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최종편집 2021-05-07 18:12 (금)
'3차원 자료해석법 개발’ 김광열 서울대 교수, 학계 스타 부상
'3차원 자료해석법 개발’ 김광열 서울대 교수, 학계 스타 부상
  • 윤구현 기자
  • 승인 2021.05.03 17:08
  • 댓글 0
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기존 2차원 해석법 한계 극복...지구과학계 핵심 분석 툴로 부상
몬순 엘리뇨...전지구적 자연현상 정확하게 설명하고 예측
자연과학 넘어 사회과학 분야서도 활용...”응용분야 무궁무진“
서울대 김광열 교수가 직접 개발한 CSEOF를 통해 어떤 기작에 의하여 적도 태평양 온도의 시간적 변화가 일어나는지 보여주고 있다 (2000년 발표 논문). 이 방법이 나오기 전까지는 2차원적인 자료를 통해 자연현상을 정적으로 분석하는 바람에 현실세계를 정확하게 분석하는데 한계가 있었다. [사진 = 윤구현기자]
서울대 김광열 교수가 직접 개발한 CSEOF를 통해 어떤 기작에 의하여 적도 태평양 온도의 시간적 변화가 일어나는지 보여주고 있다 (2000년 발표 논문). 이 방법이 나오기 전까지는 2차원적인 자료를 통해 자연현상을 정적으로 분석하는 바람에 현실세계를 정확하게 분석하는데 한계가 있었다. [사진 = 윤구현기자]

【뉴스퀘스트=윤구현 기자】 2015년 겨울 미국 샌프란시스코에서 열린 전미지구과학학회(American Geophysical Union)에 참석 중이던 서울대 지구환경과학부 김광열 교수는 뜻밖의 제안을 받았다. 동시베리아 지역 순록의 생태를 연구한다는 핀랜드 라플랜드(Lapland) 대학의 포브즈(Forbes) 교수로부터 공동연구 제안을 받은 것이다.

유체역학을 전공하는 김 교수와는 전혀 다른 분야인 생태학자로부터 공동연구 제안을 받을 정도로 김 교수의 학문적 성과가 국제적으로 인정받고 있음을 체감할 수 있는 순간이었다.

포브즈 교수는 동시베리아 순록이 북극해 해빙이 녹는 현상 때문에 떼죽음을 맞는 현상을 연구하고 있는데, 김 교수의 논문에서 큰 영감을 받았던 터였다. 포브즈 교수는 “현장에서 조사한 설상강수(rain-on-snow) 자료와 김 교수 논문에서 규명된 해빙 손실 현황이 정확히 일치했다”며 “동시베리아 순록 생태학에 미치는 북극해빙손실의 영향을 함께 연구하자”고 했다.

김 교수는 세계 최초로 만든 시공간 패턴 분석법을 통해 북극 바랜츠-카라해 지역 해빙 손실을 정확하게 기술해 발표한 바 있었다. 즉 해빙 손실로 인한 겨울 강수량 증가로 동시베리아 지역에 두터운 얼음이 만들어져 사슴들이 마른 풀을 파먹을 수 없게 됐는데, 해빙 손실의 영향을 김 교수는 스스로 고안한 분석틀을 이용해 정확하게 제시했던 것이다.

학자들은 EOF(Empirical Orthogonal Function, 선험직교함수)라는 공간분석법을 이용해 해양이나 대기 변수에 보이는 주된 공간 패턴을 추출하고, 그 각각에 물리학적, 역학적 의미를 부여해 왔다.

하지만 공간 패턴을 이용한 분석에서는 물리 역학적 요인을 이해하기가 어려웠던 게 사실이다. 이에 김 교수는 1996-1997년 시간 차원을 추가해 시공간 분석법인 CSEOF(Cyclostationary Empirical Orthogonal Function, 주기정상적 선험직교함수) 기법을 개발했다.

공간 분석법에 시간 개념을 추가함으로써 자연현상을 보다 정확하게 이해하는데 결정적 전기가 마련된 셈이다.

이후 김 교수의 새로운 분석 틀은 서서히 대기, 해양 분야를 중심으로 자리잡기 시작했다. 몬순(계절풍)의 경우, 기존 분석법에서는 장마전선이 움직이는 걸 볼 수가 없었지만 CSEOF 기법을 적용하면 시간의 흐름에 따라 장마전선이 움직이는 걸 한 눈에 볼 수 있게 됐다.

이를 통해 몬순에 영향을 미치는 습도, 바람, 태양열 등이 시간 별로 어떻게 영향을 미치는지 일목요연하게 파악할 수 있게 됐다.

김 교수 기법이 세계적으로 인정을 받게 된 계기는 엘니뇨 현상에 대한 분석이었다. 적도 부근 동태평양 해역에서 발생하는 이 이상고온 현상은 태평양 적도대에 국한되지만 해양-대기 상호작용에 따라 페루인근에서 발생한 엘니뇨 현상이 미국이나 아시아에 홍수나 가뭄으로 연결된다. 가히 ‘신의 아들’다운 스케일이다.

지구과학자 뿐만 아니라 과학계 전반을 넘어 미국 대기해양국(NOAA)나 우주항공국(NASA) 등 정부 기관에서도 촉각을 곤두세우는 이유다.

엘니뇨 현상에 대해 학계에서 여러 요인들에 대한 분절적 분석이 있어 왔는데, 새 기법에 따라 여러 기작들의 영향을 한 눈에 파악할 수 있기 때문에 정확한 분석과 예측이 가능해 졌다.

즉 시공간 패턴을 일목요연하게 보면서 기작들에 대해 정확히 이해하게 됨으로써 현상에 대한 분석에 있어 획기적 발전을 이룬 것이다. 자연현상이 어떻게 시작해서 어떻게 끝나는지를 보다 더 실제적으로 이해할 수 있게 됐기 때문이다.

□ 기존 분석 틀에 대한 회의가 CSEOF 개발로 이어져

경기고와 서울대 해양학과를 졸업한 뒤 미국 텍사스A&M대학에서 박사학위를 마치고 연구교수로 재직중이던 김 교수는 기존 EOF를 쓰면서 설명이 안되는 게 너무 많다고 느끼던 차였다. 마침 같은 대학의 제랄드 노스 교수로부터 CSEOF를 만들고 싶다는 제안을 받고 연구에 나서 CSEOF의 이론적 틀을 만들었다.

하지만 처음 세상에 내놓았을 때 학계의 반응은 싸늘했다. 수십년 동안 기존의 분석 틀로 내놓은 연구 결과들이 흔들릴 판이었으니 어찌보면 당연한 일이었다.

2015년 엘니뇨 현상에 대한 NASA와 김 교수 팀의 예측이 엇갈리면서 김 교수의 분석 틀은 결정적 전기를 맞게 된다. 기존 분석 틀에 의해 NASA는 “올해 엘니뇨는 매우 강력한 슈퍼 엘니뇨가 될 것”이라고 예측한 반면 김 교수는 “새로운 분석 기법을 통해 분석해 보니 평범한 엘니뇨에 그칠 것으로 보인다”고 예측했다. 결과는 김 교수의 완벽한 승리였다. CSEOF의 유용성이 입증된 것이다.

서울대 김광열 교수가 직접 펴낸 교과서에 수록된 CSEOF 분석에 관한 연습문제를 담은 DVD세트를 설명하고 있다. 학생들은 이 DVD에 담긴 문제들을 풀어 보면서 분석기법에 익숙해지게 된다. [사진 = 윤구현기자]
서울대 김광열 교수가 직접 펴낸 교과서에 수록된 CSEOF 분석에 관한 연습문제를 담은 DVD세트를 설명하고 있다. 학생들은 이 DVD에 담긴 문제들을 풀어 보면서 분석기법에 익숙해지게 된다. [사진 = 윤구현기자]

□ 활용 범위는 무궁무진

학계가 김 교수의 분석 틀에 주목하는 이유는 자연과학, 사회과학 등 거의 모든 분야에서 CSEOF가 결정적 자료를 만들어 줄 수 있기 때문이다.

해양 대기 분야는 두 말할 나위가 없다. 미국 제트추진연구소 벤자민 햄링턴 박사의 경우 CSEOF 기법을 이용해 지난 100년간 해수면 높이를 산출해 냄으로써 학계의 기린아로 떠올랐다.

CSEOF의 효용성은 사회과학 분야에서도 빛을 내고 있다.

예를 들어 CSEOF는 지하철 전체 역의 승객 숫자를 시간대별로 한 눈에 보여주는데, 이를 통해 배차시간 등을 정확하게 조절할 수 있다.

서울대 환경대학원 한 학생은 김 교수로부터 강수 자료 분석을 지원받아 향후 50년간의 강수전망과 이에 대한 대비책을 논문화 했다.

김 교수는 “처음 이 기법을 내놓았을 때 미국 주류 학계의 거부감이 컸었다”며 “지금은 이 기법을 찾는 학자들이 늘고 있어 보람을 느낀다”고 말했다.

그는 “우리나라는 미국이나 서구 국가들에 비해 연구 인력이나 자본 측면에서 많이 부족하다”며 “우리가 잘 할 수 있는 분야를 찾아서 외국보다 한 발 앞서가는 전략이 필요하다”고 이 새로운 분석법의 중요성을 지적했다.

다음은 김 교수와의 일문일답.

- 교수님의 업적인 CSEOF는 자료 분석 분야의 획기적인 쾌거다. 어떻게 개발하게 됐는지 설명해 달라.

해양학이나 기상학은 유체역학에 근간을 둔 학문이다. 대기나 해양에서 일어나는 복잡한 유체 현상을 이해하는 게 결코 쉬운 일이 아니다. 이론적 접근은 매우 한정돼 있고 어렵다. 대기나 해양자료에는 여러 가지 요인에 의한 유체 운동이 중첩돼 나타나기 때문에 각각의 요인을 이해하려면 자료분석을 통해 독립적인 요인을 분리하는 게 필요하다.

이런 목적하에 기존의 연구에서는 EOF라는 공간분석법을 이용했다. EOF를 이용해 해양이나 대기 변수에 보이는 주된 공간 패턴을 추출하고 그 각각에 물리학적, 역학적 의미를 부여하는 것이다. 하지만 공간 패턴 하나를 갖고 물리, 역학적 해석을 하는 게 쉽지 않은 일이다.

해서 1996-1997년 시간 차원을 더해 시공간 분석법인 CSEOF 기법을 개발하게 됐다. 기작의 시공간 변화를 분석해 해양과 대기 현상의 정확한 물리, 역학적 설명이 가능하게 된 것이다.

- 교수님은 많은 논문을 쓰신 것으로 알려졌다. 지금까지 130여 편의 논문을 게재했다. 대부분 상위 10-20%에 들어가는 저널에 실렸다. 구글(google scholar citations)에 의하면 김 교수님 논문은 4800여 번 인용됐고 2016년 이후로만 1850번 인용돼 연간 350번 정도 인용됐다. 학자로서의 성취에 대한 소감은?

내가 해양학 및 기상학을 시작할 때 한국은 이 분야의 불모지나 다름이 없었다. 그런 상태에서 이런 성과를 만든 스스로에 대해 자긍심을 갖고 있다. 논문의 숫자나 인용횟수도 중요하지만 끊임없이 새로운 각도로 현상을 해석하려고 노력했다. 그 결과 대기와 해양에서 일어나는 현상에 대해 더 진전된 해석을 내놓을 수 있게 됐다.

가장 큰 자부심은 나만의 학문의 세계를 만들었다는 점이다. 기존 분석에 만족하지 않고 CSEOF라는 좋은 분석법을 만들어서 세상에 알리고 꽃을 피웠다는 것이 학자로서의 가장 명예로운 성취라고 할 수 있다.

- 기존 학계로부터 시기와 공격이 있었는데.

새로운 것을 만들면 기존의 것을 고수하려는 큰 세력과의 보이지 않는 싸움이 일어난다. 그러나 이제는 지구과학이나 공학 분야에서 새 분석법에 관심을 갖고 바라보고 있다. 도대체 그 안에 무엇이 들어있는지 궁금해 하고 있다.

15년간의 긴 싸움에서 1대 10 아니 1대 100의 공격을 이겨내고 이제 고지 가까이에 와 있다고 생각한다.

- 학문 후속 세대 양성에 관심이 많다고 들었는데 어떤 관심인가?

학생을 가르치는 일에 관심이 많아 더 좋은 직장을 마다하고 학교에 왔다. 학생들에게 배움의 즐거움과 연구의 매력을 가르치려 노력한다. 학생들에게 배움의 즐거움을 주기 위해 그들보다 훨씬 더 많은 시간을 강의에 투자했다. 또한 학생들과 함께 연구하면서 그들이 스스로 연구의 매력을 발견할 수 있도록 돕고 있다.

2009년 서울대 부임부터 지금까지 내가 지도한 학생의 논문은 총 37편이며 그 중 학생이 주저자인 논문은 27편에 달한다. 박사 졸업생 5명 중 4명이 최우수 논문상 후보에 올랐으며 그 중 2명이 상을 수상하였다.

특히 학부생 지도에도 관심이 많아 총 6편(5편이 학부생 주저자)의 SCI 논문을 게재하였다. 서울대학교 자연과학대학 여름/겨울 캠프를 통하여 고등학생들에게도 지구과학을 소개하고 있다.

- 2009년 서울대에 부임한 이후 발간한 3권의 책에 대해 소개해 달라.

2014년 출간한 Fundamentals of Fluid Dynamics는 학부 학생들과 대학원생들에게 유체역학의 기본적인 지식을 전달하기 위해 집필하였다. 한국학술원에서 2015년 우수도서로 선정됐다. 이 책은 수학과 물리학의 균형적 관점에서 유체역학의 기본을 기술했다. 이 책을 공부한 학생들의 실력이 크게 향상돼 자부심을 느낀다.

2017년 두 번째 책 Cyclostationary EOF Analysis: Theory and Applications을 출간했는데 이 책도 2017년 학술원 우수도서로 지정됐다. 이 책은 내 연구의 결정판이다. 내가 개발한 CSEOF 기법의 우수성을 기존 자료분석법과 비교해 설명했다. CSEOF 기법을 이용한 자료분석과 응용에 관한 자세한 설명을 담고 있다. 이 책은 446페이지에 달하는 본문과 604페이지 응용 연습문제의 해답을 담고 있는 방대한 책으로서 책 뿐만 아니라 누구나 문제를 풀 수 있도록 처음부터 끝까지 분석방법을 담은 DVD를 포함하여 5개의 DVD를 담고 있다. 첨단 기술을 이용하여 DVD 안에 있는 eBook 안에서 동영상이 구현될 수 있도록 제작 됐다.

2017년에 미국 텍사스 A&M 대학교의 제랄드 노스 교수와 공동으로 Energy Balance Climate Models (Wiley Press)를 출간했다. EBCM은 이론적으로 구축된 매우 단순한 기후 모델이지만 오랫동안 기후시스템이나 기후변화를 이해하는데 이용되어 왔다. 책은 매우 도전적인 수학적, 계산적 문제들을 많이 담고 있다.

2020년부터는 Introduction to Data Science: Examples with MATLAB Programs라는 책을 집필하고 있는데 약 800페이지에 달하는 이 책은 거의 완성 단계에 있다. 이 책은 자료와 자료 분석의 본질을 다루고 있으며 확률변수에서 다변량 시계열의 시공간 분석을 포함하여 문자열 및 영상자료의 분석까지 자료를 어떻게 바라보고 분석해야 하는지 데이터 과학(Data Science)의 본질을 다루고 있다

서울대 연구실에서 만난 김광열 교수는 “CSEOF 분석 틀을 활용해서 현실세계의 복잡한 문제들을 풀어내고자 하는 요청이 많다”며 “기회는 모든 학자들과 학생들에게 열려있다”고 말했다. [사진 = 윤구현 기자]
서울대 연구실에서 만난 김광열 교수는 “CSEOF 분석 틀을 활용해서 현실세계의 복잡한 문제들을 풀어내고자 하는 요청이 많다”며 “기회는 모든 학자들과 학생들에게 열려있다”고 말했다. [사진 = 윤구현 기자]

 

- 교수님은 연구 방법에서 새로운 장을 열어 놓았다. CSEOF가 현실세계에서 어떻게 활용되고 있는지 구체적인 사례들을 소개해 달라.

나는 대기와 해양에서 일어나는 여러 현상들을 입체적으로 분석하고 물리/역학적인 구조와 요인을 설명하는데 CSEOF를 전적으로 이용하고 있다.

또 남극에서 생화학적 주기변화(Biogeochemical cycle)와 기후변화 영향의 수평, 수직 구조를 분석하는데 이용하였고, 대기화학 분야에서 미세먼지의 발생 요인이나 장거리 수송 패턴을 연구하는데도 이용하였다. 지하철 2호선 50개역의 승객 변동성을 규명하는 논문도 빅데이터저널에 게재하였고 심지어는 의과대학에서 fMRI 자료를 분석하는데도 이용하고 있다.

이런 연구들은 기존 연구의 틀에서 완전히 벗어난 새로운 시각의 연구라고 장담할 수 있다. 내가 가르친 학생 중에 CSEOF를 이용한 분석 방법으로 특허를 두개나 딴 학생도 있다. 해수면 연구에서는 이미 전세계적으로 CSEOF의 유용성을 인정하고 있으며 대기환경 분야에서도 대기 순환에 따른 오염물질의 확산을 설명하기 위한 중요한 도구로 인식하고 있다.

한 가지 확실한 것은 내 연구로 인하여 기존 2차원 공간 분석 수준의 연구가 3차원 시공간 분석 수준의 연구로 바뀌고 있다는 점이다. 내 도구를 쓰든 쓰지 않든 내 연구로 인하여 점차 3차원 분석의 중요성을 깨닫고 그 쪽으로 연구가 이동하고 있다는 말이다.

- 후학들에게 바람이 있다면?

앞으로 관심있는 사람들이 어떻게 CSEOF 기법을 응용하면 될 지 연구하고 좋은 결과를 도출하는 일만 남았다. 나는 어떻게 연구해야 하는 지 잘 알고 있지만 혼자서 그런 다양한 연구를 수행하기에는 인력과 시간이 너무 부족하다. 전세계에서 CSEOF를 이용한 활발한 연구가 이루어질 때 나는 내 역할을 다한 것이라 생각한다.

- 우리나라 과학기술은 선진국을 따라가던 시점을 지나 선도해야하는 시점에 와 있다. 하지만 쏟아부은 연구개발비에 비해 성과는 미진하다는 비판도 있다. 교수님의 생각은?

내 개인적인 생각일지 모르지만 대한민국의 국가경쟁력이란 지금까지 특별한 생각을 하는 소수의 사람들, 예를 들어 삼성, BTS, 김연아 등에 의하여 이루어져 왔다고 생각한다. 물론 이를 지탱하는 대다수 국민들의 노력이 없었다면 그런 일은 불가능했을 것이다.

나는 한국이 국가경쟁력을 키우려면 많은 분야에서 이런 좋은 인재들이 성장할 수 있는 토대를 갖추어 주어야한다 생각한다. 내가 아는 물리학자 한 분은 중성자 연구에서 노벨상에 접근할 정도로 우수한 연구를 하고 있었다. 하지만 중국의 물량 공세에 결국 큰 꿈이 무산되고 말았다. 중국이 중성자 연구의 우수 인력들을 영입하고 이 분야 연구비의 획기적인 확장을 통하여 결국 먼저 목표에 도달 한 것이다.

이런 예를 보면 인력도 부족하고 연구비도 부족한 대한민국에서 미국, 유럽, 중국, 일본과 같은 방법으로 경쟁하려는 것은 효과적이 아니라는 걸 알 수 있다. 오히려 특별한 소수의 연구자들을 통하여 획기적이고 새로운 연구를 주도할 수 있도록 도와주는 것이 더 확실한 방법이 아닌가 생각한다.