미국 기상학자들, 안개 감지에 머신러닝 도입
공항 上空의 안개와 낮게 깔린 층운은 위험한 비행 조건을 만들어 값비싼 지연과 일정 차질로 이어질 수 있습니다.
미국 국립기상청(NWS) 사무소들은 안개와 저층운이 형성되기 좋은 조건일 때 이를 모니터링하고 경보를 발령합니다. 항공사들은 이 경보를 활용해 상황을 예측하고, 지연을 막으며, 필요할 경우 항공편의 경로를 변경합니다.
이제 NWS(국립기상청)는 이러한 경보를 돕기 위해 새로운 안개 감지 소프트웨어를 사용하고 있습니다. 이 소프트웨어는 위스콘신-매디슨 대학교의 위성기상연구공동연구소(CIMSS)와 NOAA(미국 해양대기청) 과학자들이 개발했습니다.
이 소프트웨어(위성 제품으로 알려져 있음)는 CIMSS와 NOAA가 10년 넘게 협력한 결과물입니다. GOES-East, GOES-West 등 NOAA의 기상위성에서 거의 실시간으로 수집되는 데이터에 머신러닝 기법을 적용해, 하루 24시간 상황을 모니터링하고 안개 가능성에 대한 경보를 발령합니다.
“2020년 말 기준으로 GOES-R 안개 및 저층운 제품은 전국 NWS 사무소에서 완전히 가동되고 있습니다. 이 제품은 알래스카 우트키아그빅부터 플로리다 키웨스트까지 위험한 안개 상황을 24시간 모니터링합니다.”
안개는 지표 근처에 구름이 형성되어 가시거리가 1킬로미터 미만으로 떨어질 때 발생합니다. 아침 출근길이나 창밖을 보면 안개를 쉽게 알아볼 수 있지만, 넓은 지역에 걸친 안개 영역의 크기를 파악하는 것은 여전히 어려운 과제이며, 특히 위성 관측에서는 더욱 그렇습니다.
이전의 안개 감지 시스템은 가시광선과 적외선 위성 데이터를 비교하는 방식을 사용했지만, 안개 위에 다른 구름이 없는 조건에서만 주로 작동했습니다. 게다가 이전 방식은 반사된 태양광으로 인한 간섭 때문에 야간에만 사용할 수 있었습니다. 또한 더 큰 빗방울과 얼음 결정을 포함하는 뇌우와 달리, 안개는 레이더에 잡히지 않을 만큼 훨씬 작은 물방울로 이루어져 있습니다.
“시스템을 개선하기 위해 우리는 수치 기상 예측 알고리즘에서 사용되는 다른 대기 데이터를 포함시켰습니다. 이를 통해 영상의 각 픽셀을 평가하고 안개 존재 확률과 강도를 산출하여 해당 지역의 안개 유형을 파악하는 데 도움이 됩니다.”
이 제품은 안개 존재 여부를 파악하는 것 외에도, 매년 수백만 달러의 손실을 야기하는 항공편 지연을 항공사가 피하는 데 도움을 줍니다. 연방항공청(FAA)의 분석에 따르면 2008~2013년 항공편 지연의 약 70%가 날씨 때문이었으며, 이는 실질적인 비용으로 이어집니다. 지연 1시간당 항공사에 드는 비용은 항공편당 1000달러에서 4000달러에 이릅니다.
GOES-R 안개 제품은 항공 산업의 요구에 맞춰 개발되었으며, 항공기 종류에 따라 요구 사항이 서로 다릅니다. 예를 들어 소형 항공기는 대형 여객기에 있는 고급 장비가 부족하기 때문에 날씨와 관련해 다른 규칙 체계에 의존합니다. 안개 제품은 두 종류의 항공기 모두에 대해 위험한 조건을 판별하며, 전국적인 경보에 활용되어 값비싼 지연을 피하고 항공 운송을 더 안전하게 만들 수 있습니다.
“여행하는 사람들은 이 제품의 기원이나 그 이면에서 무슨 일이 일어나는지 모를 수 있습니다. 하지만 이는 대학과 정부의 이러한 협력으로 대중이 어떻게 이익을 얻는지를 보여주는 훌륭한 사례입니다.”
날씨가 가장 큰 지연 원인인 이유는 영향을 받는 자원에 수요가 과도하게 몰리기 때문이며, 자원 용량이 무제한이더라도 수요 과잉으로 발생하는 물량이 지연의 19%를 차지합니다. 장비 고장은 1%, 활주로 이용 불가는 6%, 그리고 '기타' 요인이 나머지 5%를 차지합니다. 이러한 지연 통계에는 항공사, 에어택시, 일반 항공, 군용 항공기가 포함됩니다.
항공 교통 지연을 일으키는 날씨 유형은 연중 달라지며, 국가 내 지리적 지역에 따라서도 다릅니다. 날씨로 인한 지연과 전체 지연의 정점은 5월, 6월, 7월에 나타나며(날씨 지연은 약 6700건에서 7800건 이상, 전체 지연은 9000건에서 9500건), 3월, 4월, 10월, 11월, 12월에도 날씨 지연이 상당합니다(3500건에서 5400건).
NextGen Weather(연방항공청 프로그램)는 기상 현상 중 전술적·전략적 항공 교통 관리를 지원하는 항공 기상 제품을 제공하며, 승객의 지연을 최소화하고 비행 안전을 높이는 데 도움을 줍니다.
교통 흐름 관리자는 여러 조치를 취할 수 있습니다. 예를 들어 날씨 상황에 따라 지역적으로 교통을 우회시키거나, 도착 공항 근처에 있을 때 날씨가 없는 도착 경로로 비행기를 유도하거나, 날씨가 개일 때까지 대기 패턴에 넣어 도착을 지연시킬 수 있습니다.
