2023년 5급 공채 기술 2차 기후학
문제 3개 · 50점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.
제1문 (15점)
그림은 두 개의 기층을 갖는 대기에서 지표면 온도가 T_{s}일 때 이루어지는 장파 복사 평형을 모식적으로 나타낸 것이다. 다음 물음에 답하시오. (단, 두 기층의 기온은 T_{1}, T_{2}, 방출률은 \epsilon_{1}, \epsilon_{2}, 3/2는 두 기층의 경계를 나타내며, 흑체인 지표면 온도는 T_{s}＝288K, 스테판－볼츠만 상수는 \sigma＝5.67×10-8Wm-2K-4 이며, 태양복사는 고려하지 않는다) (총 15점)
[그림]
[그림]
- (1) 지표면과 두 기층의 경계에서 나타나는 상향복사량과 하향복사량을 주어진 변수로 ①～④를 나타내시오. (4점)
①지표면의 상향복사량(LW↑)s
②지표면의 하향복사량(LW↓)s
③기층 경계의 상향복사량(LW↑)3/2
④기층 경계의 하향복사량(LW↓)3/2 - (2) OLR을 주어진 변수로 나타내시오. (3점)
- (3) 1)과 2)의 결과를 이용하여 T_{1}, T_{2}의 값을 구하시오. (단, \epsilon_{1}＝\epsilon_{2}＝0.5로 가정하고, 답은 소수 첫째 자리까지 구한다) (4점)
- (4) OLR을 T_{s}로 표현하고, 대기층이 있을 때 지표의 적외 복사 에너지의 방출률을 구하시오. (단, \epsilon_{1}＝\epsilon_{2}＝0.5로 가정하고, 답은 소수 둘째 자리까지 구한다) (4점)
제2문 (15점)
오존층 파괴는 기후변화의 중요한 이슈 중의 하나이다. 성층권 오존층에 대하여 다음 물음에 답하시오. (총 15점)
- (1) 오존 농도가 가장 높은 고도는 평균적으로 25～30km이다. 이 고도에서 오존의 양이 가장 많은 이유를 설명하시오. (5점)
- (2) 봄철 남극에서 태양복사가 증가할 때, 염소화합물에 의한 성층권 하층의 오존층 파괴 메커니즘을 설명하시오. (5점)
- (3) 북극보다 남극에서 오존층 파괴가 더 강하고 빈번하게 발생하는 이유를 설명하시오. (5점)
제3문 (20점)
충전ㆍ방전 진동자(recharge/discharge oscillator) 이론은 엘니뇨의 진동 메커니즘을 설명하는 대표적인 이론 중 하나이다. 이 이론의 핵심 내용은 다음과 같다.
이 이론은 아래와 같은 간단한 두 개의 방정식으로 표현될 수 있다. 여기서 T_{E} \,와 h_{{W}} \,는 각각 열대 동태평양의 해수면 온도와 열대 서태평양의 수온약층 깊이를 의미한다. 또한 r, \alpha, R, \gamma \,는 피드백 관련 상수이다. 이 모형을 이용하여 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
○엘니뇨 발생 전 열대 태평양에 온수(warm water)가 축적됨
○축적된 온수는 용승되는 해수의 온도를 증가시켜 열대 동태평양 해수면 온도의 증가를 촉발함
○열대 동태평양 해수면 온도의 증가는 무역풍의 약화를 초래하고, 적도 표층해류, 동태평양 용승, 수온약층 깊이의 변화와 관련된 양의 피드백 과정을 통하여 엘니뇨가 성장함
○무역풍의 약화는 수온약층 깊이의 동서방향 경도를 변화시켜, 지균류에 의한 해수의 수렴을 약화시켜 적도 태평양의 수온약층이 얕아짐
○얕아진 수온약층은 점차적으로 해수면 온도를 하강시키도록 작용하여, 결국 엘니뇨가 소멸함
○해양의 관성으로 인해 엘니뇨가 모두 소멸한 직후에도 수온약층은 얕은 상태를 유지하게 되고, 이는 해수면 온도의 감소를 촉발하여 라니냐로 발달함
○축적된 온수는 용승되는 해수의 온도를 증가시켜 열대 동태평양 해수면 온도의 증가를 촉발함
○열대 동태평양 해수면 온도의 증가는 무역풍의 약화를 초래하고, 적도 표층해류, 동태평양 용승, 수온약층 깊이의 변화와 관련된 양의 피드백 과정을 통하여 엘니뇨가 성장함
○무역풍의 약화는 수온약층 깊이의 동서방향 경도를 변화시켜, 지균류에 의한 해수의 수렴을 약화시켜 적도 태평양의 수온약층이 얕아짐
○얕아진 수온약층은 점차적으로 해수면 온도를 하강시키도록 작용하여, 결국 엘니뇨가 소멸함
○해양의 관성으로 인해 엘니뇨가 모두 소멸한 직후에도 수온약층은 얕은 상태를 유지하게 되고, 이는 해수면 온도의 감소를 촉발하여 라니냐로 발달함
이 이론은 아래와 같은 간단한 두 개의 방정식으로 표현될 수 있다. 여기서 T_{E} \,와 h_{{W}} \,는 각각 열대 동태평양의 해수면 온도와 열대 서태평양의 수온약층 깊이를 의미한다. 또한 r, \alpha, R, \gamma \,는 피드백 관련 상수이다. 이 모형을 이용하여 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
\frac{{dh_{{W}}}}{{dt}} = - rh_{{W}} - \alpha T_{{E}}
\frac{{dT_{{E}}}}{{dt}} = RT_{{E}} + \gamma h_{{W}}
\frac{{dT_{{E}}}}{{dt}} = RT_{{E}} + \gamma h_{{W}}
- (1) 위 방정식의 해인 엘니뇨 모드의 진동수(frequency)와 성장률(growth rate)을 구하시오. (4점)
- (2) 엘니뇨의 발달은 주로 비아크니스(Bjerknes) 피드백에 의해서 설명될 수 있다. 비아크니스 피드백은 해수면 온도 상승에 의한 무역풍 변화, 해양순환 변화가 다시 해수면 온도 상승을 증폭시키는 양의 피드백 과정을 의미한다. 비아크니스 피드백은 수온약층 피드백, 동서이류 피드백, 에크만 피드백으로 세분화될 수 있다. 위 방정식에서 비아크니스 피드백이 어떻게 표현되는지 기술하고, 이 세 피드백의 물리과정을 제시하시오. (8점)예시) 잠열속피드백:무역풍 약화→적도 풍속 감소→증발 감소→잠열속 감소→해수면 온도 상승→무역풍 약화
- (3) 엘니뇨 진동 이론에 기초하여 위 방정식에서 \gamma \, h_{W} \,와 \alpha T_{{E}} \,가 표현하는 물리과정을 구체적으로 설명하시오. (8점)