일기예보의 혁명은 전보의 발명부터 (6/23 화)

날씨 예측의 과학 (6/23 화)

안녕하세요! 아주대학교 총장 박형줍니다. 일기예보나 자연재해의 예측을 위한 각종 속설이 많죠. 허리가 찌뿌듯하면 비가 온다고 하고 쥐떼가 요란을 떨면 지진이 난다고 하고. 고대 중국에서는 석양이 유달리 붉으면 다음 날에는 청명한 날씨가 된다고 했어요. 기원전 4세기 아리스토텔레스의 기상학 책인 '미테오롤로지카’는 구름의 모양 등을 살펴서 날씨를 예측하려 했고요. 요즘의 관점으로 본다면 이런 접근은 일종의 패턴인식입니다. 경험과 관찰에 근거해서 비가 올 때 나타나는 여러 가지 패턴을 모은 것이죠.

19세기까지도 기온이나 풍속 등을 측정해서 일기예보에 반영하고자 하는 시도는 거의 없었습니다. 엉뚱하게도 변화의 실마리는 전보의 발명에서 나왔습니다. 서로 멀리 떨어진 여러 곳에서 기상 데이터를 측정하고 신속히 한 곳에 모아야 분석이 가능한데, 증기 기차의 속도로 데이터를 전달해서는 일기예보에 도움이 되지 않기 때문이죠. 그래서 전기의 속도로 전달되는 전보가 발명되고 나서야 기상데이터 수집이 가능해졌고, 그 토대 위에서 수학적인 방식으로 기상예측이 가능하다는 이론이 나왔습니다.

이렇게 20세기 초반에 출현한 수치기상예보 개념은 일기예보의 패러다임 변화로 볼 수 있습니다. 가히 혁명적인 변화였죠. 컴퓨터가 없던 초기에는 지적 호기심의 수준에 머물렀지만, 20세기 중반에 이르러 컴퓨터 시대의 도래와 함께 실제 일기예보에 사용되기 시작했습니다. 수치기상예보는, 대기의 변화가 물리학의 유체역학으로 설명될 수 있다는 사실에서 출발합니다. 여기에는 기온, 풍속, 습도와 같은 많은 변수가 영향을 미칩니다. 유체역학의 법칙을 사용하면 이런 요소들의 관계를 수식으로 표현할 수 있어요. 물론 변화하는 양들을 다루려니까 미적분의 사용을 피할 수 없죠. 그래서 여러 개의 미분이 들어간 미분방정식을 얻습니다. 이 방정식을 풀면, 현재의 기상 데이터를 가지고 미래의 날씨를 예측하는 게 가능해집니다.

하지만 이런 일기예보가 자주 오보도 하는데, 여기에는 두 가지의 수학적인 문제가 있습니다. 첫 번째 문제는 수식 자체의 난해함입니다. 유체역학의 나비어-스톡스 방정식은, 좋은 해가 존재하는지와 같은 기본적인 이해도 아직 제대로 되어 있지 않거든요. 두 번째 어려움은 이 수식을 푸는 과정의 계산적 어려움입니다. 결국 수치예보 모델에서 나오는 미분방정식을 컴퓨터를 사용해서 풀어야 하는데, 이게 터무니없이 큰 문제여서 슈퍼컴퓨터를 사용해도 쉬이 안 풀립니다.