"온도풍, 순압, 경압, 이류" 그림으로 쉽게 이해해보자!

온도풍이란?

온도풍(Thermal wind)은 이름과는 달리 실제 바람이 아닙니다.
"대기의 수평적인 온도 차이가 대기 하층과 상층에서 부는 바람의 차이를 만든다"라는 인과관계입니다!!!
쉬운 개념이 아니라 예시를 들어 한번 읽고나면 절대로 잊지 않게 설명해 보겠습니다.
 
먼저 익히 알고 있는 정역학 방정식과 이상기체 방정식을 조합해 봅시다
 
$$Ideal\,gas\,Equation:\, P = \rho RT$$ $$Hydrostatic \,Equation:\, -\frac{1}{\rho}\frac{\partial P}{\partial z}=g$$
$$-\frac{1}{P}\frac{\partial P}{\partial z} = \frac{g}{RT}$$
$$-\frac{\partial \ln P}{\partial z} = \frac{g}{RT}$$

수식 1. 고도 증가에 따른 기압 감소 공식

 
수식 1.에 따르면 고도 증가에 따른 기압 감소는 기온과 반비례합니다.
 
 
여기서 수평, 수직적으로 주변 대기의 기온 분포가 모두 같다고 가정해 봅시다.
고도 상승에 따른 기압 강하는 어떤 지역이든지간 연직방향으로 똑같이 이뤄질 겁니다.
 
아래 그림 1. 1000hPa 고도면을 보면 동쪽이 서쪽보다 1만큼 더 높은데
위 가정에 의해 500hPa 고도면도 1000hPa와 같이 동쪽이 서쪽이 1만큼 더 높게 됩니다.
이때 1000hPa에서 부는 지균풍 벡터 v1과 500hPa에서 부는 지균풍 벡터 v2 간의 차이는 없습니다.
즉, 온도풍은 0입니다.

그림 1. 수평, 수직 온도 분포가 일정한 대기의 지균풍

 
실제 지구의 대기는 수평, 수직적 온도 분포가 지역에 따라 달라지기에 위와 같은 가정은 적용되지 않습니다.
그렇다면 과연 이때도 지균풍이 연직적으로 변화가 없을까요?
 

온도풍의 발생

지구는 기본적으로 위도가 높아질수록 기온이 감소합니다.
이 사실을 수식 1.에 대입해보면,
저위도 따뜻한 지역에서는 기압 감소가 느리고,  고위도 차가운 지역에서는 기압 감소가 빠릅니다.
이는 1000hPa과 500hPa의 고도 차이(층후)가 저위도에서 더 크다는 말입니다.
 
그림 2.는 이를 간략히 표현한 그림인데
초록색 점들이 공기 분자이고 저위도에서 대기가 팽창한다(밀도 ↓) 생각하면 쉽게 이해되실 겁니다~!

그림 2. 저위도 고위도 500hPa 등압면 분포 및 지균풍

 
이 경우 지상에서는 기압차가 없어 지균풍이 없지만 500hPa 상공에서는 서에서 동쪽으로 부는 지균풍이 존재합니다.
고도에 따른 지균풍의 차이가 존재, 즉 온도풍이 존재합니다!!
 
위에서 제가 든 예시는 지상 기압이 동일할 때의 고도에 따른 지균풍 변화인데
이제 한단계 더 나아가서 지상 기압 배치도 고려해봐야 합니다.
이때 기압과 기온의 상대적인 배치에 따라 순압대기와 경압대기로 나뉘게 됩니다!!
 

순압 & 경압대기

순압대기와 경압대기의 정의는 다음과 같습니다.
순압대기: 기온(밀도)의 기울기와 기압의 기울기의 방향이 같은 대기
경압대기: 기온(밀도)의 기울기와 기압의 기울기의 방향이 교차하는 대기
 

순압대기

아래 그림 3.는 순압대기의 모식도입니다.
그림 3.을 보면 1000hPa에선 남쪽이 북쪽에 비해 고도가 1만큼 높기 때문에
기압의 기울기는 남→북이고 이는 기온 기울기의 방향과 일치합니다. 
이때 지균풍은 동→서로 불게 됩니다.
 
기온이 높은 곳에선 기압 감소가 더 느리기에
1000-500hPa 두께가 저위도는 6, 고위도는 3이라 상정하면
1000hPa에 비해 500hPa에서 남-북 등압면 고도 차는 더 커집니다.
 
그러나 기압과 기온 기울기의 방향 그리고 지균풍의 방향은 1000hPa과 동일합니다.
 
따라서 순압대기는 온도풍은 존재하나 고도별 바람 방향이 같고
남북으로 가로지르는 바람이 없어 수평적 온도 교환이 이뤄지지 않습니다!!

그림 3. 순압대기 온도풍 모식도

 
그림 4.는 순압대기의 대략적인 500hPa 일기도입니다.
온도선과 등압면의 등고선의 방향이 서로 일치하는 것을 확인할 수 있습니다!

그림 4. 순압 대기 500hPa 일기도

 

경압대기(온난이류, 한랭이류)

아래 그림 5., 6., 7.는 경압대기의 모식도와 일기도입니다.
 
그림 5.를 보면 1000hPa 등압면의 기울기는 동→서인데, 기온(밀도)의 기울기는 남→북으로 서로 교차합니다.
 
그림 6.도 마찬가지로 등압면의 기울기와 기온의 기울기가 서로 교차합니다.
따라서 밑의 두 예시는 경압대기라 볼 수 있죠!!
 
그림 5.에서 1000hPa~500hPa 지균풍은 모두 남풍계열입니다. 
저위도의 따뜻한 바람이 고위도로 분다는 것이고, 이를 기상학적 용어로 "온난이류"라 합니다.
 
이때 고도가 증가할수록 지균풍의 방향은 시계방향으로 바뀌는 것을 확인할 수 있는데,
이를 역으로 생각하면 고도 상승시 풍향이 시계방향(순전)으로 변하면 온난이류가 존재함을 유추할 수 있습니다!
 

그림 5. 경압대기 온도풍 모식도 - 온난이류

 
반대로 그림 6.에서 1000hPa~500hPa 지균풍은 모두 북풍계열입니다.
고위도의 차가운 바람이 저위도로 불고 있다는 것인데, 이를 기상학적 용어로 "한랭이류"라 합니다.
 
이전과는 반대로 고도가 증가할수록 지균풍이 반시계방향으로 회전하는데,
이를 통해 고도 증가에 따라 풍향이 반시계방향(역전)으로 바뀌면 한랭이류가 존재함을 확인할 수 있습니다!

그림 6. 경압대기 온도풍 모식도 - 한랭이류

 
그림 7.는 경압대기의 대략적인 500hPa 일기도입니다.
온도선과 등압면의 등고선의 방향이 서로 교차하여 온난이류, 한랭이류가 발생하는 것을 확인할 수 있습니다!
 

그림 7. 경압대기 일기도 온난이류(좌) 한랭이류(우)

 

실제 예시

한번 실제 예시를 들어서 확인해볼까요.
 
2020년 1월 7일 강력한 저기압이 한반도를 훑고 지나가면서 강한 온난이류가 발생했습니다.
이 때문에 제주에서 23.6℃의 1월 최고기온 극값이 관측되었습니다.
 
이와 반대로 2021년 1월 초순에 시베리아 고기압이 확장하면서 강한 한랭이류가 발생했습니다.
특히 서울에서 -18.6℃의 21세기 최저기온 극값이 관측되었습니다.
 
 
그림 8.의 왼쪽 다이어그램이 2020년 1월 6일, 오른쪽은 2021년 1월 5일 라디오존데 관측값입니다!
각 그림 오른편에 자잘한 막대기 표시들이 풍향 표시인데,
 
온난이류가 발생한 2020년 1월 6일 지상에서 상층으로 갈수록
풍향이 남서→서으로 시계방향 회전(순전)이 일어났음을 확인할 수 있습니다!
 
한랭이류가 발생한 2020년 1월 5일 오른쪽 다이그램을 보면
풍향이 북→서로 반시계방향 회전(역전)이 일어난 것을 확인할 수 있습니다!

그림 8. 제주태풍센터 라디오존데 Skew T diagram 온난이류(좌), 한랭이류(우)

 

 

 

 

 

 

 
 
※출처
University of Wyoming Upper air Sounding - https://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html