구름 보는 기상위성으로 바람과 비도 볼 수 있어요

유희동

기상청장

단군 신화를 보면 널리 인간을 이롭게 하고자 환웅이 비와 바람, 구름을 다스리는 신선과 함께 지상으로 내려왔다는 내용이 있다. 이처럼 비와 바람, 구름은 우리의 생활에 큰 영향을 주는 요소로 매우 중요하다. 바람이 수증기를 모아 구름을 만들고, 구름이 두꺼워져 눈과 비가 만들어지는 일련의 날씨 과정에서 기상위성은 구름을 관찰하는 역할을 해왔다. 현대에는 비와 바람 정보를 담은 기상위성 영상을 생산할 수 있게 돼 기상위성을 활용한 날씨 현상의 전체 과정 파악이 가능하게 됐다.

기상위성이 구름을 관찰하는 과정은 다음과 같다. 구름과 지면에서 우주로 쏘아지는 전파를 기상위성이 감지해 구름 꼭대기와 지면의 온도를 파악하고, 그 온도에 대응되는 고도를 계산하여 구름을 표현한다. 온도가 낮은 구름은 흰색으로 표시해 높은 구름을 나타내고, 높은 온도의 구름은 정도에 따라 회색이나 검은색으로 표시해 낮은 구름 또는 지면 상태를 나타낸다. 이러한 기준으로 천리안위성 2A호의 16개 전파 대역에서 탐지되는 온도 분포를 가공해 구름 정보 관련 영상을 생산한다.

풍향·풍속계를 사용하는 지면 근처의 바람 관측과 달리, 관측시설을 설치할 수 없는 공중의 바람은 12시간마다 지상에서 존데를 띄워 바람에 날려가는 상태를 관찰하거나, 지상에서 상공으로 전파를 쏘아 되돌아오는 전파의 도플러 효과를 이용하거나, 항공기가 관측하는 바람 정보를 이용한다.

기상위성은 구름이 움직이는 모습을 관찰해 공중의 바람 정보를 알 수 있다. 천리안위성 2A호의 구름 영상은 지구 전체 영역은 10분, 한반도 지역은 2분 간격으로 만들어지며, 이 기간에 구름이 움직인 거리를 계산해 추정된 공중의 바람은 구름 고도에서의 바람으로 간주돼 공기의 상승과 하강 파악에 도움을 준다.

지상에서 존데를 활용한 공중의 바람 관측은 관측 주기가 길고 관측지점 사이의 거리도 수백 km로 급하게 변동하는 바람의 방향과 속도 등의 수집 정보가 제한적이다. 하지만 위성 영상을 활용해 산출한 바람 정보는 10분마다 생산할 수 있어 연속적인 바람 정보를 확인할 수 있다. 더욱이 위성자료는 수치예보 모델에 현재의 대기 상태로 입력돼 슈퍼컴퓨터가 현재의 기상 상태를 파악하며 미래의 기상 상태를 예측하는 데에도 활용된다.

지상으로 떨어진 비의 양은 강우량계를 사용해 측정하고, 공중에 떠 있는 비의 세기는 기상레이더가 비구름을 향해 전파를 쏘아 보내고, 비구름 속의 빗방울과 얼음 알갱이들이 그 전파를 머금다가 되쏘는 정도를 탐지한다. 기상위성 중에서는 기상레이더와 같이 우주에서 비구름에 전파를 쏜 후에 되돌아오는 전파의 강도를 탐지해 비의 세기를 측정하는 강우 관측 위성이 있다.

천리안위성 2A호는 적도 상공 3만6천km 높이에 위치하기에, 800km 높이의 저궤도 강우 관측 위성의 한계를 보완해 연속성을 가진 비의 세기를 파악할 수 있다. 강우 관측 위성이 측정한 비의 세기와 천리안위성 2A호가 파악한 구름 꼭대기의 온도 사이의 관계를 분석해 강우 관측 위성이 탐지하지 못한 지역과 시간대의 비의 세기를 추정하는 것이다. 강우 관측 위성이 측정한 비의 세기와 천리안위성 2A호가 파악한 구름 꼭대기 온도 분포 사이의 관계는 현재 통계적인 상관성을 계산해 도출하며, 최근에는 인공지능을 활용하는 기술이 개발되고 있다.

기상위성을 활용하면, 기상관측 시설을 설치하기 어려운 바다나 인적이 드문 지역에서 소규모로 발생하는 날씨의 분석에 큰 도움이 된다. 기상청은 다가오는 집중호우와 태풍의 시기에 기상위성을 활용해 기상현상을 더욱 정교하게 분석하며 정확한 예보를 통해 국민의 안전 확보에 이바지할 것이다.