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[이지수 소장의 슈퍼컴퓨터 이야기] (32)슈퍼컴으로 재난재해 대비한다

입력 : 2015.03.20 12:04:19


유진상 기자

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우리나라는 여름철에 태풍, 장마, 집중호우 등으로 인한 물난리 위협에 항상 노출돼 있다. 기록적인 폭우로 하천이 범람해 마을이 침수라도 당하면, 강물이 줄어 물이 다 빠지기 전에는 피해를 파악할 수 조차 없어 마냥 기다릴 수 밖에 없다.
 
최근 들어 막강한 컴퓨팅 능력과 정확한 지리정보를 활용해 홍수 등 재난에 의한 피해를 예측하고 이에 대한 예방 및 대응책을 세우려는 노력들이 진행되고 있다. 

호주 연방과학원 CSIRO는 슈퍼컴퓨터를 이용해 홍수, 쓰나미 등 기상재난이 마을에 끼치는 피해를 상세하게 예측하는 프로그램을 개발했다. 특히 댐이 붕괴돼 범람한 물이 마을에 미치는 영향을 예측하는 프로그램은 1928년 미국 캘리포니아에서 발생해 600명의 목숨을 앗아간 St. Francis 댐 붕괴 시 상황을 정확하게 예측했다. 이들은 현재 중국 과학자들과 함께 후베이 성에 위치한 세계적 규모의 Geheyan 댐 붕괴 시 피해 예측을 수행하고 있다. 그 결과는 방재계획의 수립 및 유사시 방류량의 결정 등에 활용될 예정이다.
 

▲슈퍼컴으로 예측한 마을 침수: 호주 연방과학원은 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션으로 댐 붕괴 시 마을에 끼치는 피해를 예측했다(출처: 호주 CSIRO)

 
산불은 수 많은 인명 및 재산을 앗아가는 대표적 재해다. 지난 2012년 미국에서는 6만 7000여 건의 산불이 발생해 114억평의 면적이 소실된 바 있다. 진압에 소요된 비용만도 2조원이 넘는다. 이런 이유로 산불을 예방하고 이에 대응하는 기술이 지속적으로 개발/발전하고 있다.
 
최근 미국의 연구자들은 바람 등 대기의 움직임이 산불에 미치는 영향을 시뮬레이션 할 수 있는 프로그램을 개발했다. 기존에는 대략적인 기상정보를 이용해 산불을 예측했다. 하지만 1~2일 이후의 예측 정확도가 급격히 떨어진다는 문제점이 있었다.
 
이에 대응하기 위해 미 항공우주국의 위성 영상을 이용해 산불과 대기간 상호작용의 예측 정확도를 개선했다. 그 결과 기존 1킬로미터였던 해상도는 375미터로 대폭 향상됐고, 산불이 일단 발생하면 소멸될 때까지 지속적인 예측이 가능해져 산불진압에 효율적인 대응이 가능해 졌다. 
 

▲'Little Bear Fire' 산불 예측: 위성영상과 기상모형을 결합하여 슈퍼컴으로 예측한 산불은 실제 데이터와 정확하게 일치한다 (출처: 미 국립기상연구소)


실제 지난 2012년 미국 뉴멕시코에서 발생한 ‘리틀 베어 파이어(Little Bear Fire)’의 경우, 5일간 무려 5000만평을 불태웠는데, 이 때 이 시스템을 활용해 산불의 움직임을 보다 정확하게 예측할 수 있었다. 앞으로 효과적인 산불 진압은 물론, 소방관들의 인명피해도 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
 
슈퍼컴퓨터는 또 오래 전 일어난 자연재해를 연구하는 데에도 활용되고 있다. 영화 ‘투모로우’에서는 따뜻한 북대서양 해류의 흐름이 중단되면서 뉴욕에 빙하시대가 시작되는 장면이 있다. 이러한 일이 실제로 일어날 수 있을까?

이와 유사한 일은 마지막 빙하기가 끝나가던 기원전 1만 3000년 신드라이아스기(Younger Dryas Period)가 대표적이다. 신드라이아스기는 1200년이라는 기간 동안에 발생했는데, 그 정확한 원인은 학계의 오랜 논란이 되어왔다.

▲슈퍼컴이 밝혀낸 기후의 비밀: 캐나다 메켄지 계곡에서 유입된 담수가 신드라이아이스기의 원인임을 밝혀냈다 (출처: 미 로렌스버클리국립연구소)


과학자들은 많은 양의 담수가 북대서양 지역 대순환(Conveyer Belt)으로 유입돼 신드라이아스기를 일으켰다고 믿고 있다. 하지만 그 근원에 대해서는 명확한 해답이 없다. 하지만 미국의 과학자들은 슈퍼컴퓨터를 활용해 캐나다 매켄지 계곡에서 녹은 빙하가 북극으로 유입되는 과정을 밝혀내 오랜 논란의 종지부를 찍었다. 이를 위해 18km 격자 규모의 고해상도 시뮬레이션이 수행됐는데, 미 에너지성 슈퍼컴퓨터 후퍼(Hopper, Top500기준 세계 44위)를 활용했다.
 
지구 밖으로부터 닥쳐오는 재해도 있다. 태양에서 출발한 고에너지 입자 폭풍이 우주공간을 넘어 지구에 도달하는 ‘우주기상(space weather)’은 우리 생활에 많은 영향을 미치고 있다.

실제 캐나다에서는 1989년 강력한 우주폭풍으로 수백만 달러 규모의 변압기가 파괴돼 수천 명의 사람이 정전을 경험한 바 있다. 또 1998년에는 미국 갤럭시(Galaxy)4호 위성이 우주폭풍으로 파괴돼 신용카드 결제 및 80%의 호출기가 불통되는 사태가 발생했다. 우주인은 물론 항공기 승무원과 승객들도 운항 중 방사선 노출을 최소화하기 위해 우주기상을 모니터링 하고 있다
 
우주기상 예측을 위해서는 태양 주위 코로나의 움직임에 대한 정확한 계산이 필수적이다. 이를 위해서는 고온에서 이온의 움직임을 기술하는 MHD 방정식을 풀어야 하는데, 이에는 대규모의 컴퓨터 용량이 필요하다. 미국 SAIC사는 오랜 노력으로 코로나의 2차원 지도를 세계 최초로 완성하였다. 이 지도는 2006년에 일어난 개기일식 때의 관측으로 검증되었다.
 
그러나 우주기상의 정확한 예측을 위해서는 3차원적 움직임에 대한 연구가 필수적이다. 이를 위해서 2000만개의 격자점으로 이뤄진 거대 규모의 계산을 슈퍼컴퓨터로 수행해 코로나의 3차원 지도를 완성하고 있다.

 

[이지수 소장 약력]
-미 보스턴대학 물리학 박사
-독일 국립슈퍼컴센터 연구원
-한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼컴퓨팅센터 센터장
-사단법인 한국계산과학공학회 부회장
-Journal of Computational Science 편집위원
-(전) KISTI 국가슈퍼컴퓨팅연구소 소장
-(현) KISTI 책임연구원



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