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Hydrology 3장 강수

3장 강수

Kim, Sungwon, Ph.D./P.E.

강수는 수문순환과정에서 가장 중요한 입력 자료이며, 강우, 눈, 우박, 이슬비등 구름이 응축되어 지상으로 떨어지는 모든 형태의 수분을 말한다. 강수는대기 중의 수분이 기원이 되며 강수의 형태나 양은 바람, 온도, 대기압과 같은기후인자의 영향을 받는다. 대륙내부의 공기기단은 일반적으로 매우 건조하므로 대부분의 강수는 해양에서 증발한 습한 해양 대기로부터 유래한다.본 장에서는 강수의 형성과정, 강수의 종류 및 강수의 관측방법과 함께 수문분석에서 기본이 되는 강우의 분석 및 해석방법에 대해 알아본다.

ᆞ 응축 및 구름의 형성 ᆞ 강수의 형성

ᆞ 강수의 종류 및 유형 ᆞ 강수의 측정

ᆞ 강수량 자료의 분석 ᆞ 강수량 자료의 해석

강수

3장 강의 내용

1. 서론

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응축(condensation)

ᆞ공기(수증기) → 물 : 이슬, 안개, 구름이 형성

ᆞ응축의 조건 : 1) 대기중의 공기는 포화(saturation)

2) 공기의 온도는 이슬점(dew point) 이하

3) 응결핵(condensation nuclei)의 존재

→ 미세먼지, 연기 등

2. 응축 및 구름의 형성

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대기의 상승

ᆞ태양복사에너지 → 지표면 가열 → 습윤공기의 상승

→ 상승공기의 냉각, 응축 → 구름의 형성

ᆞ상승작용 : 산악형(orographic)상승, 전선형(frontal)상승,

수렴형(convergence)상승, 대류형(convective)상승

산악형 상승

ᆞ산사면을 통해 공기가 상승할 때

ᆞ단열냉각(adiabatic cooling)발생

ᆞ응축이 발생하여 구름이 형성

ᆞ산사면 지역 ⇒ 단열냉각(adiabatic cooling) → 다강우

ᆞ산사면 반대면 지역 ⇒ 단열가열(adiabatic warming) → 건조

2. 응축 및 구름의 형성

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전선형 상승

ᆞ넓은 평지 지역ᆞ두 개의 기단이 전선을 형성하여 상승효과

수렴형 상승

ᆞ국지적인 압력차

ᆞ저기압 중심지역에 수평수렴(horizontal convergence)지역 형성

ᆞ저기압 수렴지역에서 공기의 상승이 발생

대류형 상승

ᆞ지표면의 불균등 가열

ᆞ여름철 강한 상승기류 ⇒ 천둥, 번개, 소나기(thunderstorm) 발생

2. 응축 및 구름의 형성

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구름의 종류

ᆞ형태 : 권운(cirrus), 적운(cumulus), 층운(stratus)ᆞ조합 : 권적운, 권층운, 고적운, 고층운, 난층운, 층적운, 적란운 등.ᆞ고도 : 상층운(6,000m 이상), 중층운(2,000-6,000m),

하층운(2,000m) 이하

2. 응축 및 구름의 형성

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구름의 분류

2. 응축 및 구름의 형성

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강수형성의 조건

ᆞ대기가 이슬점 이하로 충분히 냉각 → 상승작용에 의한 단열팽창

ᆞ대기중에 응결핵이 존재

ᆞ응결핵으로 응축이 발생 → 포화상태에서 응결핵 주변으로 응축

ᆞ물방울 입자들의 크기가 충분히 증가 → 빙정과정과 충돌-응집과정

ᆞ충분한 양의 수분

빙정과정(Ice crystal process)

ᆞ저기압하에서 -20℃에서도 액체 또는 기체상태로 존재

→ 과냉각물방울(supercooled droplet)

ᆞ과냉각물방울들이 결정체들과 접촉하여 빙정핵을 형성

ᆞ구름속 얼음은 과포화 상태 → 빙정핵들이 주변의 수분을 계속 흡수

3. 강수의 형성

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충돌-응집과정(Collision-Coalescence process)

ᆞ구름입자의 크기 : 평균 10-20㎛ᆞ구름에서 강우가 형성되기 위해서는 2mm보다 큰 물방울이 포함ᆞ빙정핵들이 주변의 수분을 흡수하여 cloud droplet형성ᆞ물방울들이 연직으로 낙하하며 다른 물방울과 충돌하여 빗방울 형성

3. 강수의 형성

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인공강우

ᆞ강수를 촉진하기 위해 구름속에 dry ice나 silver iodide(요오드화 은)를 살포하여 결빙핵 역할을 하도록 유도

ᆞ1946년 11월 13일 Schaefer가 뉴욕 교외에서 처음 실험 (dry ice)ᆞ1947년 Benard Vonnegut가 silver iodide를 이용하여 실험 성공ᆞ미국 국립해양대기국(NOAA) 산하 기상조절프로그램에서 지속적 연구ᆞ1947년 호주ᆞ1958년 중국ᆞ1961년 이스라엘ᆞ우리나라 : 1963년 이후 지속적인 연구

3. 강수의 형성

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인공강우

3. 강수의 형성

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강수의 종류

4. 강수의 종류 및 유형

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기단

ᆞ물리적 특성(온도, 수증기, 바람, 압력 등)이 일정한 대규모 공기집단ᆞ전선(front) : 공기기단 간의 경계, 한랭전선, 온난전선ᆞ기단이 상승하여 강수 형성 : 대류형 강수, 산악형 강수, 선풍형 강수,

열대성 저기압, 장마전선

대류형 강수(convective storm)

ᆞ대기 하부층의 공기가 복사열에 의해 가열되어 상승할 때 형성ᆞ여름, 소나기(squall), 천둥, 번개를 동반 (thunderstorm)

4. 강수의 종류 및 유형

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산악형 강수(orographic storm)

ᆞ습윤한 공기가 산을 넘을 때 형성(Orographic uplift)ᆞ집중호우, 천둥, 번개, Főhn 현상

선풍형 강수(cyclonic storm)

ᆞ저기압 중심으로 모여든 기단이 상승하여 발생 → 전선형 강수ᆞ한랭전선형 강수 : 찬 공기가 따뜻한 공기 아래로 밀고 들어 올 때 형성

→ 좁은 지역, 강도↑, 지속시간↓ᆞ온난전선형 강수 : 찬 공기위로 따뜻한 공기가 밀고 올 때 형성

→ 넓은 지역, 강도↓, 지속시간↑

4. 강수의 종류 및 유형

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열대성 저기압 (tropical cyclones)

ᆞ열대지역의 저기압에서 형성 후 이동ᆞ태풍(typoon, 서태평양), 허리케인(hurricane, 멕시코만, 대서양),

사이클론(cyclone, 인도양)ᆞ지속적인 강우와 바람ᆞ반시계방향 회전 (북반구)

4. 강수의 종류 및 유형

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장마전선

ᆞ시베리아 기단 : 북서계절풍, 겨울철 한랭 건조한 일기ᆞ오호츠크해 기단 : 늦은 봄에서 이른 여름에 발생, 한랭다습ᆞ북태평양 기단 : 여름, 온난다습ᆞ7월 한랭다습한 오호츠크해 기단과 온난다습한 북태평양 기단이

충돌하여 정체 전선 형성 → 장마전선ᆞ장마(우리나라),

메이유(중국), 바이우(일본)

4. 강수의 종류 및 유형

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우량계(rain gauge)

ᆞ관측기구가 설치된 지점에 떨어진 물의 깊이 (mm, cm)ᆞ측우기 : 1441년(세종23년) 세계 최초로 발명된 우량관측기기

☞ 금영측우기와 선화당 측우대 및 관상감 측우대

5. 강수의 측정

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우량계의 종류

ᆞ보통우량계 : 직경 20cm, 높이 60cm, 원통형. 일우량(오전 10시 ~ 다음날 오전 10시까지의 우량) 측정

ᆞ표준우량계 : 미국, 직경, 8in, 원통형

5. 강수의 측정

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우량계의 종류

ᆞ자기 우량계 : 연속적인 강우량 측정, 부자형, Tipping bucket형, 중량측정형.

ᆞ누가우량이 시간적으로 기록 → 누가우량곡선(rainfall mass curve)

5. 강수의 측정

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기상레이더(weather radar)

ᆞ시간 및 공간적으로 강수의 연속적인 측정이 가능ᆞ레이더의 검정을 위해 우량계와 상호보완이 필요ᆞ원리(principle)

- 레이더는 전자기(electromagnetic) 에너지를 방출- 방출된 에너지는 물체와 충돌하면 흡수(absorbed), 산란(scattered),

또는 반사(reflected)됨- 반사된 에너지의 강도를 측정하여 강수의 강도를 추정

☞ 레이더의 표현 형태

5. 강수의 측정

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기상레이더(weather radar)

ᆞZ-R관계식 : 반사된 전자기 에너지를 이용하여 강우강도 추정

R : 강우강도(rainfall rate, mm/hr)

Z : 반사계수(radar reflectivity, dB)a, b : 경험상수(a:15~1000, b:1.2~3.2) D : 특정 물방울 직경N(D) : 입자크기의 분포

☞ 문제점ᆞ낮은 고도에서 형성된 강우는 레이더에 의해 관측되지 않을 수 있음

ᆞ임의의 높이에서 관측된 강수는 증발되거나 바람에 의해 다른 장소로이동되어 지상에 도달하지 않을 수도 있음

ᆞ강수의 종류 및 강도에 대한 연직방향의 변화성은 정확하지 않은반사파를 받아 잘못 선정할 수 있음

ᆞ지표면 증발은 잘못된 레이더 반사파를 초래할 수 있음

5. 강수의 측정

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기상레이더(weather radar)

5. 강수의 측정

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기상위성(meteorological satellites)

ᆞThe only available method to infer rainfall over oceansᆞ기본원리 : 대기의 여러 파장에 대한 복사에너지의 선택적 전파ᆞ가시광선(0.77-0.91㎛), 열적외선(8.0-9.2㎛, 10.2-12.4㎛, 17-22㎛)ᆞ감지한 복사에너지로부터 영상을 만들고 컴퓨터를 이용 수치화

ᆞ위성의 분류- 극궤도(polar-orbiting) 위성 : 약 1,000㎞ 상공에서 극 지역을

하루에 두번씩 회전- 정지(geostationary) 위성 : 약 36,000㎞ 상공에서 지구자전

속도로 회전- 미국 GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)

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5. 강수의 측정

Hydrology

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기상위성(meteorological satellites)

5. 강수의 측정

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기상위성(meteorological satellites)

5. 강수의 측정

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강수의 지형적 변화

ᆞ일반적으로 강수는 적도에서 가장 많고, 위도가 증가할수록 감소ᆞ해안선, 산악효과

5. 강수의 측정

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강수의 시간적 변화

ᆞ국부적으로 변화는 있지만 일반적으로 평균치로 되돌아오려는 추세

5. 강수의 측정

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