일기도로 지균풍과 경도풍 비교

500 hPa 일기도에서 위도 37.5° 부근의 등고선은 60 m 간격으로 그려져 있고, 이웃한 두 등고선 사이의 거리를 자로 재어 축척으로 바꾸니 660 km였다. 일기도에는 바람이 그려져 있지 않지만 이 간격만으로 풍속을 계산할 수 있다고 한다. 그런데 같은 간격의 등고선이 둥글게 휘어 저기압을 둘러싼 곳과 고기압을 둘러싼 곳에서 실제로 관측된 풍속이 서로 달랐다. 등고선이 휘면 바람에 무엇이 더해질까?

2.5.1두 힘이 맞서는 바람

상층 일기도는 같은 기압면의 높이를 등고선으로 그린다. 등고선이 촘촘할수록 기압면이 가파르게 기울어 공기를 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 미는 기압 경도력이 크다. 공기가 움직이기 시작하면 북반구에서는 전향력이 진행 방향의 오른쪽으로 작용해 바람이 점점 휜다. 결국 바람이 등고선과 나란해져 기압 경도력과 전향력이 정확히 반대 방향으로 같아지면 더는 휘지 않는다. 이렇게 두 힘이 균형을 이룬 바람을 지균풍이라 한다. 마찰이 거의 없는 상층의 바람은 지균풍에 가깝다.

등고선이 둥글게 휘면 바람도 원을 그리며 돌아야 하고, 그러려면 중심을 향하는 구심력이 있어야 한다. 저기압 둘레에서는 기압 경도력이 중심을 향하므로, 기압 경도력이 전향력보다 커야 한다. 그래서 전향력이 작아지도록 풍속이 지균풍보다 약하다. 반면 고기압 둘레에서는 전향력이 중심을 향하므로 전향력이 더 커야 하고, 풍속이 지균풍보다 강하다.¹

2.5.2지상에서는 마찰이 더해진다

지상 일기도에서는 바람이 등압선을 비스듬히 가로질러 저기압 쪽으로 불어 든다. 지면과의 마찰이 풍속을 줄이면 풍속에 비례하는 전향력도 작아져, 기압 경도력이 이기는 쪽으로 바람이 꺾이기 때문이다. 바다 위에서는 등압선과 약 15°, 거친 육지에서는 30° 넘게 비스듬하다. 그래서 지상의 저기압에서는 공기가 중심으로 모여 상승하고, 고기압에서는 공기가 퍼져 나가며 하강한다.

2.5.3예제 풀이

지균풍은 \(V_g = \dfrac{9.8}{8.9\times10^{-5}} \times \dfrac{60}{660000} \approx 1.10\times10^5 \times 9.1\times10^{-5} \approx 10.0\) m/s이다. 두 경도풍 식에서 \(fR = 8.9\times10^{-5}\times 5\times10^5 = 44.5\) m/s이고 \(fRV_g = 445\) m²/s²이다.

저기압 둘레에서는 \(V^2 + 44.5V - 445 = 0\)을 풀어 \(V = -22.25 + \sqrt{22.25^2 + 445} \approx -22.25 + 30.66 \approx 8.4\) m/s이다. 고기압 둘레에서는 \(V^2 - 44.5V + 445 = 0\)의 작은 근을 택해 \(V = 22.25 - \sqrt{495 - 445} \approx 22.25 - 7.07 \approx 15.2\) m/s이다. 고기압 둘레의 식은 \(V_g\)가 \(fR/4\)보다 크면 근이 없어서, 고기압 중심 부근에서는 등고선이 촘촘해질 수 없다. 즉 등고선 간격은 지균풍의 세기를, 등고선의 휘어짐은 그 세기가 지균풍에서 얼마나 벗어나는지를 알려 준다.

아래 탐구 카드에서 상층 일기도의 등고선 간격과 곡률을 재어 지균풍과 경도풍을 계산하고, 관측된 바람과 비교해 보자.

1. 그래서 일기도에서 고기압 중심 부근은 등압선 간격이 넓고 바람이 약하며, 태풍처럼 강한 바람은 저기압 둘레에서만 분다. 태풍 중심 가까이에서는 원운동의 구심력이 전향력보다 훨씬 커서, 지균풍보다 경도풍으로 다루어야 한다.