Temporal and spatial scales of extremes of daily tropical rainfall : the example of Thailand (1979-2024)

날씨라는 이름의 와일드카드: 비를 예측하기 어려운 이유

폭풍우 속에서 그물로 특정 빗방울 하나를 잡으려고 시도한다고 상상해 보세요. 과학자들이 극한 강우를 연구할 때 하는 일이 대략 이와 같습니다. 비는 단순히 꾸준히 내리는 이슬비가 아닙니다. 그것은 때때로 거대한 조직적 체계(마치 활활 타오르는 모닥불처럼)로 뭉쳐지는 작고 수명이 짧은 뇌우(마치 개별적인 불꽃처럼)들의 혼란스러운 조합입니다. 기상학이라고 알려진 이 연구 분야는 이러한 "불꽃"과 "모닥불"이 공간과 시간 속에서 어떻게 행동하는지를 이해하려고 노력합니다.

이 혼란을 이해하기 위해 연구자들은 몇 가지 핵심 도구를 사용합니다. 첫째, 그들은 경주 순위를 매기는 것과 같은 **백분위수(percentiles)**를 살펴봅니다. "비가 얼마나 내렸는가?"라고 묻는 대신, "이 날이 다른 모든 날보다 99% 더 습했는가?"라고 묻습니다. 이는 특정 지역에 보통 어느 정도의 비가 내리는지에 휘둘리지 않고 진정한 극한 상황을 포착하는 데 도움이 됩니다. 둘째, 그들은 **공간 척도(spatial scales)**를 측정합니다. 이는 단순히 "여기에 폭우가 쏟아진다면, 얼마나 멀리 떨어진 곳까지도 함께 쏟아지는가?"라고 묻는 세련된 방식입니다. 비가 아주 작고 고립된 웅덩이를 만드는 것인지, 아니면 도시 전체를 뒤덮는 거대한 홍수를 만드는 것인지를 묻는 것입니다. 마지막으로, 그들은 **시간 척도(temporal scales)**를 확인합니다: "이 폭풍은 한 시간 동안 지속되는가, 아니면 며칠 동안 계속 내리는가?" 이러한 패턴을 이해하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 극한의 비는 돌발 홍수를 일으키고, 농작물을 파괴하며, 삶을 중단시킬 수 있기 때문입니다. 우리가 이 폭풍들이 얼마나 크게, 그리고 얼마나 오래 지속될지 예측할 수 있다면, 더 나은 도시를 건설하고 최악의 상황에 대비할 수 있습니다.

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태국의 위대한 비 추적

이 연구에서 과학자 팀은 태국의 비를 추적하는 탐정 놀이를 하기로 했습니다. 그들은 가장 거칠게 몰아치는 폭우가 정확히 얼마나 크고 얼마나 오래 지속되는지 알아내고 싶었습니다. 그들은 단순히 추측하지 않았습니다. 1979년부터 2024년까지 46년을 아우르는 방대한 데이터셋을 살펴보았습니다. 가장 정확한 그림을 얻기 위해 그들은 두 가지 유형의 "강우 탐지기"를 사용했습니다. 첫 번째는 전국에 흩어져 있는 75개의 실제 강우계 네트워크였습니다. 이는 실제 물을 받아내는 물리적인 양동이입니다. 두 번째는 위성과 기상 패턴을 사용하여 국가 전체의 강우량을 추정하는 세 가지 고성능 컴퓨터 모델(MSWEP, CHIRPS, ERA5라고 불림)의 집합체였습니다.

연구진은 "ExtD"(극한 일강수량)를 찾고 있었습니다. 그들은 이 날들을 다른 모든 날보다 90%, 95%, 99%, 또는 심지어 99.9% 더 습한 날로 정의했습니다. 이것을 상위 10%, 상위 5%, 상위 1%, 그리고 매우 드문 상위 0.1%의 비 오는 날을 찾는 것이라고 생각하면 됩니다. 그들은 다음과 같이 질문했습니다: 이러한 극한의 날들은 얼마나 떨어져서 발생하는가? 이들은 단 하루 동안 지속되는가, 아니면 일주일 동안 머무는가? 그리고 가장 중요한 것은, 컴퓨터 모델이 실제 강우계만큼 명확하게 이러한 극한 상황을 포착할 수 있는가?

결과: 비는 더 작고, 짧으며, 점점 더 거칠어지고 있다

연구팀이 발견한 내용은 다음과 같으며, 컴퓨터 모델에는 몇 가지 사각지대가 있다는 사실이 드러났습니다.

1. 컴퓨터 모델의 "픽셀" 문제
과학자들은 컴퓨터 모델이 일반적인 날씨를 예측하는 데는 대체로 능숙하지만, 정말로 거친 상황에는 어려움을 겪는다는 것을 발견했습니다. 실제 강우계가 엄청난 폭우를 기록했을 때, 컴퓨터 모델은 종종 "오, 그건 그냥 강한 소나기였을 뿐이야"라고 말하곤 했습니다. 모델들은 가장 극단적인 날에 내린 비의 양을 과소평가하는 경향이 있었습니다.

왜 그럴까요? 저해상도 카메라로 찍은 사진을 상상해 보세요. 작은 밝은 불꽃을 확대하면 카메라는 그것을 흐릿하게 만들어 뭉툭하고 더 큰 빛으로 보이게 합니다. 마찬가지로, 컴퓨터 모델은 세상을 격자(화면의 픽셀과 같은)로 나누기 때문에, 작고 강렬한 비의 분출을 부드럽게 뭉개버립니다. 실제 강우계는 극한의 비가 종종 매우 국지적이라는 것, 즉 어떤 곳에서는 발생하지만 10km만 떨어져 있어도 발생하지 않을 수 있다는 것을 보여주었습니다. 그러나 모델들은 그 비가 훨씬 더 넓은 지역을 덮는 것처럼 보이게 만들었습니다.

2. 폭풍의 크기는 얼마나 큰가?
연구팀은 **e-folding 거리(e-folding distance)**라는 것을 사용하여 이러한 폭풍의 "크기"를 측정했습니다. 이는 세련된 방식으로 다음과 같이 묻는 것입니다: "같은 극한의 비를 볼 확률이 약 37%로 떨어질 때까지 얼마나 멀리 이동해야 하는가?"

• "보통 수준"의 극한 상황(상위 10%의 비 오는 날, 즉 p90)의 경우, 실제 강우계는 이러한 폭풍이 보통 지름 약 77km의 원형 범위를 덮는다는 것을 보여주었습니다.
• 매우 드문 "괴물" 폭풍(상위 0.1%의 날, 즉 p99.9)의 경우, 실제 폭풍은 매우 작았습니다! 연구팀은 이들이 너무 작고 고립되어 있어 강우계들이 서로 너무 멀리 떨어져 있었기 때문에 구체적인 크기를 측정할 수조차 없었습니다.
• 그러나 컴퓨터 모델은 이러한 폭풍들이 거대하다고 계속 주장했습니다. 괴물 폭풍의 경우, 모델들은 이 폭풍이 최대 274km 너비의 영역을 덮는다고 추측했습니다. 모델들은 실제로는 작고 강렬한 불꽃 하나가 있는 곳에서 거대한 구름을 보고 있었던 셈입니다.

3. 비의 "한 번 오고 마는" 특성
연구진은 또한 이러한 극한의 날들이 얼마나 오래 지속되는지도 확인했습니다. 그들은 대부분의 극한 강우일이 "시간적으로 고립되어" 있다는 것을 발견했습니다.

• "보통" 극한의 날 중 약 **55%**는 전날이나 다음 날에 유사한 비가 내리지 않는 단독 사건으로 발생합니다.
• "괴물" 폭풍(p99.9)의 경우, **90%**가 고립된 단일일이었습니다.
• 설령 이러한 극한의 날들이 습한 기간의 일부라 할지라도, 그 기간이 그리 길어지지는 않았습니다. 상위 0.1% 임계값에 도달하는 폭풍이 온다고 해서 반드시 일주일 내내 비가 온다는 뜻은 아닙니다. 컴퓨터 모델은 이를 과대평가하여, 폭풍이 실제보다 더 오래 지속되는 것처럼 제시하는 경향이 있었습니다.

4. 비는 점점 더 강렬해지고 있다
마지막으로, 팀은 1979년부터 2024년까지의 장기적인 추세를 살펴보았습니다. 그들은 명확한 신호를 발견했습니다: 강우가 강화되고 있습니다.

• 태국의 총 강수량은 급격하게 변하지 않았고, 비 오는 날의 수도 늘어나지 않았습니다.
• 하지만, 극한의 날들이 발생하는 빈도는 치솟고 있습니다. 상위 95%와 99% 임계값에 도달하는 날의 수는 평균 강수량보다 더 빠르게 증가하고 있습니다.
• 이는 비가 더 자주 내리는 것은 아닐지라도, 일단 비가 내릴 때는 훨씬 더 세차게 내리고 있음을 시사합니다.
• 흥미롭게도, 컴퓨터 모델은 이 추세를 포착하는 데 어려움을 겪었습니다. ERA5 모델은 이러한 강화 현상을 꽤 잘 보여주었지만, MSWEP 모델은 이를 정확하게 포착하지 못했습니다. 실제로 가장 희귀한 폭풍(p99 및 p99.9)에 대해 MSWEP는 음의 추세를 보여, 극한의 비가 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 관측된 현실과 모순됩니다. 이는 우리가 기후 변화가 폭풍을 어떻게 악화시키는지 연구하고 싶다면, 아무 컴퓨터 모델이나 믿어서는 안 되며, 어떤 모델을 사용할지 매우 주의해야 함을 알려줍니다.

결론

이 연구는 우리가 극한 날씨를 추적하는 방식에 대한 현실 점검입니다. 실제 비는 우리의 가장 뛰어난 컴퓨터 모델이 시사하는 것보다 훨씬 더 혼란스럽고, 국지적이며, 짧게 지속된다는 것을 보여줍니다. 모델들은 가장자리를 흐릿하게 만들어 폭풍을 실제보다 더 크고 길게 보이게 만드는 경향이 있습니다. 모델들은 일반적인 날씨에는 훌륭하지만, 가장 많은 피해를 주는 진짜 "괴물" 폭풍을 포착하는 데는 어려움을 겪습니다.

가장 흥激한 시사점은 추세입니다: 태국은 이러한 강렬하고 고립된 폭우를 더 많이 목격하고 있습니다. 비는 단순히 더 세게 내리는 것이 아니라, 그 극한의 상황이 새로운 일상이 되고 있습니다. 과학자들이 언급했듯이, 이는 장기적인 강우 강화 현상을 시사하며, 이는 온난화되는 지구로부터 예상되는 패턴과 일치합니다. 하지만 이를 명확하게 보기 위해서는, 컴퓨터 화면의 부드럽게 처리된 그림보다 지상의 진실, 즉 실제 강우계를 더 신뢰해야 합니다.