포스테키안

2018 가을호 / 기획특집 / 날씨와 기상청

2018-10-29 130

날씨와 기상청

유난히 푹푹 찌던 여름이 지나고 이제야 가을의 기운이 서서히 다가오고 있는 것 같습니다. 지난 여름, 이상적인 폭염과 폭우로 고생했던 만큼 기상청의 일기예보에 더욱 관심을 가졌을 텐데요. 이번 포스테키안 가을호 기획특집에서는 이러한 이상 기후들의 원인과 더불어 기상청에 대한 내용을 준비했습니다. 기상청에서는 어떤 과학·공학적인 장비와 기술을 이용하여 기상을 관측하고 또 이것을 일기예보로 제작하기 위해 어떻게 모델링시키는지! 그동안 날씨와 기상청에 대해 궁금했던 점들을 시원하게 풀어볼까요?

날씨 이미지

<기획특집 Ⅰ>

역사적인 폭염과 폭우의 원인

그 어느 때보다 지독한 폭염이 전 세계를 놀라게 했던 지난여름. 우리나라뿐만이 아니라, 온 지구 전체가 펄펄 끓었다고 하죠. 서울의 경우 39.6°C까지 기온이 올라갔는데, 이는 기상관측 사상 111년만에 찾아온 기록적인 폭염이었다고 합니다. 이런 무더운 날씨가 점점 잦아들고 있던 8월 말, 수도권을 중심으로 6일에 걸쳐 500mm가 넘는 어마어마한 물 폭탄이 쏟아지기 시작했습니다. 이렇게 전 세계적으로 이례적인 기상현상이 일어난 것은 도대체 무엇 때문이었을까요?

역사적인 폭염의 원인, 제트기류 약화에 의한 열돔현상

이번 폭염의 가장 결정적인 원인은 약화된 제트기류에 의한 열돔현상이라고 할 수 있습니다. 이러한 열돔현상을 이해하기 위해서는 먼저 고기압의 형성과정에 대해 이해해야 하는데요. 일반적으로 특정 지역의 기온이 올라가면 상승 기류가 발생하여 저기압을 형성하고, 그 저기압은 주변의 고기압과의 상호작용과 코리올리 효과에 의해 사방으로 이동합니다. 이러한 이동에 의해 같은 지역도 주기적으로 기온이 변하게 되는 것이지요.

그렇다면 열돔현상은 이런 일반적인 경우와 어떤 차이가 있을까요? 쉽게 말해, 열돔현상은 위와 같은 고기압과 저기압에 의해 형성되어야 하는 대기 순환이, 국소적인 공간에 자체적으로 형성되어 뜨거운 공기를 끝없이 순환시키는 현상을 뜻합니다. 한 지역에 고기압이 머무는 상태에서 특정한 이유에 의해 지표면이 가열되면 마치 저기압처럼 상승기류가 발생합니다. 이렇게 상승한 더운 공기는 외곽으로 쏟아져 내리다가 상대적으로 기온이 떨어지게 되고, 이 공기가 다시 고기압의 중심부로 유입되면서 더운 공기가 끊임없이 특정 지역에서 순환하게 되는 것입니다. 2018년 7월, 한반도에서 장마(저기압)가 아주 짧게 끝나면서 북태평양 고기압과 티베트 고기압이 한반도로 넘어와 일정 시간 정체하게 되었고, 가열된 지표면에서 상승 기류가 발생하면서 거대한 열돔을 형성하게 된 것입니다.

열돔 현상 이미지

Figure 1. 열돔 현상(Heat Dome)

이미지 출처 : https://www.nature.com/articles/s41598-017-09917-4/figures/2

Scientific Reportsvolume 7, Article number: 11681 (2017)』

“Horizontal extent of the urban heat dome flow”Yifan Fan, Yuguo Li, Adrian Bejan, Yi Wang & Xinyan Yang

그렇다면 올 여름, 전 세계적으로 이러한 열돔현상이 일어나게 된 이유는 무엇일까요? 그것은 강한 양의 북극진동에 의해 중위도의 제트기류가 약화되었기 때문입니다. 지구 온난화가 계속되면서, 북극지역과 중위도 지역 간의 온도 차가 줄어들고 이에 기압차가 줄어들면서 그 사이에 부는 바람인 제트기류가 약화되었습니다. 제트기류는 중위도 지방에 부는 강한 편서풍의 일종으로, 고기압과 저기압을 이동시키는 주요 원인 중 하나이기 때문에, 이러한 제트기류의 약화가 북반구 곳곳의 고기압들이 열돔을 형성하도록 한 것입니다.

‘하늘의 강’을 따라 장대비를 퍼붓는, 야행성 폭우

여름철 장마가 끝난 8월 말, 가을의 문턱에서 엄청난 폭우가 내렸습니다. 기상청에서도 예상 못한 이번 폭우는 밤만 되면 장대비를 쏟아 붓는 ‘야행성 폭우’입니다. 이러한 야행성 폭우의 경우 일반적인 폭우와는 다르게 밤이 되면 비구름이 크게 발달하게 되는데요. 핵심적인 원인은 극심한 폭염으로 인해 달궈진 대기와 바다에 있습니다.

낮 동안 대기와 바다는 뜨겁게 달궈집니다. 이렇게 뜨거워진 대기는 밤이 되면서 빠르게 식어 바다와 큰 온도차이가 발생하고, 이에 따라 강한 비구름이 발달합니다. 여기에 대기 하층에서부는 제트기류에 실려 바다 표면의 수증기가 공급되면서 폭발적인 비를 퍼붓게 되는 것입니다. 지난여름, 우리나라 해수면의 온도가 많이 높아졌고, 차차 가을이 되며 낮과 밤의 온도차이가 생기자 거센 비가 쏟아지게 된 것입니다. 특히 서해에서 크게 발달한 비구름과 수증기는 편서풍을 따라 우리나라 쪽으로 이동하며 비를 뿌립니다. 이 모습을 기상관측카메라를 통해 확인하면, 거대한 수증기가 강처럼 흘러가는 것과 같은데, 이것을 흔히 ‘하늘의 강’이라고 부르는 것이지요.

하늘의 강 레이더 이미지

Figure 2. 하늘의 강 레이더 영상

이미지 출처 : https://www.youtube.com/watch?v=mjTxXi2YCHo

결국 올여름 역사적인 폭염과 폭우 모두 지구온난화로 인한 이상기후 현상의 일부라고 할 수 있습니다. 북극의 온도가 올라가고, 제트기류가 불안정해 지면서 온 지구적으로 다양한 이상기후들이 발생하고 있습니다. 급격한 기후현상 변화로, 기상청의 정확도 문제만을 따질 것이 아니라, 이러한 이상 현상들이 더 이상 생겨나지 않게, 우리 지구를 한 번 더 생각해 보는 것은 어떨까요?

알리미 23기 서재민 | 전자전기공학과 17학번

알리미 23기 서재민 | 전자전기공학과 17학번

<기획특집 Ⅱ>

다양한 기상 관측법 및 기상예보 생산과정

앞서서 이번 여름의 역사적인 폭염과 폭우에 대해 기상학적으로 분석해 보았습니다. 한편, 올 여름 제주의 경우 태풍 솔릭으로 인해 방파제 유실, 도로 침수, 농작물 피해 등 약 53억 원의 피해를 입었는데요, 이렇듯 기상 현상은 우리 일상에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 다양한 기상 현상으로부터 피해를 최소화 하기 위해서는 정확한 기상정보를 얻고, 그 정보를 바탕으로 대비를 적절하게 하는 것이 중요합니다. 그렇다면, 우리가 기상청을 통해서 얻을 수 있는 기상정보는 어떠한 방법으로 관측하는 것일까요? 지금부터는 현재 개발된 다양한 기상관측법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

다양한 기상 관측법

기상청은 기상관측표준화법에 따라 여러 종류의 관측법들을 통해 얻어낸 관측 자료를 바탕으로 한 일기예보를 우리에게 제공하고 있습니다. 관측의 종류는 실시하는 장소에 따라 지상기상관측, 고층기상관측 등이 있으며, 원격탐사법으로는 위성기상관측과 레이더 기상관측이 있습니다. 그럼 지금부터 대표적인 2가지 관측법들에 대해 알아볼까요?

많은 관측법들 중에서도 우리 가장 가까이에서 관측되는 대표적인 방법은 지상기상관측입니다. 지상기상관측은 지상에서 기상요소와 기상현상 등을 관측하는 것을 말하며 기본적으로 하루 4차례에 걸쳐 기상요소들을 관측합니다. 또한,  관측을 하는 관측소 또한 정규관축소와 자동기상관측소로 나뉘어집니다. 정규관측소의 경우 백엽상과 우량계 등을 설치하여 관측하는 반면 자동기상관측소는 자동기상장비를 이용해서 1분 주기로 자료를 수집하며 관측 자료를 실시간으로 저장하는 형식으로 관측합니다. 그렇다면 관측장비들은 다 같은 기능을 하는 것일까요?

관측장비도 서로 다른 관측을 하는 종관기상관측장비(ASOS)와 방재기상관측장비(AWS)로 크게 2가지로 나뉩니다. ASOS는 지방청, 지청, 기상대 등에 설치되어 기상현상 관측 및 국제전문을 통한 자료 공유 등의 관측업무를 수행하고 있습니다. AWS의 경우에는 산악지역이나 섬처럼 사람이 관측하기 어려운 곳에 설치하여 집중호우, 우박, 뇌우 등과 같은 국지적인 위험 기상현상을 실시간으로 감시하는 역할을 하고 있습니다. 관측하는 요소에 있어서도 AWS는 기온, 풍향, 풍속, 강수량, 강수유무를 기본 관측요소로 하지만, ASOS는 AWS의 관측요소를 포함하고 일조, 일사, 지면온도 등의 요소를 추가적으로 관측하고 있습니다.

또 다른 관측법인 고층지상관측법은 지표에서 약 80km 고도까지의 기상관측으로, 지상과 기상과의 연관성으로 인해 중요한 역할을 하는 관측법입니다. 고층기상관측에 가장 대표적인 관측기구에는 레윈존데(Rawinsonde)가 있습니다. 레윈존데는 상층의 고도별 기상상태까지 파악하기 위해 헬륨가스가 든 기상용 특수기구에 매달려 30km 이상 상공까지의 기압, 기온, 습도 등을 하루 2회 관측하는 기구입니다. 장점으로는 날씨에 관계없이 언제든지 관측할 수 있고, 대기의 입체적인 분석을 위해서 매우 유용하게 사용할 수 있다는 점이 있습니다.

(위)천리안 위성 임무수행 CG 이미지,(아래)소백산 강우레이더 조감도 이미지

Figure 1(위). 천리안 위성 임무수행 CG 이미지 출처 : https://www.youtube.com/watch?v=LMxR5Jvbl4U

Figure 2(아래). 소백산 강우레이더 조감도 이미지 출처 : http://korealand.tistory.com/636

관측에 사용되는 최첨단 기상 관측 기구

지금부터는 아직 말하지 않았던 원격탐사법에 대해 기상관측 기구를 바탕으로 알아볼까요? 먼저, 위성기상관측의 경우 기상위성을 사용하여 관측을 하는데, 한정된 지역은 물론 급격히 발달하는 소규모 기상현상부터 전 지구적으로 나타나는 광범위한 기상현상까지 모두 탐지할 수 있는 첨단 관측방법입니다. 지표, 해양, 대기, 구름으로부터 우주공간으로 나가는 태양반사광이나 지구복사에너지 등의 전자파를 측정하여 관측합니다. 또한, 지구상의 같은 장소를 하루 24시간 동안 언제든지 관측할 수 있고, 수신 안테나도 항상 같은 방향으로 고정되어 있기 때문에 구름의 이동, 저기압 등의 변화를 감지하는 데 중요한 역할을 합니다. 우리나라의 경우 2010년에 최초로 정지 궤도 복합 위성인 ‘천리안위성’을 발사하여 높은 정확도와 신뢰도를 바탕으로 관측을 하고 있습니다.

레이더 기상관측의 기상레이더는 도플러레이더를 통해 전파를 대기 중에 발사하여 강수 입자에 부딪혀 산란되어 되돌아오는 반사파와의 주파수 편차(도플러 효과)를 이용하여 강수 지역, 강수 세기 등을 탐지하는 원격 관측장비입니다. 레이더 돔이라고 불리는 전파 감쇄가 적은 재료를 사용하여 만들었으며 안테나를 보호하기 위해 구 모양으로 제작하였습니다. 기상관측에 있어서는 강수 현상을 짧은 시간 동안 입체적으로 파악할 수 있어 위험 기상의 조기 감시와 예측에 이용되고 있습니다. 우리나라에서는 전국에 총 11개의 기상레이더가 설치되어 운영되고 있습니다.

기상 관측에 정말 다양한 관측법과 첨단 관측기구들이 사용되지 않나요? 국가와 국민의 안전을 위해 기상 관측은 정말 중요하고 필요한 분야라고 할 수 있어요. 이 때문에 많은 기상학자들이 새로운 첨단 기상관측 기구 개발을 위해 노력하고 있는 것이죠. 당연하게만 받아들였던 기상정보, 그 뒤를 살펴보니 정말 다양한 기술과 노력이 숨어있는 걸 알 수 있죠?

알리미 24기 백진우 | 무은재새내기학부 18학번

알리미 24기 백진우 | 무은재새내기학부 18학번

<기획특집 Ⅲ>

기상청에서 사용하는 수치 예보 모델

지금까지 기상관측의 다양한 방법에 대해 잘 알아보았나요? 기상청은 이렇게 관측한 정보를 바탕으로 폭염이나 태풍 등의 재해를 예측하여, 국민들이 미리 대비를 할 수 있게 합니다. 올 더위가 더욱 무서웠던 것은 무더위를 식혀줘야 할 태풍들이 예상 진로를 벗어나 한반도를 빗나가면서 폭염의 기세를 꺾지 못했다는 것입니다. 다행히 8월 말 19호 태풍 솔릭이 지나가면서 더위는 뒤늦게 한 풀 꺾였지만, 한반도를 관통한 강풍과 폭우로 인해 또 다른 피해를 낳기도 했습니다. 기상청이 제시하는 태풍 진행 경로나 며칠간의 기온 등은 현재의 기상관측 정보를 바탕으로 예측하는 것인데요, 그럼 지금부터 기상청에서 사용하는 수치 예보 모델에 대해 알아보도록 하겠습니다.

‘나비에-스토크스 방정식’의 근사 계산을 통한 기상 예측

근대적인 일기예보의 역사는 1800년대 중반에 시작되었습니다. 기상을 관측할 수 있는 도구들이 발명되고 일기도가 고안됨에 따라서 이들을 토대로 일일 예보가 가능하게 되었고, 20세기에 들어서는 컴퓨터의 발명과 함께 수치예보 이론이 발전하면서 보다 과학적인 방법으로 일기예보가 가능하게 되었어요. 여기서 수치예보 모델은 미래의 날씨를 이론적으로 예측하는 방법으로, 현재의 대기상태로부터 미래의 날씨를 예측해 내는 것입니다. 종류나 규모, 해상도 등에 따라 제한 시간 내에 수백 조 회 이상의 연산을 필요로 하는 경우가 많아 고성능 슈퍼컴퓨터를 사용해요. 이렇게 해서 예측 자료가 도출되면 이를 토대로 예보관들이 모여 분석을 하고 의사를 결정한 뒤 최종적으로 사람들에게 기상 정보가 제공되는 것입니다.

그렇다면, 슈퍼컴퓨터는 어떤 계산을 수행하게 될까요? 수치예보 모델에서 사용되는 방정식은 흔히 대기역학에서 지배 방정식이라고 불리는 ‘나비에-스토크스 방정식’입니다. 비선형 편미분방정식으로 이루어져 있는 이 방정식에는 밀도와 마찰 항이 있는데 이에 대한 변수가 너무나도 많은데다가, 아직까지도 채 완성되지 못했답니다. 또 지금까지 알려진 해를 구하기 어려운 편미분방정식 중에서도 가장 어렵다고 손꼽히는 수학 미제이기도 해요. 나비에-스토크스 방정식이 풀기 어려우 이유는 비선형적인 기상 현상을 표현하기 위해 방정식 역시 비선형으로 표현되었기 때문입니다. 이렇듯 여전히 기상학의 세계는 신의 영역이라고 불릴 정도로 예측이 힘들며 이를 근사하게라도 해를 구하기 위해 사용되는 것이 슈퍼컴퓨터입니다. 슈퍼컴퓨터는 초기의 관측 자료들을 토대로 나비에-스토크스 방정식을 가장 근사적으로 풀어내 앞으로의 날씨를 예측하게 되는데 앞서 말했듯이 방정식의 정확한 해를 구할 수도 없는데다가, 비선형적이고 변수가 많아 격자 간격이나 관측 값이 조금만 달라져도 도출되는 결과에 큰 오차가 생겨 기상 예보와는 전혀 다른 날씨가 나타날 수도 있는 것입니다.

일기 예보를 돕는 다양한 기술들

앞서서 기상 예측을 위해 슈퍼컴퓨터가 계산해야 할 것에 대해 알아보았다면, 이제는 슈퍼컴퓨터가 계산하기 전후에 필요한 다양한 기술들을 알아보겠습니다. 먼저 슈퍼컴퓨터가 계산을 수행하기 위해 초기의 관측 자료들이 필요하겠죠? 이 때 사용되는 기술이 관측 기술과 초고속 통신 기술입니다. 관측 기술은 앞서 다루었던 것처럼 AWS, 위성, 레이더 등의 첨단 관측 기술 및 장비를 이용해 전 지구의 3차원 입체를 관측할 수 있게 하고 초고속 통신 기술은 세계 각국에서 생산되는 다양한 관측 및 분석 자료를 신속하게 수집할 수 있도록 해요.

이렇게 해서 모인 대용량의 기상 자료는 자료 동화 기술과 프로그래밍 기술을 통해 슈퍼컴퓨터가 방정식을 계산할 수 있도록 가공하는 과정을 거치게 됩니다. 자료 동화 기술은 위성이나 레이더 등의 각종 기상 자료들을 융합해 3차원 격자 형태의 수치 모델 입력 자료로 가공하며 프로그래밍 기술은 복잡한 물리방정식을 슈퍼컴퓨터가 효과적으로 처리할 수 있도록 병렬프로그램화 합니다.

성공적으로 가공된 자료들은 슈퍼컴퓨터의 계산을 거쳐 수치 모델의 예측 결과로 도출되게 되고 그래픽 처리 기술을 통해 효과적인 분석이 가능하도록 다양한 그래픽으로 가시화됩니다.

우리나라의 슈퍼컴퓨터와 수치 예보 모델의 역사와 현황

우리나라는 세계 기상 선진국들보다는 30년 가까이나 늦은 1980년대 후반이 되어서야 수치 예보를 도입하였는데요, 1985년에 수치 예보를 현업화하기 위하여 전산 예보 도입 계획을 수립하고 아일랜드나 스웨덴과 같은 유럽 중견국의 수치모델을 도입해 우리나라에 맞게 변환하기 위한 연구에 착수했습니다. 1988년에는 최초의 수치계산용 서버인 CDC사의 Cyber 932를 도입했고, 한국과학기술연구원(KIST)이 도입한 슈퍼컴퓨터인 Cray-2S 장비도 함께 활용해 마침내 1991년 우리나라 최초의 현업용 모델인 아시아지역모델(ALAM)과 극동아시아지역모델(FLAM)을 운영하기 시작하였습니다. 그리고 1990년대 말에는 수치예보 업무를 전담하는 수치예보과를 신설해 본격적인 수치예보 업무와 서비스에 착수했어요.

1995년에는 고성능 수치계산용 서버인 Fujitsu사의 VPX220을 도입하고 1997년에 전지구모델(GDAPS)의 운영을 시작하면서 비로소 독자적인 수치예보의 시대가 개막했습니다. 그리고 1999년에는 기상청의 슈퍼컴퓨터 1호기인 NEC SX-5를 도입해 슈퍼컴퓨터 기반의 고해상도 수치 예보 모델을 예보 업무에 활용할 수 있게 되었습니다.

최근 들어 기술의 발전 속도가 점점 빨라지면서 더 빠르고 좋은 성능을 가진 슈퍼컴퓨터들이 등장하고 있습니다. 이에 따라 현재는 세계 슈퍼컴퓨터 순위 사이트인 ‘TOP500 Supercomputer’에서 연 2회 발표하는 500대의 슈퍼컴퓨터들만을 슈퍼컴퓨터로 보고 목록에서 제외되는 경우에는 슈퍼컴퓨터로서의 수명이 다했다고 보고 있습니다. 그래서 기상청은 현재 2015년에 도입한 슈퍼컴퓨터 4호기 Cray XC40을 수치 예보에 활용하고 있으며 이 슈퍼컴퓨터는 2018년 6월을 기준으로 75위에 해당하는 성능을 기록하고 있기도 합니다. 이 슈퍼컴퓨터를 활용하고 있는 현재의 수치 예보 모델에는 전 지구 예보 모델, 지역 예보 모델, 국지 예보 모델 등이 있으며 다양한 운영 목적을 가지고 운영되고 있습니다.

모델종류 - 수평해상도 - 연직층수 - 예측기간  - 운영목적 순으로
전지구모델(GDAPS) - 17km - 70 - 12일 - 전지구 중기예측
전지구 앙상블모델(EPS) - 32km - 70 - 12일 - 전지구 중기 확률 예측
지역모델(RDAPS) - 12km - 70 - 87시간 - 동아시아 단기예측
국지 예보모델(LDAPS) - 1.5km - 70 - 36시간 - 한반도 단기예측 
국지 앙상블모델(LENS) - 3km - 70 - 72시간 - 한반도 위험기상 확률예측
초단기모델 - KLAPS - 5km - 40 - 12시간 - 한반도 초단기예측, VDAPS - 1.5km - 70 - 12시간 - 한반도 초단기예측 
파고모델 - GWW3 - 50km - 12일 - 전지구 해상파고예측, RWW3 -8km - 87시간 - 아시아해상파고 예측, CWW3 - 1km 72시간 지방청 관할지역 해강파고 예측 
폭풍해일모델(RTSM) - 8km - 87시간 아시아 폭풍해일 예측 
황사모델(ADAM2) - 25km - 72시간 - 황사 수송 예측 
연무모델(ADAM3) - 25km - 72시간 - 연무 예측 
동네예보/통계모델 - 2~10일 동네, 기온예측

표. 수치 예보 모델의 종류

출처 : http://www.kma.go.kr/aboutkma/intro/supercom/model/model_category.jsp

날씨의 예측은 슈퍼컴퓨터와 수치 예보 모델의 발전에 따라서 더 많은 정보를 더 정확하게 알 수 있게 해주고 있어요, 하지만 비선형적이고 불규칙적인 기상 현상은 여전히 많은 오보를 생산하게 하는 주 원인이 되고 있죠. 아직 인간의 영역 밖에 있다고 여겨지는 기상 예보, 불평불만을 늘어놓기보다는 더욱 열심히 공부하고 연구해서 문제를 해결해 나가는 것은 어떨까요?

<자료 출처 : 국가기상슈퍼컴퓨터센터>

알리미 23기 이진현 | 신소재공학과 17학번

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