수치예보

수치예보는 대기 현상의 역학 및 물리적 원리에 대한 지배방정식들을 컴퓨터를 활용해 수치적으로 적분함으로써 미래의 대기 상태를 예측하는 일련의 과정이다. 시공간적으로 연속체인 기상 시스템을 수학적으로 직접 계산하기 위해 지구를 바둑판 같은 수많은 격자로 나누어 각 격자점마다 대기 상태와 운동에 관한 방정식을 계산한다. 실제 수치예보모델은 방대한 계산을 단시간에 수행하기 위해 병렬화된 컴퓨터 프로그램 형태로 구현되어 슈퍼컴퓨터에서 실행된다.

수치예보의 이론적 가능성은 1904년 노르웨이의 기상학자 빌헬름 비에르크네스(V. Bjerknes)에 의해 처음 제안되었다. 1922년 영국의 루이스 프라이 리처드슨(L. F. Richardson)이 수작업에 의한 수치 계산을 시도했으나, 계산량의 한계로 실용화에는 실패하였다. 이후 1950년 폰 노이만, 로즈비, 챠니 등이 컴퓨터를 이용한 최초의 수치예보에 성공하였으며, 1954년 스웨덴 기상청이 세계 최초로 이를 기상 업무에 도입하였다. 미국과 일본은 1957년부터 수치예보를 시작하였다.

수치예보시스템은 다음과 같은 단계를 거쳐 운영된다.

1. 기상관측자료 전처리: 전 세계에서 수집된 관측 자료를 해독하고 품질 검사를 통해 오차를 제거하는 과정이다.
2. 자료동화: 관측 자료를 모델에 입력하여 모델의 예측 오차를 보정하고 고품질의 초기장을 생산하는 핵심 단계이다.
3. 수치예보모델 수행: 슈퍼컴퓨터를 이용해 대기 방정식을 풀어 미래의 날씨를 계산한다.
4. 후처리 및 검증: 계산된 수치 자료를 일기도나 그래프 형태로 변환하고, 실제 관측값과 비교하여 정확도를 평가한다.

수치예보모델은 크게 역학과정과 물리과정으로 나뉜다.

역학과정

지구를 수평 및 연직 방향의 격자로 나누어 날씨 변화를 지배하는 편미분 방정식계를 계산한다. 격자의 모양에 따라 위경도 격자, 삼각 격자, 육각 격자, 육면체구 격자 등 다양한 형태가 존재한다.

물리과정

모델 격자보다 작은 규모(아격자 규모)에서 발생하는 현상들을 계산한다. 대기 복사, 강수, 난류, 지면 및 해양과의 상호작용 등 역학과정에서 명시적으로 표현하기 어려운 물리적 현상들을 통계적·물리적 가정을 통해 계산한다.

대한민국 기상청은 과거 외국 모델에 의존하던 체계에서 벗어나 독자적인 기술 확보를 추진하였다. 그 결과 **한국형수치예보모델(KIM)**을 개발하여 2020년 4월부터 현업 운영에 도입하였다. 이로써 대한민국은 세계에서 9번째로 독자적인 수치예보모델을 보유한 국가가 되었으며, 한반도 지형 특성을 반영한 정밀한 예보를 수행하고 있다.

수치예보모델은 대기 상태를 수치적으로 모의한 결과물이며 항상 일정한 오차를 포함할 수 있다. 따라서 최종적인 일기예보는 예보관이 모델 결과와 다양한 관측 자료를 종합적으로 분석하여 결정한다. 수치예보 자료는 일반적인 날씨 예측 외에도 폭염, 집중호우 등 위험 기상 대응과 신재생에너지 생산을 위한 바람 및 일사량 예측 등에 폭넓게 활용된다.