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Atmospheric Boundary Layer, Planetary Boundary Layer, ABL, PBL
大氣境界層
1. 개요
경계층이란 물체와 접하는 유체의 얇은 층으로, 대기경계층은 지구 표면과 접하는 대기권의 최하층을 말한다. 대기는 유체이므로, 지표면과의 마찰에 의해 느린 이류, 난류부터 지표에 의한 직접적인 가열 등이 발생하므로, 대기역학에서 다룰 때에는 대기경계층과 상부의 자유대기를 구분하여 다룬다. 쉽게 말해 지표면의 영향을 받는 대기의 층.대류 현상이 활발하게 일어나면 크게 확장되고, 대류가 적고 대기가 안정되면 감소하기 때문에, 중위도에서는 지상 600~800m 정도지만 저위도에서는 2km까지 확장되기도 한다.
필요에 따라 해양대기경계층과 육지대기경계층을 구분하기도 하며, 경계층의 최상부에 구름이 발생하면 '구름이 정상에 위치한 경계층(Cloud Topped Boundary Layer)'이라고 부르기도 한다.
2. 특징
지표면과의 마찰과 전도 등에 의해 난류가 발생[1]하여 대기가 연직 방향으로도 고루 혼합되어 열, 운동량, 수분, 질량의 이동이 수월하다. 특히 대기경계층의 하부는 이동이 특히나 활발하여 플럭스가 일정하다고 가정하여 다룬다. 또한 지상의 영향을 많이 받기에, 태양이 뜨고 지는 것에 의한 일변화가 크다.대기경계층에서의 바람은 지표에서 멀어질수록 지수함수적으로 마찰의 영향이 줄어들며[2], 마찰력이 존재하여 등압선을 가로질러 고기압에서 저기압 방향으로 불어 들어가는 지상풍의 형태로 분다. 때문에 자유대기부터는 반대로 마찰의 영향이 없는 지균풍의 형태로 바람이 불기 때문에 대기경계층의 높이부터를 '지균풍 고도'라고도 한다.
3. 구조
지표에 의해 직접적으로 마찰을 받는 영역은 (지리적 요건에 따라 다르지만) 일반적인 지표면에서는 수~수십m 정도이지만, 지표와의 마찰로 인해 발생한 난류의 영향이 수백m에 이르기에, 이를 자유대기와 구분하여 다루게 된다. 이때 표면과 직접적으로 상호작용하는 수~수십m인 층을 접지층[3][4]이라고 하며, 접지층과 자유대기 사이의 층을 에크만층, 바깥층이라고 한다. 특히 에크만층의 대기는 전향력, 기압경도력 외에도 마찰력의 영향을 받으므로 에크만 나선을 형성[5]한다.대기경계층과 자유대기 사이에는 일반적으로 역전층이 발생[6]하여 라디오존데를 이용한 관측에서 쉽게 구분되는 편이다. (대기경계층에서는 기온의 일변화가 일어나지만, 자유대기에서는 일어나지 않고 일정하기 때문이다.) 다만 최근에는 레이더를 이용한 원격 탐사를 통해 산란이 일어나는 정도를 바탕으로 추정하는 방식을 사용하는 추세이다.
4. 대기경계층의 일변화
대기경계층은 지표면의 영향을 많이 받으므로, 매일매일 해가 뜨고 지는 것에 큰 영향을 받는다.일출에 의해 지표가 데워지면, 대기는 지표에서 발생한 난류 열플럭스에 의해 점차 데워지며 난류가 점차 강해진다. 이에 일몰 즈음까지 혼합층이 계속 발달하게 된다. (이때 자유대기에서 공기가 유입되며 발달하므로 유입역을 고려해볼 수 있다.)
일몰 직전부터는 지표면 가열이 거의 일어나지 않으므로, 안정한 경계층인 야간경계층이 발달한다. 상부는 데워진 상태이지만 하부는 지표에 의해 안정해진 야간경계층이므로 지상에서 높이 약 100m의 역전층이 발생하고, 상부의 혼합층은 난류가 매우 약해진 상태로 남게 된다. 때문에 이 이후부터는 잔류층(Residual Layer)이라고 부른다. 그리고 차츰차츰 지표가 냉각되며 야간경계층은 발달하고, 잔류층은 점차 줄어든다.
다시 해가 뜨면 혼합층이 다시 발달하여 안정경계층과 잔류층을 뒤섞어버리고, 다시 처음 상태로 돌아간다. 태양 복사가 강한 여름철에는 이 과정이 재빠르게 일어나지만, 태양 복사가 약하고 에너지 수송이 적게 일어나는 겨울철이나 흐린날에는 혼합층이 잔류층을 완전히 뒤섞지 못하는 경우가 있는데, 이 경우 대기는 성층을 이룬다.
5. 세부 분류
대기안정도에 따라 대류경계층, 중립경계층, 안정경계층으로 세분하기도 한다.6. 일상 생활과의 관계
대기경계층의 상부에는 일반적으로 역전층이 발생하므로, 대기오염(광화학 물질(스모그)이나 에어로졸 등)이나 안개에 많은 영향을 준다. 또한 대기경계층 내에서도 야간에 복사냉각으로 인해 생긴 역전층이 얼마나 난류에 의해 섞일 수 있는지 또한 중요하게 고려해볼 수 있다.일기예보 중 국지예보에서 반드시 고려해야 할 층이다.
[1] 사실 대부분(약 1:100000 정도로)은 난류에 의한 것이고, 전도에 의한 것은 수mm 정도에서만 적용된다.[2] '바람의 연직 시어가 있으며'라고 말할 수도 있다.[3] 다른 명칭으로는 표면경계층, 지표경계층, 프란틀층(Prandtl Layer), 등플럭스층(Constant Flux Layer)이 있다.[4] 접지층을 보다 세분화하여 수mm~1cm 정도인 기질기층, 분자경계층, 점성저층(Viscous Sublayer) 등을 분류하기도 한다.[5] 해양에서는 반대로 해수면에서 대기와의 마찰에 의한 에크만층이 형성된다. 대기와 해양의 유체역학적 유사성을 보여주는 부분.[6] 이 때문에 지표에서 발생한 오염은 자유대기로 나가지 못하고 대기경계층에 머무는 편이다.