<사진. 고체 붉은 선은 MCR에서 유래한 수직 속도(vertical velocity), 파란색 등고선은 상향 및 하향 이동을 각각 기술하고 있다. 하얀색 곡선은 구름층 위치와 대시 기호로 된 파란색 선은 최고 구름 상층 방사성 냉각을 나타낸다. 검은색 화살표는 구름 순환 특징을 나타낸다. 방사적으로 유도된 침강은 구름-상층 근처의 수평으로 위치를 알려주는 타원으로 나타냈다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

중위도 구름에 대한 새로운 기상학적 시각

미국 해군 연구소(NRL; Naval Research Laboratory) 해양 기상과(Marine Meteorology Division) 소속의 기상학자과 스크립스 해양 연구소(Scripps Institution of Oceanography) 소속의 연구진은 케이프커내버럴(Cape Canaveral)에 해군의 MCR(Mid-Course Doppler Radar)을 배치하여 중간 수준의 혼합된 상태의 고적운(altocumulus clouds)의 특징을 규명했다.

평균 해수면 이상의 6000~20000 피트 범위의 중위도 구름인 고적운에서 물방울이 물이 어는점인 0℃ 이하의 온도에서 과냉 액체 단계(supercooled liquid phase)로 남아 있을 수 있다고 연구팀은 제안했다. 과냉 액체 물(supercooled liquid water)은 ?35℃-0℃ 사이의 온도에서 일반적으로 관찰된다. 이 범위의 온도는 과냉 물 방울이 균일 핵 형성(homogeneous nucleation)으로 언급되는 공정에서 자발적으로 얼기 시작하는 온도로 접촉을 통하여 냉각될 수 있으며, 따라서 항공기 안전에 영향을 끼치는 표면의 제어 또는 항공기 무기 및 센서에 영향을 끼칠 수 있는 가능성이 있다.

고적운은 상대적으로 얇은 중간 수준의 구름으로 현재 대기 모델에서 합리적으로 다뤄지지 못하고 있다. 해군과 국방부 운영에 고적운이 초래할 수 있는 가능한 영향을 완화시키기 위하여, 이러한 구름에 대한 변수가 적절하게 구명될 필요가 있다고 NRL MMD 산하 중간 규모의 모델링 부서(Mesoscale Modeling Section) 소속의 기상학자인 Jerry Schmidt 박사는 밝혔다.

이전의 신기원을 이룬 연구에서, Schmidt는 매우 높은 성능의 C-밴드 듀얼 편광 레이더인(C-band dual polarization radar) MCR가 구름 내부에 빗방울과 개별적인 얼음 결정을 관찰하기 충분하게 정밀하고 다재다능하여, 독특한 연구 도구가 될 수 있다는 사실을 발견했다.

스크립스 해양 연구소 소속의 Piotr Flatau 박사, 독립 레이더 자문 위원인 Robert Yates 등과 공동으로 협력하여, 연구팀은 항공기 관측과 지상 기반의 도구 판독 및 얇고 좁은 밴드의 혼합된 상태인 고적운의 구조를 기술하기 위한 MCR 레이더 자료 등을 동시에 분석했다.

이후 연구팀은 구름 기저부 아래 1500 미터로 확장된 깊은 미류운 층(virga layer)에 걸쳐 액체와 얼음 입자의 증발과 승화(sublimation)뿐 아니라 장파 복사와 단파 복사의 수직 흐름 차이(vertical flux divergence)와 관련된 고적운 층의 비단열적 가열(diabatic heating)과 냉각 구조를 분석했다. 대기의 고성능 관측 분석을 통하여, 이 연구는 실제 관측된 공정이 기존 구름 형성 및 소실 이론과 정밀하게 일치하지 않는다는 사실을 발견했다.

특히, 구름 액체 물 함량(cloud liquid water content)의 크기와 관련이 있는 구름 상층 방사성 냉각 속도에서 층-폭 수평 구배의 존재는 대기에서 순환류(circulating flow)를 생성한다고 Schmidt는 밝혔다. 이것은 좁은 내부 구름 액체 물을 증발시키기 시작하는 고적운 밴드의 중앙 부분에 걸쳐 따뜻하고 건조한 하향 방향성을 지휘한다. 궁극적으로 구름의 장수(longevity)와 사멸(demise)은 준-균형 상태가 구름 층 내부의 물 생산 기간과 궁극적으로 액체를 생성하는 방사적으로 유도된 중간 규모의 침강 순환(subsidence circulation) 사이에 일어날 수 있는지 여부에 달려있다.

완전하게 분석된 결과와 후속적인 현장 실험은 NRL 과학자들이 중간 수준의 조성, 생성 및 분해와 실제로 낮은 수준의 구름과 높은 수준의 구름을 보다 더 잘 이해하고 모형화할 수 있게 해줄 것이다. 목표는 해군과 국방부 임무 계획자들 및 전투 의사 결정자들에게 전 세계적인 운영을 지원하는 보다 더 정확한 작전 규모의 구름 정보를 제공하는 역량을 개발하는데 있다.

이 연구는 NSWC(Naval Surface Warfare Center)에 의해 지원됐으며, 프로젝트는 보다 더 높고 차가운 권운(cirrus clouds)뿐 아니라 보다 더 규모가 큰 두껍고 따뜻한 층운형 구름(stratiform clouds)에 연구 결과를 적용할 수 있는 가능성에 대한 지속적인 조사를 수행할 예정이다. 2015년 여름, 연구팀은 향후 현장 연구에 미국 기반의 센서, CLOUDSAT 레이더(CLOUDSAT radar) 및 인공위성 기반의 LIDAR 측정, 마이크로파 방사계(microwave radiometer) 같은 부가적인 표면 측정 도구 등을 추가할 계획이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr