기상학이란 무엇인가요?

기상학은 대부분의 기상 현상이 발생하는 대류권이라 불리는 지구 대기의 가장 낮은 층에 보통 초점을 맞춥니다. 이는 에너지 및 유틸리티, 석유 및 가스, 농업, 항공, 건설 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.

기상학 분야의 과학자를 기상학자라고 합니다. 기상학자는 기상 관측 및 예측 외에도 장기적인 기후 추세와 인구에 미치는 영향도 살펴봅니다. 그러나 기후 관련 연구의 대부분은 기후학 영역에서 이루어집니다.

초기 문명에서는 날씨를 관찰하고 예측하며 심지어 날씨에 영향을 미치려고 시도했습니다. 그러나 그리스 철학자 아리스토텔레스는 종종 기상학의 창시자로 여겨집니다. 기상학이라는 단어는 "하늘에서 일어나는 모든 현상"을 의미하는 그리스어 "메테오론"에서 유래했습니다. 아리스토텔레스는 기원전 350년경에 대기에 관한 최초의 주요 논문인 Meteorologica를 저술했으며 거의 2,000년 동안 이 주제에 대한 권위자로 남아 있었습니다.

17세기 프랑스의 철학자이자 과학자, 수학자인 르네 데카르트(René Descartes)가 자신의 과학적 방법을 기상학에 적용하면서 기상학은 과학적 혁명을 경험하게 됩니다. 데카르트의 이론은 정확한 기상 관측 기기의 부족으로 인해 상대적으로 연역적이었음에도 불구하고 기상학을 물리학의 정당한 분야로 확고히 했습니다.

18세기에 기압계와 온도계가 발명되면서 기상학에 큰 변화가 일어났습니다. 이 장치를 통해 과학자들은 기압과 온도라는 두 가지 중요한 대기 변수를 측정할 수 있었습니다. 이 기간 동안 과학자들은 보다 정확한 날씨 예측을 하기 위해 수학적 모델도 개발했습니다.

19세기에는 전신과 같은 혁신이 일어나 기상학자들이 모스 부호를 사용하여 정보를 공유할 수 있게 되었고, 이는 최초의 현대식 기상 지도의 개발로 이어졌습니다. 이 지도는 전 세계 날씨 패턴에 대한 대규모 보기를 제공하고 보다 정확한 날씨 예측을 가능하게 했습니다.

20세기에는 대기 물리학의 발전으로 현대 수치 일기 예보의 토대가 마련되었습니다. 노르웨이의 기상학자들은 오늘날 일기 예보의 기본이 되는 기단과 전선의 개념을 발견했습니다.

세계 대전 중 과학자들은 군사 작전이 기상 조건을 이해하고 예측하는 데 점점 더 의존함에 따라 기상학을 발전시켰습니다. 원래 항공기와 선박의 방향과 속도를 추적하기 위해 발명된 레이더조차도 기상 패턴의 방향과 속도를 추적하는 것으로 용도가 변경되었습니다.

1950년대와 1960년대에는 위성과 컴퓨터 모델을 통해 전 지구적 규모의 대기압을 관측하고 데이터 기반 시뮬레이션을 실행할 수 있게 되었으며, 이 모든 것이 보다 정확한 날씨 예측으로 이어졌습니다. 현대 기상학은 이러한 기술의 고급 버전을 사용하여 거의 실시간으로 날씨를 관찰하고 예측합니다.

매일 날씨에 따라 의사 결정이 내려집니다. 특히 악천후 발생 빈도와 심각도가 증가함에 따라 사람과 기업이 악천후를 예측, 계획 및 대응할 수 있는 리소스를 확보하는 것이 중요해졌습니다.

기업은 위험 관리를 위해 일기 예보에 의존합니다. 예를 들어 항공 업계에서는 풍속과 강수량 등의 기상 데이터를 사용하여 비행 계획 및 추적 정보를 제공합니다. 차량을 운영 하는 조직에서는 폭풍우 속으로 차량을 내보내지 않기 위해 날씨 정보를 고려합니다. 또한 유틸리티 회사는 LiDAR와 같은 기상 예측 위치 인텔리전스 툴을 사용하여 전력망을 관리하고 전기 부하를 예측하며 잠재적 산불을 예방합니다.

기상학자는 악천후로 인한 악영향을 예측하고 완화하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 2023년 전 세계 자연재해로 인한 피해가 총 3,800억 달러에 달하는 이러한 상황에서 기상학자의 도움은 매우 중요합니다.¹

기상학자는 전 세계 기후 모델을 사용하여 지구 온도와 같은 지속적인 기후 추세를 추적할 수도 있습니다. 기후 관련 재무 정보 공개 태스크포스(TCFD)에 따르면 기후 조건의 변화는 환경, 비즈니스, 사회의 다양한 측면에 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 전 세계 국가들이 기후 변화에 맞서 싸우고 순 배출량 제로를 달성하기 위해 협력함에 따라 이러한 기후 위험을 이해하고 기후 복원력을 구축하는 것은 매우 중요합니다.

기상학자는 연구 기상학자 또는 운영 기상학자(예측가라고도 함)로 분류될 수 있는 대기 과학자입니다.

연구 기상학자들은 대기 조건이 지구 표면에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하기 위해 대기 오염, 대류 및 기후와 같은 현상을 연구합니다. 운영 기상학자들은 이러한 연구를 수학적 모델 및 열역학과 같은 물리학 원리와 결합하여 대기의 현재와 미래 상태를 평가합니다.

기상학자는 미국 기상 협회(AMS), 세계 기상 기구(WMO), 국립 기상청(NWS)과 같은 조직에 속해 있습니다. 이 집단은 대기, 해양, 수문 및 지구 물리학을 포함한 기상학의 다양한 분야에 걸쳐 연구를 발전시키기 위해 노력합니다.

기상학의 대부분은 대기 현상 또는 대기 내에서 일어나는 관측 가능한 모든 현상을 다룹니다. 이러한 현상은 국지적인 안개부터 행성을 휩쓸고 가는 바람에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 일어날 수 있는 사건의 범위가 매우 다양하기 때문에 날씨와 대기 현상을 이야기할 때는 마이크로 규모, 중간 규모, 시놉틱 규모, 글로벌 규모 등 네 가지 기상 규모를 사용합니다.

마이크로 규모 현상의 크기는 몇 센티미터에서 수 킬로미터까지 다양합니다. 일반적으로 하루 미만의 짧은 시간에 진행됩니다. 이러한 현상은 작은 지리적 영역에 영향을 미치고 해당 지역의 온도와 지형에 영향을 미칩니다. 마이크로 규모 기상학의 예로는 토양과 식물 사이의 열 전달, 대기 오염 물질의 이동 및 대기 질 등이 있습니다.

중간 규모 현상은 수 킬로미터에서 거의 1,000km에 이르며 하루 미만에서 몇 주까지 지속될 수 있습니다. 이는 중간 규모 대류 복합체(MCC)와 중간 규모 대류 시스템(MCS)이라는 두 가지 현상으로 구성됩니다. 수증기는 강수량으로 변하여 MCC로 분류되는 폭우 또는 MCS로 분류되는 더 작은 뇌우 클러스터를 생성하는 단일 구름 시스템으로 나타납니다.

시놉틱 규모의 현상은 수백에서 수천 킬로미터의 영역을 커버하며 최대 28일 동안 지속될 수 있습니다. 이는 고압 시스템과 저기압 시스템으로 구성되어 있습니다. 저기압 시스템에서는 바람과 습기가 고기압 시스템으로 빨려 들어가 대류가 가속화되고 더 심한 기상 조건이 만들어집니다. 고기압 시스템은 수직 하향 운동을 하며 일반적으로 더 건조하고 악천후가 적은 날씨를 만들어냅니다.

글로벌 규모 현상은 열대 지방에서 극지방으로 바람, 열 및 습기가 흐르는 것을 말합니다. 지구 대기 순환(GAC)은 지구 표면 전체에 열을 분산시키는 대규모 패턴입니다. 각 반구에는 세 가지 유형의 대류 전류 또는 셀, 즉 해들리 셀, 퍼렐 셀 및 극성 셀이 있습니다. 기상학자들은 해들리 셀이 GAC에 가장 큰 영향을 미치고 선박이 사용하는 무역풍의 흐름을 좌우할 수 있기 때문에 해들리 셀에 주목하는 경우가 많습니다.

기상학자는 기상 시스템을 평가하고 예측하는 데 도움이 되는 여러 툴을 사용합니다. 몇 가지 일반적인 기상 툴은 다음과 같습니다.

기상 툴은 머신 러닝(ML), 인공 지능(AI), 빅 데이터와 같은 기술과 결합하여 보다 정확한 예측과 기타 귀중한 인사이트를 제공할 수 있습니다. 경우에 따라 이러한 솔루션은 비즈니스 운영을 근본적으로 개선할 수 있습니다. 주목할 만한 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

레이더 접시는 기상 풍선, 비행기, 보트 등에 고정할 수 있습니다. 이는 센서를 사용해 전파를 전송하여 구름의 크기, 속도 및 방향과 같은 정보를 수집합니다. 이중 편파 레이더는 수평 및 수직 파동 펄스를 배치하여 더 나은 기상 예측 기능을 제공합니다. 이러한 인사이트는 예를 들어 항공 산업의 안전 조치를 개선하기 위해 기후 위험을 분석할 때 유용할 수 있습니다.

위성은 대기 변화를 관찰하고 전 세계적인 기상 현상을 예측하는 데 중요한 역할을 합니다. 미국 항공우주국(NASA)과 미국 해양대기청(NOAA)은 정지궤도 운영 환경 위성을 운영하는 두 기관입니다. 이러한 위성은 지리 정보 시스템을 사용하여 시각화할 수 있는 귀중한 지리 공간 데이터를 수집합니다. 위성은 날씨 패턴 외에도 농부들이 작물을 관리하고 물 사용량을 개선하는 데 도움이 되는 원격 감지 기능을 제공합니다. 

오늘날 컴퓨터 모델링은 기상학자가 기상 패턴을 예측할 수 있는 가장 신뢰할 수 있고 정확한 방법 중 하나입니다. 컴퓨터 모델은 다양한 코드와 알고리즘으로 구성되어 있으며, 이러한 코드는 방대한 기상 데이터를 처리하고 이를 기상 모델이라는 예측으로 변환합니다. 이러한 모델은 특정 입력에 따라 변경되므로 기상학자는 필요에 따라 예측을 조정할 수 있습니다. 공중 보건 공무원도 질병 예측 및 감시를 위해 유사한 기술을 사용할 수 있습니다.