기상예보에 있어서 수치예보 또는 수치일기예보(Numerical Weather Prediction : NWP)는 아주 자신만만한 용어이다. 이 용어는 과거 수치모 델 개발자들의 기상예측에 대한 낙관성을 반영하고 있다. NWP 모델들은 한 때 대기 예측의 모든 문제들을 풀어줄 해결책같이 보였었다. 만약 이 모 델들이 완벽하다고 가정하면, 이를 통해 대기의 모든 변화상황을 완벽하게 설명할 수 있을 것으로 보였기 때문이다.
그러나 상황은 점차 달라지기 시작했다. 대기의 변화상황이 소위 ‘카오스’
적으로 변한다는 것에 주목함에 따라, 학자들의 관점 또한 달라지기 시작 했다. 또한 우리는 대기의 현재 상황조차 ‘아주 정확히’ 알 수 없다는 것도 깨닫게 되었다. 그 결과 대기 상태 변화에 대한 예측의 신뢰성에 의문이 생 기게 되었다. 특히 5일 전후를 기준으로 하는 중기 예측에 대한 자신감이 감소했다.
그로 인해, NWP 모델을 사용하는 많은 대기과학자들은 대기의 작은 상황 변화에 주목하기 시작했고, 이를 예측 가능한 궁극적인 대기의 상황이라 고려하게 되었다. 이를 앙상블 예측(Ensemble Forecasting)이라 한다.
앙상블 기술은 주로 중기 예측에 사용된다. 이 교재 또한 중기 예측에 관하 여 집중할 것이다. 그러나 이러한 아이디어는 추후 단기 기상 예측 또는 기 후 예측 같은 다른 분야에도 사용될 수 있을 것이다.
2.2 카오스란 무엇이며, 왜 중요한가?
카오스 체계(Chaos System)란 현재 상황에서의 한 작은 변화가 나중에는 전체 상황에 있어 커다란 변화를 야기할 수 있다는 것을 의미한다.
이는 ‘결정론적 혼돈(Deterministic Chaos)’ 이라 정의하는 것이 이해하기 더 쉬울 것이다. 카오스 체계란 어느 정도 결정론적인 성격을 지니고 있으 며, 때에 따라서 그리고 시간이 지남에 따라 유사 결정론적 성격을 보여주 기 때문이다. 그러나 그 전에 숙고해야 할 점은 결정론의 기준을 어느 정도 로 잡아야 할지를 정의하는 것이다(체계의 예측가능성 또한 마찬가지). 아 마도 초기의 상황변화에 따라 다양할 것이다.
그림 2.1은 카오스 원칙을 나타낸 것이다. 위상 공간에서 계의 모든 가능한 상태의 궤적(Locus)을 체계의 끌개(Attractor of the System)라고 한다.
예측성의 수준은 끌개상에서 가능한 최종 상태의 퍼짐 정도로 주어진다.
그림 2.1의 경우, 종점으로부터 두 선 사이의 거리가 주어져 있다.
2.2.1 간단한 예시
2.2 카오스란 무엇이며, 왜 중요한가?
서로 다른 초기조건의 영향에 대한 모든 실험들이 수행될 수 없으므로 대 기가 혼돈체계 구성을 따른다고 확실히 증명되지는 않았으며 실제 대기 상 에 끌개가 존재하는지는 미지수다. 그러나 대기가 혼돈 체계와 비슷한 구 성인 것은 확실해 보인다.
실제 대기의 예측 가능성은 그때그때 다르지만, 직접 측정될 수 있는 것은 아니다. 그러므로 앙상블 예측을 통하여 이를 평가하는 것이 제일 적절하 다고 할 수 있다. 혼돈의 개념정의는 앙상블 예측에 있어 가장 기초적인 접 근방법이다. 약간의 차이를 갖는 초기조건들을 이용하여 많은 NWP 모델 의 실행을 통하여 앙상블은 다음을 결정할 수 있을 것이다.
• 대기의 종결상황에 대한 예측 가능한 경우의 수
• 이러한 종결상황의 분포도를 통한 대기 예측가능성
2.2.2 함의(Implication)
2.2.3 현업 예
그림 2.2는 기상청의 전구 앙상블 모델 시스템(UM)으로 2011년 11월 29 일에 120시간 예측한 500hPa 고도와 앙상블 멤버간 퍼짐(Spread)을 나타 낸 것이다. 등고도선의 간격은 60gpm이며 음영으로 표시된 지역은 앙상블 멤버간에 고도 편차(퍼짐)가 큰 지역들이다. 앙상블간 편차는 북미 지역과 오호츠크해 지역에서 100gpm 이상으로 크게 나타나고 있으며 상대적으로 만주지역에서는 편차가 작게 나타나고 있다. 앙상블이 어떻게 구성되는지 에 관한 자세한 사항은 다음 절에서 다루기로 한다.
2.2 카오스란 무엇이며, 왜 중요한가?
표준편차가 커질수록, 불확실성이 높아지고 따라서 대기의 예측가능성은 떨어진다.
불확실성이 커지는 영역은 종종 상층 기압골이 발달하는 것과 관련이 있음 을 주의 깊게 보아야 한다. 위의 예시에서는 1개 사례만을 보였기 때문에
[그림 2.2]기상청 전구 모델의 500hPa 고도에 대한 120시간 예보에서 등치선의 분포 로 음영이 있는 지역은 앙상블 멤버간에 상당히 큰 편차가 있는 지역을 나타낸다.