PI Seong-Kwan Institute + Korea Numerical Weather Prediction Centre (KnowPC)

PIgcm은 다른 해양순환모형에 비하여 선도적인 특징을 가지고 있는 모형이다. PIgcm은 비정수역학체계 모형이며, 대기-해양 결합모형의 내부 역학코드를 하나로 통일하여 사용하되 대기와 해양의 물리부분만을 독립시킨 모형이다.

PIgcm is primarily developed at PARK Seong-Kwan Institute (PI) + Ypde. PIgcm author is Dr. Seong -K. Park. Cooperator: Mr. Gahyung Jo, Mr. Kwangjin Lee, and Prof. Hi Jun Choe.

PIgcm

PARK Seong-Kwan Institute + PDE Lab at Yonsei University (Ypde)

PIgcm is primarily developed at PARK Seong-Kwan Institute (PI) + Ypde. PIgcm author is Dr. Seong -K. Park. Cooperator: Mr. Gahyung Jo, Mr. Kwangjin Lee, and Prof. Hi Jun Choe.

The PIgcm (PI General Circulation Model) is a numerical model designed for study of the atmosphere, ocean, and climate. Its non-hydrostatic formulation enables it to simulate fluid phenomena over a wide range of scales; its adjoint capability enables it to be applied to parameter and state estimation problems.

Most climate models are based on a general circulation model (GCM). GCM stands for general circulation model because it simulates the circulation of the atmosphere. GCM also can stand for global climate model. A GCM attempts to represent the climate system by calculating the properties of the Earth's atmosphere (although you could create a GCM for another planet).

List of symbols
$\mathbf{u}(u,v,w)$ Three-dimensional velocity vector
$P$ Pressue
$T$ Temperature
$\phi$ Latitude
$x,y,z$ Scalar components of Cartesian coordinate
$\nu$ Kinetic viscosity
$\beta$ Expansion coefficient
$\kappa$ Thermal conductivity
$\mathbf{g}$ Gravity
$g$ Magnitude of Gravity
$C_p$ Specific heat of dry air at constant pressure
$\Omega$ Earth's angular speed of rotation
$\rho_0$ Standard sea-level density
$R$ Gas constant for dry air
$R_i$ Mean radius of earth
$R_0$ Top of atmosphere

대기 대순환 (Atmospheric Circulation)

대류권의 대기 대순환은 회전하는 둥근 지구가 위도에 따라 태양으로부터의 받는 열에너지의 공급량이 다르기 때문에 남북 간의 에너지 차이에 의해 일어나는데 저위도의 남는 에너지가 고위도로 운반되어 지구 전체의 에너지가 평형을 이루려는 에너지 수송 과정이다. 대규모 바람(precailing winds)은 지구 규모의 대순환에 의하여 발생하며, 탁월풍(Prevailing winds) 또는 항상풍(恒常風)과 제트기류는 세 가지 대기순환환류에 의해 조정된다. 적도 (0°)부근, 중위도 (30°)부근, 고위도 (60°), 극지 (90°)부근에서 이들4개의 위도부근에는 각각 기압이 다른 기압 차이에 의해 고압대로부터 저압대를 향하는 바람의 흐름이 만들어진다. 지구를 거시적으로 볼때 무역풍(trade winds)과 편서풍(westerlies), 극동풍(polar easterlies), 제트기류(jet streams)와 같은 수평적바람과, 각 수평적 바람의 수직 바람인 저위도 환류(hadley circulation cell), 중위도 환류(ferrel circulation cell), 고위도 환류(polar circulation cell)가 있다. 탁월풍(卓越風)Prevailing winds 또는 항상풍(恒常風), 일반풍(一般風)은 일정 지역 혹은 일정 위도 영역에서 거의 일정한 방향으로 부는 바람을 말한다. 열대권에서는 무역풍, 위도 30도 ~ 60도까지는 편서풍 그리고 극지방에서는 극동풍이 탁월풍이다. 특정 위도의 탁월풍의 풍향은 전향력(Coliolis force)의 영향을 받아 북반구에서는 시계 방향, 남반구에서는 시계 반대 방향으로 구부러진다.

Hadley cell

19 세기 미국의 기상학자 윌리엄 페렐(William Ferrel, 1817~1891)의 이름을 따 Ferrel cell이라한다. 지구 대기의 순환은 hadley cell과 polar cell 이 주도하고 이 중간에 위치한 ferrel cell은 온도차이로 열적 순환하는 해들리 셀과 폴라 셀 사이에 끼어서 수동적으로 순환하는 역학적 순환이라 할 수 있다.

저위도 측면은 Hadley 순환을 통해 대기가 하강하는 한편, 고위도 측면에서는 polar cell을 통해 대기가 상승하고 있다. 마치 동력이 연결된 양쪽의 톱니바퀴 사이에 끼어 있는 동력 없는 톱니바퀴처럼 타의에 의해 순환하고 있다. 따라서 ferrel cell은 매우 미약하고, 심지어 상층에서의 순환에 대해서는 측정할 때마다 방향이 다를 정도로 불분명하다.

Ferrel cell에 의해, 북풍이나 남풍이 불게 되는 게 정상이지만, 지구의 자전의 의해 극동풍이나 무역풍과는 정반대인 방향에 바람이 발생한다. 이것은 편서풍이라고 불려 적도의 따뜻한 공기덩어리 Ferrel cell과 북쪽의 찬 공기의 polar cell의 경계부근인 위도 60 부근에서 갑작 스러운 기압의 차이를 발생시키는데, 이것 때문에 빠른 공기흐름이 발생하게 되어 강한 서풍(제트기류)이 된다. 이 제트기류(jet stream)는 대류권 상층부와 성층권 하층부의 대류권계면(tropopause)의 상부 8∼13km의 대기권에서 평균 유속은, 여름철 20∼40m/s정도, 겨울철 40∼50m/s정도로 빠르게 흐르며, 이 바람은 겨울에는 북위 30-35도 부근 상공 12km(250hPa)에서 특히 강해 노즐(nozzle)로부터 분출하듯이 좁은 지역에서 풍속이 초속 50m이상 때로는 100m를 넘는 강풍이 흐른다.

북위 40도 정도에 관측되는 한대 제트기류와 북위 30도정도의 아열대 제트기류, 편동풍 제트기류가 있다. 비록 여름에 적도 영역에 편동 제트가 생성될 수 있지만 북반구에서나 남반구에서나 (서쪽에서 동쪽으로 부는)편서풍이다. 위치는 계절에 따라 크게 변동하고, 겨울철에 가장 남쪽 약25도 부근에 내려가 가장 강하고, 여름에는 약45도 부근정도까지 북상해 약해진다. 제트기류의 경로는 기압 경도력(기압차에 의한 힘)과, 전향력(Coliolis force)이 평형을 이루며 등압선과 나란하게 일정한 방향으로 부는 지균풍(geostrophic wind)으로 전형적으로 굽이치는 형태를 지니며, 꼬불꼬불 구부러진 로스비 파동(Rossby waves)으로 지구를 감싸듯이 흐르고 있다.

Ferrel cell은, 아열대고압대를 만드는 열대성기단과 극지 고압대를 만드는 한대성 기단의 움직임에 좌우된다. 두 기단의 경계선은 기압이 낮고 온도차이도 크기 때문에, 항상 저기압(온대 저기압)이 발생하고 소멸하는 것을 되풀이하고 있다. 이런 반복에 의해 이 부근은 연중 기압이 낮은 지역이 되고, 고위도 저압지대가 생긴다. Hadley cell이나 Polar cell은 한 개의 닫힌 대기의 소용돌이인데 반해, Ferrel cell은 닫혀있지 않아 불완전해서 지상 부근에서는 그 영향이 뚜렷하게 나타난다. 대기권 고층 바람이 편서풍인 경우에도 지상 부근에서는 그것에 상관없이 다양한 방향으로 바람이 부는 경우가 많다. 한랭 전선의 통과 시에는, 풍향이 급변하는 경우도 있으며, 저기압이 북쪽에 있는 경우에는 며칠 동안 동풍이 부는 경우도 많다.

Ferrel cell

극지방에서는 냉각된 공기가 내려와 지표를 따라 남쪽으로 이동하다가 지구가 자전하면서 생기는 전향력(Coliolis force)의 영향으로 남하가 저지된 다음 상승하였다가 상공에서 다시 극지방으로 이동한다. 이 순환을 polar cell(극 순환)이라고 하는데, 해들리 셀보다 뚜렷하지 않고 운반하는 에너지의 양도 많지 않다.

적도 부근에 비해 온도는 낮지만 60 ° 부근의 공기는 극지방에 비해 온난 습윤하다. 따라서 이 부근에서 따뜻한 공기가 상승하게 되어, 이 부근의 대기 하층부는 기압이 내려가고 고위도 저압 지대가 발생한다. 극에서는 흡수 열(단파복사)이 방출 열(장파복사)보다 많기 때문에 공기가 수축되어 상층에서는 고위도에서 극으로, 하층에서는 극에서 고위도 쪽으로 바람이 부는데, 지상의 동풍을 극동풍이라 한다. 극동풍은 중위도에서 극 쪽으로 부는 편서풍과 만나 한대전선을 형성한다.

한대 전선대에서 기류가 상승하여 이곳의 강수량이 비교적 많다. 이 상승 기류는 대류권계면에서 남북으로 분류하여 두 개의 순환을 완성하게 된다. 폴라 셀에 의해 한기와 난기가 충돌하여, 캐나다나 유럽 등 고위도지역에서는 발달한 저기압에 의한 심한 폭풍 블리자드(blizzard)가 나타난다. 그러나 극 지역에서는 대기가 하강해서 고기압(극 고압대)이 되어 대기는 안정되어 있다. 그 대신, 기온은 대단히 낮다. 로스비 파동(Rossby waves) 때문에 극동풍은 대기권으로 고조파 파도를 생성한다. 이 고조파는 polar cell과, hadley cell을 통해 대기가 상승하는 지역을 흐르는 제트 기류 유로에 영향을 주고 있다.

Polar cell

극지방에서는 냉각된 공기가 내려와 지표를 따라 남쪽으로 이동하다가 지구가 자전하면서 생기는 전향력(Coliolis force)의 영향으로 남하가 저지된 다음 상승하였다가 상공에서 다시 극지방으로 이동한다. 이 순환을 polar cell(극 순환)이라고 하는데, 해들리 셀보다 뚜렷하지 않고 운반하는 에너지의 양도 많지 않다. 적도 부근에 비해 온도는 낮지만 60 ° 부근의 공기는 극지방에 비해 온난 습윤하다. 따라서 이 부근에서 따뜻한 공기가 상승하게 되어, 이 부근의 대기 하층부는 기압이 내려가고 고위도 저압 지대가 발생한다. 극에서는 흡수 열(단파복사)이 방출 열(장파복사)보다 많기 때문에 공기가 수축되어 상층에서는 고위도에서 극으로, 하층에서는 극에서 고위도 쪽으로 바람이 부는데, 지상의 동풍을 극동풍이라 한다.

극동풍은 중위도에서 극 쪽으로 부는 편서풍과 만나 한대전선을 형성한다. 한대 전선대에서 기류가 상승하여 이곳의 강수량이 비교적 많다. 이 상승 기류는 대류권계면에서 남북으로 분류하여 두 개의 순환을 완성하게 된다. 폴라 셀에 의해 한기와 난기가 충돌하여, 캐나다나 유럽 등 고위도지역에서는 발달한 저기압에 의한 심한 폭풍 블리자드(blizzard)가 나타난다. 그러나 극 지역에서는 대기가 하강해서 고기압(극 고압대)이 되어 대기는 안정되어 있다. 그 대신, 기온은 대단히 낮다. 로스비 파동(Rossby waves) 때문에 극동풍은 대기권으로 고조파 파도를 생성한다. 이 고조파는 polar cell과, hadley cell을 통해 대기가 상승하는 지역을 흐르는 제트 기류 유로에 영향을 주고 있다.