목차
제1장 서론 ... 1
1.1 대기 연속체 ... 2
1.2 물리 차원과 단위 ... 3
1.3 규모분석 ... 5
1.4 기본 힘 ... 6
1.4.1 기압 경도력 ... 7
1.4.2 만유인력 ... 9
1.4.3 점성력 ... 10
1.5 비관성 기준틀과 '겉보기' 힘들 ... 13
1.5.1 구심 가속도와 원심력 ... 14
1.5.2 중력 ... 15
1.5.3 코리올리 힘과 곡률효과 ... 18
1.5.4 일정한 각운동량 진동 ... 22
1.6 정적 대기의 구조 ... 23
1.6.1 정역학 방정식 ... 24
1.6.2 연직 좌표로서의 기압 ... 25
1.6.3 일반화된 연직 좌표 ... 27
제2장 기초 보존법칙 ... 33
2.1 전미분 ... 35
2.1.1 회전 좌표계에서의 벡터의 전미분 ... 37
2.2 회전계에서의 운동방정식의 벡터 형태 ... 39
2.3 구좌표계에서의 각 성분에 대한 운동방정식 ... 41
2.4 운동방정식의 규모분석 ... 45
2.4.1 지균 근사와 지균풍 ... 47
2.4.2 근사적 예보 방정식: 로스비 수 ... 48
2.4.3 정역학 근사 ... 49
2.5 연속 방정식 ... 50
2.5.1 오일러 방법에 의한 유도 ... 50
2.5.2 라그랑지안적 방법에 의한 유도 ... 52
2.5.3 연속 방정식의 규모분석 ... 53
2.6 열역학적 에너지 방정식 ... 55
2.7 건조공기의 열역학 ... 58
2.7.1 온위 ... 59
2.7.2 단열감률 ... 60
2.7.3 정적 안정도 ... 60
2.7.4 열역학 에너지 방정식의 규모분석 ... 62
제3장 기본 방정식들의 초보적인 응용 ... 67
3.1 등압 좌표에서의 기본 방정식 ... 68
3.1.1 수평 운동량 방정식 ... 68
3.1.2 연속 방정식 ... 69
3.1.3 열역학 에너지 방정식 ... 70
3.2 균형류 ... 71
3.2.1 자연 좌표 ... 71
3.2.2 지균류 ... 73
3.2.3 관성류 ... 74
3.2.4 선형류 ... 76
3.2.5 경도풍 근사 ... 77
3.3 유적과 유선 ... 80
3.4 온도풍 ... 83
3.4.1 순압과 경압대기 ... 87
3.5 연직 운동 ... 87
3.5.1 운동학적 방법 ... 88
3.5.2 단열적 방법 ... 90
3.6 지상 기압 경향 ... 90
제4장 순환과 소용돌이도 ... 99
4.1 순환정리 ... 100
4.2 소용돌이도 ... 106
4.2.1 자연 좌표에서의 소용돌이도 ... 108
4.3 위치 소용돌이도 ... 110
4.4 소용돌이도 방정식 ... 115
4.4.1 카테시안 좌표형 ... 115
4.4.2 등압 좌표에서의 소용돌이도 방정식 ... 118
4.4.3 소용돌이도 방정식의 규모분석 ... 119
4.5 순압유체에서의 소용돌이도 ... 122
4.5.1 순압(로스비) 위치 소용돌이도 방정식 ... 122
4.5.2 순압 소용돌이도 방정식 ... 123
4.6 경압(에르텔) 위치 소용돌이도 방정식 ... 124
4.6.1 등온위 좌표에서 운동방정식 ... 124
4.6.2 위치 소용돌이도 방정식 ... 125
4.6.3 등온위 소용돌이도의 적분적 구속 ... 126
제5장 행성경계층 ... 131
5.1 대기난류 ... 133
5.1.1 부시네스크 근사 ... 133
5.1.2 레이놀즈 평균 ... 135
5.2 난류 운동 에너지 ... 137
5.3 행성경계층 운동량 방정식 ... 139
5.3.1 잘 혼합된 경계층 ... 140
5.3.2 속-기울기 이론 ... 143
5.3.3 혼합길이 가설 ... 143
5.3.4 에크만 층 ... 145
5.3.5 지표층 ... 147
5.3.6 수정된 에크만 층 ... 149
5.4 2차 순환과 선회감소 ... 150
제6장 종관규모 운동 Ⅰ: 준지균 분석 ... 159
6.1 열대밖 순환들의 관측된 구조 ... 161
6.2 준지균 근사 ... 167
6.2.1 등압 좌표계에서 수행된 규모분석 ... 168
6.2.2 준지균 소용돌이도 방정식 ... 172
6.3 준지균 예측 ... 177
6.3.1 지오퍼텐셜 경향 ... 178
6.3.2 준지균 위치 소용돌이도 방정식 ... 181
6.3.3 위치 소용돌이도 역전 ... 183
6.3.4 위치 소용돌이도를 통한 연직 결합 ... 184
6.4 연직 운동의 진단 ... 186
6.4.1 전통적인 오메가 방정식 ... 186
6.4.2 Q 벡터 ... 190
6.4.3 비지균 순환 ... 195
6.5 경압 요란의 이상화된 모형 ... 197
제7장 대기의 파동운동: 선형섭동이론 ... 207
7.1 섭동법 ... 208
7.2 파동의 성질 ... 209
7.2.1 푸리에 시리즈 ... 211
7.2.2 분산과 군속도 ... 213
7.3 간단한 유형의 파동 ... 215
7.3.1 음파 ... 215
7.3.2 천수중력파 ... 218
7.4 내부중력(부력)파 ... 222
7.4.1 순수 내부중력파 ... 223
7.4.2 지형파 ... 228
7.5 관성중력파 ... 231
7.5.1 순수 관성진동 ... 232
7.5.2 관성중력파 ... 233
7.6 지균조절 ... 237
7.7 로스비파 ... 242
7.7.1 자유 순압 로스비파 ... 243
7.7.2 강제 지형성 로스비파 ... 246
제8장 종관규모 운동 Ⅱ: 경압 불안정 ... 257
8.1 유체역학적 불안정 ... 259
8.2 정상 모드 경압 불안정: 2층 모형 ... 261
8.2.1 선형 섭동 분석 ... 263
8.2.2 종관 파동들 안에서의 연직 운동 ... 269
8.3 경압 파동의 에너지론 ... 273
8.3.1 가용 위치 에너지 ... 274
8.3.2 2층 모형에 대한 에너지 방정식들 ... 277
8.4 연속적으로 층리된 대기의 경압 불안정 ... 283
8.4.1 대수-기압 좌표 ... 283
8.4.2 경압 불안정: 레일리 정리 ... 286
8.4.3 이디 안정도 문제 ... 290
8.5 중립 모드들의 성장과 전파 ... 293
8.5.1 중립파들의 일시 성장 ... 294
8.5.2 풍하 발달 ... 297
제9장 중규모 순환 ... 303
9.1 중규모 순환들의 에너지원 ... 304
9.2 전선과 전선발생 ... 305
9.2.1 전선발생의 운동학 ... 306
9.2.2 반지균 이론 ... 310
9.2.3 전선을 가로지르는 순환 ... 313
9.3 대칭 경압 불안정 ... 316
9.4 산악파 ... 321
9.4.1 고립된 능 위의 흐름 ... 321
9.4.2 풍하파 ... 323
9.4.3 풍하측 경사면 폭풍 ... 324
9.5 적운 대류 ... 327
9.5.1 상당온위 ... 328
9.5.2 위단열 감률 ... 330
9.5.3 조건부 불안정 ... 330
9.5.4 대류 가용 위치 에너지(CAPE) ... 333
9.5.5 흡입 ... 334
9.6 대류 뇌우 ... 337
9.6.1 초대형 세포 뇌우에서 회전의 발달 ... 338
9.6.2 오른쪽으로 이동하는 스톰 ... 342
9.7 허리케인 ... 343
9.7.1 성숙한 허리케인의 역학 ... 344
9.7.2 허리케인의 발달 ... 346
제10장 대기 대순환 ... 353
10.1 문제의 본질 ... 355
10.2 동서 평균순환 ... 357
10.2.1 상례적인 오일러 평균 ... 359
10.2.2 변형된 오일러 평균 ... 365
10.2.3 동서 평균 위치 소용돌이도 방정식 ... 368
10.3 각운동량 수지 ... 370
10.3.1 시그마 좌표계 ... 372
10.3.2 동서 평균 각운동량 ... 375
10.4 로렌츠(Lorenz) 에너지 순환 ... 379
10.5 경도에 따라 바뀌는 시간평균 흐름 ... 385
10.5.1 정체 로스비파 ... 386
10.5.2 제트류와 스톰 경로 ... 389
10.6 저주파 변동 ... 391
10.6.1 기후 체계 ... 391
10.6.2 고리 모드 ... 394
10.6.3 해수면온도 편차 ... 395
10.7 대기 대순환의 실험 모사 ... 396
10.8 대순환 수치 실험 ... 401
10.8.1 GCM의 개발 ... 402
10.8.2 역학적 형식 ... 403
10.8.3 물리적 과정과 매개변수화 ... 404
10.8.4 NCAR 기후 시스템 모형 ... 405
제11장 열대 역학 ... 411
11.1 관측된 대규모 열대 순환의 구조 ... 413
11.1.1 열대 수렴대 ... 413
11.1.2 적도파 요란 ... 416
11.1.3 아프리카 파동요란 ... 419
11.1.4 열대 몬순 ... 421
11.1.5 워커 순환 ... 423
11.1.6 엘니뇨와 남방진동 ... 424
11.1.7 적도 계절안 진동 ... 426
11.2 대규모 열대 운동의 규모 해석 ... 428
11.3 응결 가열 ... 433
11.4 적도 파동설 ... 437
11.4.1 적도 로스비 모드와 로스비-중력 모드 ... 437
11.4.2 적도 켈빈파 ... 442
11.5 정상 강제 적도 운동 ... 443
제12장 중층대기 역학 ... 451
12.1 중층대기의 구조와 순환 ... 453
12.2 중층대기의 동서 평균 순환 ... 456
12.2.1 공기 덩이의 라그랑지안 모드 ... 457
12.2.2 변형된 오일러 평균(TEM: Transformed Eulerian Mean) ... 459
12.2.3 동서 평균 수송 ... 463
12.3 연직으로 전파되는 행성파 ... 466
12.3.1 선형 로스비파 ... 466
12.3.2 로스비파 분쇄 ... 468
12.4 성층권 돌연승온 ... 471
12.5 적도 성층권의 파 ... 475
12.5.1 연직으로 전파되는 켈빈파 ... 476
12.5.2 연직으로 전파하는 로스비-중력파 ... 477
12.5.3 관측된 적도파 ... 479
12.6 준 2년 주기 진동 ... 481
12.7 미량물질 수송 ... 486
12.7.1 역학적 추적물 ... 486
12.7.2 화학적 추적물 ... 488
12.7.3 성층권에서의 수송 ... 489
제13장 수치 모델링 및 예측 ... 495
13.1 역사적 배경 ... 496
13.2 기상 잡음의 제거 ... 498
13.3 운동방정식의 수치적 근사 ... 500
13.3.1 유한 차분 ... 500
13.3.2 중앙 차분: 명시시간 적분 ... 502
13.3.3 계산 안정도 ... 504
13.3.4 암시적 시간 차분 ... 506
13.3.5 반라그랑지안 적분법 ... 508
13.3.6 절단 오차 ... 509
13.4 순압 소용돌이도 방정식의 유한 차분 ... 511
13.5 스펙트럼법 ... 513
13.5.1 구면 좌표계의 순압 소용돌이도 방정식 ... 514
13.5.2 로스비 하우르비츠(Rossby-Haurwitz)파 ... 517
13.5.3 스펙트럼 변환법 ... 517
13.6 원시 방정식 모형 ... 519
13.6.1 ECMWF 격자점 모형 ... 520
13.6.2 스펙트럼 모형 ... 522
13.6.3 물리 매개변수화 ... 524
13.7 자료 동화 ... 525
13.7.1 초기화 문제 ... 525
13.7.2 비선형 정상 모드 초기화 ... 527
13.7.3 4차원 자료 동화 ... 530
13.8 예측성과 앙상블 예측 시스템 ... 532
부록 ... 541
A. 유용한 상수와 매개변수 ... 541
B. 기호 목록 ... 542
C. 벡터 분석 ... 547
D. 습도 변수 ... 551
E. 표준 대기 자료 ... 554
F. 대칭 경압 진동 ... 556
선택 문제 정답 ... 558
참고문헌 ... 563
찾아보기 ... 568
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