요즘 날씨가 참 지X맞죠
이런 와중에 이놈에 기상청은 또 일을 안하는구나 하고 많은 분들이 말씀하실때마다 대기과학 공부하는 학생으로서 마음이 아픕니다ㅠㅠ
그래서 일기예보는 어떻게 만들어지며, 어떤 부분에서 오차가 생기는 지 말씀드리고 싶습니다.
최대한 쉽게 설명해보려 하니 문과생 분들은 뒤로가기를 안 누르셔도 됩니다ㅎㅎ
오늘 소개할 내용은 다소 일반적인 이야기라 왜 이번 여름에 유독 예보가 많이 틀리는지는 설명하지 못하지만 그래도 '이런 어려움이 있구나' 해주시면 감사하겠습니다.
다만, 아직은 학부생인지라 잘못되거나 부족한 부분이 있을지도 모르니(사실 좀 겁이납니다) 날잘알 분들의 태클은 환영합니다.
1. 관측
미래의 날씨를 예측하기 위해서는 지금의 날씨를 알아야겟죠
현재의 대기상태를 알아보기 위해 과학자들은 다양한 장비를 이용합니다.
지상 관측소에서는 주로 아래와 같은 자동기상관측장비를 이용해서 풍향, 풍속, 지면기압, 기온, 이슬점온도(습도) 등을 관측합니다.
또 지상에 있는 기상레이더를 통해 구름과 강수에 대한 정보를 얻습니다.
출처 : 기상청, 전국에 477개의 자동기상관측장비가 있다고 합니다.
기상위성에서의 관측으로도 지면의 레이더와 비슷하게 지면 온도, 구름과 강수에 관한 정보를 얻을 수 있습니다.
관측에서 오차의 원인은 크게 1)장비 자체의 어쩔 수 없는 오차 와 2)관리상의 문제 가 있습니다.
1) 우리가 예를 들어 방 안의 온도를 수은온도계로 측정해서 26.5도라는 값을 얻었다고 해서 실제로 방안의 온도의 참값이 26.5도 인지는 알 수 없습니다. 다만, 온도계에 특별한 흠이 없다면, 26.5도라는 값을 '믿을만하다'라고 할 수 있겠습니다. 이런 종류의 오차는 과학이 암만 발전해도 완전히 없앨수는 없는 오차입니다. 늘 더 좋은 관측은 존재할테니까요.
사실 이러한 장비 자체의 오차는 지상관측의 경우 별로 크지 않지만, 위성 자료의 경우 꽤 중요해질 수 있습니다. 지상관측은 그 특정 지점의 자료만 존재하는 대신 꽤 정확하고, 지상의 레이더 관측이나위성관측은 넓은 범위를 한꺼번에 관측하는 대신 다소 정확도가 떨어진다고 할 수 있겠습니다.
2) 특히 자동기상관측장비의 경우에 문제가 됩니다. 제가 수업시간에 들은 바로는 전국에 있는 477군데의 자동기상관측망을 유지,보수하는 인력이 턱없이 부족하다고 합니다. 관리가 부실하면 앞서 말씀드렸던 꽤 정확하다고 했던 지상관측 값도 믿을 수 없게 되버립니다.
2. 자료동화
음... 아마 이 글에서 가장 어려운 부분이 될 것 같습니다만 설명을 안 하고 넘어갈 수는 없는것이 이 과정에서 발생하는 오차가 중요하기 때문입니다.
우선, 여러분 앞에 물잔이 있고 물이 반이나 차 있다고 해봅시다. 이제 이 물잔을 살살 흔들다가 흔드는 것을 멈춥니다.그리고 물이 찰랑이는 것을 연속촬영으로 차차찰칵 찍습니다. 여러분이 그 중에 한 장을 골라 물이 찰랑이는 모습을 볼 때, 여러분은 그 물이 다음 순간 어떤 모습이 될 지 어느정도 예상할 수 있습니다. 여러분이 다음 순간을 예상할 수 있는 것은 1) 물의 어떻게 움직이는지, 2) 물의 지금 어떤 모습인지, 두 가지를 알고 있기 때문입니다.
1) 여러분은 물이 움직이는 물리법칙을 잘 알고 있습니다. 뭐라 딱 설명하기는 어렵겠지만 아마 경험적으로 알고 계실테지요. 물잔 안의 물과 마찬가지로 대기를 움직이는 데에도 같은 물리법칙이 적용됩니다. 간단하게만 설명드리자면, 대기의 움직임을 지배하는 가장 중요한, 기본적인 세 법칙은 질량 보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙이 있습니다. 이 부분에 대해서는 아래에 좀더 서술하겠습니다.
2) 그렇지만 물이 어떻게 움직이는지를 아는 것만으로는 물의 다음 순간 모습을 말할 수는 없습니다. "물이 현재 어떤 모습이고, 어떤 방식으로 움직이기 때문에 다음 순간에는 이런 모습일 것이다"와 같이 우리는 물의 현재 모습을 알아야 물의 다음 순간 모습을 알 수 있습니다. 마찬가지로 대기의 다음 순간 모습을 알기 위해서는 대기의 현재 모습을 정확하게 아는 것이 중요합니다. 쉽게 말하자면, 6시간 예보를 하기 위해서는 지금 날씨를 잘 알아야 한다는 것입니다. 그런데 '지금 날씨를 정확히 알기' 위해서는 지금의 관측만으로는 턱없이 부족합니다. 아까 위에서 말씀드린 지상 수백군데 관측소와 레이더, 위성의 관측으로는 현재 날씨가 어떻다 말하기에는 너무 정보가 모자랍니다. 물잔에 비유하자면 우리가 보고있는 것은 물잔에 출렁이는 수면이 아니라 사실은 출렁이는 수면의 그림자를 보고있는 셈이죠. (이공계 분들은 아실텐데, 이 상황은 x,y,z,t미분방정식은 잘 갖추어 놓고 초기장의 일부 격자(관측이 없는 격자)에 있어야할 값(바람, 기온, 습도 등)이 존재하지 않아 문제가 되는 상황입니다) 그렇기 때문에 현재의 관측값에 더불어 추가적인 정보가 필요합니다.
우리가 현재의 대기상태를 알기 위해 관측값과 더불어 이용하는 것은 바로 "과거의 예보값"입니다. 예를 들어 말씀드리면, 현재 8월 20일 오후 3시의 대기 상태를 알기 위해 8월 20일 오후 3시 현재의 관측값과 8월 20일 오전 9시 시점에서의 6시간 예보값을이용하는 것이지요. (이렇게 하면 적어도 값이 없는 격자점은 없어지게 되겠죠?) 그런데 오전 9시 시점에서 6시간 후를 내다본 예보값과 실제 오후 3시에 관측값은 당연히 어느정도 오차가 있기 마련입니다. 가령, "예보에 의하면 이 곳 온도는 25도여야 하는데 실제 관측을 해보니 27도더라"하는 것 처럼요. 그래서 서로 다른 말을 하는 두 값들을, 각 값들이 가지고 있는 신뢰도를 고려하여 그 사이의 값을 고릅니다. 이 과정을 "자료동화"라고 합니다.
물론, 이 과정은 예보관이 주관적으로 그냥 적당히 하는 것이 아닙니다. 과학자들이 오랜 연구를 통해 관측에는 이러이러한 오차의 원인이 있고, 예보에는 이러이러한 오차의 원인이 있으니 각각의 신뢰도를 이러이러하게 정의해서 수학(특히 불확실성을 다루는 통계)이 잔뜩 들어간 계산을 통해 이루어지게 됩니다. (개인적으로는 굉장히 흥미로운 분야인 것 같습니다 ㅎㅎ)
우리가 현재 대기상태를 알아내는 과정은 쉽게 말하면 과거의 예보값과 현재의 관측값을 적절히 섞어서 현재의 대기상태를 가장 잘 "추정"하는 것입니다. 관측만으로 대기의 모든 곳의 모든 변수들을 다 알 수 있다면 참 좋겠지만 현실적으로 불가능하기 때문에 과거의 예보값을 써서 현재의 대기 상태에 대한 가장 그럴듯한 답을 내놓는 것이지요. 그렇기에 이 과정을 통해 "추정"한 현재의 대기상태는 필연적으로 실제 대기상태와는 다소 다를 수 밖에 없고, 이는 예보 오차의 원인이 됩니다.
점심이라 배고프기도 하고 지치기도 해서 뒷부분은 (반응을 보고ㅎㅎ) 다음에 올리도록 하겠습니다.
혹시 이상한 부분, 잘못된 부분, 궁금한 부분 있으시면 말씀해주시면 감사하겠습니다
뒷부분에서는 3.모델, 4.예보관의 해석 +(번외)우리나라 예보가 특히 어려운 이유를 다룰 것 같습니다.
그럼 맛점하세요!
