종류 및 유형 열대성 저기압 (tropical cyclone) Hurricane Katrina (2005)

33. 강수의 종류 및 유형 장마전선 - 우리나라에 영향을 주는 주요 기단 · 시베리아 기단: 북서계절풍으로 겨울철 한랭, 건조한 일기 발생 · 오호츠크해 기단: 늦은 봄에서 이른 여름철에 걸쳐 발생, 한랭하고 수증기 다량 포함 · 북태평양 기단: 온난 다습, 한여름에 소나기와 번개 동반

34. 강수의 종류 및 유형 장마전선 - 오호츠크해 고기압 (차고 습한 해양성기단, 북동기류)과 북태평양 고기압 (따뜻하 고 습한 기단, 남서기류)이 충돌  정체전선 (장마전선) 형성으로 오랜 장마 발생 - 하지를 전후하여 7월 하순까지 장마가 형성  집중호우 발생 - 북태평양 고기압으로부터 고온 다습한 열대기류가 전선상으로 흘러 들어오기 때문에 집중호우가 내리는 경우가 많음.

35. 강수의 종류 및 유형 장마전선

36. 북태평양 기단  국지성 호우 발생

37. 강수의 측정 우량계 - 보통우량계 (raingage): 직경 20cm, 높이 60cm - 표준우량계 (standard raingage): 직경 20.3cm (8in) 표준우량계

38. 강수의 측정 우량계 - 자기우량계: Tipping-bucket형, 중량측정형, 부자형 - Tipping-bucket형 자기우량계 : 컵의 회전수(전도횟수)를 전기회로를 통해 기록하여 연속적인 강우량을 측정

39. 강수의 측정 우량계 - 중량측정형(weighing-bucket) 자기우량계 : 우량계 내에 누적된 물의 무게를 강우깊이로 환산하여 기록 - 부자형(float type) 자기우량계 : 우량계 내에 모아진 강우량이 증가하여 수면이 상승함에 따라 기록펜이 부착된 부자가 상승함으로써 기록지에 누가 강우량을 기록

40. 강수의 측정 기타 우량계 Laser Diode Optical Rain Gage Photo Transistor Detector

41. 강수의 측정 기타 우량계 Acoustic Rain Gage

42. 강수의 측정 기상레이더 - 좁은 주파수대 (band)의 전자기 에너지를 방출하여 방출된 에너지가 강수와 충돌 반사된 에너지의 일부를 수신하여 강우량으로 변환함으로써 강우량을 측정 - Z~R 관계 Z: 반사계수 (reflectivity factor) R: 강우강도 (mm/hr) a: 15~1000 (일반적으로 200) b: 1.2~3.2 (일반적으로 1.6) - 분류 · S밴드 레이더 (파장 5.77~19.3cm) · C밴드 레이더 (파장 7.69~9.84cm) · X밴드 레이더 (파장 2.75~5.77cm)

43. 강수의 측정 기상위성 (meteorological satellite) - 대기에서 여러 파장에 대한 복사에너지의 선택적인 전파가 기본 원리 - 위성은 감지한 복사에너지로부터 영상을 만들어내고 수치화하여 컴퓨터의 입력자료로 이용 - 극궤도 위성, 정지위성으로 구분 - 예) 미국의 GOES