전선

[김동석]

전선

전선은 중위도 지방의 특징적인 기상현상으로써, 그 개념을 중위도 저기압과 구분하여 설명하기는 어렵다.  여기서는 전선을 중심으로 기술하지만, 저기압에 대한 설명이 필연적으로 등장할 수밖에 없다.

전선의 개념  기단은 각각 고유의 특성을 갖고 있다.  그러므로 서로 다른 기단이 만나면, 그 경계선에 불연속이 발생한다.  기단의 특성 중 온도의 차이는 전선의 발달에 크게 영향을 미친다.  수증기량의 차이가 큰 기단보다 온도차가 큰 기단이 만났을 때 더욱 강하게 전선이 형성된다.  성질이 서로 다른 기단이 만나는 면을 전선면(frontal surface)이라고 하고, 그 전선면과 지표면이 접하는 선을 전선(front)이라고 한다.  여름철 냉장고에서 차가운 물을 꺼내면, 수 분내로 컵 표면에 물방울이 형성되는 것을 볼 수 있다.  무더울 때 계속 두면, 그 물방울이 흘러내릴 정도에 이른다.  그러나 그 물을 마시면, 물이 줄어든 부분의 물방울은 즉시 사라진다.  여기서 표면의 물방울들이 전선면에 해당하며, 그것들과 탁자가 닫는 둥그런 선을 전선이라 할 수 있다.  전선은 광대한 기단에 비하여 상대적으로 좁은 15-200km의 폭을 갖는다.  또한 일기도 상에서 전선은 가는 선으로 그려질 뿐이다.

전선이 자주 발생하는 지역을 전선대(frontal zone)라고 하며, 위도대별로 3개의 전선대가 있다.   한대 기단과 열대기단이 만나는 구역에는 한대전선대가 형성된다.  이는 극동풍과 편서풍의 경계이기도 하다.  중위도 지방에 주로 발생하며, 이 구역에서 온대성 저기압이 발생한다.  한랭한 공기의 상층

한대전선 이론  일반적으로 중위도 한대 전선대에서는 저기압이 발생한다.  공기의 수렴과 강제적인 상승은 구름을 발달시키고, 강수를 야기한다.  1800년대 초부터 저기압은 강수와 혹독한 기상을 초래하는 것으로 알려졌다.  당시 기압계는 하루 하루의 일기변화를 예측하는 중요한 도구로 인식하였다.  그러나 이런 초기의 일기 예측 방법은 저기압의 발달에 있어서 기단의 역할은 무시하였기 때문에, 저기압의 발달하기 좋은 조건을 밝히는 것이 불가능하였다.  

처음에 전선 상에서 발생하는 파동 저기압의 모델은 1차 대전 중 노르웨이학파에 의해서 만들어졌다.  당시 노르웨이에서는 대서양으로부터의 기상 보고를 받을 수 없었는데, 그 것을 극복하기 위하여 국내에 조밀한 기상 관측망을 설치하였다.  노르웨이의 기상학자들¹⁾은 이런 관측망을 이용하여 중위도 저기압의 이해에 커다란 기여를 하였다.  1918년 J. Bjerkness는 "이동성 저기압의 구조에 관하여(On the structure of moving cyclones)"라는 논문 제목으로 저기압 형성에 관한 그의 주장을 발표하였다.  이것은 한대전선 이론(polar-front theory)이란 것으로 잘 알려져 있으며, 파동 저기압이 어떻게 발달하는 지에 대한 유용한 모델을 제공하고 있다.  그림 3-x는 그가 개발한 저기압 모델이다.  원래의 모델은 그 후 새로운 발견에 힘입어 바뀌었지만, 오늘날에도 이 이론의 주요 주장은 기상학의 중요한 부분으로 남아 있다.

에는 한대 제트기류가 위치할 때가 많다.  지역별로 보면, 3개의 한대전선대가 있다.  유라시아 한대전선대는 대륙성 한대기단과 해양성 열대 기단 및 대륙성 열대 기단 사이에 있으며, 태평양 전선대는 해양성 한대 기단과 해양성 열대 기단 사이에 있다.  그리고 인도 열대전선대는 대륙성 열대 기단과 적도기단 사이에 있고, 대만수렴대는 해양성 열대기단과 적도기간 사이에 위치한다.  각 전선대는 지표면의 가열 상태와 관련하여 계절에 따라서 그 위치가 변한다.  대체로 여름철에는 고위도로 이동하고, 겨울철에는 저위도로 이동하는 경향이다.

극전선대(arctic front zone)는 극기단과 한대기단의 경계에 위치하며, 대서양 북극전선대가 대표적이다.  이 전선대 상에서 발생한 겨울철의 폭풍은 아이슬란드에서 노르웨이 북부를 지나 Barents해까지 이동한다. 적도 수렴대(equatorial convergence zone)는 북동무역풍과 남동무역풍이 수렴하는 구역에 위치하며, 전선이 형성되는 것은 아니다.

전선의 종류  이상적인 경우 전선 양 쪽 면의 기단은 같은 속도로 같은 방향으로 움직인다.  이런 경우의 전선은 기단이 이동을 방해하는 단순한 장벽 역할만을 한다.  그러나 일반적으로 하나의 기단이 다른 기단보다 빠른 속도로 이동한다.  그러므로 하나의 기단은 다른 기단으로 이동해 가고, 그 것과 충돌한다.  노르웨이의 기상학자들은 이것을 전쟁터의 전선과 같은 의미로 전선이라고 하였다.

하나의 기단이 다른 기단으로 이동할 때 전선면에서 혼합이 일어나지만, 대부분의 경우 그 기단은 다른 기단의 위로 옮겨가면서 원래의 속성을 유지한다.  온난하고 밀도가 낮은 공기는 한랭한 공기 위로 상승하며, 한랭하고 밀도가 높은 공기는 쐐기 작용을 하면서 다른 기단을 밀어 올린다.  이와 같이 기단의 이동하는 방향에 따라 전선을 온난전선, 한랭전선, 정체전선, 패색전선으로 구분할 수 있다.

온난한 기단이 한랭한 기단 쪽으로 이동하여, 온난한 기단이 한랭 기단 위로 활승하면서 불연속면을 이루게 되는데, 이 면과 지표면이 만나는 선을 온난전선(warm front)라고 한다.  일기도 상에서 온난전선의 위치는 한랭한 기단 쪽으로 향한 반원이 있는 선으로 표시된다.  전선이 이동할 때, 전선의 지표면에 접한 부분은 지표면과의 마찰력 때문에 느리게 이동하는데 반하여, 상층 부분은 편서풍의 직접적인 영향으로 빠르게 이동한다.  그래서 온난전선의 기울기(수평적 거리에 대한 높이)는 대략 1:200 정도이다.  즉, 온난전선의 상층이 200km를 이동할 때 지표면은 1km를 이동한다는 것을 의미한다.

온난전선이 접근하면, 그림 3-x와 같이 상층운부터 끼기 시작한다.  구름이 접근하는 순서는 권운(Ci), 권층운(Cs), 고층운(As), 난층운(Ns), 층적운(Sc), 층운(St)이다.  권층운이 끼면 햇무리나 달무리를 볼 수 있는데, 권층운이 접근하고 하루 정도가 지나면 전선이 접근하면서 강수가 내린다.  기상 관련 속담 중에 '햇무리가 끼면 비가 온다'는 말이 있는데, 우리 조상들은 이미 그 원리를 파악하고 있었던 것 같다.  전선 전면 300km정도부터 난층운과 두꺼운 층적운, 층운 등이 분포하여 강수 구역이 넓다.  따라서 온난전선의 영향 하에서 강수는 지속적이다.  전선의 기울기가 매우 완만하기 때문에 두꺼운 구름이 발달하지 않아 강수량은 많지 않다.  그러나 온난 기단이 불안정한 경우는 적난운이 발달하여, 뇌우를 발달시키기도 한다.  온난전선이 통과한 후에는 이론적으로 맑은 하늘이 나타날 수 있으나, 여름철에는 불안정한 온난 기단의 영향으로 적운이나 적난운이 발생하기도 하며, 이때 소낙성 강수가 있을 수 있다.  온난전선 부근의 기압은 전선이 접근할 때 서서히 하강하고 통과 후에 서서히 상승한다.  또한 전선이 접근하면 지상의 풍향은 남동풍에서 남서풍에서 순전(veering)하며, 수직적으로도 남동풍에서 남서풍으로 순전한다.  기온은 수평적으로는 서서히 상승하며, 수직적으로는 하강하나, 전선에서 일시적으로 역전이 나타난다.

한랭한 기단이 온난한 기단이 덮고 있는 지역으로 이동할 때 형성되는 불연속선을 한랭전선(cold fronts)이라고 한다.  온난전선과 같이 전선의 지표면 부근이 그 상층에 비하여 마찰력의 영향을 받기 때문에 이동이 느리다.  그러므로 일단 전선이 형성되고 이동하면 점차 기울기가 급하여 진다.  평균적으로 한랭전선의 기울기는 온난전선의 두 배인 1:100정도이다.  기울기가 급하기 때문에 한랭전선 상의 구름은 대부분 적운과 적난운이며, 강수도 소낙성으로 집중적이다.  대기가 불안정한 경우는 뇌우를 동반하기도 한다.  한랭전선의 이동 속도는 약 30km/hr로 온난전선(25km/hr)에 비하여 빠르다.  한랭전선이 온난전선을 따라 붙으면 폐색한다.  온난전선에 비하여 한랭전선에서의 기상이 더욱 격렬한 것은 주로 기울기와 이동 속도의 차이 때문이다.  또한 온난전선에 비하여 일기회복이 빠른 것도 같은 이유이다.

한랭전선이 통과하면 기온이 급격히 하강하는데, 겨울철에는 매서운 한파가 시작되기도 한다.  수직적인 기온 분포는 전선면까지는 하강하나, 그 상층에는 온난 기단이 있어서 기온이 갑자기 상승한다(그림 3-x).  전선 부근에서는 온도 변화가 클 뿐만 아니라 온도의 차이가 커서 바람이 강하다.  전선이 접근하면 기압은 하강하다가 통과 후에는 급격히 상승한다.  풍향은 수평적으로는 남서에서 통과 후에는 북서로 바뀌어 순전하며, 풍향의 변화가 뚜렷하다.  그러나 수직적으로는 전선면의 하층에서는 북서풍이 불고, 그 상층에서는 남서풍이 불어 반전(Backing)한다.

장마전선

  우리나라를 포함한 중국, 일본 등 동부 아시아지역에는 한대기단의 영향을 받는 시기에서 열대기단의 영향을 받는 시기로 넘어가기 전에 그 사이에 형성되는 한대전선대의 영향을 받는 시기가 출현한다.  이 때의 우기는 동부 아시아 기후 현상을 이해하는 데 중요한 현상으로써, 우리나라에서는 이를 장마라고 하고, 일본에서는 바이우(梅雨; Bai-u), 중국에서는 메이유(梅雨; Mai-yü)라고 부른다.

  이 때 한대전선대의 영향을 받는 시기라는 공통점을 갖고 있으나, 출현하는 시기나 비를 내리게 하는 기구는 조금씩 다르다.  이 우기가 중국의 남부에서는 5월에 시작되고, 서서히 북쪽으로 이동하여, 7월 중순경에는 중국의 북부와 우리나라, 일본의 홋카이도에까지 이른다.  대체로 우리나라의 장마는 6월 하순경에 제주도에서부터 시작되어 7월 하순에 전국에서 종료한다.  일본은 우리나라보다 남북으로 길어서 바이우가 영향을 미치는 시기가 지역별로 더욱 다양하여, 시작은 6월 5일을 전후하여, 종료는 7월 18일을 전후한 시기에 있다.  그러나 이러한 시기는 평균적일 뿐 해에 따른 변동이 매우 크다.

종종 전선을 형성하고 있는 양쪽의 기단 세력이 비슷하여, 전선 부근의 공기의 흐름이 한랭 기단이나 온난 기단 쪽으로 움직이지 않고, 전선이 거의 수평으로 놓이는 경우가 있다.  이 때 전선의 지표면 부근의 움직임이 거의 없는데, 이런 상태의 전선을 정체전선(stationary fronts)이라고 한다.  일기도 상에서는 온난 기단 쪽을 향한 역삼각형과 한랭 기단 쪽을 향한 반원이 교차하는 것으로 표현된다.  정체전선의 구조나 기상현상은 온난전선과 비슷하다.  정체전선 상에 파동이 형성되면 저기압으로 발달하며, 이 때 한랭전선과 온난전선으로 바뀌어 이동을 하기도 한다.  우리나라의 장마철에는 주로 정체전선의 영향으로 받아 흐린 날씨가 지속되며, 전선 상에 저기압이 발달하면 집중호우가 내리기도 한다.

한랭형과 온난형 폐색전선의 그림(Frederick p. 212)

그림 3-x 처럼, 한랭전선이 온난전선을 따라 붙으면 전선이 폐색하는데, 이를 폐색전선(occluded fronts)이라고 한다.  전진하는 한랭기단이 온난전선을 쐐기처럼 파고들며, 온난전선 상의 온난기단이 한랭전선 위로 활승한다.  폐색전선 부근의 기상현상은 복잡하며, 강수는 상승하는 온난한 기단과 관련되어 형성된다.  이 때, 한랭전선 후면의 한랭한 공기가 온난전선 전면의 한랭한 공기보다 더 한랭하면은 한랭형 폐색전선(cold-type occluded fronts)이 형성되고, 그 반대인 경우는 온난형 폐색전선(warm-type occluded fronts)가 형성된다(그림 3-x).  

1) 이 그룹의 초기 참여 학자들로는 J. Bjerkness와 V. Bjerkness, H. Solberg, T. Bergeron 등이 있다.