기후 예측 및 이상기후 현상: AI와 인간의 경계

1. 요약

• 이 리포트는 AI 기상 예측 시스템의 발전과 그 영향, 기상청의 대응, 그리고 기후 변화가 한국과 글로벌 차원에서 주는 영향을 중심으로 다룹니다. 주요 내용으로는 구글의 그래프캐스트와 같은 AI 시스템이 기존 수퍼컴퓨터 기반 예측 모델보다 빠르고 정확한 예측을 제공하는 사례, 한국 기상청과 유럽중기예보센터(ECMWF)의 예측 모델 성능, 그리고 2023년 한국의 열대야 및 폭염 현상 등이 있습니다. 또한, IPCC의 보고서에 따라 기후 변화를 위한 각국의 대응과 신재생 에너지 확대 및 국제 협력의 필요성, 그리고 도시와 농업에 미치는 기후 변화의 다양한 영향에 대해 분석하고 있습니다.

2. AI 기상 예측의 발전 및 효과

• 2-1. AI 기상 예측 시스템의 등장

• AI 기상 예측 시스템은 최근 몇 년간 급격히 발전해 왔습니다. 대표적인 예로 구글의 인공지능 기상예보 시스템인 그래프캐스트(GraphCast)가 있습니다. 구글 딥마인드 팀은 유럽 중기기상예보센터(ECMWF)에서 수집한 40년간의 전 세계 기상 관측 자료를 바탕으로 이 시스템을 훈련시켰습니다. 이를 통해 AI는 슈퍼컴퓨터가 몇 시간씩 걸리는 10일 예보를 단 1분 만에 생성할 수 있습니다. 그래프캐스트는 허리케인 베릴의 경로를 정확하게 예측하며, 미국과 유럽의 기상청보다 우수한 성능을 입증했습니다.

• 2-2. 구글의 그래프캐스트 사례

• 구글의 그래프캐스트는 기상 예측의 판도를 바꾸는 대표적인 사례입니다. 2023년 7월 허리케인 베릴이 텍사스를 강타했을 때, 유럽 중기기상예보센터와 미국 국립허리케인센터는 베릴이 멕시코에 상륙할 가능성이 크다고 예측했습니다. 하지만 그래프캐스트는 텍사스에 상륙할 것을 정확히 예측하였고, 이로 인해 그래프캐스트의 뛰어난 예측 능력이 인정받게 되었습니다. 이 시스템은 지구의 위도와 경도를 0.25도 간격으로 나누고, 고도 80㎞ 높이까지 37개의 층을 나눠 세밀한 예측을 해냅니다.

• 2-3. AI 기상 예측의 정확성과 속도

• AI 기상 예측의 가장 큰 장점은 정확성과 속도입니다. 그래프캐스트는 유럽 중기기상예보센터의 수치예보모델보다 1380개 테스트 항목에서 90% 이상 높은 정확도를 보였습니다. 또한, AI는 슈퍼컴퓨터가 몇 시간씩 걸리는 계산을 단 1분 만에 완료할 수 있습니다. 이는 중앙처리장치(CPU) 기반의 슈퍼컴퓨터와 달리, 그래픽처리장치(GPU) 기반의 AI가 더 빠르게 작동하고 더 많은 데이터를 학습할 수 있기 때문입니다.

3. 기상청과 슈퍼컴퓨터 기반 기상 예측

• 3-1. 기상청의 기존 예측 시스템

• 기상청은 기존에 슈퍼컴퓨터 기반의 수치예보모델을 활용하여 대기방정식을 풀어 미래의 날씨를 예측해 왔습니다. 이 모델은 시간 경과에 따라 예측 정확도를 지속적으로 향상시키는 데 기여했습니다. 하지만 10일 이후의 중기 예보 및 15일부터 32일까지의 계절내 예보에서는 아직 많은 개선이 필요합니다.

• 3-2. 유럽중기예보센터의 모델 성능

• 유럽중기예보센터(ECMWF)의 예보 모델은 전 세계적으로 가장 우수하다는 평가를 받고 있습니다. 이는 특히 계절 변화와 같은 다양한 기후 요소를 잘 모의하는 능력을 가지고 있기 때문입니다. ECMWF의 예보 모델은 과거와 현재의 다양한 연구를 통해 평균장 모의 능력과 계절 변화 예측성이 뛰어나다는 것을 입증했습니다.

• 3-3. 한-미 국제공동연구팀의 예보 모델 성능 평가

• 한-미 국제공동연구팀은 수치예보모델의 성능을 평가하기 위해 새로운 지표를 개발했습니다. 이 지표는 경험 직교 함수(EOF)를 활용하여 평균장뿐만 아니라 계절 변화의 특성도 고려합니다. 연구 결과, 전 세계와 열대지방에서 예보 모델의 평균장과 계절 변화 모의 능력을 함께 고려한 경우, 예측성이 크게 향상되는 것을 발견했습니다. 이를 통해 연구팀은 유럽중기예보센터(ECMWF)의 모델이 가장 우수한 성능을 보였음을 확인했습니다. 연구는 국제학술지 '기후 역학(Climate Dynamics)'에 게재되었습니다.

4. 한국에서의 이상기후 현상

• 4-1. 2023년 7월 한국의 열대야 기록

• 2023년 7월 한국에서는 역대 최고 열대야 기록이 세워졌습니다. 해당 달에 열대야일수는 8.8일로 집계되었으며, 이는 1973년 이후 가장 많은 수치입니다. 전국 평균 최저기온은 23.3도로, 평년보다 2.1도 높았습니다. 특히 강릉, 포항 등 일부 지역에서는 7월 한 달 동안 거의 절반이 열대야를 기록했습니다. 기상청은 북태평양고기압의 영향을 주요 원인으로 분석했으며, 7월 중순에는 특히 높은 습도와 높은 기온이 지속되었습니다. 또한, 7월 전국 강수량은 383.6mm로 평년보다 많았습니다.

• 4-2. 폭염과 열대야로 인한 피해

• 2023년 7월 한국에서는 열대야와 더불어 폭염도 지속되었습니다. 전국 평균 폭염일수는 4.3일로 평년과 비슷했으나, 특정 지역에서는 일최저기온이 25도 이상으로 대단히 높은 날씨가 이어졌습니다. 기상청은 계속되는 폭염으로 인해 온열질환 등 피해가 속출할 수 있다고 경고했습니다. 특히 경상권과 동해안의 경우, 35도 이상의 폭염이 지속될 것으로 예상되었습니다.

• 4-3. 장마와 폭염의 연속

• 2023년 장마는 제주에서 6월 19일, 남부지방과 중부지방은 각각 6월 22일과 29일에 시작되었습니다. 장마 기간은 제주와 남부지방에서 평년보다 더 길었으며, 중부지방은 약간 짧았습니다. 전국 평균 총 강수량은 472.0mm로 평년보다 1.3배 많았습니다. 장마가 끝난 후에는 35도 이상의 폭염이 이어졌습니다. 기상청은 장마 종료 후에도 소나기와 같은 강수가 일어날 수 있다고 경고했으며, 시민들에게 온열질환 피해 방지를 위한 주의를 당부했습니다.

5. 글로벌 기후 변화와 그 영향

• 5-1. 기후 변화의 위기

• 기후 변화의 위기는 현대 인류와 생태계에 큰 위협이 되고 있습니다. IPCC의 제6차 보고서에 따르면 '인간의 영향이 대기, 바다, 육지의 온도를 높인 것이 명백하다'고 밝히고 있습니다. 이는 이미 자연계 전반에 걸쳐 광범위한 변화가 발생했으며, 인류사에 전례가 없는 변화 규모와 상태를 나타냅니다. 보고서는 현재 상태로는 21세기 안에 지구 온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 어렵다고 전망하고 있으며, 2100년까지 지구 온도가 3.2℃까지 상승할 것이라고 예측하고 있습니다.

• 5-2. IPCC의 경고와 각국의 대응

• IPCC는 여러 차례 보고서를 통해 기후 위기에 대한 경고를 제시해왔습니다. '1.5℃ 특별보고서'에서는 2052년 무렵까지 지구 온도가 1.5℃ 상승할 것이라 예측했으나, 제6차 보고서에서는 그보다 10년 이상 빠른 2040년에 도달할 것으로 예상하고 있습니다. 이에 따라 각국은 온실가스 감축 목표를 설정하고 있으며, 특히 한국은 신재생에너지를 3배로 늘렸으나 아직 부족한 상황입니다. 태양광 발전 단지와 도심형 발전 확대, 이차전지 기술 고도화 등 다양한 방법을 통해 온실가스 감축을 추진하고 있습니다.

• 5-3. 중국에서의 극단적인 기상 현상

• 중국은 최근 극단적이고 강렬한 기상 현상에 직면하고 있습니다. 예를 들어, 구이린시는 집중호우로 인해 심각한 홍수 피해를 입었습니다. 중국 기상청(CMA)에 따르면 중국은 기후 변화로 인해 특히 악천후에 취약하며, 연평균 기온이 크게 상승하고 있습니다. 이러한 기상 이변은 경제활동과 농업 부문에도 큰 영향을 미치고 있습니다. 온실가스 배출이 증가하면서 기후 변화의 주요 원인이 되고 있으며, 중국 정부는 이를 줄이기 위한 여러 방안을 모색하고 있습니다.

6. 도시와 농업에 미치는 기후 변화의 영향

• 6-1. 도시의 열섬 현상

• 도시열섬현상은 도시 지역에서 주변 지역보다 온도가 높게 나타나는 현상으로, 도시화로 인해 다양한 사회적, 경제적 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 미국 샌안토니오 대도시 지역에서는 히스패닉 인구 비율과 디젤 미세먼지 농도가 지표온도에 긍정적인 영향을 미치는 반면, 정규식생지수는 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 결과는 도시열섬현상이 주택소유자대출공사(Home Owners' Loan Corporation, HOLC)의 역사적 거주 분리지도로 인해 히스패닉과 같은 소수인종이 거주하는 지역에서 더 심각하다는 것을 보여줍니다. 이러한 도시열섬현상은 도시 내 공공보건, 에너지 사용, 대기오염 등 여러 면에서 부정적인 영향을 미치며, 특히 취약계층에게 더 큰 피해를 줍니다.

• 6-2. 농업에 미치는 기후 변화의 영향

• 농업 부문에서의 기후 변화는 최근 이상기후 양상과 더불어 중장기적으로 큰 영향을 미치고 있습니다. 농림축산식품부는 농업 분야에서의 기상재해에 대응하기 위해 2009년부터 다양한 정책을 추진해 왔으며, 최근에는 농업 기상재해 조기경보 시스템을 고도화하고 극한홍수 대비 치수능력 확대 등의 대책을 마련하고 있습니다. 또한, 농산물 주산지 단위로 이상기후를 예측하고 농산물별 이상기후 민감도를 도출하여 생산량과 가격 변동에 대한 대응을 준비 중입니다.

• 6-3. 농식품부의 대응 계획

• 농림축산식품부는 기후변화로 인한 농업 분야의 민감성과 중요성을 깊이 인식하고 있으며, 이에 따라 2024년 연말까지 원예농산물의 중장기 생산 및 수급안정 대책을 마련할 계획입니다. 이는 기후 변화가 농업 생산과 가격에 미치는 영향을 최소화하고, 기후 위기로 인한 식량 위기에 효과적으로 대응하기 위함입니다. 이를 위해 농식품부는 기상청 등 전문기관과 협력하여 이상기후 예측 및 대응 방안을 강화하고, 이를 통해 수급 상황의 안정을 도모할 예정입니다.

7. 기후 변화에 대한 대응 기술 및 정책

• 7-1. 신재생 에너지 확대

• 신재생 에너지는 기후 변화 대응에서 중요합니다. 다양한 국가들이 태양광, 풍력 등 신재생 에너지를 적극 도입하고 있습니다. 현재 한국은 2030년까지 신재생 에너지 비중을 20%로 확대하는 목표를 세우고 있으며, 이에 따라 다양한 정책적 지원을 진행하고 있습니다.

• 7-2. 기후 변화 대응을 위한 국제 협력

• 기후 변화는 전 지구적인 문제이기 때문에 국제적인 협력이 중요합니다. 파리협정과 같은 국제 협약을 통해 각국은 온실가스 배출 감소 목표를 설정하고 함께 이행하고 있습니다. 한국은 이러한 국제 협력에 적극 참여하고 있으며, 개발도상국을 지원하는 다양한 프로그램을 운영 중입니다.

• 7-3. 한국의 기상 외교와 수치예보모델

• 한국은 기상 외교를 통해 국제적인 기상 협력을 강화하고 있습니다. 또한, 수치예보모델을 활용한 정교한 기상 예측 시스템을 발전시키고 있습니다. 이는 국내외 기후 변화 대응에서 중요한 역할을 하고 있으며, 기상청은 이를 위해 지속적인 연구와 개발을 진행하고 있습니다.

8. 낙뢰와 집중호우 등 극단 기상 현상

• 8-1. 낙뢰와 그 영향

• 2024년 8월 5일, 광주에서 진행된 조선대 연수 중 고등학교 교사가 낙뢰를 맞아 병원으로 급송된 사건이 발생했습니다. 이 사고는 낮 12시 4분경 조선대 사범대학 앞 카페에서 발생했으며, 교사 A씨(32)는 낙뢰를 맞아 심정지 상태로 발견되었습니다. 긴급 출동한 소방당국은 신속히 A씨를 병원으로 이송했고, A씨는 병원에서 맥박과 호흡을 회복했으나 아직 의식은 없는 상태입니다. 그날 광주 지역에는 총 39번의 낙뢰가 발생했으며, 불안정한 대기 상태로 인해 낙뢰 빈도가 증가하고 있는 상황입니다. 기상청의 보고에 따르면, 낙뢰 빈도의 증가 원인으로는 비구름(강수 구름)의 느린 이동 속도가 주된 이유로 지목되었습니다. 동해안의 고기압 형태가 비구름의 동쪽 이동을 막아 한 지역에서 장시간 머무르게 되면서, 낙뢰 현상이 빈번하게 일어나고 있습니다.

• 8-2. 집중호우로 인한 피해

• 2024년 8월 5일, 경기도와 경북 지역 등에 호우경보와 호우주의보가 발효되었습니다. 경북 상주와 성주 지역에는 오후 6시 35분부터 호우경보가 발효되었으며, 경북 의성에는 시간당 57.7㎜의 기록적인 폭우가 내려 역대 두 번째로 많은 비가 내린 날로 기록되었습니다. 그 외에도 봉화 (봉화읍)에서 31㎜, 문경 (마성면)에서 24.5㎜, 안동 (길안면)에서 24㎜, 청송 (현서면)에서 21㎜의 강우량이 기록되었습니다. 경북 지역 외에도 광주 및 전남 지역에서는 높은 낙뢰 빈도로 인해 감전 사고, 기상 장비 장애 및 공장 정전 사고가 잇따르고 있음을 보고했습니다. 예를 들어, 2023년 7월에는 하루에만 4500차례의 낙뢰가 발생하여 작년 7월 전체 낙뢰 횟수의 91%가 하루 만에 발생한 기록도 있습니다.

• 8-3. 불안정한 대기 상태의 원인

• 기상청은 대기 불안정 상태가 극단 기상 현상을 야기하는 주요 원인로 보고하고 있습니다. 고기압이 동해안 쪽에 자리하면서 비구름의 이동이 지연되고 한 지역에 장시간 머무르게 되면서, 국내 남부 지역에는 낙뢰와 집중호우 등의 현상이 빈번히 발생하고 있습니다. 이러한 대기 불안정 상태는 특정 지역에 계속해서 집중적인 낙뢰와 폭우가 발생하는 원인이 되고 있으며, 이는 불안한 기후 조건이 지속되고 있음을 반영합니다. 광주 지방기상청은 같은 날 오후 1시, 광주 및 전남 4개 시군에 천둥과 번개를 동반한 호우주의보를 발효했습니다. 호우주의보는 3시간 강우량이 60㎜, 90㎜ 이상이거나 12시간 강우량이 110㎜, 180㎜ 이상 예상될 때 발효됩니다.

9. 결론

• 리포트에서는 AI 기반 기상 예측 시스템인 그래프캐스트가 기후 변화 예측 및 대응에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 판단합니다. 고도의 예측 정확성과 속도를 갖춘 그래프캐스트는 기상청과 ECMWF의 기존 예측 모델들을 보완 혹은 대체할 수 있는 가능성이 큽니다. 이러한 기술적인 진보는 기후 변화로 인한 기상 현상의 예측력을 높이고, 고온, 폭염, 홍수 등의 대응책 마련을 보다 효과적으로 수행할 수 있게 합니다. 특히 한국과 같은 국가들은 기후 변화를 적극적으로 대응하기 위해 신재생 에너지 확대 및 국제 협력을 추진하고 있으며, 농업과 도시화에 따른 영향을 최소화하기 위한 노력이 요구됩니다. 앞으로 지속적인 기술 개발과 정책적 지원을 통해 기후 변화에 대한 종합적인 대응 전략이 필요합니다. 예를 들어, 농업 분야에서는 농림축산식품부가 기상재해 조기경보 시스템을 고도화하고 있으며, 도시에서는 열섬 현상을 완화하기 위한 다양한 방안들이 모색되고 있습니다.

10. 용어집

• 10-1. 그래프캐스트 [AI 기상 예측 시스템]

• 구글이 개발한 AI 기상 예측 시스템으로 40년간의 기상 데이터를 바탕으로 훈련받았으며, 전통적인 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠르게 예보를 생성한다. 텍사스 허리케인 상륙을 정확히 예측하는 등 높은 정확도를 자랑하며, 기상 예측 시장에서 기대를 모으고 있다.

• 10-2. 기상청 [정부 기관]

• 한국에서 기상 예측 및 기후 변화를 모니터링하고 대응책을 마련하는 기관이다. 다양한 예측 모델과 AI기반 시스템을 도입하여 기상 예보의 정확성을 높이고 있다.

• 10-3. 유럽중기예보센터(ECMWF) [국제 기상 연구 기관]

• 기상 예측 모델에서 가장 우수한 성능을 보여주는 기관으로, 전 세계 기상 예보의 정확도를 높이는 데 중요한 역할을 하고 있다. 한-미 국제공동연구팀과의 협력으로 예보 모델의 성능 평가 지표를 개발하였다.

• 10-4. IPCC [국제 기후 변화 기구]

• 인간 활동이 지구 온난화에 미치는 영향을 연구하고, 국제 사회에 경고하는 보고서를 발간하는 기구이다. 6차 보고서를 통해 2100년까지 지구 온도가 3.2도 상승할 것을 경고하며, 온실가스 감축을 최우선 과제로 제시하고 있다.

• 10-5. 한국과학기술연구원(KIST) [연구 기관]

• 혁신적인 기술 개발을 통해 온실가스 감축에 다양한 해결책을 제시하고 있다. 태양광 및 이차전지 개발 등을 통해 지속 가능한 미래를 위한 연구를 진행 중이다.

• 10-6. 기상외교 [기술 및 정책]

• 기상 예측 기술을 기반으로 한 한국의 외교 전략으로, 태평양 도서국 및 아세안 국가들에 기후 변화와 관련된 지원을 하고 있다. 독자적인 수치예보모델(KIM)을 통해 외교 무대에서의 위상을 높이고 있다.

11. 출처 문서

• AI vs 슈퍼컴, 누가 일기예보의 승자될까https://www.chosun.com/economy/science/2024/08/07/LVHWIHFA37QYFWZ5INKE5FSQWM/
• ‘잠 못 드는 밤’ 7월에만 8.8일…역대 최고 기록 깨졌다https://www.chosun.com/economy/science/2024/08/07/XKJYUNZK4FPIKG2UQEI2U45ROA/
• 더 뜨겁게 더 빨리 열린 ‘이상기후 지옥문’… 1.5℃ 지켜야 산다[한국과학기술연구원(KIST) 함께하는 과학 다이브]https://amp.seoul.co.kr/seoul/20240805025001
• 올해 장마 종료…35도 폭염·열대야 이어진다https://m.dongascience.com/news.php?idx=66752
• GIST 윤진호 교수 주도 한-미 국제공동연구팀 예보 모델 성능 평가 지표 개발http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=514851
• 낙뢰 39번 친 광주, 고교 교사 쓰러져 병원 이송…경북도 호우경보https://news.zum.com/articles/92445836
• 계속해서 극심한 기상 현상에 시달리고 있으며, 중국이 '두려움'을 느끼는 또 다른 문제 - Vietnam.vnhttps://www.vietnam.vn/ko/lien-tiep-ganh-chiu-nhung-hien-tuong-thoi-tiet-cuc-doan-them-mot-van-de-khien-trung-quoc-dau-dau/
• “기상 예측의 정확성이 무엇보다 필요한 시대” 한-미 국제공동연구팀, 예보 모델 성능 평가 지표 개발https://www.kns.tv/news/articleView.html?idxno=908610
• "6시간 이내 날씨, AI로 정확히 짚어줄것" - 매일경제https://www.mk.co.kr/news/society/11088403
• Spatial Characteristics of Urban Heat Island Phenomenon ...https://journal.kaopg.or.kr/articles/xml/R18o/
• 농식품부 “원예농산물 중장기 생산·수급안정 대책 연말까지 마련”https://www2.korea.kr/briefing/actuallyView.do?newsId=148932233