대기 역학
대기 역학은 유체 운동의 법칙을 얇고 회전하는 공기층에 적용하여 바람이 휘는 이유, 기압계가 이동하는 이유, 그리고 행성의 순환이 날씨와 기후를 조직하는 방식을 설명합니다.
Definition
대기 역학은 유체 역학 및 열역학 방정식을 회전하는 행성에 적용하여 대기의 움직임을 설명하고 예측하는 기상학의 한 분야입니다.
Scope
이 분야는 회전 좌표계에서의 대기 운동 지배 방정식, 대규모를 지배하는 균형 흐름, 대기 파동의 스펙트럼, 기상 시스템을 발생시키는 불안정성, 그리고 전 지구적 일반 순환의 구조와 유지에 대해 다룹니다.
Sub-topics
Core questions
- 회전하는 지구에서 공기의 움직임을 지배하는 방정식은 무엇입니까?
- 대규모 바람이 기압선에 거의 평행하게 부는 이유는 무엇입니까?
- 어떤 파동과 불안정성이 대기를 기상 시스템으로 조직합니까?
- 전 지구적 바람과 기압 패턴은 어떻게 유지됩니까?
Key theories
- 지균 및 균형 흐름
- 대규모의 느리게 진화하는 운동의 경우 코리올리 힘이 기압 경도력과 거의 균형을 이루어 바람이 등압선을 따라 불게 됩니다. 이 균형에서의 이탈은 기상 시스템의 수직 운동과 진화를 유도합니다.
- 경압 불안정성
- 수평 온도 경도는 성장하는 파동에 의해 방출되는 가용 잠재 에너지를 저장하며, 이는 중위도 저기압과 외열대 지역의 날씨를 지배하는 와류의 동역학적 기원을 제공합니다.
Mechanisms
뉴턴의 법칙과 회전 좌표계에서 작성된 질량 및 에너지 보존 법칙으로부터 시작하여, 원시 방정식(primitive equations)은 기압 경도력, 코리올리 효과, 중력, 마찰이 어떻게 공기를 움직이게 하는지 설명합니다. 대규모에서는 흐름이 지균 및 정역학적 균형에 가깝게 유지되는 반면, 잠재 와도(potential vorticity)와 준지균 이론(quasi-geostrophic theory)을 통해 표현되는 작은 불균형은 파동의 성장과 날씨를 생성하는 수직 순환을 유도합니다.
Clinical relevance
이 분야의 동역학 방정식은 모든 수치 일기 예보 및 기후 모델의 기초입니다. 균형 흐름, 파동 및 불안정성을 이해하는 것은 예보관과 기후 과학자가 폭풍의 발달과 이동, 그리고 온난화되는 행성에 대한 순환의 반응을 예측할 수 있도록 합니다.
History
19세기 유체 역학과 회전 흐름에 대한 코리올리 분석을 바탕으로, 빌헬름 비에르크네스(Vilhelm Bjerknes)는 1900년대 초 일기 예보를 초기값 문제로 정립했습니다. 로스비(Rossby)는 자신의 이름을 딴 대규모 파동을 식별했으며, 차니(Charney)의 20세기 중반 경압 불안정성(baroclinic instability) 및 준지균 역학 이론은 대기 역학을 현대 예보의 정량적 기반으로 전환시켰습니다.
Key figures
- Vilhelm Bjerknes
- Carl-Gustaf Rossby
- Jule Charney
- Edward Lorenz
Related topics
Seminal works
- holton2013
- vallis2017
Frequently asked questions
- 바람이 기압선을 가로지르지 않고 따라 부는 이유는 무엇입니까?
- 대규모에서는 고기압에서 저기압으로 공기를 밀어내는 기압 경도력이 지구 자전으로 인한 코리올리 힘과 거의 균형을 이루어, 공기는 결국 지균 균형(geostrophic balance)이라고 불리는 등압선에 평행하게 흐르게 됩니다.
- 역학 기상학(dynamic meteorology)과 종관 기상학(synoptic meteorology)의 차이점은 무엇입니까?
- 역학 기상학은 대기 운동의 근본적인 물리적 및 수학적 이론을 개발하는 반면, 종관 기상학은 이러한 원리를 적용하여 관측 자료로부터 실제 기상 시스템을 분석하고 예측합니다.