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 3.1은 카오스 원칙을 간단히 설명하고 있다. 두 점은 초기 시각의 계 (system)의 상태(혹은 대기의 상태)를 나타내고, 실선은 각각의 초기 상태 에서 시간에 따른 변화를 나타낸다. 안정한 계(그림 a)의 경우 초기 시각에 작은 차이가 시간의 흐름에 따라 그 간격을 유지하고 있으나, 불안정한 계 (그림 b)의 경우 시간이 지남에 따라 계의 상태는 점점 멀어지는 모습을 보
3.2.1 간단한 예시
(그림 b)의 경우 시간이 지남에 따라 계의 상태는 점점 멀어지는 모습을 보 여주고 있다. 궤적간의 거리는 예측성과 반비례 관계에 있다. 즉 예측성의 정도가 낮은 계에서는 초기값의 아주 작은 변화에도 그 최종 상태는 상당 히 달라질 수 있다. 이는 초기값의 불확실성을 항상 포함하는 수치예보에 서 미래의 대기 상태에 대한 예측 성능은 예측 시간이 길어짐에 따라 떨어 짐으로 해설할 수 있다.
[그림 3.1]위 그림은 두 개의 변이점(x, y)을 통하여 대기의 간단한 변화 형태를 나타 낸 것임. 대기는 초기의 작은 차이를 갖는 왼쪽 두 점에서부터 차츰 변화를 하게 됨. (a)
와 (b)는 서로 다른 경우의 수를 의미함. (a)의 두 곡선은 비슷한 경로를 따라 감. 이러 한 대기는 예측가능성이 매우 높음. (b)의 두 곡선은 많이 다른 경로를 보여주는데, 이
런 대기는 예측가능성이 매우 낮음
3.2 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
3.2.2 함의(Implication)
3.2.3 현업 예
그림 3.2는 기상청의 전지구 앙상블 모델 시스템(UM)으로 2011년 11월 29일에 120시간 예측한 500hPa 고도와 앙상블 멤버간 퍼짐(Spread)을 나타낸 것이다. 등고도선의 간격은 60gpm이며 음영으로 표시된 지역은 앙 상블 멤버간에 고도 편차(퍼짐)가 큰 지역들이다. 앙상블간 편차는 북미 지 역과 오호츠크해 지역에서 100gpm 이상으로 크게 나타나고 있으며 상대 적으로 만주지역에서는 편차가 작게 나타나고 있다. 앙상블이 어떻게 구성 되는지에 관한 자세한 사항은 다음 절에서 다루기로 한다.
3.2 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 예측의 불확실성(퍼짐)이 시간에 따라 어떻게 이동하는가를 볼 수 는 없지 만 시간별로 역추적해보면 앙상블 멤버간에 변동이 심한 지역이 어디인지 를 알 수 있을 것이다.
[그림 3.2]기상청 전지구모델의 500hPa 고도에 대한 120시간 예보에서 등치선의 분 포로 음영이 있는 지역은 앙상블 멤버간에 상당히 큰 편차가 있는 지역을 나타낸다.