Introduction to Climatology 정리 #1. 기온 (Temperature)

#1. 기온의 분포는 지구의 어떤 물리량에 영향을 미칠 수 있는가?

기온의 분포는 지구의 기압, 잠열속에 영향을 미칠 수 있다. 기온이 기압에 영향을 미치고, 기압 분포는 바람을 일으키기 때문에 기온 분포는 바람에도 영향을 미칠 수 있다. 또한 풍속은 현열속과 잠열속에도 영향을 끼칠 수 있으므로 기온의 분포는 현열속에도 영향을 미칠 수 있다.

#2. 지표로부터 2m 고도의 기온 분포를 보면 저위도에서 높고 고위도에서 낮다. 그 이유는 무엇인가?

저위도 지역에서는 태양복사선속밀도가 높기 때문에 태양복사의 영향으로 지표가 가열되어 지표온이 높으나, 고위도 지역에서는 태양복사선속밀도가 낮기 때문에 저위도에 비해 상대적으로 지표가 덜 가열된다. 지표로부터 2m 고도는 현열속에 의하여 지표로부터 올라오는 장파 복사와 전도 등에 의해 기온이 결정되므로, 지표온이 높은 저위도에서 2m 기온이 높고 지표온이 낮은 고위도에서 2m 기온이 낮다.

#3. 적도 · 극 지역에서는 지표로부터 2m 고도의 기온 분포의 남북 차가 크나 중위도에서는 기온 분포의 남북 차가 크다. 그 이유는 무엇인가?

적도 · 극 지역에서는 비교적 위도에 따라 지표로 입사하는 태양복사선속밀도의 차이가 급하나 중위도에서는 그렇지 않기 때문이다. 지표로부터 2m 고도의 기온 분포는 태양복사선속밀도에 의한 지표 가열의 차이로 결정되는 지표온에 큰 영향을 받으므로, 위도에 따라 태양복사선속밀도의 차이가 급하여 위도에 따른 지표온 차이가 큰 적도 및 극 지역에서는 2m 고도의 기온 분포의 남북 차가 크지만, 그렇지 않은 중위도에서는 기온 분포의 남북 차가 크지 않다.

#4. 겨울철과 여름철, 전 지구적 Zonal Mean $T_{2m}$ 분포는 북반구 겨울철의 경우는 대칭적인 반면 여름철의 경우는 비대칭적이다. 다음 질문에 답하라.

#4-1. 북반구와 남반구 모두 전반적으로 해당 반구가 겨울철일 때에는 기온이 낮고 여름철일 때에는 기온이 낮다. 그 이유는?

북반구든 남반구든 겨울철인 경우 해당 반구로 입사하는 태양복사선속밀도가 낮으므로 지표가 덜 가열되고, 지표 온도에 영향을 받는 2m 고도 기온이 낮게 된다. 여름철의 경우는 반대가 되어, 해당 반구로 입사하는 태양복사선속밀도가 높으므로 지표가 더 가열되고, 지표 온도에 영향을 받는 2m 고도 기온이 높게 된다. 따라서 북반구든 남반구든 전반적으로 해당 반구가 겨울철일 때는 2m 위도 방향 평균 기온이 낮고, 여름철일 때는 2m 위도 방향 평균 기온이 높다.

#4-2. 전반적으로 북반구의 위도 방향 2m 고도 기온의 계절 편차가 남반구보다 크다. 그 이유는?

북반구의 경우, 남반구보다 대륙이 차지하는 면적 비중이 높은데, 대륙은 평균적으로 해양보다 비열이 낮기 때문에, 계절에 따른 태양복사선속차에 의한 지표온의 변화가 북반구가 더 크기 때문이다. 또, 북극의 경우는 북극 해빙의 결빙과 해빙 영향을 크게 받기도 한다.

#5. 전-지구적인 평균 2m 고도 기온과 지표 기온은 대략 얼마 정도인가?

• 전-지구 2m 고도 평균 기온은 약 +8℃
• 전-지구 지표 평균 기온은 약 +15℃.

#6. 저위도의 지표 기온은 대체로 고위도의 지표 기온보다 높다. 그 이유는?

저위도의 경우 연평균 태양복사선속밀도가 높기 때문에 단파 복사에 의해 지표가 비교적 크게 가열되는 반면, 고위도의 경우 연평균 태양복사선속밀도가 낮기 때문에 단파 복사에 의해 지표가 비교적 적게 가열되기 때문이다.

#7. 중 · 고위도 지역에서는 대체로 해양보다 대륙의 연평균 지표 기온이 낮다. 그 이유는?

중위도 지역과 고위도 지역에서는 지표나 해표를 가열하는 태양복사선속밀도가 낮으며, 대륙은 해양보다 비열이 낮기 때문에 해양보다 대륙이 더 빨리 복사 냉각되어 대륙의 연평균 지표 기온이 낮다.

#8. 저위도 지역서 대양 서쪽 지역의 지표 온도가 대양 동쪽 지역의 지표 온도보다 높다. 그 이유는?

무역풍에 의해 난수가 동태평양에서 서태평양으로 운송되며, 동태평양에서는 북태평양 고기압에 의한 북풍으로 외해로의 에크만 수송이 발생, 연안 용승이 발생하여 차가운 심층수가 해표로 유입되기 때문에 대양 서쪽 지역의 표온이 동쪽 지역보다 높은 편이다.

#9. 대양의 서쪽보다 대양의 동쪽에서의 남북 지표온의 경도가 더 크다. 그 이유는?

#8과 같은데, 대양의 서쪽으로 무역풍에 의해 동태평양에서 서태평양으로 난수가 수송되어 서태평양에 난수가 누적되며, 동태평양 해안에서의 연안 용승으로 인해 대양 서쪽에서 상대적으로 온도가 더 높게, 대양 동쪽에서 상대적으로 온도가 더 낮게 나타나기 때문이다.

#10. 850hPa (지상으로부터 약 1.5km 상공) 의 위도별 연평균 기온 분포는 지표 근방, 즉 2m 고도의 평균 기온 분포와 유사하다. 그 이유는?

850hPa 기압고도는 지상으로부터 약 1.5km 상공으로, 지표에서의 장파 복사의 영향과 현열속의 영향을 비교적 크게 받기 때문에 지표 근방, 즉 2m 고도의 평균 기온 분포와 유사하다. 850hPa 기압고도에서의 연평균 기온 분포도 저위도에서 높고, 고위도에서 낮은 경향을 보인다. 다만 지표 근방의 평균 기온 분포보다는 남북 온도 경ㄷ가 조금 더 완화된 양태를 보인다.

#11. 200hPa (지상으로부터 약 10km 상공) 의 위도별 연평균 기온 분포는 지표 근방, 즉 2m 고도의 평균 기온 분포와는 완전히 다른 양태를 보인다. 그 이유는?

200hPa 기압고도는 지상으로부터 약 10km 상공으로, 지표에서의 장파 복사 영향을 비교적 적게 받기 때문에 위도별 연평균 분포가 비교적 복잡하지 않고 위도선에 평행한 모습의 분포 양태를 보인다. 비교적 남-북 온도 경도도 지표 근처의 연평균 기온 분포보다도 완화된 형태를 보이나, 저위도와 고위도에서의 태양복사선속밀도의 영향에 의해 여전히 저위도에서 높고 고위도에서 낮은 분포를 보인다.

#12. 2m, 850hPa, 200hPa 기압고도에서의 전지구적 기온 분포에 대한 관찰을 통해 알 수 있는 사실은 무엇인가?

거의 전-고도에서 전지구적 기온 분포는 위도에 따른 태양복사선속밀도 차이에 영향을 받으나, 그 영향의 Source는 단파복사에 의한 가열차가 발생하는 지표이기 때문에, 지표로부터 멀어지는 높은 고도일수록 지표의 영향을 적게 받으므로 남-북 온도 경도차가 감소하며 비교적 기온 분포가 단순하며 위도에 거의 평행한 선의 형태로 보여지는 양상을 보인다.

#13. 그린란드 주변 북극해와 주변 대륙의 지표 계절별 기온차가 큰 편인데, 그 이유는 무엇인가?

그린란드 대륙 주변 북극해는 여름에는 빙하가 해빙되지만, 겨울에는 빙하가 결빙되기 때문에 겨울에는 영하 이하로 그 기온이 떨어질 수 있으며 여름에는 비교적 그린란드 대륙이 가열에 의해 기온이 더 올라갈 수 있기 때문이다. 즉, 그린란드 대륙과 북극해 사이의 비열 차이와 북극해의 계절에 따른 빙하의 결빙과 해빙의 영향 때문에 그린란드 주변 북극해와 주변 대륙의 지표의 계절별 기온차가 크다.

#14. 남극은 여름철과 겨울철의 남극 대륙의 지표 기온차가 작은 편이다. 그 이유는 무엇인가?

남극은 연중 높은 고도의 대륙이며, 계절과 거의 무관하게 연중 빙하로 내내 덮여 있기 때문에 지표 기온의 계절 편차가 작은 편이다.

#15. 남극 대륙 주변의 해양은 남반구 겨울철(JJA)의 기온이 낮아지는 편인데, 그 이유는 무엇인가?

남극 대륙 주변의 기온이 남반구 겨울철에 낮아지면서 해빙이 형성되기 때문이다. 해빙의 경우 그 표면 온도가 0도 이하가 될 수 있으므로 남반구 겨울철, 남극 대륙 주변의 해양의 기온이 더 낮아질 수 있다.

#16. 기온의 연직 분포를 확인해보면, 지표 근처에서 약 200hPa 기압고도까지는 고도가 상승함에 따라 기온이 감소하지만, 그 이상에서는 고도가 상승함에 따라 기온이 상승한다. 그 이유는 무엇인가?

지표 근처에서 약 200hPa 기압고도까지는 대류권으로, 주로 연직 기온 분포가 Heat Source인 지표의 영향으로 결정되기 때문에, Heat Source인 지표로부터 멀어지기 때문에 기온이 내려가며 또한 고도 상승에 따른 단열 팽창의 영향으로 기온이 하강한다. 반면 200hPa 기압 고도 위쪽은 성층권으로, 단파복사를 흡수하여 해리 및 가열되는 오존층의 존재로 인해 고도가 상승함에 따라 기온이 상승한다.

#17. 기온의 고도별, 위도별 변화를 보면 다음을 확인할 수 있다. 각각에 대한 이유를 설명하시오.

#17-1. 지표 근처에서는 기온이 높지만, 고도가 상승할수록 기온이 내려간다. 단, 적도 부근에서는 약 100hPa 기압고도 부근 이상에서는 고도가 상승할수록 기온이 높아진다.

대류권의 경우는 주로 기온을 결정하는 Heat Source가 단파복사선속밀도 차이에 의해 가열차가 발생한 지표이므로, 지표로부터 멀어질수록 기온이 내려간다. 적도 부근의 약 100hPa 기압고도 부근 이상에서 고도가 상승할수록 기온이 높아지는 것은 성층권으로, 오존층의 영향 때문이다.

#17-2. 지표 부근에서, 저위도 지역은 기온이 높으나 고위도 지역은 기온이 높다.

지표 부근에서는 태양복사선속밀도의 위도별 차이에 의하여 지표 가열에 차이가 발생하고, 따라서 지표온에 차이가 발생한다. 지표온의 차이는 현열속을 다르게 하기 때문에, 상대적으로 저위도 지역의 현열속이 높고 고위도 지역의 현열속이 낮게 된다. 따라서 Heat Source인 지표의 기온이 높은 저위도 지역에서는 지표 부근 대기의 기온이 높고, 지표의 기온이 낮은 고위도 지역에서는 지표 부근 대기의 기온이 낮다.

#18. 기온은 경도 방향으로 변하는가?

기온 분포는 경도 방향으로 거의 변하지 않는다. 지구 평균 기온의 분포는 대체로 위도에 따른 태양복사선속밀도 차이에 따른 지표 가열차 및 지표온 차에 영향을 크게 받아 결정되기 때문이다.

#19. 기온의 연변동은 다음과 같은 특징을 보인다. 그 이유를 설명하시오.

#19-1. 지표와 850hPa 기압고도의 기온의 연변동은 여름에 높고 겨울에 낮은 전형적인 패턴을 보이지만, 200hPa 기압고도는 그렇지 않다. 그 이유는 무엇인가?

북반구 여름철의 경우 태양복사선속밀도가 높은 여름 북반구의 경우, 대륙의 면적비율이 높기 때문에 지표 기온이 비교적 높게 나타나지만 겨울 남반구의 경우는 대륙의 면적 비율이 낮아 비교적 해양에 의해 표면 부근 기온이 비교적 낮지는 않게 나타난다. 따라서 JJA에서 지표 기온은 여름에 높다. 겨울에는 이 반대가 되어 DJF에는 지표 기온은 낮다. 850hPa 기압고도는 지표 근처의 대기와 마찬가지로 주요한 Heat Source인 지표의 영향을 크게 받으므로, 그 기온 연변동이 지표 부근 기온 분포와 유사하나 연교차가 작아진다. (지표로부터 멀어졌으므로) 반면, 200hPa 기압고도의 경우 지표로부터 영향을 적게 받으므로 비교적 기온의 연변동이 그러한 분포를 보이지는 않는다.

#19-2. 일반적으로 높은 고도에서 기온의 연교차가 작아지는데, 그 이유는 무엇인가?

기온의 연교차에 주요한 영향을 주는 요소는 계절에 따른 입사 태양복사선속밀도 차이에 의한 지표의 복사 가열차와 그에 따른 지표온의 차이이다. 지표 근방에 위치한 대기일수록 지표온의 영향을 크게 받으므로, 지표 근처의 대기는 계절에 따른 지표온의 차이에 크게 영향을 받는 반면 높은 고도의 대기일수록 지표온의 영향을 적게 받아 그 연교차가 작아진다.

#20. 다음은 전-지구적 기온의 일교차에 관한 설명이다. 해당 현상이 나타나는 이유를 설명하시오.

#20-1. 일반적으로 계절과 무관하게 대륙에서의 일교차가 해양에서의 일교차보다 크다.

일반적으로 대륙의 비열이 해양의 비열보다 작기 때문에, 주간에는 대륙이 해양보다 더 빠르게 가열되어 기온이 크게 상승하지만, 야간에는 대륙이 해양보다 더 빠르게 복사 냉각되어 기온이 크게 하강하기 때문이다.

#20-2. 계절과 무관히 대륙의 사막에서 일교차가 큰 편이다.

대륙의 사막은 수증기가 적다. 수증기는 야간 중에 지표 복사의 흡수 · 재방출을 통해 지표 기온을 야간 중에 높게 유지시켜주는 Blanket Effect를 제공한다. 또한, 대륙의 사막의 경우는 일반적인 흙 등 토양보다는 비열이 작은 편이다. 따라서 계절과 무관히 비열차와 적은 수증기로 인한 Blanket Effect 때문에 일교차가 크다. 또, 사막의 적은 수증기량은 사막에서 구름이 잘 형성되지 못하게 한다. 구름은 단파복사에 대해서는 복사 강제력이 음이며, 장파복사에 대해서는 복사 강제력이 양이므로 주간에는 지표 기온이 낮게, 야간에는 지표 기온이 높게 되도록 하는 효과가 있다. 따라서 구름이 형성되지 않게 함으로써 대륙의 사막에서 일교차가 크게 되는 효과도 존재한다.

#20-3. 계절과 무관히 고지대는 일교차가 큰 편이다.

일반적으로 높은 고도의 경우는 식생이 적고 수증기량이 적은 편이다. 따라서 구름이 잘 형성되지 않으며 Blanket Effect를 누릴 수 없기 때문에 일교차가 크다.

#20-4. 계절과 무관히 아마존 지역과 동남아시아는 일교차가 작은 편이다.

일반적으로 아마존 지역과 동남아시아 지역은 식생이 풍부하다. 증산 작용에 의해 방출되는 수증기와 식생에 의한 지표의 물 Holding으로 인해 이 지역은 수증기가 풍부하다. 풍부한 수증기는 구름 형성 확률을 높여주고, 수증기에 의한 Blanket Effect를 제공한다. 구름은 단파복사에 대한 복사강제력이 음, 장파복사에 대한 복사강제력이 양이다. 구름과 수증기는 모두 따라서 일교차를 줄여주는 기능을 담당하므로, 수증기가 많은 아마존 지역과 동남아시아 일대는 일교차가 작은 편이다.