(8) Wind and Currents

Wind and Currents

 

공기는 고기압 영역에서 저기압 영역으로 흐른다. 왜냐하면 공기는 항상 더 낮은 압력을 찾기 때문이다. 대기압의 차이, 코리올리 힘, 마찰력, 그리고 공기 온도의 차이가 결합하여 두 가지 대기 운동을 발생시킨다: 대류(상하 이동)와 바람(수평 이동). 대류와 바람은 이륙, 착륙, 그리고 순항에 영향을 미치기 때문에 중요하다. 가장 중요한 것은 대류 및 바람, 혹은 대기 순환이 기상 변화를 일으킨다는 것이다.

 

Wind patterns

 

북반구에서는 고기압에서 저기압으로 향하는 공기 흐름이 오른쪽으로 편향된다. 이는 고기압 영역을 중심으로 시계 방향 순환을 만들어낸다. 이를 고기압성 순환(anticyclonic circulation)이라 부른다. 저기압 영역에서는 이와 반대이다. 공기는 낮은 압력 쪽으로 흐르며 편향된다. 이는 반시계 방향 순환을 만들어낸다. 이를 저기압성 순환(cyclonic circulation)이라 부른다. [그림 12-10]

 

(ATP: 코리올리 힘은 북반구에서 공기 흐름을 오른쪽으로, 그리고 남반구에서 공기 흐름을 왼쪽으로 편향시킨다. 때문에 남반구에서는 저기압을 중심으로 바람이 시계방향으로 분다.)

고기압 시스템은 일반적으로 건조한 하강 공기 영역이다. 이러한 이유로 좋은 날씨는 보통 고기압 시스템과 관련이 있다. 반면 저기압은 상승 공기 영역이다. 상승 공기를 대체하기 위하여 공기가 고기압에서 저기압으로 흐른다. 상승 공기는 보통 구름과 강수량을 증가시킨다. 따라서 나쁜 날씨는 일반적으로 저기압 영역과 관련이 있다.

 

(ATP: 건조하고 햇볕이 잘 드는 지역이 강렬한 지표면 가열로 인하여 상당히 따뜻해질 경우 thermal low라 불리는 저기압 영역이 생성된다. thermal low는 비교적 기압 경도가 약하며 명확한 cyclonic circulation을 가지지 않는다.)

 

고압 및 저압의 바람 패턴을 제대로 이해할 경우 비행 계획시 큰 도움이 될 수 있다. 왜냐하면 조종사가 유리한 바람(배풍)을 이용할 수 있기 때문이다. [그림 12-11] 서쪽에서 동쪽으로 향하는 비행을 계획할 때 고기압의 북쪽, 혹은 저기압의 남쪽을 지날 경우 유리한 바람을 맞이할 것이다. 되돌아오는 비행에서는 동일한 고기압 시스템의 남쪽, 혹은 저기압 시스템의 북쪽을 지날 경우 유리한 바람을 맞이할 것이다. 또한 비행경로를 따른 특정 지역에서 어떤 날씨가 예상되는지를 더 제대로 이해할 수 있다.

대규모의 대기 순환에 대한 순환 및 바람 패턴 이론은 정확하다. 그러나 국지적인 규모의 순환에 대한 변화는 고려하지 않는다. 지역적 조건, 지질학적 특징, 그리고 그 외의 변수들은 지구 표면 근처의 풍향 및 풍속을 바꿀 수 있다.

 

Convective Currents

 

경작된 땅, 바위, 모래, 그리고 척박한 땅은 태양 에너지를 빠르게 흡수하기 때문에 많은 양의 열을 발산할 수 있다. 반면 물, 나무, 그리고 그 외의 초목은 더 천천히 열을 흡수 및 발산하는 경향이 있다. 그 결과 공기의 불균형한 가열로 인해 대류라 불리는 국소 순환 영역이 만들어진다.

 

(ATP: 물에서는 일일 일교차가 10도에 불과하지만 육지에서는 최대 50도의 일교차가 발생할 수 있다.)

 

(ATP: 일교차는 24시간 동안의 온도변화를 의미한다. 최저 기온은 보통 일출 후에(때로는 일출로부터 1시간 후에) 발생한다.)  

 

대류는 난기류를 유발한다. 이는 따뜻한 날씨에 낮은 고도에서 비행할 때 종종 경험된다. 저고도 비행 도중 포장도로나 척박한 장소에서 상승기류가 발생할 가능성이 높다. 하강기류는 보통 물, 혹은 광범위한 초목(예를 들어 나무들)에서 발생한다. 일반적으로 이러한 난기류 조건은 높은 고도로(심지어 적란운 층 이상으로) 비행함으로써 회피될 수 있다. [그림 12-12]

대류는 큰 수역(예를 들어 바다, 큰 호수, 혹은 그 외 상당한 물이 있는 지역)과 육지가 인접한 지역에서 특히 두드러진다. 주간에는 땅이 물보다 빠르게 가열된다. 따라서 땅 위의 공기가 더 따뜻해지고 밀도가 낮아져서 상승한다. 그런 다음 물로부터 유입되는 차갑고 밀도 높은 공기로 대체된다. 이는 해풍(seabreeze)을 일으킨다. 반대로 밤에는 땅이 물보다 빨리 식어서 공기도 빠르게 식는다. 이 경우 물 위의 따뜻한 공기가 상승한다. 그런 다음 땅의 차갑고 밀도 높은 공기로 대체된다. 이는 육풍(landbreeze)을 일으킨다. 이는 국부적인 바람 순환 패턴을 반대로 만든다. 지표면의 불균등한 가열이 존재한다면 어디서든 대류가 발생할 수 있다. [그림 12-13]

 

(ATP: 산바람은 katabatic wind, 혹은 mountain wind라 불린다. 이는 차갑고 무거운 공기가 경사면을 타고 내려가면서 전방의 따뜻하고 가벼운 공기를 대체하면서 형성된다. 차갑고 무거운 공기는 경사면을 타고 내려가면서 단열 가열 및 건조된다. 왜냐하면 기압의 증가로 인한 압축 때문이다. 골바람은 anabatic wind, 혹은 valley wind라 불린다. 이는 차갑고 무거운 공기가 경사면을 타고 올라가면서 전방의 따뜻하고 가벼운 공기를 대체하면서 형성된다.)

 

지면 근처의 대류는 조종사의 항공기 제어 능력에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 final approach 도중 초목이 없는 지역의 상승 공기가 때때로 ballooning effect를 만들어낸다. 이는 의도하였던 착륙 지점을 overshoot 하게 만들 수 있다. 반면 넓은 수역이나 울창한 초목 지역 상공에서 접근하는 도중에는 sinking effect가 발생할 수 있다. 이를 조심하지 않을 경우 조종사는 의도하였던 착륙 지점에 못미쳐서 착륙할 수 있다. [그림 12-14]

Effect of Obstructions on Wind

 

조종사에게 문제를 일으킬 수 있는 또 다른 대기 위험이 존재한다. 지상의 장애물은 바람의 흐름에 영향을 미친다. 이는 보이지 않는 위험이 될 수 있다. 지상의 지형과 큰 건물들은 바람의 흐름을 분산시켜 돌풍(gust)을 일으킬 수 있다. 이러한 장애물은 인공 구조물(예를 들어 격납고)에서부터 커다란 자연 장애물(예를 들어 산, 절벽, 혹은 협곡)에 이르기까지 다양하다. 큰 건물이나 자연 장애물이 활주로 근처에 존재하는 공항으로부터 입출항을 수행하는 경우 특히 주의해야 한다. [그림 12-15]

지상 장애물과 관련된 난기류의 강도는 장애물의 크기, 그리고 바람의 초기 속도에 따라 달라진다. 이는 항공기의 이착륙 성능에 영향을 미칠 수 있으며 매우 심각한 위험을 초래할 수 있다. 접근 도중 난기류로 인해 항공기가 “drop in” 할 수 있으며 그 결과 장애물을 회피하기엔 너무 낮아질 수 있다.

 

이와 같은 상황은 산악 지역을 비행할 때 더욱 두드러진다. [그림 12-16] 산의 windward side(바람이 부는 쪽) 위로 바람이 부드럽게 흐르는 동안 상승기류는 항공기가 산의 정상으로 향하도록 돕는다. 반면 산의 leeward side(바람 불어가는 쪽) 아래로 흐르는 공기는 지형의 윤곽선을 따라 흘러서 점점 난기류를 일으킨다. 이는 항공기를 산 쪽으로 밀어 넣는 경향을 발생시킨다. 바람이 강할수록 아래로 향하는 압력과 난기류가 커진다.

지형이 계곡이나 협곡의 바람에 미치는 영향으로 인하여 하강기류가 심할 수도 있다. 산악 지형에 익숙하지 않은 조종사는 산악 지형에서 비행을 수행하기 전에 mountain qualified flight instructor로부터 확인을 받는 것이 도움이 된다.

 

Low-Level Wind Shear

 

wind shear는 매우 작은 범위에서 풍속 및/혹은 풍향이 갑작스럽게 변화하는 것이다. wind shear는 항공기에 격렬한 상승기류/하강기류를, 그리고 급격한 수평 움직임 변화를 가할 수 있다. wind shear는 모든 고도에서 발생할 수 있다. 허나 low-level wind shear가 특히나 위험하다. 왜냐하면 항공기가 지면에 매우 근접해있기 때문이다. low-level wind shear는 일반적으로 전선 시스템의 통과, 뇌우, 기온 역전, 그리고 강한 상층풍(25노트 이상)과 관련이 있다.

 

wind shear는 항공기에 위험하다. 이는 항공기의 성능을 빠르게 변화시킬 수 있으며 정상 비행 자세에도 지장을 줄 수 있다. 예를 들어 배풍이 정풍으로 빠르게 변화하면 대기속도와 성능이 증가한다. 반대로 정풍이 배풍으로 변화하면 대기속도와 성능이 감소한다. 조종사는 항공기 제어를 유지하기 위해 이러한 변화에 즉시 대응할 준비가 되어 있어야 한다.

 

가장 심한 유형의 low-level wind shear는 microburst이다. 이는 구름 하단으로부터 건조한 공기를 향해 내리는 대류성 강수와 관련되어 있다. microburst는 지표면에 내리는 강렬한 빗줄기를 통해 확인될 수 있다. 허나 구름 하단의 미류운(virga), 그리고 고리모양으로 흩날리는 먼지가 유일한 시각적 단서인 경우가 많다. 일반적인 microburst의 수평 지름은 1 ~ 2마일이고 1,000ft의 높이를 가진다. 마이크로버스트의 수명은 약 5 ~ 15분이다. 이 시간 동안 최대 6,000fpm의 하강기류가, 그리고 30 ~ 90노트의 정풍 손실이 발생하여 성능이 심각하게 저하될 수 있다. 이는 또한 강한 난기류, 그리고 엄청난 풍향 변화를 일으킬 수 있다. [그림 12-17] 의도치 않게 microburst를 향하여 이륙하였다면 비행기는 먼저 정풍(성능 향상)을 경험할 것이고(1), 이후 하강기류(성능 감소)를 경험할 것이며(2), 마지막에는 급격한 배풍 증가를 경험할 것이다. 이로 인해 비행기가 지면에 충돌할 수도 있다(4). 접근 도중 이를 마주하는 경우에도 동일한 일련의 바람 변화가 발생하며 비행기가 활주로에 미치지 못하게 만들 수 있다.

 

wind shear는 모든 고도의 모든 조종사에게 영향을 미칠 수 있다는 것을 기억해야 한다. wind shear가 보고될 때도 있지만 이는 종종 감지되지 않은 채로 존재한다. 항상 wind shear의 가능성에 주의해야 한다(특히 뇌우와 전선 시스템의 내부나 그 주변을 비행하는 경우).

 

Wind and Pressure Representation on Surface Weather Maps

 

지상 일기도는 전선, 고기압/저기압 영역, 그리고 각 관측소에서의 지상풍 및 기압 정보를 제공한다. 이러한 유형의 일기도는 전선과 기압 시스템의 위치를 나타낸다. 그러나 더 중요한 것은 이는 각 위치에 대한 지상의 바람 및 기압을 나타낸다는 것이다. 지표면 분석 및 일기도에 대한 자세한 내용은 Chapter 13, Aviation Weather Services를 참조한다.

 

바람은 station location circle에 부착된 화살표를 통해 보고된다. [그림 12-18] station circle은 화살표의 머리를 나타내며 이는 바람이 부는 방향을 가리킨다. 바람은 불어오는 방향 쪽으로 기술된다. 따라서 북서풍은 바람이 북서쪽에서 남동쪽으로 불고 있음을 의미한다. 풍속은 풍속 선에 놓인 미늘이나 깃발로 표시된다. 각 미늘은 10노트의 속도를, 그리고 각 깃발은 50노트의 속도를 나타낸다.

각 관측소의 기압이 mb 단위로 기록된다. 차트에 그려진 등압선은 동일한 기압의 선을 나타낸다. 이러한 선은 거리에 따른 기압 경도(혹은 기압 변화)를 나타낸다. [그림 12-19] 등압선은 지형도의 등고선과 유사하다. 예를 들어 서로 가까이 위치한 등압선들은 급격한 기압 변화를, 그리고 강한 바람을 나타낸다. 반면 서로 멀리 떨어진 등압선들은 완만한 기압 변화를, 그리고 가벼운 바람을 나타낸다. 등압선은 저기압/고기압 시스템뿐만 아니라 기압골/기압마루의 위치를 식별하는데에도 도움이 된다. 고기압은 낮은 기압으로 둘러싸인 높은 기압 영역이다. 저기압은 높은 기압으로 둘러싸인 낮은 기압 영역이다. 기압마루(ridge)는 고기압이 길게 연장된 지역을, 그리고 기압골(trough)은 저기압이 길게 연장된 지역을 의미한다.

등압선은 지표면으로부터 몇 천 피트 상공에서의 바람에 대한 귀중한 정보를 제공한다. 지면과 가까운 곳에서는 마찰에 의해 풍향/풍속과 코리올리 힘이 감소한다(허나 기압 경도력이 감소하지는 않음). 이는 바람이 등압선을 가로질러 저기압으로 향하도록 만든다. 그러나 지표면으로부터 2,000 ~ 3,000ft 상공에서는 풍속이 빨라지며 풍향은 점점 등압선에 평행해진다.

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※ 다음은 네이버 지식백과를 발췌한 내용이다.

 

기압 경도력의 방향은 고기압에서 저기압쪽으로 작용한다. 크기는 두 지점 사이의 거리에 반비례한다. 대기권에서 기압은 높이 올라갈수록 낮아지므로, 아래쪽의 압력이 위쪽보다 커서 이 공기덩어리는 아래에서 위로 힘을 받는데 이 힘은 공교롭게 중력과 평형을 이룬다. 이를 정역학 평형이라고 한다. 기압경도력은 연직 성분의 기압경도력과 수평 성분의 기압경도력으로 힘을 분해할 수 있지만 연직 성분의 기압경도력이 중력과 평형을 유지 하므로 일반적으로 기압경도력을 말할 때는 수평 성분의 기압경도력을 말한다.

두 등압선의 기압차가 일정할 때 등압선이 조밀한 곳일수록 기압경도력이 크므로 바람이 강하고, 등압선이 느슨한 곳에서는 바람이 약하다. 기압경도력(f)은 f = 1/ρ × ΔP/ΔH (ρ은 운동하는 공기의 밀도, ΔH 두 지점간의 거리, ΔP는 두 지점간의기압차)로 표시한다. 기압경도력은 정지 상태의 공기가 움직이게 되는(바람이 부는) 근본적인 원인이 되는 힘이다.

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일반적으로 2,000ft(AGL)에서의 바람은 지상풍으로부터 20 ~ 40도 오른쪽으로 향하며 풍속은 더 높다. 풍향의 변화는 거친 지형에서 가장 크고 평평한 표면에서(예를 들어 탁 트인 수역) 가장 작다. 상층풍에 대한 정보가 없다면 이러한 rule of thumb를 통해 지표면으로부터 수 천 피트 상공의 바람을 대략적으로 추정할 수 있다.