How two new supercomputers will improve weather forecasts

더 강력한 슈퍼컴퓨터로 더 강해진 허리케인에 맞선다

美 국립기상청이 기상예보의 정확도를 개선하기 위해 슈퍼컴퓨터 두 대를 새로 도입한다. 엄청난 크기만큼이나 막강한 성능을 자랑하는 이 슈퍼컴퓨터들이 기후변화로 인해 점점 더 강해지고 있는 허리케인 예측에 얼마나 큰 도움을 줄지 주목된다.

2018년 10월 플로리다 걸프 연안에 상륙한 허리케인 ‘마이클(Michael)’은 5등급의 초강력 허리케인이었고, 풍속은 시속 240km가 넘었다. 그러나 미국 국립 허리케인 센터(US National Hurricane Center)는 처음에 마이클의 규모가 그 절반에도 미치지 못할 것으로 예측했다.

마이클은 짧은 시간 내에 엄청난 풍속 상승을 보이며 급속도로 발달했지만, 전문가들은 이러한 급격한 발달을 예측하지 못했던 것이다.

허리케인의 핵심인 무질서와 혼돈을 예측하고 허리케인이 어떻게 발달하는지 이해하는 것은 여전히 기상 예보관들에게는 난제다. 그러나 더 나은 모델과 더 풍부한 경험으로 무장한 기상 예보관들은 올해 9월에 뉴올리언스를 강타한 허리케인 아이다(Ida)가 급속도로 발달할 것임을 정확하게 예측했다. 어긋난 점이라면 단지 전문가들이 예측한 것보다 허리케인이 더 큰 규모로 발달했다는 것뿐이다.

이렇게 폭풍이 언제, 어디에서, 어떻게 피해를 줄지 더 정확하게 예측할 수 있게 된 데는 슈퍼컴퓨터의 도움이 컸다. 그리고 2021년 말 미국 국립기상청(US National Weather Service, NWS)은 슈퍼컴퓨터 두 대를 새로 도입할 예정이다. 기상청은 이번 슈퍼컴퓨터 도입으로 기상 예측 정확도를 꾸준히 높일 수 있게 되기를 바라고 있다. 또한 기후변화로 인해 점점 더 강력한 폭풍이 발생하고 있는 상황에서 정확한 기상 예측은 앞으로 훨씬 더 중요해질 것이다.

미국 국립기상청 슈퍼컴퓨터의 처리 능력

그래프 원본 보기: https://www.datawrapper.de/_/PUZuy/

국립기상청은 심야뉴스의 일기예보 같은 기상 예측에 사용하는 시스템에 새 슈퍼컴퓨터를 활용할 예정이다. 일단 2022년 7월쯤에 기상청이 점검을 완전히 마치면, 새 슈퍼컴퓨터들은 기상학자들이 덴버의 강수확률부터 허리케인이 마이애미를 강타할 확률까지 모든 기상 상황을 더 정확하게 예측하는 데 도움을 줄 것이다.

각각의 슈퍼컴퓨터(하나는 버지니아, 다른 하나는 애리조나에 배치되므로 항상 백업이 필요하다)는 냉장고 10개 크기이며, 12.1페타플롭스(petaflops)의 성능을 갖추고 있다. 페타플롭스에서 ‘플롭스(Flops)’란 ‘초당 부동소수점 연산(floating point operations per second)’을 나타내는 말이므로, 12.1페타플롭스는 슈퍼컴퓨터가 1초당 1만 2,000조 번 이상 연산을 수행할 수 있다는 뜻이다. 이는 기존 시스템의 세 배가 넘는 엄청난 처리 속도이며, 향후 10년 동안 대략 3억에서 5억 달러의 비용이 들 것으로 예상된다.

스테프코비치는 “내가 처음 일을 시작했을 때는 아무런 경고 없이 상황이 발생하는 일이 많았다. 기술이 그다지 발달하지 않았기도 했고, 경보 시스템이 항상 정확한 것도 아니었기 때문이다. 이제 그런 상황을 그렇게 많이 경험하지는 않는다”고 말했다.

국립 허리케인 센터의 허리케인 전문가팀 팀장 마이클 브레넌(Michael Brennan)은 컴퓨팅 성능 업그레이드가 허리케인 경로와 강도 예측에서 최근에 있었던 큰 개선점이라고 말했다.

브레넌의 팀에서 발표하는 예보를 비롯한 기상예보는 전문가들이 다양한 모델을 검토하고 정보를 종합할 방법을 결정해서 예측한 결과이다.

허리케인 경로 예측은 대규모 기상 모델과 그런 모델을 구동하는 컴퓨터 성능이 개선되면서 지난 30년 동안 꾸준히 정확도를 높여왔다. 허리케인 경로 예측에서 발생하는 평균 오차는 2005년에 약 160km였으나 2020년에는 약 105km로 줄어들었다. 폭풍의 크기가 몇 백 킬로미터에 달하므로 이 정도 차이는 근소한 것으로 보일지도 모른다. 그러나 허리케인으로 인해 가장 크게 피해를 당할 지역을 예측할 때는 “아주 작은 움직임조차도 전부 중요하다”고 브레넌은 설명했다.

허리케인의 강도를 이해하고 예측하는 것은 경로 예측보다 훨씬 어려운 일이다. 허리케인의 강도가 태풍 중심부의 풍속과 기온처럼 더 지역적인 요인에 크게 영향을 받기 때문이다. 그래도 강도 예측 역시 지난 10년 동안 개선되기 시작했다. 48시간 내의 허리케인 강도 예측 오차는 2005년에서 2020년까지 20~30% 정도 줄어들었다.

정확한 예측과 효과적인 커뮤니케이션

NWS 환경 모델링 센터(NWS Environmental Modeling Center)의 센터장 브라이언 그로스는 기상처럼 복잡한 무언가를 예측하기 위한 모델을 구축할 때는 “추가적인 컴퓨터 리소스를 사용하는 것이 쉽다”고 설명했다.

12.1페타플롭스 성능을 자랑하는 각각의 NWS 슈퍼컴퓨터는 일반적인 노트북보다 15만 배 이상 빠르다.

컴퓨터 성능이 좋아지면 모델들에도 다양한 방식으로 이익이 될 수 있다. 각각의 모델은 엄청난 처리용량을 빠르게 차지할 수도 있다. 모델은 더 많은 정보를 소화하거나 세상을 더 나은 방식으로 재현하기 위해 어려운 물리학을 사용하면서 더 복잡해질 수 있다. 기상 모델은 허리케인이 발생할 때마다 바다에서 폭풍이 발달해서 이동하는 과정을 더 자세히 재현하면서 복잡해지게 된다.

컴퓨터 성능이 향상되면 모델은 지리적으로도 더 정확한 결과를 낼 수 있다. 기상 모델들은 지구를 다수의 조각으로 나눠서 각각의 지역에서 무슨 일이 벌어지는지 계산하는 방식으로 작동한다. 컴퓨터 성능 향상으로 모델의 해상도가 높아지면 지구를 이전보다 더 작은 단위로 쪼갤 수 있고, 그러면 더 많은 것들을 분석할 수 있게 된다.

마지막으로, 연구자들은 앙상블 모델(ensemble model)을 구축할 수 있다. 앙상블 모델을 20에서 30번 정도 구동하면서, 예측 결과가 어떻게 달라지는지 확인하기 위해 매번 조건을 조금씩 바꾼다. 그러고 나서 이러한 과정을 통해 얻은 결과를 모아서 전부 검토한다.

아마도 허리케인 예측에서 앙상블 모델을 본 적이 있을 것이다. 대서양에서 폭풍이 발생했다고 가정해보자. 어떤 예측에서는 폭풍이 텍사스로 향하고 있다고 하고, 다른 예측에서는 미국 동부 해안을 따라 움직인다고 하는 등 앙상블 예측에서 다양한 결과가 나온다면 폭풍이 실제로 지나갈 만한 경로가 다양하다는 의미이다. 그러나 앙상블 예측에서 폭풍이 플로리다 걸프 연안을 강타할 것이라는 결과만 나온다면, 기상 예보관들은 폭풍이 어디에 상륙할지 더 정확하게 파악할 수 있다.

이전에 있었던 슈퍼컴퓨터 업그레이드에서는 다목적 글로벌 앙상블 예측 시스템(Global Ensemble Forecast System) 같은 일부 모델을 위한 다양한 영역에 개선이 있었다. 지난번에 시스템 업그레이드가 있었던 2018년에는 NWS가 시스템의 해상도를 34km에서 25km까지 증가시켰고, 앙상블 예측에 사용되는 모델 수도 21개에서 31개로 늘렸다.

이러한 변화와 그 변화를 통한 기상 예측 결과 정확도 개선 덕분에, 주 정부가 기상 위험에 대비하도록 돕고 있는 앨라배마 비상관리국(Alabama Emergency Management Agency)의 기상학자 짐 스테프코비치(Jim Stefkovich) 같은 전문가들의 삶이 조금 더 편해졌다. 그는 “내가 처음 일을 시작했을 때는 아무런 경고 없이 상황이 발생하는 일이 많았다. 기술이 그다지 발달하지 않았기도 했고, 경보 시스템이 항상 정확한 것도 아니었기 때문이다. 이제 그런 상황을 그렇게 많이 경험하지는 않는다”고 말했다.

그러나 심지어 현재까지도 기상 예보관들이 보내는 신호가 대중들에게 항상 분명하게 전달되는 것은 아니다. 대중들이 폭풍 예보에 관심이 없을 수도 있고, 폭풍주의보(위험한 상황이 예상됨)와 폭풍경보(폭풍이 이미 관찰됨)의 차이를 이해하지 못할 수도 있다. 사람들이 예보를 듣고도 어떻게 반응해야 할지 알 수 없다면, 더 정확한 일기예보도 사람들을 안전하게 지켜주는 데 도움이 되지 못할 것이라고 스테프코비치는 우려를 표했다.

그는 허리케인 아이다가 왔을 때 이런 현상이 실제로 벌어졌다고 지적했다. 아이다가 미국을 강타하기 며칠 전부터 그것의 경로와 강도에 관한 매우 정확한 예보가 있었다. 그러나 부분적으로는 커뮤니케이션 문제로 인해 수십 명의 사람이 목숨을 잃었고, 수백만 명은 정전 사태를 겪거나, 집 또는 자동차에 피해를 입었다.

기후변화로 인해 극단적인 기상 현상이 더 악화될 것이다. 기상 예보관들은 올바른 방식으로 전달되는 더 정확한 예보가 폭풍이 왔을 때 사람들이 더 나은 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있기를 바라고 있다.

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