특대형 수퍼셀의 수퍼 시뮬레이션

수퍼셀 뇌우는 중심부에 강력하게 회전하는 상향기류를 지닌 거대한 폭풍이다. 토네이도 4~5개 중 하나가 수퍼셀 뇌우로 발전한다. 이들은 대부분 작지만, 일부는 엄청나게 커지기도 한다. 기상학자들은 위험해질 수 있는 수퍼셀 뇌우를 미리 골라내 더욱 정확한 경보를 하기 위해 토네이도의 형성과정을 더 잘 알고자 한다. 그러나 수퍼셀 뇌우와 이를 만들어내는 토네이도를 시뮬레이팅하려면 수백 테라바이트의 엄청난 데이터가 필요하다. 따라서 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스의 기상 과학자인 레이 오프는 이 데이터의 처리에 수퍼컴퓨터를 사용해야 했다. 이 데이터 중 일부는 폭풍의 크기(비슷한 수퍼셀 중에는 높이가 19km나 되는 것도 있다)에만 관한 것도 있다. 그러나 오프는 대부분의 연산능력을 세부 사항 기록과, 폭풍 전체의 고해상도 관측에 사용하고자 한다. 그는 2011년 중부 오클라 호마를 덮쳤던 실제 폭풍에 대한 관측 기록부터 시작했다. 그 다음 실물과 유사한 디지털 폭풍을 만들어 이를 최고해상도의 수퍼셀 시뮬레이션으로 돌려 보았다. 오프는 “우리는 처음으로 토네이도를 만드는 수퍼셀의 내부를 살펴 보았다. 그리고 그 발전 과정도 이제는 볼 수 있다”고 말했다.

디지털 외피 아래에는 : 이 폭풍은 진짜처럼 보이지만, 사실은 시뮬레이션으로 만든 사진일 뿐이다. 동그라미는 폭풍이 만들어진 토네이도를 보여주고 있다.(빨간동그라미 확대부분)

69,750
모델 폭풍의 부피

2011년 폭풍의 상태를 재현하기 위해 오프는 길이 120km, 너비 120km, 높이 20km의 가상 공간 3차원 블록 안에서 시뮬레이션을 설정했다. 그는 그 안에서 상승기류를 만들어내어 디지털 폭풍을 일으켰다. 이후 컴퓨터는 트위스터가 형성될 때까지 물리 법칙을 따라 움직였다.


1,839,200,000
데이터 포인트의 숫자

디지털 폭풍의 해상도를 가급적 높이기 위해, 오프는 가상 공간을 약 20억 개의 조각으로 나눴다. 그 대부분은 한 변의 길이가 30m 정도 되는 정육면체다. 수퍼컴퓨터는 이 모든 정육면체의 내부에서 풍속, 기온, 기압, 습도, 강수량 등의 변수를 시뮬레이션한다.


20,000
사용된 수퍼컴퓨터 코어의 갯수



이 모든 조각들을 시뮬레이션하려면 엄청난 크기의 컴퓨팅 파워가 필요하다. 일리노이 대학의 블루 워터스 수퍼컴퓨터의 코어(연산 장치) 80만 개 중에는 일부만 사용해도 되지만 말이다. 오프가 사용한 연산능력은 맥 프로 1,250개에 해당한다.

30
대략적인 컴퓨팅 시간

블루 워터스가 실제로 계산을 수행한 시간은 만 5일이 채 못 된다. 그러나 오프는 지난 2012년부터 이와 같은 시뮬레이션을 연구해 왔다. 그가 얻은 데이터는 400테라바이트에 달한다. 아이폰 3,000대 이상을 채울 수 있다. 이는 가장 자세한 토네이도 모델이기도 하다. 오프는 . “토네이도 내에서 무엇이 일어나는지 다 볼 수 있다”고 말한다.

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예측 풍속

이 시뮬레이션의 모델이 된 트위스터는 2011년 5월 24일에 발생했다. 수퍼셀 뇌우로 시작해 회전을 시작하더니 가장 강한 EF-5급 토네이도로 발전했다. 약 2시간 동안 이 토네이도는 폭 최대 1.6km, 길이 101km에 달하는 지역을 파헤쳤다. 토네이도는 지나가면서 나무를 뽑고, 자동차를 집어던지고, 181명을 부상 입히고 9명을 죽였다.



서울경제 파퓰러사이언스 편집부 / by Rob Verger