단열선도와 LCL·CCL·LFC

여름 오후 지표의 기온이 30 °C, 이슬점이 18 °C였다. 한낮의 뜨거운 공기가 떠올라 적운이 피어났는데, 구름의 평평한 바닥이 모두 비슷한 높이에 줄지어 있었다. 라디오존데 자료를 단열선이 인쇄된 그래프에 찍어 보니 그 높이를 미리 알 수 있었다고 한다. 구름 바닥은 왜 평평하고, 그 높이는 얼마일까? 그리고 떠오른 공기가 구름을 만든 뒤 스스로 계속 솟아오르려면 어떤 조건이 필요할까?

2.2.1기온과 이슬점이 만나는 높이

떠오르는 공기 덩어리는 기압이 낮아져 팽창하며 식는다. 포화되지 않은 공기는 1 km에 약 10 °C씩 식는데, 이것이 건조 단열 감률이다. 한편 혼합비는 그대로이므로 이슬점은 1 km에 약 2 °C씩만 내려간다. 그래서 기온과 이슬점의 차이가 1 km마다 약 8 °C씩 줄어들다가, 둘이 만나는 높이에서 공기가 포화되어 구름이 생기기 시작한다. 이 높이를 상승 응결 고도(LCL)라 한다. 같은 지표 공기에서 출발한 덩어리들은 같은 높이에서 포화되므로 적운의 바닥이 평평하게 줄지어 나타난다.

구름이 생긴 뒤 공기 덩어리가 계속 솟으려면 주변 공기보다 따뜻하고 가벼워야 한다. 습윤 단열로 식는 덩어리가 주변 공기보다 따뜻해지기 시작하는 높이를 자유 대류 고도(LFC)라 한다. 그 위로는 공기가 스스로 떠올라 적운이 높게 자라고, 소나기나 뇌우가 될 수 있다. 낮 동안 지표가 데워지면 아래쪽 공기가 덩어리 없이도 위까지 섞이며 구름이 생기는데, 그 높이를 대류 응결 고도(CCL)라 한다.¹

2.2.2단열선도 읽기

단열선도에는 건조 단열선, 습윤 단열선, 같은 혼합비의 선이 미리 그려져 있다. 라디오존데가 보낸 높이별 기온과 이슬점을 찍어 두 곡선을 그리고, 지표 기온에서 건조 단열선을 따라, 지표 이슬점에서 혼합비선을 따라 올라가 만나는 곳이 LCL이다. LCL에서부터 습윤 단열선을 따라 올라가며 주변 기온 곡선과 처음 만나는 곳이 LFC이다. 덩어리 곡선과 주변 곡선 사이의 넓이가 떠오르는 공기가 얻는 에너지의 크기를 나타내, 뇌우가 얼마나 강할지 어림하는 데 쓴다.

2.2.3예제 풀이

LCL은 \(125 \times (30 - 18) = 1500\) m이다. 공기는 그동안 건조 단열로 \(9.8 \times 1.5 \approx 14.7\) °C 식어 약 15.3 °C가 되고, 이슬점도 \(18 - 1.8 \times 1.5 \approx 15.3\) °C로 같아진다. 그래서 구름의 바닥은 약 1.5 km에 평평하게 생긴다.

LCL 위에서 덩어리는 습윤 단열로 1 km에 약 6 °C씩 식는다. 2 km에서는 덩어리 12.3 °C, 주변 15.5 °C로 3.2 °C 차갑고, 3 km에서는 덩어리 6.3 °C, 주변 5 °C로 1.3 °C 따뜻하다. 차이가 1 km에 4.5 °C씩 바뀌므로 0이 되는 곳은 \(2 + 3.2/4.5 \approx 2.7\) km이다. 이것이 LFC이다. 그 아래에서는 덩어리를 밀어 올릴 다른 힘, 곧 산이나 전선이 필요하다. 즉 기온과 이슬점의 차이가 구름 바닥의 높이를, 덩어리와 주변 기온의 비교가 구름이 스스로 자랄지를 알려 준다.

아래 탐구 카드에서 라디오존데 자료를 단열선도에 찍어 LCL, CCL, LFC를 찾아보자.

1. 기상청은 하루 두 번 전국 여러 곳에서 동시에 라디오존데를 띄워 올린다. 풍선에 매달린 측정기는 약 30 km 높이까지 올라가며 기온, 습도, 기압, 바람을 보내고, 그 자료가 단열선도와 수치 예보의 출발점이 된다.