(기후) 여러가지 기상 상식

[눈땡글이왕자님]

 

1. 회오리바람(Tornado)

  모든 폭풍 중에서 가장 변덕스러운 것은 토네이도이다. 이것은 스페인 어에서 뇌우를 뜻하는 트로나다(Tronada)를 어원으로 한 이동성 선형풍(旋衡風)이다. 고․저기압 같은 대기 순환은 넓은 지역에 걸쳐 느리게 진행되는 반면, 선형풍은 반경이 작고 각속도가 클 때 발생하며 회전의 방향이 일정하지 않고 회전 방향에 상관없이 중심부는 저기압이다. 우리 나라에서는 토네이도를 회오리바람 또는 용오름이라고도 한다.

  회오리는 전세계의 여러 곳에서 일어나지만 미국만큼 빈번히, 그리고 격렬하게 일어나는 곳은 없다. 미국에서는 해마다 500 ～ 600회나 회오리가 발생하며 대부분이 오후, 하루 중에서는 가장 더운 시각을 조금 지났을 무렵에 일어나고 또 언제나 뇌우를 동반한다. 녹색의 번개가 무시무시하게 지상에 번쩍이고 시꺼먼 구름이 녹색과 황색으로 이상하게 빛나며, 그와 동시에 멀리에서 짓눌린 듯한 우르릉하는 울림소리가 들려오는데 가까이에서 들으면 여러 대의 급행열차가 전속력으로 달릴 때의 굉음처럼 들린다. 보통의 회오리는 중심의 직경이 230m이고 지상을 통과하는 거리가 불과 30m 안팎에서 150km 이상이 될 때도 있다. 보통 깔때기 모양의 구름이 되어 나타나지만 때로는 곧바른 원통형이나 가늘게 구부러진 밧줄 같은 형태이거나 코끼리의 코 같은 형상이 되어 지상을 휩쓸고 지나간다.

  회오리바람은 두 가지 파괴력을 가지고 있다. 회오리바람의 바깥쪽은 진로상에 있는 거의 모든 것에 피해를 준다. 한편 깔때기 속의 기압은 낮기 때문에 그 속에 들어간 집은 내부의 공기가 팽창하는 압력에 의해 날아가 버리고 만다. 이 바람은 성질이 다른 기단이 서로 맞부딪치면서 발생한다. 어떤 이론에 의하면 속도가 빠른 차갑고 건조한 공기가 보통 때처럼 밑으로 들어가지 않고 습기 찬 열대의 공기 위를 빠져나가면 그 결과 심한 불안정이 생긴다. 따뜻한 공기는 갑자기 상승하기 시작하고 때로는 연직으로 시속 300km에까지 이르며, 옆으로 흘러드는 공기는 이 상승기류를 회전시켜 소용돌이치기 시작한다. 또한 비와 우박, 끊임없는 번개를 수반하여 보통 시속 70km의 속도로 이동하며 보통 몇 분 동안밖에 계속되지 않지만 그 수 분 동안에 엄청나게 큰 파괴력을 발휘한다.

  회오리바람은 이동하면서 목재, 나무, 가축, 가구, 가옥, 수레 등에 많은 피해를 주나 피해 폭은 넓지 않다. 회오리에 의해 인간이 하늘 높이 떠올려진 예까지 있다. 1947년에 텍사스에서 두 사람이 회오리에 의해 60m나 하늘을 날고 상처 하나 입지 않고 지상에 내려진 일이 있었다.

  회오리가 일으키는 소용돌이의 최대 속도는 아직까지 정확하게 측정하지 못하고 있다. 기상학자들은 아마도 시속 600km 정도는 될 것이고 어쩌면 음속에 가까운 시속 1000 ～ 1100km 까지 될 지도 모른다고 생각하고 있다. 회오리가 지나간 자리에는 피해 잔해가 생생하게 남는다. 1925년 미국에서 일어났던 어떤 회오리는 큰 판자를 나무 줄기에 박히게 했는데 판자 끝에 사람이 하나 매달려도 끄떡없을 만큼 튼튼하게 박혀 있었다고 한다.

  우리 나라에서 가장 최근의 용오름 현상은 1988년 10월 18일 울릉도 근해에서 관측되었다. 해상에서 물기둥을 이루며 30분 정도 계속되었으나 보통의 토네이도 강도에 미치지 못했고, 육지에 상륙하지 않아 별다른 피해가 없었다. 우리 나라에서는 잘 발생하지 않지만, 회오리는 본질적으로 파악하기 어려우며 지표 위를 끊임없이 소용돌이치며 불고 있는 여러 가지 바람 중에서 가장 짧지만 가장 강한 것이라고 할 수 있다.

2. 왜 영동지방에는 눈이 많이 올까?

  영동지방은 태백산맥 동쪽 지방을 말하는데, 우리 나라의 대부분 지방과는 기후 특성이 다르다. 겨울철에 대관령이나 강릉에 1m가 넘는 눈이 내려 교통이 두절되고, 사람이 눈에 파묻혀서 걷기도 힘든 것을 매스컴에서 본 적이 있을 것이다. 그리고 한번쯤은 '어째서 다른 지방에는 그렇게 많은 눈이 내리지 않을까?' 하고 궁금증을 가졌을 수도 있고, '내가 살고 있는 이곳에도 눈이 많이 내렸으면…'하고 철없는 생각을 한 기억이 아마 있을 것이다.

  영동지방에는 매년 약 9회 정도 눈이 많이 오는데, 특히 지난 90년 1월 30일부터 2월 1일까지는 영동지방 일원에 강릉지방기상청에서 기상 관측을 시작한 이래 최대의 대설 (적설 : 100-138 cm)이 내리기도 하였다.

  그렇게 눈이 많이 오는 원인은 크게 두 가지로 나눠 볼 수 있는데, 지형적 요인과 기압배치의 영향이다. 그중 지형적 특성을 우선 살펴보면 이 지역은 태백산맥을 경계로 산맥 분수령(평균해발고도 900m)에서 해안 쪽으로 서쪽 경사에 비하여 약 5배에 달하는 급경사를 이루고 있으며 대관령 정상에서 해안선까지 경사면이 약 20km 정도로 서쪽에 비해 매우 짧으며 동쪽으로는 동해 바다와 접해 있다. 이런 지형적 특성 때문에 동해 쪽에서 불어오는 습한 기류가 육지에 도달하자마자 산맥에 부딪혀 많은 눈이 내리는 것이다. 기상학적으로는 이런 기류를 북동기류라고 하는데, 그러면 북동기류란 무엇이고, 이 기류는 어떤 기압배치일 때 부는 것일까 ?

  결론을 먼저 말하면 영동지방에 북동풍의 바람이 부는 것을 북동기류라고 하는데, 우리 나라를 중심으로 볼 때 북동쪽, 즉 만주 동쪽이나 오오츠크해 부근에 고기압이 위치하고 있으면 이 기류가 나타난다. 즉 대륙성 고기압이 시베리아 동부까지 확장하거나, 오오츠크해 고기압이 발달하면서 동해상으로 확장하며, 남쪽에는 저기압이 형성되어 발달하면서 동북동 방향으로 진행하여, 전체적인 기압배치가 북쪽-고기압, 남쪽-저기압형이 되면 영동지방에 북동풍이 불게 된다. 그 바람은 바다 쪽에서 불므로 습기를 포함하여 많은 눈이 내리고, 이때 태백산맥 서쪽 지방은 날씨가 맑아 태백산맥을 중심으로 동서지방의 날씨가 대조적이 된다.

눈이 많이 내리면 교통두절, 농작물 피해 등 각종 산업활동에 손실을 끼치게 되고, 스키 등 겨울 레저 산업은 호황을 누리는 등 동전의 양면과 같은 영향이 있게 된다. 그러므로 여타 지방도 마찬가지지만 특히 영동지방에 사는 주민들은 제설 장비 등 눈 피해를 최소화할 수 있는 방안을 평소에 준비하고, 관련 레저 스포츠를 적극적으로 즐기는 등 건강하게 겨울을 날 수 있는 방법을 강구해야 하겠다.

3. 일기예보가 나오기까지

  과거에는 일기란 점술가나 예언가들이 신통력에 의해 예측하는 것, 즉 한 개인이 관측에서 예측까지 모든 일을 혼자서 수행하는 것으로 인식되어 왔던 반면 현재 일기 예보는 개인 소유의 지식이 아니며 과학적인 공동 작업의 결과로 산출된다. 또한 최근 들어서 기상업무가 점점 분업화, 전산화됨에 따라 예전과 같은 정성적 예보보다는 정량적 예보(강수 확률 예보 등)를 생산하여 기상 정보를 실생활에 좀 더 효율적으로 이용하려는 움직임이 일고 있다.

  일기예보를 생산하기 위해서는 우선 각종 기상요소에 대한 관측자료를 수집해야 한다. 지상기상, 고층기상 및 기상레이다 관측자료, 기상위성 수신자료, AWS 자료 등 사용 가능한 모든 자료들이 수집되는데, 지상기상은 3시간 간격으로 일 8회(00시, 03시, 06시…, 21시), 고층기상은 12시간 간격으로 일 2회(09시, 21시) 관측되며, 레이더와 기상위성, AWS 관측은 수시로 실시된다. 지상 및 고층 관측자료들은 일기도에 기입되어 고․저기압의 위치 및 이동 경로, 기압과 고도의 변화 경향, 전선의 발생과 소멸 및 이동 추적, 날씨 변화, 대기의 수직 구조 등을 분석하기 위해 쓰이는데, 분석은 수작업 및 종합 기상 전산망에 의해 수행된다. 또한 기상 레이다 자료는 강수 구역, 강도, 이동 등을 추적하는데 쓰이며, 기상위성자료는 구름의 분포와 종류 등을 분석하는데 이용된다. 이런 각종 분석 자료는 예보 부서로 모아지며, 이 자료들을 기초로 해서 작성된 일기예보는 기상청의 예보 관계자들이 참여하는 예보관 토의에서 종합적인 검토를 거친 후 최종적으로 확정된다.

  예보는 본청이 전국을 총괄하여 예보문을 발표하고, 각 지방기상청은 지형 특성을 고려하여 지역예보문을 발표하며, 각 기상대는 관할지역의 시군별 기후 특성을 고려하여 국지예보를 발표한다. 전국예보, 지역예보, 국지예보는 컴퓨터 단말기, 팩시밀리, 전화를 이용해 각 언론 매체에 통보되며 일반 이용자는 집에서 TV나 라디오, 신문 등을 통해 이 정보를 접하게 된다. 또한 각 매체에서 정규적으로 전달하는 것 외에 일기 예보를 알 수 있는 방법으로는 자동예보응답기(국번 없이 131)를 이용하는 것이 있다.

1) 기상학 발전의 결정체인 수치예보

  수치예보는 어떻게 시작되었나?

기상 연구는 신화와 더불어 시작되었다. 까마득한 옛날 사람들에게 있어 기상은 신이 명령하는 현상이었다. 그후 인류는 기상의 배후에 자연의 원인이 존재한다는 사실을 깨닫기 시작했고, 몇 세기 동안 과거의 경험을 토대로 날씨를 예측해왔다. 17C 이후 물리학의 발전과 함께 기체의 성질 및 운동에 대해 새로운 사실이 많이 알려졌고, 기상관측도 비교적 정밀하게 행해졌다. 그러나 기상학의 이론은 1900년경에야 비로소 실제 일기예보에 적용되기 시작했다.

  노르웨이의 비에르크네스는 매일의 일기를 과학적 법칙에 의해 예측할 수 있다고 생각하고, 그 방법으로 다음을 제시했다. 첫째, 광범위한 관측망을 설치하여 지상과 고층의 기온, 기압, 습도, 풍속 등을 규칙적으로 수집하고, 둘째, 이 자료로 일기도를 만들어 이것을 대기의 초기상태로 하며, 셋째, 이 일기도와 기상 자료를 수학적으로 분석하여 미래의 일기를 계산하는 것이다. 비에르크네스는 위의 방법을 실행하려고 애썼고, 그 결과 관측망을 늘릴 수 있었으나 기상 자료를 분석하는데 필요한 수학적인 기술이 없었다. 이 문제에 대한 해결 방안을 제시한 이는 영국의 수학자 리처드슨이었다. 그는 복잡한 수식을 간단한 가감승제에 의해 풀 수 있으리라고 생각하고, 1922년 '수치계산에 의한 일기예보' 라는 책을 출판했다. 이 책에서 그는 '일기예보공장'을 서술하고 있는데, 그것은 원형극장 같은 둥근 홀로 벽에는 지구 전체의 지도가 그려져 있고, 천장이 북극, 영국은 2층 관람석, 열대는 2층 정면석, 남극대륙은 오케스트라 박스에 위치하고 있다. 각각의 위치에서 6만 4천명의 수학자들이 계산기를 가지고 계산을 하며 맨 마지막에 그 결과가 점등판에 게시된다는 것이다. 그 당시에는 이것은 꿈 같은 이야기였지만 25년도 지나기 전에 컴퓨터의 도움으로 그 꿈은 모두 실현되었다. 최초로 10만 명의 수학자가 할 수 있는 일을 해낸 컴퓨터는 폰 노이만이 만든 매니악 (MANIAC)이었다. 1950년 일단의 기상학자들은 MANIAC을 이용해서 최초로 미래의 일기를 계산하는데 성공했다.

  2) 수치예보란?

  수치예보는 넓은 의미로 보면 수치화된 모든 기상 정보의 처리과정이다. 이러한 수치자료를 처리해 주는 것은 컴퓨터이며, 이런 점을 감안하면 수치예보체계는 하나의 컴퓨터 시스템으로 볼 수 있다. 한편 좁은 의미로 보면 수치예보는 수집된 관측자료를 기상 역학 방정식에 입력하여 일정기간 후의 예보자료를 산출하는 과정이며, 이것이 우리가 일반적으로 말하는 수치예보이다.

  수치예보를 설명하기에 앞서 우선 일기예보를 예측방법에 따라 구분하면 크게 종관예보와 수치예보로 나눌 수 있다. 종관예보는 관측자료를 일기도에 기입, 분석한 후 그 패턴에 따라 날씨의 변화를 예측하는 것으로 미래의 일기가 예보자의 경험이나 사고에 의해 예측되므로 동일한 일기도에 대한 일기예보 결과는 예보자에 따라 다를 수 있다. 반면 수치예보는 기상역학의 원리에 토대를 두고 기본방정식을 수치적으로 해석하여 수치모델을 구성한 후, 이 모델의 틀 안에서 날씨를 예측한다. 그러므로 수치예보는 수치모델이 일정하면 예보자에 관계없이 동일한 결과를 산출하게 된다.

  수치예보는 대기도 우주내의 모든 물질과 마찬가지로 물리학의 기본 법칙을 따른다는 생각에서 시작된다. 일기예보의 대상인 대기는 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙, 열역학 제1법칙, 기체 상태 방정식, 정역학 방정식, 수분 보존 법칙의 지배를 받는다. 이 사실로부터 대기의 운동 및 변화를 지배하는 방정식계를 만들 수 있는데, 방정식계를 구성하는 방정식들은 시간에 대한 미분 방정식이다. 그러므로 이 방정식들에 초기값 (기온, 기압, 바람, 습도 등)을 넣고 시간에 대해 적분해 나가면 지금 현재 시각으로부터 원하는 시간 후의 일기요소(기온, 기압, 바람, 습도 등)가 계산되게 된다.

  원하는 시간이라고 해서 무한정 시간이 흐른 후의 기상도 예측할 수 있느냐 하면 그렇지는 않다. 그 이유로는 첫째, 대기현상 자체가 무수히 많은 입자 운동의 산물이기 때문에 몇 가지 상태 변수(기온, 기압, 바람, 습도 등)만으로 설명할 수 없고, 그러므로 대기의 운동을 지배한다고 본 기본 방정식계 자체가 대기를 완전히 설명한다고 보기 어렵다. 둘째, 방정식계가 비교적 완전히 갖추어졌다고 할지라도 실제 계산 과정에서의 여러 가정 및 오차 때문에 일기 예측에는 한계가 있다. 지금까지는 대략 2주까지가 수치예보를 이용해 예보 가능한 기간으로 보고 있으며, 우리 나라에서는 24, 36, 48시간 수치예보를 발표하고 있다.

  분명히 수치예보는 미래의 일기를 예측하려는 오랜 기간의 인간의 노력이 결집된 결과이지만 아직까지는 모든 문제를 완전히 해결한 것은 아니며 좀 더 정확한 일기예측을 위해 노력하는 과정이라 할 수 있다.

  3) 강수 확률 예보

  원시 시대에는 날씨의 변화가 생활 양식과 생존을 좌우하는 중요한 문제였던 반면 현대는 냉난방 시설 등 문명의 발달로 날씨의 영향을 어느 정도 극복했다고 할 수 있다. 그러나 기상 현상에 대한 지식이 날로 증대되고 인간의 활동이 다양해짐에 따라 기상 정보에 대한 수요는 더 많아지고 그만큼 정확한 정보를 생활에 이용하려는 욕구는 더욱 커지고 있다. 대부분의 사람들은 아침에 일기 예보를 보고 하루의 일과를 준비하고 계획한다.

  일기 예보의 내용 중 가장 많은 관심을 끄는 것은 강수유무이다. 현재 일상적으로 행하여지고 있는 강수 예보법은 기후 예보법, 범주 예보법, 확률 예보법이다. 기후예보는 강수 발생의 기후적 통계값을 예보값으로 표현하는 것으로 예를 들면 8월 한달 중 평균 강수일은 10일이라고 예보하는 것이다. 범주 예보는 '강수 있음', '강수 없음' 둘 중 하나로 예보하는 것이고 강수 확률 예보는 더 자세히 비올 확률 몇 %로 나타내는 것이다. 그러므로 확률 예보는 똑같은 상황에 대해 범주 예보 보다 더 많은 정보를 포함하게 된다.

  우리 나라에서는 1987년부터 강수 확률 예보가 시작되었고 그후 '오늘은 비가 올까?' 보다는 '오늘 비올 확률은 몇 % 인가?' 라는 질문이 나올 정도로 우리 생활에 밀접히 관련된 반면 그에 대한 이해는 아직 정확하지 않은 것 같다. 강수확률예보의 한 예를 들어보자. 이를테면 {오늘 서울 지방의 강수 확률이 70%}라는 예보의 뜻은 서울의 어느 곳에서나 비가 올 가능성이 70%라는 뜻이고, 서울의 총 면적 중 70%가량의 면적에 비가 온다는 뜻은 아니다. 그리고 하루 24시간 중 비가 오는 시간 비율이 70%라는 뜻도 아니다. 즉 강수확률예보는 예보기간에 지정된 장소에서 일정량의 강수가 발생하는 것을 확률로 나타낸 것이다.

  그런데 예보에 확률적 표현이 포함되면 그 확률을 결정하는 문제가 제기된다. 일반적으로 확률을 결정하는데는 두 가지 방법이 있는데 그중 하나는 상대 빈도 해석이고, 다른 하나는 주관적 해석이다. 강수 확률이 40%라고 하자. 이때 상대 빈도 해석은 현재와 같은 기상 상태가 수없이 반복될 때 약 40%의 경우에는 비가 온다고 판단한다. 이것은 동전을 수없이 반복하여 던졌을 때 앞면이 나올 확률이 약 1/2임과 같이 거의 확실한 것이라 할 수 있다. 그러나 실제의 대기 현상은 비록 시간을 달리하는 두 가지 기상 현상이 매우 유사할지라도 그 각각을 독특한 것으로 간주해야만 한다. 따라서 확률 예보를 상대 빈도의 의미로 설명하기는 매우 어렵다.

  강수 확률 40%를 주관적 해석으로 나타내면 예보자의 주관적 판단으로 비가 올 가능성과 비가 안 올 가능성은 4:6이 된다. 일기 예보에서는 주관적 확률 해석이 더 적절한 것으로 간주되는데 이는 앞에서 말한 바와 같이 기상 현상은 어떠한 경우에도 똑 같은 현상으로 나타나지 않음을 생각할 때 매우 당연한 것이다. 확률의 주관적 해석법은 예보자가 예보 결정(확률값 결정) 과정에서 기후적 상대 빈도뿐 아니라 다른 모든 기상 자료와 정보를 종합하여 이용하게 된다.

  강수확률예보는 두 가지 이점을 가지고 있다. 첫째, 확률 예보는 수요자들이 합리적인 결정을 하는데 필요한 정보를 제공하며 이것은 상당한 경제적 가치를 도출한다. 둘째로 확률은 일기 예보의 불확실성을 가능한 한 정밀하게 표현한다. 위의 이점중 경제적 이익에 대해 알아보자. 예를 들어 규모가 큰 건설 공사를 시작한다고 하자. 비에 대한 대비를 하지 않았을 때 받을 손실이 700만원이고 사전 예방 조치에 소요되는 비용이 200만원이라고 하자. 만약 강수 확률이 80%라면 비에 대한 예방 조치를 하지 않을 경우 입게될 예상 손실액은 700만원의 80%인 560만원이고 예방 조치를 할 경우 소요될 비용은 200만원이다. 따라서 이 경우에는 비에 대한 예방 조치를 하는 것이 손해를 덜 보는 방법이 되며 이때 예상이익은 360만원이다.