기상용 슈퍼컴퓨터 운영

기상청은 1999년에 기상용 슈퍼컴퓨터 1호기 도입(NEC, SX-5/28A)을 시작으로 본격적인 수치예보 현업운영을 시작하였으며, 2005년 슈퍼컴퓨터 2호기를 거쳐 2010년에 슈퍼컴퓨터 3호기를 도입하여 현업 운영하였다. 슈퍼컴퓨터 3호기의 도입으로 슈퍼컴2호기에서는 운영 할 수 없었던 고해상도 통합모델 현업 운영이 가능하게 되었고, 슈퍼컴퓨터 2호기에서 현업 운영하였던 전지구모델(T426 L40)보다 예측성능(500hPa 고도 RMSE)이 20% 이상 개선된 결과를 보여 예보 정확도 향상에 크게 기여하였다.

2013년 4월 도입 기본 계획 수립을 시작으로 2015년 12월 검수 완료된 슈퍼컴퓨터 4호기 는 미국 크레이(Cray)사의 XC40 시스템이다.

기상용 슈퍼컴퓨터 4호기(이론성능 5,800TF)는 3호기(이론성능 758TF)보다 빠른 계산 성 능으로써, 기상청 대국민 일기예보 서비스에 필요한 주요 일기도 생성시간을 크게 단축시켰 으며, 2018년 평창 동계올림픽 기상지원과 독자기술 기반의 한국형 수치예보모델 개발, 국 가 기후변화 대응 지원 및 영향예보로의 전환을 통한 기상재해 리스크 경감에도 크게 활용 할 예정이다.

기상용 슈퍼컴퓨터에서는 현재 17km의 수평해상도를 갖는 전지구 모델(Unified Model) 을 비롯하여 12km 해상도의 지역모델, 한반도영역을 대상으로 하는 1.5km 고해상도 국지 모델, 해상파고 예측을 위한 파랑예측시스템, 폭풍해일예측시스템, 황사예측모델 등 약 20 여종의 수치예보 현업 모델들이 매일 100회 이상 수행되어 6TB의 데이터와 15만장 이상의 예상일기도를 생산하고 있으며, 현재 생산하고 있는 17km 간격의 전지구 예보모델을 2019 년도에는 12Km간격으로 상세화 시켜 고해상도, 고품질의 수치예보 모델 생산을 위해 노력 중이다.

또한, 이렇게 생산된 수치예보 자료는 기상청의 예보관뿐만 아니라 유관기관 및 기상사업 자에게 실시간으로 제공되어 기상산업을 활성화하고 기상산업의 부가가치를 창출하고 있으 며, 국외의 아시아 및 아프리카 지역 31개 개도국 373개 도시에도 수치자료를 지원함으로써 우리나라 국격 향상에 기여하고 있다.

그림 2-13 기상청 슈퍼컴퓨터와 수치예보 역사

<전구모델자료> <국지 앙상블자료>

그림 2-14 슈퍼컴퓨터 생산 자료

한편, 기상청은 국가 기상, 기후 등 대기과학 분야 슈퍼컴 활용능력 향상 및 관련분야 전문 인력 양성 지원을 위해 슈퍼컴퓨터 4호기 우리시스템(이론성능 447TF)을 외부 사용자 에게 개방하여, 2016년 12월 현재 서울대, 연세대를 비롯한 12개 기관 130여명에게 슈퍼컴 자원 및 기술지원 서비스를 제공하고 있다.

그림 2-15 기상용 슈퍼컴퓨터 4호기

기상청은 충청북도 오창과학산업단지에 위치한 󰡔국가기상슈퍼컴퓨터센터(2010년 3월 준 공)󰡕에 슈퍼컴퓨터를 설치하여 운영 중에 있다. 본 센터는 슈퍼컴퓨터 운영에 최적화된 기 반 환경을 지원하기 위하여 대규모 항온항습시설, 이중화된 전력공급장치 등 시스템 운영에 필수적인 대규모 설비들이 갖추어져 있으며, 외부전력이 완전히 차단된 블랙아웃 등 비상 상황에서도 48시간 이상 슈퍼컴퓨터를 자체적으로 운영 가능한 비상용 발전기 3대를 운영 하고 있다.

기후

1

전지구적으로 대기의 이산화탄소 농도와 평균 기온이 지속적으로 증가하고 있다. 2015년 미국해양대기청(NOAA)의 하와이 마우나로아(Mauna Loa)의 관측소에서 측정된 대기의 이 산화탄소 농도는 3.05ppm 증가하여 56년 만에 최고치를 갱신하였다. 또한 2016년 2월의 전 지구 평균 이산화탄소 농도는 402.59ppm으로 1800년도 이전의 평균 농도인 280ppm에 비해 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 이산화탄소 농도의 상승 속도는 17,000~11,000년 전과 비교하였을 때 200배 빠른 것에 해당한다. 지금과 같은 추세로 기온이 상승할 경우 2017년 에는 2015년 파리협정에서 설정한 기온 상승 1.5℃ 상한선이 무너질 가능성이 있다고 보고 되고 있다. 따라서 각 국가별 온실가스배출 저감 정책에 대한 심도 있는 논의 및 행정조치 등이 적극적으로 요구된다.

기후변화의 위험성에 대한 다양한 평가결과들은 지구온난화로 인해 폭염, 홍수, 물 부족, 전쟁, 난민 위협 등이 증가할 것으로 전망하고 있다. 특히 중앙아프리카, 동아시아처럼 현재 쉽게 물을 이용할 수 있는 지역들이나 중앙아시아처럼 이미 식수 문제에 직면한 국가들 모 두 물 문제에 직면하게 될 것으로 전망하였다. 물 부족으로 인한 식량가격의 급등은 국가 간 분쟁을 야기할 뿐만 아니라, 향후 특정지역에서 GDP의 6%에 달하는 손실(농업, 보건 분 야 등)을 초래할 가능성이 있는 것으로 보고되었다. 또한 폭염으로 인한 건강위협은 열대, 아열대, 중위도 지역의 국가들에서도 단순 외부활동조차 어렵게 하며 체온조절기능에 문제 를 야기하여 질병 혹은 사망수준의 영향을 미칠 것으로 우려되고 있다. 기후변화의 부문별 영향에 대비한 적절한 적응 및 저감 대책 뿐만 아니라 보다 많은 주의와 관심이 요구되는 시점이다.

해양

2

기후변화에 따른 대기와 바다의 온도 상승으로 빙하의 융해 및 붕괴가 지속적으로 보고되 고 있다. 북극 빙하는 위성을 통한 정확한 면적의 관측이 시작된 1979년 이후 10년마다 3.2%씩 감소하는 추세를 보이고 있다. NASA의 지구관측 위성 결과에 따르면 이러한 북극 빙하의 감소는 대서양과 태평양의 매우 넓은 지역에 걸쳐 일어나고 있는 것으로 나타났다.

21세기뿐만 아니라 중석기에서 신석기에 이르는 조몬시대에도 홋카이도의 3배 이상 크기의 남극 로스빙붕의 대규모 붕괴가 일어났음이 최근 밝혀졌으며, 주된 원인은 대기와 해양의 온도상승일 가능성이 높은 것으로 조사되었다. 그러나 최근의 해수면 상승과 빙하 붕괴 등 이 기후변화로 인한 온실효과보다는 오존홀의 영향이라는 연구결과가 보고되어 주목을 받 고 있다. 해당 연구에서는 수권과 대기권, 그리고 빙권의 상호작용을 컴퓨터 시뮬레이션과 위성 관측자료 분석을 통하여 위와 같은 결론을 도출하였다. 실제 NOAA 위성으로 관측한 해수면 온도의 변화(1982-2012년)를 살펴보면, 남극해와 주변 해양의 온도 하락 추세가 나 타난다. 그러나 장기적 측면에서는 하층의 따뜻한 해수가 상승하여 해수면 온도를 높이고 현재의 냉각화현상이 점진적으로 온난화로 바뀔 것으로 예측되었다. 해수면 상승, 빙하에 따른 피해의 완화를 위한 장기적인 적응 및 대책 마련이 필요하다.

방재/지진

3

독일 카를스루에공과대학에서 1900년부터 2015년까지 발생한 3만 5,000건 이상의 자연재 해를 분석한 결과, 20세기 이후 전 세계에서 자연재해로 800만 명이 목숨을 잃은 것으로 나 타났다. 이 기간 전체 자연재해 사망자의 절반가량은 홍수가 원인이었으나, 1960년 이후로

는 지진이 사망 원인 1위인 것으로 나타났다. 또한 자연재해로 인한 경제적 손실은 총 7조 달러(약 8,000조 원)로 평가되었다. 경제적 손실액의 33%가 홍수, 26%가 지진, 19%가 폭풍 으로 인해 발생하였는데, 1960년 이후로 가장 큰 경제적 손실을 끼친 자연재해는 홍수가 아 니라 태풍(30%)이었다. 단일 사건으로 가장 큰 경제적 손실을 끼친 자연재해는 2011년 3월 동일본 대지진으로 총 3,350억 달러(약 382조 원)를 기록하였다.

지진관련 분야에서는 일본에서 발생한 구마모토 지진과 그 후속 연구들이 주목된다. 일본 구마모토 현 지역에서 2016년 4월 14일 규모 6.5의 전진이 발생했으며 이틀 뒤인 4월 16일 에 규모 7.3 최대 진도 6강의 본진이 발생하였다. 이는 일본에서 2011년에 일어난 동일본 대지진 이후로 처음으로 진도 7을 기록한 지진이다. 해당 지진의 발생과 함께 구마모토현 내의 관측점이 남서방향으로 약 97cm 이동하는 지각변동이 관측되었으며, 6월까지도 약한 지진활동이 이어지고 있음이 보고되었다. 향후 해당 단층대를 포함한 규슈 중부지역에서 규 모 6.8 이상의 지진이 발생할 확률은 18∼27%로 평가되었다. 그러나 구마모토 지진 이후 지진활동 관련 정보의 개선도 이어졌다. 일본 기상청은 지진 당시 본진, 여진 등의 단어에 대한 문제점을 발견하고 지진활동 정보제공 개선방안을 발표하였다. 여기에는 지진이 발생 한 직후 최초 발생한 지진과 비슷한 정도의 지진이 다시 발생할 수 있음을 전제로 정보를 발표하는 것도 포함된다.

응용기상

4

응용기상 분야에서는 인간활동이 기상기후에 미치는 정량적인 영향에 대한 연구결과들이 주목된다. 소비자들의 상품구매로 인한 온실가스 배출 영향을 분석한 한 연구에서는 소비자 들의 구매활동으로 인한 탄소발자국을 전 세계의 공급사슬을 고려하여 공간분포화하였다.

이를 통해 사람들의 소비활동이 전 세계 어느 지역의 온실가스 배출을 증가시켰는지 알 수 있게 되고 해당 장소에서 배출을 줄이는 노력을 위한 의사결정에 도움을 줄 수 있게 되었 다. 동일한 접근법을 통해 대기오염과 생물종 위협에 대한 핫 스팟(hot spot)을 설정 가능할

것으로 기대된다. 또한, 인간의 활동이 지구 온난화에 미치는 영향을 관찰하고 측정할 수 있 는 시뮬레이션도 개발되었다. 해당 연구에서는 열대태평양 해수면온도의 자연변동성을 제거 한 후 지구 평균 온도를 분석하였다. 분석 결과, 기온이 직선에 가까운 상승 곡선을 보여 인 간 활동의 영향이 온난화에 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었다. 한편, 기상과 인공지능을 결합하여 인공지능 일기예보시대가 시작된 점도 주목할 만하다. 기존의 일기예보는 슈퍼컴 퓨터가 만든 1차 예보를 예보관이 가공하여 최종 발표하는 것이 일반적이었으나, 국내 한 민간 기상업체에서는 인공지능 프로그램의 활용을 극대화하여 세간의 많은 주목을 받았다.

일례로 인공지능 프로그램은 휴대전화 기지국 천여 곳에 설치된 기상장비를 활용해 실제 관 측 자료와 같은 예보를 내도록 학습을 수행하였다. 향후 슈퍼컴퓨터에서 나온 예보를 기계 학습 분석하여 보다 오차가 개선된 일기예보를 시도할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 뿐만 아니라 인공지능을 이용한 일기예보 시스템은 날씨에 따라 달라지는 전력수요나 소비 형태 의 상세 예측에도 큰 도움이 될 것으로 기대되고 있다.

인공지능 활용

5

—• 예보국 / 영향예보팀 / 기상사무관 / 이준희

2016년 3월 프로바둑기사인 이세돌 9단이 Google의 알파고와 5번의 대국 끝에 1:4로 패 배하였다. 충격적인 소식으로 우리나라가 인공지능에 관심이 폭발하기 시작할 때 해외에서 는 이미 인공지능을 여러 산업에 도입하고 있었으며 기상 분야도 마찬가지였다.

먼저 인공지능 ‘왓슨’으로 유명한 IBM은 미국 최대 날씨 정보회사인 Weather Company 의 기상자료를 약 2조원에 인수하였다. 이 인수의 배경은 IBM의 ‘왓슨’과 Weather Company의 방대한 기상자료를 결합시키기 위한 것으로, 둘의 시너지 작용을 통해 생성될 정보는 다양한 산업에 활용될 것으로 기대되고 있다.

또한, Microsoft에서는 인공지능을 적용한 예보모델인 ‘Deep Hybrid Model’을 개발하였 다. 이 모델은 미 대륙 60개 고층대기 관측소의 기상･기후자료에 인공지능 기술을 적용하고