[과학과 놀자] 내일의 날씨 알아내기 위해 땅·바다·하늘·우주서 레이더·위성 등으로 모은 자료 슈퍼컴으로 분석해

(94) 날씨 예보 어떻게 이뤄지나

“내일 날씨는 맑겠습니다.” 매일 들어도 궁금한 것이 날씨다. 기상 관측 기술과 기상 예보는 어디까지 발전했을까? 기상 예보를 하려면 기상 관측을 해야 한다. 땅, 바다, 하늘, 지구 밖 등 다양한 곳에서 기온, 기압, 풍향, 풍속, 습도, 구름의 양, 황사나 안개 등의 기상 요소를 관측한다.

땅에는 사람이 직접 관리하거나 무인으로 운영되는 기상 관측소가 있고, 바다에는 해양 기상 관측 부이나 해양 관측 기지, 해양 기상 관측선이 있다. 하늘에는 보통 하루에 두 번씩 라디오존데를 띄운다. 큰 고무풍선에 라디오존데를 달면 약 35㎞ 상공까지 올라가면서 기온, 기압, 습도 등을 측정해 지상 관측소로 보낸다.

요즘 가장 주목받는 기상 관측 도구는 기상위성과 기상레이더다. 기상위성은 지구 대기권 밖에서 지구 표면과 대기의 가시 영상, 적외 영상 등을 촬영해 지구의 여러 기상 상태를 관측하는 시스템이고, 기상레이더는 전파가 공기 속 물방울에 부딪혀 되돌아오는 반사파를 분석해 비구름을 관측하는 시스템이다. 기상위성은 보통 극궤도 위성과 정지궤도 위성이 있다. 극궤도 위성은 비교적 낮은 550~700㎞ 상공에서 남북극을 오가며 구름 모습, 바닷물의 온도, 빙하, 화산 등을 자세하게 관측한다. 반면 정지궤도 위성은 약 3만6000㎞ 적도 상공에 떠서 지구의 자전과 같은 속도로 움직여 지구에서 보면 마치 정지한 것처럼 보인다. 그래서 한 지역을 연속적으로 관측할 수 있다. 우리나라를 관측하는 정지위성은 적도 상공에서 약간 비스듬하게 중위도를 바라보고 있어 관측한 영상도 그렇게 보이므로 보정이 필요하다.

천리안 2A호 지구를 10분마다 관측

천리안위성은 2010년 6월 발사한 정지궤도 위성으로 우리나라 최초의 통신해양기상위성 COMS(Communication, Ocean and Meterological Satellite)다. 천리안위성이 발사되기 전에는 다른 국가의 위성에서 관측된 자료를 받아 분석했지만, 이후에는 15분마다 우리나라 부근을 찍은 사진을 전송받아 날씨를 정밀하게 분석할 수 있게 됐다. 천리안위성은 배터리 등의 문제로 수명이 다했고, 2018년 12월 5일 천리안 2A호를 발사해 2019년 7월 25일부터 정식 서비스를 하고 있다. 천리안 2A호는 전 지구를 10분마다 관측하고 우리나라 주변 동아시아 지역은 2분마다 관측하고 있다.

기상위성에서 관측에 사용되는 파장대는 가시채널, 단파적외채널, 수증기채널, 적외채널, 마이크로파 등이 있고 채널별로 영상이 만들어진다. 또한 합성 영상과 레이더 영상도 중요한 기상 관측 자료다.

인공지능 활용한 날씨 예보 연구 중

국내외에서 수집한 관측 자료는 오차 보정을 한 뒤 수치예보모델을 기반으로 슈퍼컴퓨터로 분석한다. 슈퍼컴퓨터가 만든 예상 일기도를 가지고 예보관 회의를 거쳐 최종적인 일기 예보문이 작성된다. 수치예보모델은 지구 대기를 가느다란 격자로 구획을 나누고 각각의 격자 위치에 해당하는 온도와 습도 등의 기상값이 어떻게 변해갈지 물리법칙에 근거해 만든 가상의 예보 프로그램이다. 계산 과정이 복잡하고 계산해야 할 값도 많아 속도가 빠른 슈퍼컴퓨터가 필요하다. 우리나라에서 사용되는 슈퍼컴퓨터 5호기는 1초에 5경 번 계산할 수 있다. 이렇게 빠르게 계산할 수 있는 슈퍼컴퓨터가 없었다면 기상 자료를 분석하는 데 오랜 시간이 걸려 제때 예상 일기도를 만들어내기도 어려웠을 것이다.

최근에는 관측 기술 발달과 기상 관측 지점 확대, 슈퍼컴퓨터 성능 개선, 수치예보모델 정교화 등으로 기상 예보의 정확도가 높아지고 있다. 수치예보모델의 한계를 극복하기 위한 대안으로 인공지능(AI)을 활용한 날씨 예보도 연구되고 있다. AI는 오랫동안 축적된 기압 배치와 날씨 현황의 빅데이터를 이용해 오늘과 비슷한 기압배치를 찾아낸 뒤 분석해 인간보다 더 정확한 기상 예보를 할 수 있을 것으로 기대된다. 일기 예보의 정확도를 높이는 노력은 계속되고 있다.

√ 기억해 주세요

우리나라 기상 관측 자료들은 기상청의 중앙서버에 모여 세계로 보내지고, 세계의 기상 자료도 기상청으로 들어온다. 세계기상통신망인 GTS는 180여 개국에서 보내온 기상 정보를 수집해 배포하는 통신 및 데이터 관리 시스템이다. GTS는 세계기상기구가 만든 것으로, 자료 공유 규칙을 지키지 않으면 다른 나라의 자료를 받을 수 없게 된다. 우리나라는 GTS를 통해 북한으로부터 기상 관측 자료를 3시간마다 받아 기상 예보에 활용한다.

박지선 혜화여고 교사