Angular Momentum Transport in an Idealized Tropical-cyclone Scale Vortex

Abstract

이상적인 열대저기압의 각운동량 수송을 수치 실험을 통해 분석하였다. 이상적인 열대저기압을 형성하기 위해, 경험식으로 이루어진 이상적인 소용돌이를 구성하였다. 이상적인 소용돌이는 초기장에 영향을 받는 모의 결과의 타당성을 위해 서로 구성 방법이 다른 두 개의 소용돌이로써 정의되었다. 소용돌이의 발달과정에서 이루어지는 각운동량의 수송을 살펴보기 위해, 두 소용돌이의 초기 조건은 발달 초기 상태에 있는 소용돌이로 정의되었다. 이렇게 구성된 이상적인 소용돌이는 관측으로부터 얻어진 주변장에 삽입된다. 이 때, 해면온도는 28.5oC로 고정하고 주변류가 없도록 설정하여 이상적인 열대저기압이 발달하기에 좋은 조건으로 설정하였다. 수치모델의 경계조건으로써 주기적 경계조건을 사용하였으며, 모의하는 시간 동안 이상적인 열대 저기압을 고정하기 위하여 전 도메인이 북위 15도의 동일한 전향력을 지니도록 설정하였다. 총 적분 기간은 96시간이며 적분 기간 동안 이상적인 열대 저기압은 지속적으로 발달하였다. 발달하는 이상적인 소용돌이의 전체 각운동량을 살펴보았다. 상대적으로 내부 반경인 600 km 내에서는 주로 각운동량이 감소하였으나, 800 km이후부터 전체 각운동량은 감소하기 시작하였다. 이는 발달하는 열대저기압은 그것의 전체 저기압성 각운동량을 소실한다는 것을 의미한다. 원통 좌표계에서 유도된 각운동량의 수지 방정식을 통해, 감소하는 전체 각운동량에 작용하는 각 항들의 기여도를 살펴보았다. 먼저, 전체 원통 내에서 적분 반경을 달리하여 계산된 각운동량 수지에 대해 살펴보았다. 수평 수렴항은 모든 적분 반경에 대해 양의 값을 보이며, 각운동량을 유입시키는 역할을 하였다. 특히, 상대적으로 내부 반경인 약 600 km 내에서의 수평 수렴항은 마찰에 의해 소실되는 각운동량보다 더 큰 값을 보였다. 따라서 전체 각운동량 역시 내부 반경에서 양의 값을 보이며, 수평 수렴항에 의해 열대저기압의 중심으로 각운동량을 유입시킨다. 반면, 약 800 km 이후의 외부 반경에서는 수평 수렴항의 크기가 줄어들고, 마찰항이 더 큰 값을 보였다. 따라서 외부 반경에서의 전체 각운동량 경향은 음의 값을 나타내고, 그 크기는 점차 감소하였으며, 약 1300 km, 1400 km 반경에서는 마찰항과 거의 비슷한 값을 가졌다. 다음으로, 각 반경 내에서 이루어지는 각운동량의 수지를 살펴보기 위해, 100 km 반경을 지니는 열대저기압의 순환 고리 내에서 적분된 각운동량을 살펴보았다. 전체 적분된 각운동량 수지와 마찬가지로, 내부 반경에서는 수평 수렴이 전체 각운동량의 경향을 지배하고 있었다. 하지만 외부 반경으로 가면서 수평 수렴항은 오히려 음의 값을 나타내고, 각 반경 별로 주기적인 음의 최대치를 나타내고 있었다. 이는 발달하는 상층의 고기압성 순환에 의한 것으로, 이 고기압성 순환은 각운동량의 수평 발산에 직접적인 영향을 미쳤다. 유입과 유출 층에서 이루어지는 각운동량 수송은 주로 코리올리 토크항에 의해 지배되고 있었다. 하층에서 유입되는 각운동량은 중심 부근에서 상승하여 유출 층에서 유출되었다. 시간 평균된 각 수지 방정식의 기여도는 앞서 얻은 결론들과 유사한 결과를 얻었으며, 결국 외부 반경에서 감소한 수평 수렴항과 마찰항에 의해 전체 각운동량이 감소하였다. 특히 마찰항이 가장 큰 값을 차지하며 각운동량의 시간 변화량과 비슷한 크기를 보였다. 따라서 발달하는 열대저기압에 대한 주 토크는 곧 마찰에 의한 토크임을 알 수 있다.