2021년 5급 공채 기술 2차 미기상학

문제 3개 · 50점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.

제1문 (15점)

응력(stress)은 물체에 변형을 일으키는 힘으로 단위 면적당 힘으로 측정된다. 다음 물음에 답하시오. (총 15점)

(1) 미기상학과 관련하여 레이놀즈 응력(Reynolds stress)과 점성 응력(viscous stress)에 대하여 특성과 차이점을 서술하시오. 특히, 레이놀즈 응력과 점성 응력 각각에 대하여 유체 또는 흐름의 함수인지를 밝히시오. (5점)
(2) 그림은 유체요소에 작용하는 연직 방향의 층 밀림 응력의 x성분(\tau_{{zx}})이다. 비압축성 비정상 2차원 흐름에서 단위질량당 점성 응력(viscous stress)을 유도하고, 운동학적 점성계수(kinematic viscosity coefficient) \nu \,를 적용하여 3개의 카테시안 좌표방향에서의 마찰력을 표현하시오. (10점)
[그림]

그림은 대기경계층에서의 온위의 연직 분포를 나타내는 사례이다. 다음 물음에 답하시오. (총 15점)
[그림]

(1) 사례별로 비국지 정적 안정도(non-local static stability)를 설명하시오. (5점)
(2) 사례별로 국지 정적 안정도(local static stability)를 설명하고, 대기경계층에서 어떤 정적 안정도가 실제 경계층의 대류를 설명하는 데 적합한지 설명하시오. (5점)
(3) 4가지 사례에서 대기경계층의 혼합고(mixing layer height)를 추정하고, 지표면에서 배출된 미세먼지 농도의 연직 분포와의 관계를 설명하시오. (5점)

지면 근처의 지표층에서 대기 난류는 아래의 4개 변수로 설명되며, 이러한 변수들을 이용한 무차원 그룹 사이의 관계는 대기경계층의 특성을 구분하는 데 사용된다. 다음 물음에 답하시오. (총 20점)

○u_{*}(마찰속도)
○{\overline{{w ' \theta '}}}(지면에서의 운동학적 현열 플럭스)
○\frac{{g}}{{overline {\theta_{{0}}}}}(g는 중력가속도, \theta_{0}는 지면 온도)
○z(고도)

(1) 버킹엄 파이 이론(Buckingham \Pi(Pi) theorem)과 위에 제시된 4개 변수를 이용하여 적절한 무차원 그룹이 다음과 같이 결정됨을 보이시오. (단, k는 폰 카르만 상수(von Karman constant)이다) (5점)
\zeta = = \frac{z}{L} L = = - \frac{{u_{{*}}^{{3}} {\overline{{\theta_{{0}}}}}}}{{k \cdot g \cdot {\overline{{w ' \theta '}}}}}
(2) 1)에서 찾아낸 관계 중 지표층에서 \zeta가 고도의 증가에 대해 선형적으로 증가하는 이유를 설명하고, 날씨가 맑은 날 L의 일변화와 그 의미를 설명하시오. (5점)
(3) 무차원 바람 연직 쉬어 구조함수 \phi_{m}(= \frac{kz}{u}_{*} \frac{{\partial \overline{u}}}{partialz})가 안정한 대기에서는
\phi_{m} = 1 + 4.7 \frac{z}{L}

로 표시된다. 이 때, 고도 z에 따른 평균 풍속은
\overline{{u}} ( z ) = \frac{{u_{{*}}}}{{k}} \left[ \ln ( \frac{{z}}{{z_{{o}}}} ) + 4.7 \frac{{z}}{{L}} \right]

임을 증명하시오. 또한, 연직 풍속의 분포를 그림으로 나타내고, 연직 바람 구조가 중립 및 불안정한 대기인 경우와 다른 점을 비교하여 설명하시오. (단, z_{0}는 지표면을 의미한다) (10점)