슬라이드 1

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1 예보관훈련용기술서 수치예보

2 1장. 수치예보모델의원리 2장. 수치예보모델의한계 3장. 예측성및앙상블예보 4장. 기상청현업시스템 5장. 자주사용하는모델분석장 6장. 수치예보방정식 7장. 대기물리과정및수치모수화 8장. 자료동화의원리및방안 9장. 모델결과의후처리와활용 10장. 대기의예측성과앙상블확률예보 11장. 모델검증및결과활용

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4 1.1 수치모델의역사 1.2 수치예보모델의원리 1.3 좌표계 1.4 분광모델과격자점모델 1.5 경계조건및지면특성 1.6 모델링과정 1.7 모수화 1.8 카오스특성의관리

5 학습목표 - 수치예보모델의기본원리를이해한다. - 수치예보모델에사용되는좌표계를이해한다. - 수치예보모델의종류와장단점을이해한다. - 수치예보모델에필요한경계조건을이해한다. - 모델링과정과모수화원리를이해한다.

6 1 장수치예보모델의원리 수치모델의역사 수치예보 (Numerical Weather Prediction : NWP) 란대기현상의역학및물리적원리에대한지배방정식들을컴퓨터를활용하여연속적으로수치적분함으로써현재의대기상태를분석하고나아가미래의대기상태를정량적으로예측하는일련의과정으로정의할수있다. 이점에있어서가장선구자라할수있는영국의기상학자리차드슨 (Richardson) 은 1922년에대기운동을지배하는미분방정식을해석적방법이아닌단순한덧셈, 뺄셈의대수적방법 ( 수치적방법 : Numerical Method) 으로계산하여미래의일기를예보할수있다고주장하였다. 그리고그는실제지상관측자료를이용하여 6시간후의지상기압예측을시도하였으나 6시간에기압이 60hPa이나증가하는비현실적인결과를도출하였다. 이처럼큰오차가발생한것은컴퓨터가없었기때문에사람들이직접계산하는과정에서발생한계산오차뿐만아니라관측자료의부족, 관측자료의초기화기술부족, 미분방정식에대한수치적해법기술부족등여러가지요인들이복합적으로작용하였음이밝혀졌다. 1950년대에전자컴퓨터의개발과함께앞에서의문제점들이하나둘씩개선되면서현재의수치예보시대가시작되었다. 특히미국의프린스턴대학연구그룹에서선도적인역할을하였으며차니 (Charney, 1948) 는다루고자하는대기현상의복잡성에따라지배방정식을단순화하는기법이필요함을주장하고직접준지균모델 (Quasi-geostrophic Model) 을개발하여리차드슨이미처깨닫지못했던문제점들을해결하였다. 그후차니와엘리오슨 (Ellioson, 1953) 은대기중층기압골의이동과발달과정을정량적으로예측하여처음으로수치예보의가능성을제시하였다 현업용모델 1950년대와 1960년대에컴퓨터의속도와메모리성능이크게향상됨에따라좀더복잡한경압모델들이개발되게되었다. 이들모델들은단순화하지않은원시방정식들에기초하였으며보다상세한물리과정들을포함하게되었다. 또한 1960년대말에는다층모델이개발되었으며이를이용하여강수예보를시도하게되었다. 1970년대와 1980년대에이르러좀더강력한컴퓨터의활용이가능해짐에따라수치모델의수준도비례해서향상되었으며수치예보에대한기대가커짐에따라컴퓨터, 인력등많은자원들이투입되기시작하였다.

7 2 1 장수치예보모델의원리 1.1 수치모델의역사 현황현재는대부분의연구소와현업용예보기관에서다양한종류의컴퓨터수치예보모델을이용하여모든규모의기상현상을모의하고있다. 현재 10 여개의나라가전지구모델을운영하고있으며많은나라에서자기영역의지역모델을운영하고있다 모델의유형 수치모델은다루는현상에따라다음과같이크게 4 종류로구분할수가있 다. - 기후모델이모델은장시간에걸친대류권과성층권에서의일반적인대기상태변화를모의한다. 최근에는기후가변화하고있음이밝혀짐에따라많은모델들이활발하게개발및활용되고있다. 이모델들은종종대기대순환모델 (GCM : General Circulation Model) 이라고하며기본원리에있어서는현업용종관모델과유사하다. 최근에는기후시스템에대한인식이확산되면서보다정확한기후모의와예측을위하여대기권뿐만아니라수권, 빙권, 생물권그리고지권과대기권사이의상호작용을현실화하려는노력들이진행중이다. - 현업용종관모델이모델은매일매일의날씨를예보하는데이용된다. 이들은전지구또는일부제한된영역을포함할수있다. 이들의해상도는종관규모일기계의상태와행태를묘사할수있는수준이다. - 중규모모델이모델은특히, 지형에의해강제된국지적날씨변동을예측하는데사용된다. 수평해상도 1km 수준의모델을개발하기위하여많은연구들이진행중이며수평해상도 2km 정도모델을현업운영하는나라들도있다. 현업차원에서이정보의활용은조금은먼훗날이될것이다. - 특화된모델 많은종류의특화된모델들이있다. 이들은안개, 적란운, 층적운, 하층난 류와같은현상의물리과정을이해하는데연구도구로활용된다.

8 1 장수치예보모델의원리 수치예보모델의원리 대기를모델링함에있어서주된제약점은컴퓨터를사용해야한다는점으 로모델에서의대기는컴퓨터프로그램으로처리할수있도록구조화되어 야한다. 이러한목적을달성하기위하여대기는 사용하는격자계에기초해서공기는육면체나공기덩이로세분화되어 야하며 실제대기에서관측이이루어지는것과같이육면체에서의대기속성도 가능한한구체화되어야하며 육면체내의공기의운동은그것에작용하는모든힘들의합에의해서 이루어져야한다. 온도, 기압그리고비습등과같이각공기덩이에지정된요소값들은그 공기덩이의평균 ( 대표 ) 값을의미하며주어진물리법칙에따라시간적으로 변화되어야한다 모델해상도 공간해상도우리가수치모델링하고자하는대기는분자규모에서부터행성규모까지그규모의범위가매우다양하다. 수치모델은한정된컴퓨터자원을이용해야하고현재관측시스템의관측한계때문에대기를무제한으로작게분해하여모의할수없다. 여기서공간해상도란대기를컴퓨터계산에적합하도록격자로나눌때, 나타내는격자점과격자점사이의거리즉, 격자점이대표하는공간규모 ( 수백m ~ 수백km) 로이해할수가있으며이를수평해상도라한다. 공간해상도가우수할수록즉, 격자점의크기가작을수록수치모델이모의할수있는기상현상의규모도작아진다. 일반적으로모델의해상도는사용가능한컴퓨터의성능, 모델이모의할영역의크기, 모델이모의하고자하는가장작은기상현상의규모등에의해결정된다. 즉, 컴퓨터의성능이우수할수록, 모의영역이작을수록그리고모의하고자하는현상의크기가작을수록모델을고해상도로구성하게된다.

9 4 1 장수치예보모델의원리 1.2 수치예보모델의원리 모델대기는연직방향으로도수십개의층으로나누어지는데각층은지구표면에대해고정된개수의격자점을포함한다. 모델대기의최상단고도와함께연직층수는모델대기의연직해상도를결정한다. 각격자점에는각격자점이포함하는대기요소들의평균상태를나타내는일련의값들을갖는다 ( 그림 1.1). [ 그림 1.1] 격자점들과격자상자 ( 시간분해능 공간분해능문제와관련된것이시간분해능이다. 수치모델에서의적분은일정한시간간격으로연속적으로진행되어야하며이시간간격은다시컴퓨터의성능에의해좌우된다. 시간간격 ( 적분시간 ) 이짧을수록보다많은수의계산이수행되어야한다. 미래의새로운대기상태를결정하기위해서각공기덩이와관계된전체방정식계 (Set) 들이이적분시간간격으로동시에계산되어야한다. 이로부터새로운힘의장이계산되고다음적분에서공기덩이들이어떻게이동할지를계산한다. 시간분해능은주어진적분시간내에공기덩이가모델격자거리보다먼거리를이동하지않도록공간분해능과조화를이루어야한다. 만약 v가가장빠른속도이고 d(km) 가격자거리라하면적분시간은 d/v보다길어서는안된다. 적분이진행되는과정에서각공기덩이의이동을따라대기상태를예측하는것이아니라매적분시간마다각격자내공기의새로운상태 ( 기압, 온도, 습도, 바람등 ) 들이계산된다.

10 1 장수치예보모델의원리 좌표계 현재우리가수행하고있는관측은 3차원공간 ( 위도 : ϕ, 경도 : λ, 고도 : z 또는기압면 (p)) 에서일정한시간간격으로이루어진다. 수치모델에서사용하는연직좌표계는일반적으로사용하는 z와 p 좌표계대신다음과같은지형을따르는 (Terrain Following) 연직좌표계들이이용된다. 연직좌표계로 z나 p를사용하지않는가장큰이유는지구가평평하지않은관계로높은지형이있는지역에서는공간미분항에대해연속적으로계산을하지못하는문제점이발생하기때문이다. 이점에대해서는통합모델 - UM(Unified Model) 에서상세히설명할것이다. [ 그림 1.2] 시그마좌표계

11 6 1 장수치예보모델의원리 1.3 좌표계 [ 그림 1.3] 잡종 (Hybrid) 좌표계 연직좌표상에서의불연속문제를해결하기위해필립스 (1957) 는그림 1.2 처럼지형을따르는시그마 (σ) 좌표계를개발했다. 시그마좌표또는이의 변형 (η : eta 좌표 ) 은 UM 등대부분의수치모델에서사용되고있다. η좌표의경우지면근처에서는지형을따르는시그마좌표계를사용하다가일정고도이상에서는고도좌표계 ( 온위좌표계를사용하는모델도있음 ) 를사용한다. 이것은지면근처에서는공기의운동이지형을따르다가고도가높아질수록지형으로부터자유로워지는특성을반영한좌표계로잡종좌표계 (Hybrid Coordinate) 라한다 ( 그림 1.3). 연직좌표계에서연직층의분포는일정하지않은데주로지상경계층에서는중요한지면-대기상호작용을적절하게모의할수있도록간격이조밀하다. 또한 250hPa 고도근처에서도상층제트와대류권계면의연직구조를보다적절히모의하기위하여연직고도면을조밀하게배치한다.

12 1 장수치예보모델의원리 좌표계 간단한형태로시그마좌표는 σ=p/p s 로정의되며 p는모델대기에서의임의고도의기압이고, p s 는해면기압이아닌지표면의기압이다. 가장낮은좌표면 (σ=1 일때 ) 은실제지형을평활해서이은것과같다. 시그마모델에서사용되는지형경사들은언제나어느정도는매끄럽다는것에주목해야한다. 그외의시그마면들은평활하게만든지형에평행한면인모델최하층 (σ=1) 에서부터등압면에거의평행하게수평인최상층 (σ=0) 까지점차적으로변한다. 우리나라기상청에서운용되고있는영국기상청에서개발한 UM 모델의 η 좌표계는다음과같이정규화된고도좌표계이다. 여기서 H는모델최상단고도이고 z는지표면으로부터의고도를나타낸다. 따라서 η는지형면에서 0이고모델의상단에서는 1이며가장최하층은단 순히지형을따른다. 지상에서부터처음으로평평한에타고도까지연직고 도좌표 Z는다음과같이계산된다. 여기서 h는지형의고도이고 H 은 H면에서의 H 일차상수이다. 일차상수 면이상에서는 H 격자점모델의 수평해상도는 일반적으로 남북방향과동서방향에서의격자 점사이의위도와경도거리로표시된다. 따라서동서방향의격자점크기는고위도로갈수록작아지며적도지역에 서보다중위도 지역에서 수평해상도가더좋다. 그렇지만극근처에서의 고해상도는수치적불안정을유발시킨다. 이현상은불안정때문에발달하 는비정상적단파운동들을제거함으로써, 즉단파운동장들을제거함으로 써피할수있지만, 이것은유효해상도를낮추게된다. H

13 8 1 장수치예보모델의원리 1.4 분광모델과격자점모델 격자점형태가아닌방법으로도수치형태의기상장을표현하는방법이있는데그것은구면조화함수를이용하는것이다. 이함수들은 2개의정수로표현되는데하나는동서방향의파수이고다른하나는자오면지수로남북방향의진폭을나타낸다. 파수는파장에반비례하며지구의대원 ( 둘레 ) 길이에포함되는최대파수로정의된다. 구면조화함수로기상장을표현할때는일정거리상에위치한격자점에서의불연속적인값으로나타내는것이아니라이들의형태 (Shape) 로나타내는것이다. 일반적으로대기구조는파형태로잘근사될수있으며또한어떠한형태든많은수의파의중첩으로나타낼수있다. 해상도는표현될수있는가장작은파로정의된다. 예를들어, 해상도가 T106( 파수 106에서절단 ) 인모델이있다면이모델은파수가 106보다작은모든파를처리할수있으며파의거리는약 400km 이다 ( 지구의둘레약 40,000km 를 106으로나누면 400km가나온다 ). 격자점모델에서는파의형태와이류를적절히표현하기위해서는 3-4개의격자점이필요함으로 T106의모델의공간해상도는약 100km 이다. 분광모델에서는운동방정식의해를구하게위해서유한차분근사법을사용하는대신분광법을사용한다. 이방법은계산적으로효율적이며정확할뿐만아니라수학적으로정교한해를제공한다. 이방법의단점은국지적현상, 예를들어구름모수화와같은아격자규모과정을계산할수없는점이다. 따라서매계산단계마다격자점모델값에서분광형태로, 분광모델에서격자모델로끊임없이변환과정을거쳐야한다. 대부분의현업용전지구모델들은분광법을사용하는반면대부분지역모델은유한차분법을사용한다. 우리나라기상청에서사용되는모든현업모델은유한차분법을사용한다.

14 1 장수치예보모델의원리 경계조건및지면특성 모델들은공기가지표면을뚫고들어가거나지표면밖으로나가지않는그리고대기권상단에서이탈하지않는다는명백한사실을모의하여야한다. 모델하단과상단에서 or 연직속도 ( or ) 가 0이고지형을따른연직좌표계 ( or ) 를사용하면이러한요건을 or 충족한다. 측면경계조건은실제대기에서는발생하지않으며대기모델에서정의할때는명백히비현실적이다. 전지구모델에서는측면경계조건이필요하지않다 ( 양극지역에서는격자거리가좁아짐으로해서일부문제가발생함 ). 제한지역모델에서는더큰지역모델혹은전지구모델의동시적분값으로부터내삽하여측면경계값으로이용한다. 경계지역근처에서는두모델사이의불일치성을최소화하기위하여두모델의모의자료를가중평균하여사용한다. 모델의지표면고도, 지형은고해상도자료를격자점에대해평균하여이용한다. 따라서모델에서의지표면고도는각격자점내실제고도의평균에해당된다 ( 그림 1.4). 지형은국지및종관규모의기상현상에큰영향을주는데모델에서는평활화된고도를사용하기때문에기상학적으로중요한많은현상들이적절히모의되지못한다. 모델지표면고도는고도의변화가큰산악지역에서실제고도와차이가가장크다. 일부모델에서는산맥이대기흐름에미치는영향을보다정확히계산하기위하여평균고도를격자점내고도의표준편차를이용하여높이기도한다. 이런유형의지형을에워쌈 ( 최고점 : Envelope) 지형이라한다. [ 그림 1.4] 수치모델에서사용되는평활화된지형 (3 개의선 ) 과실제지형

15 10 1 장수치예보모델의원리 1.5 경계조건및지면특성 표면특성각격자점은바다가점유하는비율이 50% 이하또는이상여부에따라서육지또는바다로정의된다. 해빙지역도관측된빙하경계선자료를이용하여정의된다. 육지의격자점에대해서는기후학적분류자료를이용하여눈깊이, 빙하면적, 거칠기길이, 토양젖음도 (Soil Wetness), 식생유형그리고토양유형등을처방한다. 일부모델에서는토양젖음도가모델내의수문순환에의해예단된다. [ 그림 1.5] 기상청국지모델의육지바다마스크 (a), 지형 (b), 지표타입 - 도시 (c), 지표타입 - 활엽수 (d)

16 1 장수치예보모델의원리 모델링과정 자료 수치예보모델을수행하기전에모델내에서대기의초기상태를가능한한정확하게준비하는것이중요하다. 항상모든관측자료가동일한수준으로사용되는것은아니다. 실측자료가다양한출처로부터수집되며관측자료의출처예를표 1.1에나타내었다. [ 표 1.1] 모델에서사용되는자료와정보의출처예 자료유형지표면 SYNOP 해수면 SYNOP 라디오존데 (TEMP) 항공기보고위성탐측 사용된정보평균해수면기압, 기온, 풍향, 풍속, 기압변화량등평균해수면기압, 풍향, 풍속온도, 바람, 상대습도온도, 바람온도, 습도 품질검사 정도의차이는있지만모든자료에는오차가포함되어있다. 따라서모든 자료들은향후의예측에심각한영향을줄정도로큰오차를포함하고있 는지를판단하기위한품질검사를받아야한다. 관측자료가수집되면자동품질검사시스템이작동되며어느자료든큰오 차를포함하는것으로판명되면자료동화과정에서제외되도록꼬리표 (Flag) 를단다. 검사목록의일부 - 정상적표기 (Correct Coding) - 기후 (Climate) 로부터의비정상적차 - 시간적연속성 - 배경장과의유사성 - 인접관측자료와의유사성

17 12 1 장수치예보모델의원리 1.6 모델링과정 자료동화 모델대기와의자료혼합우리는대부분육지에위치하면서시 공간적으로불규칙하게분포하고다양한유형의정확도가다른자료들을갖고있다. 예보를하기위해서우리는이자료들에포함되어있는정보를대기상태에대한최상의초기추정치와함께각격자점에서혼합해야한다. 후자는주로전단계에서의모델의예측결과이며배경장이라불린다. 이자료동화과정은그림 1.6에나타내었다. [ 그림 1.6] 단일모수 x에대한 4차원변분자료동화에대한간단화된모식도. 동화창시작점에서의모델상태는이어지는단기예측과정에서전단계의예측장에대한와관측에대한사이에통계적으로잘일치화되도록조정되어짐 동화될자료를포함한동화창내에서모델이수행됨에따라다양한거리함 수 ( 그림에서 J) 가계산되어진다. 이거리들은모델이배경장 ( ) 과오차특성 에따라가중치가부여된관측으로부터벗어남을측정한다. 이거리들의함수로비용함수가정의되며변분분석이라불리는수학적과정으로최소화된다. 비용함수의속성은동화창시작점에서모델상태에대한최상의추정치를산출하기위하여변분과정이정확도가낮은자료보다높은자료에더적합하도록하는것이다.

18 1 장수치예보모델의원리 모델링과정 이런유형의자료동화는관측자료의시공간상의퍼짐 (Spread) 을고려하기때문에 4차원변분자료동화라불린다. 우리나라기상청의현재스킴은 2010년 5월에도입된 4차원변분자료동화이다 ( 단, 국지예보모델은계산자원제약으로 3차원변분자료동화를사용한다 ). 4차원변분자료동화이전의자료동화는그림에서시간차원이없었고관측과배경장모두가동시에유효하다고가정하였기때문에 3차원이었다 예보모델 실행중 (Evolving) 인모델대기로자료동화를하였음으로이제우리는미래에대해모델을수행시킬단계에와있다. 모델들은모델에서처리할수있는형태의자료를필요로함으로 NWP 변수들이정의된다. 이변수들은원시방정식들에의해처리되며이과정을통해대기는일정시간 ( 적분시간간격 ) 후의미래대기로변화해간다. 산출물은요구될때마다사용자가원하는어떤형태로도제공할수있다 NWP 변수들주어진시간과장소에서대기의물리적상태를나타내기위해서는대기의운동, 질량그리고수분에대해기술하여야한다. 모델이직접산출한변수들, 실제대기에서직접관측된변수들그리고 1차모델산출물로부터진단된변수들은서로구분이되어야한다. [ 표 1.2] NWP 변수들 운동질량수분 실제대기에서직접관측된변수들모델예보에서직접산출된변수들모델결과로부터진단된변수들 dd, ff,a u, v,,, q, q cl, q cf or, R or

19 14 1 장수치예보모델의원리 1.6 모델링과정 기본적인수분변수인비습 (q) 은더많은모델에서구름내액체수함량과 얼음함량의명시적표현으로점점세밀하게표현되고있다. 모델에서사 용되는모든기본변수들은각격자점에서표현된다. 기본예단변수를격자점에배치하는방법은상당히다양한데, 기상청에서현업운영중인통합모델 (UM) 모델은아라카와 (Arakawa) C 격자계를채택하고있다 ( 그림 1.7). 이격자계는바람장 (u, v, w) 과질량장을엇갈려배치하는방법으로지배방정식의차분방정식표현의간소성과저장공간의효율성이고려된격자계이다. 다양한격자계에대한구체적인설명은 6장에서다룬다. [ 그림 1.7] 아라카와 (Arakawa) C- 격자계예시 원시방정식 원시방정식계는다음의조합을나타낸다. - 수평운동성분에대한뉴턴 (Newton) 의제2법칙 - 이상기체방정식 ( 상태방정식 ) - 열역학제1법칙 - 질량보존의법칙 ( 연속방정식 ) 이들은정역학평형상태의운동에적용된다. 이방정식들은대기의기본역 학을설명하는데충분하다. 또한대기의보다완벽한설명을위하여물관 련성분들의행태를기술하는방정식도포함된다.

20 1 장수치예보모델의원리 모델링과정 예보방정식시스템이시간상으로어떻게진화해가는지를이해하기위해서시간 n에서의변수 A를생각하자. 시간상으로변화해가기위해서우리는에서 dd 로이동하기를원한다. [ 그림 1.8] 모델에서시간상의 3 표본의예 이문제는다음식으로나타낼수있다. 여기서 는모델의적분시간간격이고는각각연 속적시간상에서의 A 값을의미한다. 우리는을알아야하는데이것은시간변화율을공간기울기와관련시키는원시방정식으로부터산출된다. 예를들어단순화된뉴턴 (Newton) 의제 2법칙은다음과같다.

21 16 1 장수치예보모델의원리 1.6 모델링과정 이것은공기덩이의가속도를지구자전에의한전향력과공간상의기압경 도력에연결시킨다. 따라서우리가시간 n 에서공간상의기압경도력을계 산할수있다면시간 n+1 에서의바람 (u) 을계산할수가있다. 변수 A와격자간격일 때격자점 에서의공간상의경도는다음과같 이근사될수있다. 우리는이것을아래그림 1.9 에서와같이나타낼수있다. [ 그림 1.9] 공간차분화의예 예를들어우리가격자점 에서기압경도력을계산하고싶다면그모델은두 격자점 (, ) 사이의경도를계산하여야한다. 운동의규모가작아질수록정역학평형근사가점점적합하지않게된다. 따라서단일대류운동규모를모의할수있는고해상도모델들에서는이방정식들을모델방정식으로사용하지않는다. 비정역학계에서는기압과고도사이에단순한관계가성립되지않기때문에방정식의복잡성이증가된다.

22 1 장수치예보모델의원리 모수화 예보과정에서해가계산되는운동에대한원시방정식들은다양한규모의대기운동을설명할수있다. 하지만방정식의해를구하기위해서는유한차분근사가사용되어야하고연속적인기상장이몇개의불연속적인수들의조합으로표현되는사실에의해정확도가한계를가질수밖에없다. 모델에서대부분의대규모운동은잘표현이되지만규모가격자점규모로작아질수록표현에문제가생기며특히아격자규모의운동은완전히모델의분해능밖이다. 소나기구름과같은작은규모의현상들은국지적인기상현상에큰영향을줄수있으며나아가전체대기시스템의가장중요한요소일수도있다. 그러한현상이발생할때모델에서그들의평균효과가대규모운동에포함되도록그들의영향은모수화되어야한다. 다음모수화되는과정들의예이다 대류 대류는대규모전체대기에서수분과열의분배에중요한역할을한다. 각 대류세포의영향을각각명시적으로나타낼수가없기때문에이를모수화 스킴으로나타내어야한다 난류혼합 에디운동은특히바람의시어가강한지역에서운동량, 열그리고수분의수평및연직확산에중요한영향을미친다. 이난류는다양한규모로발생하며대규모흐름에서의운동에너지를소산시킨다. 그러한과정을통해서난류는유체의흐름에마찰저항을주며이러한과정은특히경계층에서중요하다. 여기서난류운동은지구표면으로부터의열과수분을자유대기로연직수송시키는역할을한다.

23 18 1 장수치예보모델의원리 1.7 모수화 중력파중력파는안정적으로성층화된대기에서발생할수있다. 대기에서파동운동과같은이들은불균일한지형에의해시작되며산맥의풍하쪽에서발생하는풍하파 (Lee Wave) 와구별된다. 이들은상당히높은고도까지전파될수있으며평균류와상호작용하여평균류로부터운동량을뽑아내면서소멸한다. 이들은, 특히고위도지역에서, 최소한경계층에서작용하는마찰력과같이상층대기에중요한항력을가한다. 파동의규모는난류에디보다는크지만아격자규모이기때문에이들의영향은모수화되어야한다. 모델에서중력파항력이포함되기전까지는상층편서풍을계통적으로강하게예보하는경향이있었으며그결과모델대기에서시스템들이너무빨리이동하고지상저기압은너무강하게모의되었다 복사복사에의한열전달에포함된과정은서로다른표면 ( 구름을포함 ) 과대기구성요소 ( 오존, 수증기 ) 에의한파장별복사에너지의방출, 흡수그리고반사이다. 이과정들은모수화하기에는매우복잡하고계산시간도많이소요된다 강수강수는예보에있어서확실히중요한요소이지만핵심적인과정이마이크로규모여서명시적으로나타낼수가없다. 응결또는동결된물은대기에구름으로떠있거나강수로낙하한다. 구름이다양한파장대의복사와상호작용하듯이강수가증발함에따라잠열과정을통하여주변에서열을흡수할것이다. 이모든영향들과다른것들이모수화스킴을통하여나타내어져야한다.

24 1 장수치예보모델의원리 카오스특성의관리 1980년대에카오스이론이기상학연구분야에서전반적으로받아들여졌다. 이이론은수치모델러들이 3-4일후의일기예보문제에대한해답을구할수없다는점을깨닫게하였다. 따라서리차드슨 (L. F. Richardson) 의아이디어는결코실현될수없는데그것은모델이아무리우수해도거기에는유일한해가존재하지않기때문이다. 그결과특히 3일에서 10일에대한예보법이결정론적기법 ( 유일한해 ) 에서확률론적기법 ( 가능한해의범위 ) 으로변경되었다 앙상블예보이예보법은카오스이론이제기한한계에대응해서발달되기시작하였다. ECMWF는지난수십년동안이분야연구에서선도적인역할을해왔다. 기본적인접근법은아래와같다. 카오스이론은초기조건과모의결과에는항상불확실성이있다고주장한다. 하나의모델을실행시키면가능한다양한해중에서하나의해만산출한다. 서로다른예보상태에대한확률을추정하기위해서는많은수의모델을실 행시켜야한다. 이들다양한모델들의모의결과들은대기의예측가능성에대한척도를제시 할것이다. 다양한모델결과들을분석하면가장가능성이높은대기상태를찾는데도움 이될것이다.

25 20 1 장수치예보모델의원리 연습문제 1. 수치예보의원리를설명하시오. 2. 격자점모델과분광모델의특징과장단점을설명하시오. 3. 모수화의필요성과모수화가필요한물리과정을제시하시오. 4. 연직좌표계인시그마 (σ) 좌표계를정의하고이러한좌표계가필요한이 유를설명하시오. 5. 지면경계조건중하나인지형을처방하는방법에대해설명하고실제 지형과처방된지형사이의차이가수치모델의모의수준에미치는영향 에대해논하시오.

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27 2.1 서론 2.2 해상도의한계 2.3 모델지형의한계 2.4 동화기법의한계 2.5 모수화의한계

28 학습목표 - 수치모델의일반적인한계를이해한다. - 수평및연직해상도가수치모의에미치는영향을이해한다. - 수치모델에서지형의처방이미치는영향을이해한다. - 자료동화의개념과자료동화의한계를이해한다. - 모수화의필요성과모수화의한계를이해한다.

29 2 장수치예보의한계 서론 비록기상청현업모델이매우정교하고신뢰할만한도구라하더라도그것의결과값을실제관측값처럼받아들여서는안됨을인식해야한다. 왜냐하면그림 2.1에서와같이수치예보는매우복잡한대기의여러물리과정들을근사적으로구현해낸것이기때문이다. [ 그림 2.1] 수치예보모델에서다루는대기역학및물리과정의개념도 예보관의입장에서모델들의장점과단점을파악하는것은매우중요하다. 관측자료의분석을통해현재날씨의상황을추적하는것과같이예보관은 NWP 산출물의분석과평가의중요성을인식하고그한계점도이해해야한다.

30 2 2 장수치예보의한계 2.1 서론 예보관은모델의모의에서암시된발달을일으키는주요과정들과발생가능한날씨상황측면에서그들의중요성을파악하기위해노력해야한다. 단순히모델이강수를예측한것을인지하는것만으로는충분하지않고그강수의본질적원인을이해해야한다는것이다. 이와유사하게예보관은강수가예상되지만아무것도예보되지않은상황도인정해야하고예보관의예상과모델예측사이의다른점을조화시켜야한다. 예보관은실제현상과모델에의한예측을비교하는것에익숙해져야한다. 잘일치한다면다음단계의예보에대한신뢰도가높아질것이고, 일치하 지않는다면예보관에게아이디어수정이필요함을제시할것이다. 이장에서는수치예보의주된한계점을논의한다. 각모델의특성은계속해서변화하기때문에각모델에대해자세한것이설명되어있지는않지만매일모델을가지고일하는예보관들과의상담을통해예보에영향을주는각모델의장단점에대해서는알수있을것이다.

31 2 장수치예보의한계 해상도의한계 수평현재 (2012) 운영되는전지구모델의격자간격은약 25km이다. 전선의예를들어보면, 이모델에서전선을나타낼수있는최소폭은격자간격에상응하게된다. 따라서격자간격은예보할전선위치의정확도와밀접하게관련되어있다. 실제전선의이동속도가약 27km/hr일때, 이모델에서예측되는속도는 1시간동안하나의격자를이용하는것으로나타날수있다. 따라서저해상도전지구모델에서전선과같은좁은공간영역에서정의되는현상을정확하게예보하기는어렵다. 전선파와같은형태를충분히나타내려면어느모델에서든최소한 4개의격자가필요하다. 분석할때에는존재하던파동이전지구모델에서는종종사라지기도하는데그이유는그것의규모가작고최종적으로는저기압으로발달할수도있기때문이다. 모델이자주적절한위치와시간에파동의발달을모의하기도하지만그것의상세위치와진폭은부정확할수가있다. 12km 해상도의 (2012) 지역예보모델이현업화됨에따라전선파의문제가줄어들었다. 그러나규모가약 50km보다작은현상들은지역예보결과에나타나지않는다. 예를들어소나기나뇌우와같은조직화된클러스터는모의되지못한다. 해상도의한계때문에모델에서는육지가해수면으로처방되기도 ( 반대의경우도마찬가지 ) 하는데이는예보에영향을미칠수있다. 예를들어, 정상적으로육지 / 바다가처방되었다면소나기가예상되는상황임에도소나기가예측되지않을수도있고그반대도일어날수있다. [ 그림 2.2] 수평해상도의개선

32 4 2 장수치예보의한계 2.2 해상도의한계 연직전지구와지역모델은현재지표면을포함하여 70층을가지고있고, 70층은비교적고해상도의연직층이긴하지만여전히연직해상도한계에의한문제점을갖고있다. UM N512L70( ) 수평분해능 : 25km 연직층수 : 70층 상단고도 : 80km 모델버전 : UM vn7.7 이것은특히대기에서역전이발생할때분명히나타난다. 왜냐하면모델 층에서의온도는그층의평균온도로나타내기때문에모델에서의역전은 보통실제대기보다는약하게표현된다. 어는비가내리는상황에서대기최하층의세부사항을모의하는것은매우중요하다. 그러나차가운공기위의따뜻한공기는잘모델화되지않는다. 아래의예에서보는바와같이모델은바람의급격한변화에서부터온도와노점온도의큰변동과역전층의강도등대기의상세한연직구조를적절히모의하지못한다.

33 2 장수치예보의한계 해상도의한계 [ 그림 2.3] 오산에서관측된대기연직구조와 RDAPS 로예보한오산에서의대기연직구조

34 6 2 장수치예보의한계 2.2 해상도의한계 시간공간해상도에서와같이큰문제는없다. 전지구모델은 10분, 지역예보모델은 3분 20초그리고고해상도모델은 50초의시간간격으로적분된다. 이것은유효한자료가표출되는빈도보다작은값으로, 출력자료의주기는국지규모는 1시간, 지역규모는 3시간그리고전지구규모자료는 3시간이상의간격으로결과를표출한다. 이문제는특히 6시간주기에서순간강수가없을때누적강수량이하나의차트에나타내어질때주목할필요가있다. 이는강수가중간에발생하였음을의미한다. 특정시간에서대부분의모델자료표출 ( 정보 ) 은모델이오직그시간에해당되는상황을모의한것임을기억해야한다.

35 2 장수치예보의한계 모델지형의한계 컴퓨터모델들은그들의해상도때문에육지의모양을완벽하게표현하지는못한다. 대부분의모델들은고도가가장높은최고점 ( 산정 ) 을낮게나타내고최하점 ( 계곡 ) 을높게나타내어실제지형을평탄하게표현한다 ( 그림 2.4). 기상청모델의해상도향상이산악의표현을개선시킬것을직관적으로알수있다. [ 그림 2.4] 모델이지형을평활화하는예 ( 녹색 : 실제지형, 청색 : 모델 ) 그림 2.5 은모델의해상도가 40km 에서 1.5km 로향상될때한반도에서의 육지 / 바다경계와지형을나타낸것이다. [ 그림 2.5] 모델의해상도에따른육지바다경계및지형의상세화예

36 8 2 장수치예보의한계 2.3 모델지형의한계 해상도가 25km인전지구모델에서는제주도가불과격자점몇개로처방됨에따라한라산이잘나타나지않고있다. 그리고태백산맥등도매우단순하게나타나고있다. 하지만해상도가 1.5km인국지예보모델에서는제주도가실제섬과유사하게처방되고있으며한반도에서의산맥들도비교적상세하게나타나고있다. 또한해상도가증가된만큼모델에서가장높은지점의높이가증가했음을주목해야한다. 특히낮은해상도모델에서는가장높은산맥과산의고도가심각하게낮게평가될것이다 ( 또한평활화작용에의해계곡 ( 움푹패인곳 ) 의고도는높게평가될것이다 ). 그러므로기상현상에대한지형의많은영향들이모델에서는낮게평가되는경향이있는것이다. 따라서다음의과정들이종종적절하게모의되지못한다. 비-그늘효과 산악에의한강수강화 씨뿌리기와되먹임현상 (Seeder-feeder 현상 ) 고지대에서증가되는대류 눈의진단 풍상층에서의층운형성 산악파활동 푄현상 풍하측바람 깔때기효과 (Funnelling) 활승과활강바람 다른지역적현상 ( 예 : 해륙풍 ) 국지예보모델에서지표면표현을향상시켜상황을개선시켰지만, 여전히 완벽하지는않다. 예보관들은여전히모델지형의한계를인식할필요가 있고그들의예보에있어서그것들을올바르게수정해야한다.

37 2 장수치예보의한계 동화기법의한계 모델은모의대기가실제대기와근접하도록각모델수행시마다 실제 자료를동화할필요가있다. 자료동화과정에서사용되는관측자료들은자료의정확성과어떤시 공간규모의관측인지를나타내는대표성에따라그중요도가달라지게된다. [ 표 2.1] 전지구예보모델, 지역예보모델그리고국지예보모델에서관측자료의동화 전지구예보모델지역예보모델국지예보모델 SURFACE(synop, buoy, ship), SONDE(temp, pilot, WPF, dropsonde), AIRCRAFT(amdar, airep), 전지구모델자료 +SURFACE(aws, amedas) 전지구모델자료 +RADAR(radial velocity), aws SCATWIND(ascat, ers2), IASI, AIRS, SSMIS, ATOVS(gtovs, rars, ears), GPSRO (cosmic, gras), SATWIND (mtsat, goes, msg, meteosat, modis) = 전지구모델자료 SCATWIND(ascat, ers2) 모델은입력자료의수준만큼만모의할수있으며관측이적은지역에대한모의결과가좋지않을수있음을쉽게추정할수있다. 이것이자료가빈약한지역에서발생한기압골의붕괴가잘모델화되지않는이유중의하나이다 ( 또한공간해상도에관한문제도있다 ). 또다른문제로주변에다른관측점들이없다면동화될자료가크게편이될수있다는것이다. 그예로주어진모델실행의동화과정에서사용된탐측자료는대기의대표샘플이되지않을수도있다. 라디오존데는주변보다더많은수증기지역을통과할수있으며, 이로인해모델은넓은지역에서더많은수증기가있는것으로분석하게한다. 수증기관측전처리시스템 (Moisture Observation Pre-processing System : MOPS) 의출현으로위성과다른출처의자료들이대기의수분함유량을분석하는데활용됨에따라모델의수분 ( 습기 ) 예측이향상되었다. 그러나예보관은여전히동화과정을면밀히고려하고이지역에서모델의에러를조사하고수정해야한다.

38 10 2 장수치예보의한계 2.5 모수화의한계 많은물리과정들이모델에의해처리되는것보다더작은규모로발생하 므로이과정들은모수화되어야한다. 즉, 모델의격자크기로는모든대기 의현상을해석할수가없다. 예를들어난류, 대류구름, 복사, 산란등은아격자규모의운동에의한격 자규모의영향을해석하기위하여격자점의변수를모수로사용하여그 통계적영향을표현해주어야한다. [ 그림 2.6] 대기운동의규모와모수화 이것은기상학적인과정을나타내는이상적인방법이아니기때문에다음 과같은몇가지문제점들을수반할수있다. 대류와대류강수모수화기법 : 대류모수화기법은오직대류의형성에유리한조건을갖춘격자내에서만소나기를만들어낸다. 소나기는모델에의해이류되지않으므로겨울에따뜻한바다에서발생한소나기는실제로는지형적으로이류하기좋은내륙으로확장하지않는다.

39 2 장수치예보의한계 모수화의한계 대류모수화기법의또따른문제는강수주기와불충분한강우율변동이다. 대기상태가소나기발달에유리하지만소나기발달에필요한시간이충분하지않은낮에소나기가진단되면소나기를너무빨리내리게하는경향이있다. 이와유사하게모델은실제로는강수또는뇌우가발달한후몇시간동안지속됨에도불구하고소나기형성에대해기온이너무낮아지는저녁에는강수를너무빨리종결 (Kill Off) 시킨다. 모델은또한실제관측에서나타나는강우율의변화를충분히생산해내지못한다 ( 예, 강도가약한소나기부터강도가강한소나기까지전범위에걸쳐강한대류가발달한다 ). 강수율은약한강수강도쪽에서최대가되는경향이있으므로강한소나기의빈도를작게추정한다. 지역및국지예보모델에서는강한대류가이제명시적으로해결되었지만 약한대류는여전히모수화되어야한다. 대규모구름과강수물리기법 : 모델은수평에서수증기를너무빠르게확산시키는경향이있다. 실제로는전선구름이나층운판에예리한경계가있긴하지만모델은근접한격자점으로수증기를이동시켜이를평탄하게만들면서불연속을평활화한다. 강수물리기법은강수가육지격자점보다바다격자점모델에서더쉽게형성되도록한다. 이것은바다에서구름응결핵수가적게있어서작은수의큰구름방울을만들어낼수있음을고려한것이다. 이것은충돌-병합에의한강수의성장이육지에서의비슷한구름보다 ( 바다에서 ) 더효과적임을의미하고, 약한비 / 이슬비가모델에서인위적으로설정한육지 / 바다의경계에따라변한다는것을의미한다. 복사모수화기법 : 모수화기법이매우복잡하고매우많은계산량을필요로하기때문에플럭스는간단하게전지구모델에서는 3시간마다, 지역예보모델에서는 1시간마다, 국지모델에서는 15분마다계산된다. 이러한간격으로모델의온도반응을결정하기위하여운량과같은양의변화를계산해낸다. 그러나너무긴계산주기에따른오차를최소화하기위하여단파모수화기법에서태양각은적분시간마다계산된다.

40 12 2 장수치예보의한계 연습문제 1. 수치모델의모의수준이낮은이유를아는대로설명하시오. 2. 수치모델에서지형을평활화하여처방하는이유를설명하시오. 3. 자료동화를정의하고관측자료가부족한지점에서의문제점을설명하시 오. 4. 모델의공간해상도는대부분균일한반면연직해상도는매우다르게처 방된다. 고도별모델의연직층수분포를설명하고그렇게처방하는원인 을설명하시오.

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42 3.1 서론 3.2 카오스란무엇이며, 왜중요한가? 3.3 앙상블시스템의설계 3.4 현업에서의앙상블

43 학습목표 - 대기현상의비선형적특성을이해한다. - 앙상블방법의필요성과앙상블원리를이해한다. - 앙상블예측시스템구현방법을이해한다. - 앙상블예측시스템의예측결과활용방안을안다.

44 3 장예측성및앙상블 서론 기상예보에있어서수치예보또는수치일기예보 (Numerical Weather Prediction : NWP) 는과거수치모델개발자들의기상예측에대한낙관성을반영하는아주자신만만한용어이다. NWP 모델들은한때대기예측의모든문제들을풀어줄해결책같이보였었다. 만약이모델들이완벽하다고가정하면, 이를통해대기의모든변화상황을완벽하게설명할수있을것으로보였기때문이다. 그러나상황은점차달라지기시작했다. 대기의변화상황이소위 카오스 적으로변한다는것에주목함에따라, 학자들의관점또한달라지기시작했다. 또한우리는대기의현재상황조차 아주정확히 알수없다는것도깨닫게되었다. 그결과대기상태변화에대한예측의신뢰성에의문이생기게되었다. 특히 5일전후를기준으로하는중기예측에대한자신감이감소했다. 그로인해, NWP 모델을사용하는많은대기과학자들은대기의작은상황 변화에주목하기시작했고, 이를예측가능한궁극적인대기의상황이라 고려하게되었다. 이를앙상블예측 (Ensemble Forecasting) 이라한다. 앙상블기술은주로중기예측에사용된다. 이교재또한중기예측에관하 여집중할것이다. 그러나이러한아이디어는추후단기기상예측또는기 후예측같은다른분야에도사용될수있을것이다.

45 2 3 장예측성및앙상블 3.2 카오스란무엇이며, 왜중요한가? 카오스체계 (Chaos System) 란현재상황에서의한작은변화가나중에는 전체상황에있어커다란변화를야기할수있다는것을의미한다. 이는 결정론적혼돈 (Deterministic Chaos) 이라정의하는것이이해하기더쉬울것이다. 카오스체계란어느정도결정론적인성격을지니고있으며, 때에따라서그리고시간이지남에따라유사결정론적성격을보여주기때문이다. 그러나그전에숙고해야할점은결정론의기준을어느정도로잡아야할지를정의하는것이다 ( 체계의예측가능성또한마찬가지 ). 아마도초기의상황변화에따라다양할것이다 간단한예시그림 3.1은카오스원칙을간단히설명하고있다. 두점은초기시각의계 (system) 의상태 ( 혹은대기의상태 ) 를나타내고, 실선은각각의초기상태에서시간에따른변화를나타낸다. 안정한계 ( 그림 a) 의경우초기시각에작은차이가시간의흐름에따라그간격을유지하고있으나, 불안정한계 ( 그림 b) 의경우시간이지남에따라계의상태는점점멀어지는모습을보여주고있다. 궤적간의거리는예측성과반비례관계에있다. 즉예측성의정도가낮은계에서는초기값의아주작은변화에도그최종상태는상당히달라질수있다. 이는초기값의불확실성을항상포함하는수치예보에서미래의대기상태에대한예측성능은예측시간이길어짐에따라떨어짐으로해설할수있다. [ 그림 3.1] 위그림은두개의변이점 (x, y) 을통하여대기의간단한변화형태를나타낸것임. 대기는초기의작은차이를갖는왼쪽두점에서부터차츰변화를하게됨. (a) 와 (b) 는서로다른경우의수를의미함. (a) 의두곡선은비슷한경로를따라감. 이러한대기는예측가능성이매우높음. (b) 의두곡선은많이다른경로를보여주는데, 이런대기는예측가능성이매우낮음

46 3 장예측성및앙상블 카오스란무엇이며, 왜중요한가? 서로다른초기조건의영향에대한모든실험들이수행될수없으므로대기가혼돈체계구성을따른다고확실히증명되지는않았으며실제대기상에끌개가존재하는지는미지수다. 그러나대기가혼돈체계와비슷한구성인것은확실해보인다 함의 (Implication) 실제대기의예측가능성은그때그때다르지만, 직접측정될수있는것은아니다. 그러므로앙상블예측을통하여이를평가하는것이제일적절하다고할수있다. 혼돈의개념정의는앙상블예측에있어가장기초적인접근방법이다. 약간의차이를갖는초기조건들을이용하여많은 NWP 모델의실행을통하여앙상블은다음을결정할수있을것이다. 대기의종결상황에대한예측가능한경우의수 이러한종결상황의분포도를통한대기예측가능성 현업예그림 3.2는기상청의전지구앙상블모델시스템 (UM) 으로 2011년 11월 29일에 120시간예측한 500hPa 고도와앙상블멤버간퍼짐 (Spread) 을나타낸것이다. 등고도선의간격은 60gpm이며음영으로표시된지역은앙상블멤버간에고도편차 ( 퍼짐 ) 가큰지역들이다. 앙상블간편차는북미지역과오호츠크해지역에서 100gpm 이상으로크게나타나고있으며상대적으로만주지역에서는편차가작게나타나고있다. 앙상블이어떻게구성되는지에관한자세한사항은다음절에서다루기로한다.

47 4 3 장예측성및앙상블 3.2 카오스란무엇이며, 왜중요한가? [ 그림 3.2] 기상청전지구모델의 500hPa 고도에대한 120 시간예보에서등치선의분포로음영이있는지역은앙상블멤버간에상당히큰편차가있는지역을나타낸다. 표준편차가커질수록, 불확실성이높아지고따라서대기의예측가능성은 떨어진다. 불확실성이커지는영역은종종상층기압골이발달하는것과관련이있음을주의깊게보아야한다. 위의예시에서는 1개사례만을보였기때문에예측의불확실성 ( 퍼짐 ) 이시간에따라어떻게이동하는가를볼수는없지만시간별로역추적해보면앙상블멤버간에변동이심한지역이어디인지를알수있을것이다.

48 3 장예측성및앙상블 앙상블시스템의설계 앙상블시스템의필요성 NWP 예측모델실행의필수전제는현재대기의초기상태를분석하는것이다. 이는관측자료를모델에동화함으로써얻어진다. 이분석에는오류가있을수밖에없으며이는 불확실성의구 (Ball of Uncertainty) 로불린다. 대기가갖는비선형성으로인하여초기조건의작은차이가적분시간이길어질수록전혀다른상태로변화해갈수가있다. 또한현재우리가사용하는모델들은공간해상도, 강수및지면물리과정모수화등모든면에서완벽하지가않다. 따라서불완전한초기조건과모델의상호작용으로예측시간이길어질수록예측수준이낮아질수밖에없다. 즉, 예측결과의불확실성이증가하게된다. 이 NWP 모델들을효율적으로앙상블하기위해서는다음과같은조건이필요하다. 이러한초기조건과불확실성을모두반영할수있는다양한초기조건의표본이필요하다. 분석에있어서어떤변화는결과적으로사소한차이만보였지만, 다른지역에서의변화는결과적으로커다란변화를보였다. 당연히이후자그룹들을효과적으로초기조건의표본화로하는것이바람직하다. 각섭동들이동일한확률크기를대표할수있도록섭동을만드는것이 중요하다. 이는차후다양한산출물들의확률에대한근거로해석될수있 어서결과들을해석함에있어유용하다. 위의것들을최소한의비용으로해야한다 ( 즉최소한의계산으로써해야 함 ).

49 6 3 장예측성및앙상블 3.3 앙상블시스템의설계 앙상블을선택하는방법주어진 최상의추정 분석 ( 우리는이를규준이라부름 ), 다른앙상블멤버를정의하기위한이러한최상의추정분석으로부터섭동을추가하기위한다양한방법들이이용되고있다 무작위법이방법은빠르고쉽지만, 비효율적이라는단점이있다. 앙상블은규준으로부터크게벗어나는결과들을멤버화하기보다는규준에수렴하는앙상블멤버들에지배되기쉽다. 하지만예측의가능한퍼짐에대해유용한정보를제공하는것은규준으로부터크게벗어나는멤버 ( 초기조건 ) 들이다 증식법무작위선택의한계를뛰어넘기위해, 규준예보로부터효과적으로벗어나는대기의경로를잘파악할수있는방법이필요하다. 성공적인것으로알려진한방법이바로증식법 (Breeding) 이다. 분석자료로부터추출된한쌍의무작위섭동 ( 분석오차범위내 ) 이초기에계산된다. 이러한분석들은주어진순환의수만큼추후예보-분석의순환을통하여실행된다. 즉, 모델들은섭동분석으로부터수시간에대해예보로서실행되고그후관측자료가동화되고하는이러한일련의과정들이수회반복된다. 이러한과정은규준예보로재수렴하는경향을제거하는데효과가있는것으로알려지고있다 ( 즉빠르게성장하는모드를 증식 ). 그후최종예보가실행되는데이러한과정은아래그림 3.3에나타내었다. [ 그림 3.3] 앙상블예보를위해빠르게성장하는모드를 증식 하는과정을나타내는개념도. 수평선으로부터의곡선의벗어남은앙상블멤버가규준적분 (Control Integration) 으로부터벗어남을의미. 위그림은 4 회의예보 - 분석순환의구현을보여주고있음. 각분석에서모델은규준적분으로수렴하게하였음에도연속적예보에서규준으로부터의벗어남은증가하고있음.

50 3 장예측성및앙상블 앙상블시스템의설계 고유벡터이는증식법보다좀더복잡하고정밀한방법이다. 이방법은섭동의최대성장방향을명시적으로찾는것을포함한다 ( 초기분석의고유벡터라고한다. 약자로는 SV). SV를취득하는법에대한자세한설명을생략하면, 일반적인 SV에대한접근방법은다음과같다. 처음분석장을이용하여 48시간의예보를수행한다. 종료상태로부터수반모델을이용하여 48시간의 되감기 ( 역 ) 예보 를수행한다. 순방향예보의시작과종료시점상태로부터선형행렬이계산될수있는데이행렬에초기상태를곱하면종료상태를제공할것이다. 두번째행렬은되감기예보를위해계산된다. 이선형행렬로부터고유벡터가계산된다. 수반모델사용의필요성은많은암시를갖는다. 이는단순화된모델을필요로하며, 특히물리과정들이보다단순하게나타내어져야한다. 모델의운영버전기준으로해상도가떨어질가능성도높다. 이러한단순화에도불구하고, 고유벡터방법은여전히계산시간이많이소요되고증식법보다도고려해야할것이많다.

51 8 3 장예측성및앙상블 3.3 앙상블시스템의설계 모델의오류앞절의내용은분석에서발생한오류가모델에미치는영향에대해이야기하였다. 물론예보의오류에있어다른원인도존재한다. 즉모델자체의오류이다. 그러나이것또한앙상블방법으로해결할수있다. 서로다른예보기관들에서의 NWP 모델들이종종서로다른예보를하기때문에, 특히중기예측의경우, 여러모델의결과를종합하여사용하는것은실제대기의가능한해를추출하는다른방법을제공한다 멤버수 vs 해상도앙상블시스템을설계하는데있어고려해야할또다른점은가능한한많은수의앙상블멤버를갖는것과가능한높은해상도 ( 신뢰성 ) 의멤버 ( 그러므로멤버수는줄어든다 ) 를갖는것중어느것이더중요한지다. 사실이문제의정답은전자와후자를적절하게조화시키는것이라하겠다.

52 3 장예측성및앙상블 현업에서의앙상블 현업시스템 현재중기예측을위해전지구모델들의현업용앙상블을운용하고있는 NWP 센터는다음과같다. ECMWF : 고유벡터접근법을사용하고 50개의앙상블멤버로 10일까지예보한다. NCEP : 증식법을사용하며 16일까지예보하고 17개의앙상블멤버들이있다. 현업운영중인나라 : CMC( 캐나다 ), Met Office( 영국 ), JMA( 일본 ), Meteo France( 프랑스 ), CMA( 중국 ) 많은다른국가들또한앙상블시스템을개발하고있다. 증식법은비용문 제로인해가장많이사용하는방법이다. 표 3.1은기상청의앙상블예측시스템의특성과변천과정을나타낸것이다. 2011년이전까지는 GDAPS 기반의앙상블예측시스템을운영하다가 2011년 3월이후부터는통합모델기반의앙상블예측시스템을운영중이다. 초기장은 4차원변분법에서생성된자료를사용하여연직층수도 50개에서 70개로세분화하고있다. 섭동방식도증식법에서 ETKF를사용하고있으며멤버수도 16개에서 24개로크게늘려운용하고있다. 또한모델자체의오류를반영하기위하여물리변수가오차범위내에서변경이가능하도록하고있다. [ 표 3.1] 기상청에서의앙상블예측시스템의특성과변천과정

53 10 3 장예측성및앙상블 3.4 현업에서의앙상블 앙상블결과물의시연 정보의통합앙상블예보에있어서한가지문제점은, 처리해야할정보의양이방대하다는것이다. 이러한정보들이예보관에게효과적으로전달되려면정보자체가간결하게요약되어야한다. 이를위해자주사용되는방법이앙상블멤버들의평균, 편차그리고스파게티 (Spaghetti) 도이다. 동일한사례에대한군집화의두사례를그림 3.4와 3.5에서보여준다. 앙상블멤버간의편차는주로고위도지역에서크게나타나고있으며이러한현상은지상및상층에서유사하게나타나고있다. [ 그림 3.4] 기상청앙상블시스템에서예보한 500hPa 고도장, 해면기압, 850hPa 기온의앙상블평균과편차장

54 3 장예측성및앙상블 현업에서의앙상블 [ 그림 3.5] 기상청앙상블예측시스템에서예보한 500hPa 고도장의스파게티그림 한반도상공에기압골이깊게발달하는것으로예보하고있지만앙상블멤버간에편차가크게나타나고있음을볼수가있다. 스파게티그림은동아시아지역에해당하는범위의 500hPa 등고선 5,520m와 5,640m, 5,580m 와 5,700m, 5,640m와 5,760m, 5,700m와 5,820m, 5,760m와 5,880m 중에서계절에따라네가지종류의등고선을표출한다.

55 12 3 장예측성및앙상블 3.4 현업에서의앙상블 확률예보앙상블멤버들의통계적분포는확률적관점에서해석할수있다. 예를들어서, 과반수의멤버가고기압을나타낸다면, 고기압의발생가능성이높다고볼것이다. 이러한해석은각각의멤버들이동등한예측성을갖는다는가정하에이뤄진것이다. 첫번째근사로서이것은일반적으로타당하다. 따라서앙상블결과들은사실상확률분포로나타낼수가있다. 그림 3.6은 12시간에 5mm 이하의강수가발생할확률과최대풍속이 10m/s이상일강풍확률을나타낸것이다. [ 그림 3.6] 12 시간누적강수량이 1~5mm 일확률과일최대풍속이 10m/s 이상일확률. 그림에서색이붉은색으로갈수록발생확률이높음을의미

56 3 장예측성및앙상블 현업에서의앙상블 Box & Whisker Plot을이용하여앙상블예측시스템의통계적특징을시각화한 EPSgram도사용한다 ( 그림 3.7). EPSgram은구름량, 강수량, 10m 바람, 2m 기온에대하여남한 21개, 북한 5개지점에서가장근접한격자점의예보자료를시계열 (Plumes) 로표출한다. EPSgram은여러기관에서앙상블예보의결과물로사용중인시각적표출방법으로서각변수에대해최대, 최소값과중간값및 25%, 75% 에해당하는멤버의예측값을표시하여각멤버들의예측값의편중정도와단일예보의불확실성의정도를파악할수있다. [ 그림 3.7] 지점별시계열도의 EPSgram( 강수량, 지상기온, 지상바람, 강풍 )

57 14 3 장예측성및앙상블 3.4 현업에서의앙상블 앙상블예측시스템으로부터얻어진앙상블멤버들의평균장과편차장뿐만아니라모든멤버의예측시나리오를함께고려한다면예보에활용도가더욱높아질수있다. 이를위한방안으로각멤버의예측장을우표처럼작게붙여하나의지면에표출하는방법을 Stamp Map이라하며, 현재 500hPa 고도와 MSLP/ 강수량에대하여모든앙상블예측장을 Stamp Map으로제공하고있다. 또한각멤버의예측장과함께비교하기위해서앙상블모든멤버들에대한시나리오이외에고해상도전지구모델예보장을함께표출함으로서특이기상의예측가능성을검토할수있게하였다. 특히 Stamp Map의효과적인활용을위해앙상블평균장, 편차장및스파게티도참고자료로표출하도록하였다. 또한각계절별로대표적인세고도를선택하여색깔을달리표현함으로써작은그림에서한눈에시나리오간의각기다른기압패턴을파악하기에용이하게하였다. 그림 3.8은 500hPa 고도장의 Stamp Map의예이며각각 5,520m, 5,640m, 5,760m 의세고도를선택하여색깔을달리표현하였다.

58 3 장예측성및앙상블 현업에서의앙상블 [ 그림 3.8] 500hPa 고도장의 Stamp Map 의예

59 16 3 장예측성및앙상블 요약 앙상블은예보관들에게큰도움이되는현실적인도구를제공한다. 또한그것은철학적으로도아주중요한것을알려주는데, 어떠한예보에도항상내재된불확실성을사용자들에게상기시켜준다. 특히중기예측의경우, 결정론적인모델이도움이되는지에대한의문이생긴다. 기상예측에있어앙상블의사용은확대될것이확실해보인다.

60 3 장예측성및앙상블 17 연습문제 1. 앙상블예측시스템의필요성에대해설명하시오. 2. 앙상블시스템구축시고려해야할모델의해상도와앙상블멤버수중 어느것이더중요한지설명하시오. 3. 방대한양의앙상블멤버자료들을효과적으로활용하는기법들에대해 설명하시오. 4. 결정론적예보와확률적예보의장점과단점에대해설명하시오. 5. 규준예보로부터앙상블멤버를구성하는방법들을제시하고각각에대 해간단하게설명하시오.

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62 4.1 통합모델 4.2 초단기기상분석및예측시스템 4.3 동네예보 4.4 슈퍼컴퓨터와수치예보시스템

63 학습목표 - 통합모델의특성을이해한다. - 초단기분석및예측시스템이필요한이유를이해한다. - 기상청의초단기분석및예측시스템의분석및예보원리를이해한다. - 동네예보를정의하고다른예보와다른점을설명할수있다. - 동네예보에사용되는통계적기법 (PPM, MOS 등 ) 을이해한다. - 수치예보에서슈퍼컴퓨터의중요성에대해이해한다. - 현업수치예보시스템의수행및자료흐름도를이해한다.

64 4 장기상청현업시스템 통합모델 서론 통합모델 (Unified Model : UM, 혹은통합모델들이라고불리는게나은모델들 ) 은영국기상청에서수치모델시스템으로사용되어왔다. 이는특히현업용 NWP, 계절예보및기후모델링등과같은여러모델들의기능을하나의구조안에서조합하였기때문에그렇게불린다. 영국기상청은이렇게다양한응용기능을갖는공통의모델을사용하는유일한센터이다. UM은유연성있게설계되었다. 모델들은전지구혹은제한된지역에도적용할수있으며모든수준의해상도가가능하다. 과학적구성요소들은다양한방법으로조합될수있고모델들은장기간 ( 기후분석에적당할정도로 ) 혹은단기간 (NWP용) 에대해운영될수있다. 그러나몇개의표준구성이주로사용된다. 주요버전은다음과같은영역에속한다. - 현업용 NWP : 현재기상청에서사용되는모델은전지구 (GDAPS), 지역 (RDAPS), 국지 (LDAPS) 예보모델그리고앙상블예측시스템이있다. ( 참고로영국기상청에서는전지구예측모델, 북대서양과유럽모델 (NAE), 영국지역모델 (UKV 영국변수 ), 아프리카지역모델 ( 아프리카지역중규모모델 ), 독일과 Crisis 영역을포함하는중규모모델 (CAMMs), 남아시아모델 (SAM), 포클랜드의 CAMM과아프리카북동부지역을포함하는모델들이있다.) - 기후연구 : 해양 - 대기접합모델과함께전지구와지역대기의 1 개씩모 델만사용한다. 장기 (1 개월이상 ) 및여러계절예보일경우해양 - 대기 접합모델을사용한다.

65 2 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 4 장의목적은원칙적으로는현업용 NWP 에사용하는대기모델의주요과 학적특성과구성을설명함에있다. 4 장은 NWP 에대한최소한의기초지 식을갖고있다는전제하에작성되었다. 목차들은다음과같다. - 2 절은 UM 시스템의통합적접근법과일부의 S/W 에대하여설명한다. - 3~6 절은현업용모델의구성에대해설명한다. 모델의좌표계와해상도, 모델내변수들및경계조건의처방등에대해알아본다. - 7~9 절은모델의과학적특성에대해살펴본다. 역학및물리과정의표현 방법과자료동화에대해설명한다.

66 4 장기상청현업시스템 통합모델 통합적접근 많은응용에서공통의모델링시스템을사용하면다음과같은장점들이있 다. 프로그램이공유될수있으며, 컴퓨터의코드또한적게필요하게된다. 전체프로그램시스템이작아서, 적은비용으로시스템을유지할수있다. 기술자들이모델간현업적링크를보다쉽게할수있다. 예를들어 - 대기예측모델이해양과파동모델의구동을위한지상장을제공한다. - 전지구모델이지역예측모델에경계조건을제공한다. - 대기와해양모델의결합은기후연구에서광범위하게사용된다. 서로다른분야 ( 특히 NWP와기후연구 ) 에서의모델링전문기술은같은목표를향하고있으며따라서보다효율적으로활용할수있다. 통합적접근법은모든코드를모듈화하고, 모델들이코드를최대한공유하 고모든응용을단일제어로할때가능하다. 모듈화방식은코드버전간교체를쉽게하고, 모델간호환성을향상시켜 준다. 또한기상코드내의부프로그램 (Subroutine) 간인터페이스가다른 기상센터와의동의하에표준화되어다른기관들과의협력을촉진시켜준다. [ 그림 4.1] 전지구통합모델과다른모델간의상호작용

67 4 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 그림 4.2 는통합모델의구성성분을보여준다. 제어구조는다음과같은사 항을포함한다. 기상청에서 UM 은슈퍼컴퓨터 3 호기에서실행되고있다 (2012 년현재 ). 통 합모델은컴퓨터시스템에관계없이호환이가능하도록설계및개발되어 서다른유형의컴퓨터에서도작동된다. [ 그림 4.2] 통합모델시스템요소들의개념도

68 4 장기상청현업시스템 통합모델 좌표계와해상도표 4.1은기상청전지구예보모델의구성에서사용되는격자 (Grid) 계를상세하게나타낸것이다. 현업용전지구모델은표준위경도좌표계의격자점모델로격자점사이의위도와경도거리가각각 도와 0.375도이다. 이러한구조에서남북방향의해상도는약 40km이고동서방향의해상도는위도가증가할수록해상도가향상된다. 하지만위도 55도이상의고위도지역에서는격자간격이조밀해짐에따라지나치게발생하는여분의작은규모변동을제거하기위해서기상장들을필터링해야하기때문에동서방향의증가된해상도는효율적이지않다. [ 표 4.1] 기상청전지구예보모델 (N512) 구성 지배방정식 Complete Equation( 비정역학방정식계 ) 수평해상도 N512(25km ) 연직층수 L70( 모형상단고도 ~80km) 예측기간 10.5일 (252 시간 ) 시간적분간격 450 초 초기자료생산 4차원변분자료동화 (4DVAR) 공간이산화법 유한차분법 (Finite Difference Method) 시간적분 / 이류 반암시 / 반라그랑지법 (Semi-implicit Semi-lagrangian Scheme) 복사물리과정모수화 Edwards-slingo General 2-stream Scheme 지면물리과정모수화 MOSES-Ⅱ Land-surface Scheme 경계층물리과정모수화 First Order Non-local BL Scheme 대류물리과정모수화 Modified Mass Flux Convection with CAPE Closure 미세물리과정모수화 Mixed-phase Precipitation 중력파항력모수화 G.W. Drag due to Orography(GWDO)

69 6 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 통합모델이제한지역모델로사용될때는실제위도 / 경도좌표계대신에회전 (Rotated) 된위 / 경도의좌표계를사용한다. 계산상의북극은현실에서의 54.43N, N(RDAPS) 으로이동된다. 이는적도지역으로영역을이동하면상대적으로균일한격자간격을가지는장점을이용하기위한것이다. 이것은 ELF(Equatorial Lat. -long. Fine-mesh) 좌표로명명되기도한다. 그림 4.3 은 ELF 격자가무엇을의미하는지를나타내고있다. [ 그림 4.3] ELF 격자의예. 모델영역이격자간격이상당히균일한적도지역에위치. 이원리는기상청지역과국지모델에도사용됨

70 4 장기상청현업시스템 통합모델 기상청에서현재운용중인전지구모델의해상도는약 25km 이고지역모델 의경우통합모델은약 12km, KWRF 는 10km 이다. 또한국지모델 ( 한반도 영역 ) 의해상도는 1.5km 로고해상도이다 [ 그림 4.4] 기상청에서운용중인모델의종류와모의영역및해상도

71 8 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 가변격자계를사용하는국지모델의 (LDAPS) 모의영역중앙에서는 km의해상도를 ( 그림 4.5에서파란색 ) 갖지만모의영역의가장자리에서는 4km로해상도가저하되며, 모의영역중심의북쪽과남쪽에서는위 / 경도해상도가각각 4km 1.5km( 그림 4.5에서보라색 ), 모의영역중심의동쪽과서쪽에서는위 / 경도해상도가각각 1.5km 4km( 그림 4.5에서초록색 ) 이다. [ 그림 4.5] 가변격자계를사용하는통합모델에서의해상도변화 (LDAPS 예시 ) LDAPS에서가변해상도를사용하는이유는전지구또는저해상도지역예보모델로부터제공받는경계조건을위한과도한디스크사용량을줄이고, 적절한비용으로한반도모의영역으로부터경계지역을최대한멀게하기위함인데이것은특히경계영역에서불안정한대기흐름에중요하다. UM 은관심지역의격자간격이균일하도록좌표상의극을이동시키기만한 다면지구상의어느곳에서도지역모델로사용될수있다.

72 4 장기상청현업시스템 통합모델 2011년 5월기상청에서는전지구모델의연직층수를 50층에서 70층으로세밀화하였다. 연직층수가 70개일때의대기전체, 대류권중하층그리고경계층에서의연직층수를그림 4.6에나타내었다. 그림에서보는바와같이연직해상도는대기의급격한변동을보다정확히모의하기위하여지면근처에서가장조밀하다. 또한해상도는제트기류근처에서상대적으로높다. 제트기류는지상에서의기상현상발달과민간항공에중요하다. 모델의최상층고도는전지구모델이약 80km이고지역모델은약 80km이다. 모든모델에서 n(eta) 라불리는고도기반의혼합 ( 또는잡종, Hybrid) 좌표계가사용되고있다. 대기하층에서는지형을따르는시그마좌표계를사용하는데이것이현실적인경계조건의처방을용이하게한다. 대기상층에서는고도면을이용하며 17.5km 이상에서는고도면이평평하다. 두고도사이에서는두좌표계의혼합을사용하는데지상에서멀어질수록지형형태로부터벗어나기시작해나중에는고도가점점일정해진다. 하지만지형이높은곳에서는층이얇아진다. [ 그림 4.6] 전지구모델에서연직층수가 70 층으로세밀화되었을때의연직층분포

73 10 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 지표의특성 모델은여러가지측면에서의지표면을필요로한다. 지형, 지면피복분류, 수문학적특성그리고바다에서는해수면온도가필요하다. [ 그림 4.7] 전지구모델에서의지형 ( 평균해수면으로부터의고도 ) [ 그림 4.8] 모의영역및해상도에따른지형의상세화예

74 4 장기상청현업시스템 통합모델 전지구모델에서의지형을그림 4.7, 그리고모의영역및해상도에따른지형의상세화예를그림 4.8에나타내었다. 비교해보면대규모산맥의경우는적절하게그특징이묘사된반면, 작은산의경우상세함이적절하게묘사되지못하고있음을볼수있다. 특히제주도의경우해상도가 12km까지는한라산이전혀나타나지않다가 1.5km로고해상도가되어야한라산이산형태로나타나기시작한다. 지형자료는 GLOBE(Global Land One-km Base Elevation : 전지구 1km 고도자료 ) 자료로부터도출된것이다. 육상에서는식생과토양유형의지리적분포도처방된다. 지면피복의경우 1km 해상도자료로부터도출하였고고도자료는 30m 해상도자료로부터도출한것이다. 이들이토양의열전도율과열용량, 지표의수문, 반사율과거칠기길이등을결정한다. NWP 에서해수면의온도는매일갱신되는분석자료를이용하여처방한다. 해빙은기후학적자료로처방되는데, 가능할경우관측자료를이용하여 보완되며이때해빙의두께는 2m 로가정된다.

75 12 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 모델의변수들모델에서사용되는변수들은몇개의그룹으로나눌수있다. 모델에서계산되는주요요소는주요예단변수 (Primary Prognostic) 라고한다. 대기모델에서사용되는변수들이다음에제시되어있다. 이들은각격자점에서매적분시간마다계산된다. 대기권에서계산되는변수는 a)-f) 이고, 지상의격자점변수는 g)-l) 가있다. a) 수평바람성분 (u, v) b) 연직바람 (w) c) 온위 ( ) d) Exner Pressure(π) e) 비습 (q) f) 구름물과얼음 ( ) g) 지상기압 ( ) h) 토양온도 ( ) i) 토양수분함량 (SMC) j) 캐노피수분함량 k) 적설량 (Snowdep) l) 지표면온도 ( ) 다음의변수들은모델계산에있어꼭본질적인것은아니나, 주요예단변 수들로부터계산되는것들이다. 이들은제 2 의예단변수라고불린다. 이들 은모수화스킴으로계산된다. l) 경계층의깊이 ( ) m) 해면의거칠기길이 ( ) n) 대류운의양 (CC a ) o) 대류운운저 (CC b ) p) 대류운상단 (CC t ) q) 층운의양 (C a ) r) 오존혼합비 r) 의경우 ( 오존혼합비 ) 성층권에서의응용을위해서는예단변수로사용하고다른응용에서는상수로처리한다. 위의변수들외에도모델들은모델에의해이류되는수동적변수들인 29개에달하는추적자들 (Tracers) 이이동을예측한다. 예를들어, 오염분산을연구하는데사용될수도있다.

76 4 장기상청현업시스템 통합모델 경계조건 모델의경계조건을처방하기위해서는다른변수들이필요하다. 이들은하단경계 ( 지표 ) 와측면경계라는두개의그룹이다. 전지구모델을제외한동아시아및한반도영역과같이지역예보모델들은측면경계조건을제공해주어야한다. 모델의하단경계에서필요로하는변수들은보조자료 (Ancillary Data) 라 고한다. 이들은다음을포함한다. s) 땅과바다의마스크 t) 토양유형 u) 식생유형 v) 격자박스내의지형의평균과분산 w) 해수면온도 (SST) x) 해빙의비율 (ICEc) y) 해빙두께 (ICEt) z) 해류 해양 - 대기모델이접합된모델을수행할때는 w)-z) 변수들은보조자료가 아닌예단변수들로사용된다. 만약제한지역모델이실행될경우, 측면경계조건이처방되어야한다. 앞에서제시한목록중예단변수 a) 에서 e) 는매적분시간마다제공되어야한다. 동아시아및한반도지역모델의경우이러한경계조건은전지구모델예측자료에서제공된다. 이들은지역예보모델격자계로내삽되며모델의최외곽경계 8개격자점에적용된다. 지역예보모델에경계조건을제공하기위해서는전지구모델의예측이선행되어야한다. 통합모델과 KWRF 등은비정역학방정식과함께 원시방정식 이라불리는운동방정식을이용한다. 이방정식들은연직가속도를포함하고, 코리올리의효과를정상적으로반영하며지구의곡률효과를고려하는구면기하학적항을포함한다. 이방정식에대한자세한설명은부록에수록되어있다.

77 14 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 전지구예보모델은표 4.1에나타낸적분시간간격을이용해방정식들을전방으로적분한다. 반라그랑지안스킴이사용되는데이스킴은질량과질량이곱해진온위의보존에뛰어나다 ( 이러한보존은 UM의기후버전에서특히중요하다 ). 모델에의해발생되는인위적인고속의중력파를처리하는데있어, 모델이불안정해지는것을방지하기위하여분리-명시적 (Split-explicit) 스킴과함께정상적적분시간간격의 3분의 1의적분시간이사용된다. 유한차분스킴은바람장을온도장사이의격자점에저장하는아라카와 (Arakawa) C-grid를사용하는데, 이방법은모든변수들을동일격자점에저장하는것보다높은정확도와더나은수치상의안정성을제공한다.

78 4 장기상청현업시스템 통합모델 대기와지면과정의모수화 많은물리과정들은모델에서처리할수있는것보다규모가작다. 따라서 이들과정의세부사항들이명시적으로모델에포함되지않더라도이들의 총괄적인영향은모델에포함되어야한다. 이러한것을 모수화 라고한다. 대부분의사례에서 UM 은현업과기후버전에서동일한모수화가사용된다. - 대규모구름과강수대규모구름스킴은대류가아닌다른과정들에의해생성되는구름을다룬다. 모델에서역학적상승은이러한구름생성에서가장중요한과정이나, 구름은복사냉각과난류수송에의해서도발생할수있다. 그림 4.9은이스킴에의해표현되는수송과강수과정을보여준다. [ 그림 4.9] 혼합상강수과정과수송 전지구, 동아시아및한반도지역모델은혼합상구름과강수스킴을사용하는데이스킴에서는주요예단변수로비습 (q), 그리고구름내액체수와얼음의혼합비율 ( ) 을사용한다 ( 구름내액체수와얼음혼합비는구름내습윤공기 1kg에대한구름액체수및얼음의무게비율로나타낸다 ). 이들로부터각격자점에서의정량적인운량이계산된다 ( 층운의양, 변수 (p), 5절 ). 격자공간내에서상대습도의변화를가정하는데그결과상대습도 100% 이하에서도구름이발생하게한다.

79 16 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 구름물은주로자동변환 (Autoconversion) 이라는과정을통해강수로변환되며변환율은구름혼합비에비례해서증가된다. 자동변환방정식은상층의격자에서강수가내릴시결착과병합과정모의를통해변환율을증가시키는항을포함한다. 이러한방식으로파종-증식 (Seeder-feeder) 의관계가표현된다. 스킴의입력변수는온도, 액체수혼합비그리고수증기의혼합비이다. 격 자기둥의상층으로부터시작해서물과얼음이아래층으로낙하하는것이 예단되고상변화와잠열방출을나타내기위하여전달방정식이이용된다. 강우에대한구름물함량임계치가육지와바다에대해다르기때문에육지보다바다격자에서강수가빨리시작된다. 이것은해상에서상대적으로적은수의구름응결핵이존재함으로인해동일한구름물함량하에서해상구름의입자수는작고크기는더큰관측사실을고려한것이다. 이것은또한충돌-병합에의한강수입자의성장이크기가작은육지구름에서보다더효율적임을의미한다. 해상에서소나기를내리는대류운의두께임계값이 ( 육지에서는 4km인데비하여해상에서는 1.5km) 작은것도같은이유로서설명된다. 구름의형성에서와같은방법으로격자내에서구름물의비균일한분포가 한도는격자내에결합되지않은구름내수분의분포로써만들어진다. 그 러므로불포화된격자내에서도강수량이 0 이아닐수도있다.

80 4 장기상청현업시스템 통합모델 구름내에서의빙정은작은물방울이얼거나, 수증기의승화에의해직접형성되고성장한다. 구름내작은물방울들은 0도 ( 관측과일치 ) 이하에서도얼지않은상태, 과냉각된상태로존재한다. 동결된강수는생성되자마자낙하하는것으로가정된다. 강수의증발과용해는아래층에서의온도와습도가허용하는범위내에서발생하며이때잠열의소비에의해주위대기가냉각된다. 지상층에서의구름비율은격자점내임의의점에서안개발생확률로해석 될수있다. 안개확률진단은이변수와함께에어러솔농도에근거한다 대류와대류성강수적운과적란운의대류를설명하기위해구름모델이사용된다. 이하나의모델은격자영역내에몇개의대류플룸 (Plume) 을나타낸다. 상승기류와강수에의한하강기류모두가고려된다. 그림 4.10은모델에서처리되는과정들을보여준다. [ 그림 4.10] 대류구름모델

81 18 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 대류는대기기둥의두층사이에충분한부력이있을때시작된다. 상승하는공기덩이의크기를결정하기위해서, 모든공기기둥에내재되어있는 CAPE( 가용잠재대류에너지 ) 의크기를측정해야한다. 정의된시간내에 CAPE를소멸시키는데필요한상승하는공기덩이의질량이계산된다. 구름과주위대기와의혼합은주위공기가구름으로유입되는것과구름이외부공기로유출되는두가지과정으로표현된다. 대류는질량, 열, 수증기그리고구름물 / 얼음들이주위대기로완전히혼합되면종료된다. 격자에서강수는다음으로진단되는데, 그조건은다음과같다. (i) 구름물 / 얼음함량이임계치를초과할때 (ii) 구름의두께가임계치를넘을때 구름의두께임계치는바다에서는 1.5km 그리고육지에서는 4km이다. 그러나만약구름의상부온도가 -10도보다낮을경우, 임계두께는육지와바다모두에서 1km로줄어든다. 대규모강수에서와같이, 대류스킴도강수의증발과녹음을고려한다. 통합모델에있어서, 강한 ( 깊은 ) 대류는명시적으로나타내지만, 약한 ( 얇은 ) 대류는위에서설명한대류스킴으로모수화한다. 강함과약함의정의는격자공간내 CAPE 값에의해정해지는데, 여기서 CAPE 종결시간규모는깊은대류에서 CAPE 크기에선형적으로비례해서증가된다.

82 4 장기상청현업시스템 통합모델 복사과정이모수화스킴은복사속에의한열전달을모의하는데, 입사태양복사에의한단파와대기기체, 구름그리고지표면으로의방출에의한장파두그룹으로나누어진다. 그림 4.11는이러한과정을나타낸것이다. [ 그림 4.11] 구름과지표면과의장파, 단파상호작용 단파복사속은주로태양의천정각 ( 위도와계절, 하루중시간에따라변한 다 ), 구름의양과지표면의반사율에관계된다. 장파속은방출하는매개체의양과온도그리고그것들의방출율 ( 주어진온도에서흑체가방출하는최대복사에대한실제복사되는양의비율 ) 에좌우된다. 복사학적으로활동적인대기성분 ( 수증기, 이산화탄소와오존 ) 의영향이각각매우다르기때문에각각계산되어야한다. 각기체의방출율은매우복잡하게파장의함수이다. 모수화스킴에서는장파의여러개파장대를밴드형태로단순화시켜처리하는데각밴드에대해기체별 1개의방출율을가정한다. 유사하게단파의스펙트럼또한불연속적인파밴드로처리된다. 구름들은상당한정도로장파및단파복사와상호작용을한다. 구름들은수평상으로균질한평면으로처리된다. 격자공간에서는대류운과함께여러층의구름들이고려된다. 구름의영향은운량, 고도및구름물과얼음함량에좌우된다.

83 20 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 복사가열과냉각률은수증기나구름 / 얼음의형태로되어있는수분에크게 의존한다. 하지만전체적으로물의존재는대기권에서잘관측되지않으며, 그결과모든예단변수들중에서가장예측수준이낮다. 지표의반사율 ( 즉입사태양복사에대한반사복사의비율 ) 은해빙과적설 분포와함께식생과토양유형에좌우된다. 모수화스킴이너무복잡하기때문에, 전지구모델에서는 3시간에한번, 지역예보모델에서는한시간마다복사속을계산하도록단순화한방법이사용되고있다. 이러한빈도수는구름의변화에대한모델의온도반응을결정한다. 단파스킴의경우불충분한계산빈도에의해발생하는오류를최소화하기위하여매번갱신된태양각도를고려한다 중력파항력안정된상태에서산을타고넘어가는기류는대기에서파동을유발한다. 이러한 중력파 는대기에서항력을작용하는데이는대류권계면까지확장할수있다. 그림 4.12은이러한과정을나타낸것이다. 전지구및지역국지에보모델들은이러한항력을모수화하는스킴을포함하고있다. [ 그림 4.12] 등온위면으로나타낸중력파

84 4 장기상청현업시스템 통합모델 부가된응력 (Stess) 은지형의아격자크기변동과풍속에비례한다. 파동들은연직으로전파되며상승과바람시어증가를통해안정도를약화시킨다. 이러한현상은바람시어크기가유지불가능해질때까지지속된다. 이지점에서파동의 붕괴 가진단되고항력이작용되며, 대기흐름에불연속을야기시킨다. 이는시어불안정과함께난류의발생을의미하며작은규모의난류운동이대규모흐름의운동에너지를흡수한다. 붕괴는등온위면이경사지고역전된경계층과하부성층권에서주로발생한다. 이러한효과는제트기류를약하게하고지상저기압의키를작게하며다른경우보다빠르게저기압을약화시키는겨울철산악지역에서가장크게일어난다 지중, 지표와층간의과정 자유 대기에서의과정들을나타냄과함께지표면또는지표면근처에서대기에영향을주는과정들도표현되어야한다. 이것들은경계층, 지표교환, 토양과정과수문들을포함한다. 그림 4.13은이러한과정들을나타내고있다. [ 그림 4.13] 지중, 지표그리고경계층의과정

85 22 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 난류혼합작용은경계층의구조를결정하는데있어필수적인역할을하며모델의해상도보다매우작은규모로발생한다. 이것은지표와대기사이의중요한현열, 수분과운동량속을결정한다. 혼합의양은경계층의구조에의해좌우된다. 그러므로격자점에서바람과온도의연직구조그리고구름이경계층이 6개의가능한유형중어느유형인가를결정하는데이용된다 ( 안정, 중립, 기타 ). 혼합의양은선택된유형에좌우된다. 난류혼합에대한거칠기길이는다른요인들과함께식생의비율에의해결정된다. 산악지역에서거칠기길이는아격자규모의산등성이와계곡의효과를나타내는지형성분을갖는다. 적설은거칠기길이는줄이고, 반사율은증가시키며상부지상 2층에서의열속을줄여준다. 거칠기길이는호수, 경사면, 건물에영향을고려한다. 바다에서거칠기길이는파도와대기하층사이의상호작용을나타내기위하여풍속에비례하게증가된다. 이들계산에서수면에상대적인풍속을결정하기위하여해류가사용된다. 영국기상청의지표교환스킴 (MOSES) 은지표과정을처리한다. 이모델에서열과물의지중속을나타나기위하여 4층토양모델이사용된다. 표면온도를계산하기위하여열평형방정식이사용되며이것은입사태양복사, 유출장파복사, 현열 ( 토양과대기로향하는하향및상향 ) 그리고잠열 ( 물의증발과눈의녹음에의한 ) 속에대한항을포함하고있다. 눈이있으면토양을고립시킨다. 토양수분은강수량, 응결그리고눈녹음에의해증가되며, 증발, 지표면유출그리고더깊은토양으로의침투에의해감소된다. 식물캐노피 (Vegetation Canopy) 는모델의수문에있어여러가지방법으로일정역할을한다. 이는증발산작용을통하여대기에수분공급원역할을하며, 낙하하는비의포착과직접적인응결을통해물을획득하고저장하며, 이러한물을흘러내림 (Throughfall) 과정을통해토양으로보낸다.

86 4 장기상청현업시스템 통합모델 자료동화 변분동화 자료동화는모든수치예보시스템에서필수적인부분이고 UM의현업적구성에서도자료동화를필요로한다. 다른센터에서와같이기상청에서도관측에포함된정보와모델자료를혼합하기위하여변분동화라불리는시스템을채택하고있다. 그림 4.14에이과정이도식적으로설명되어있다. [ 그림 4.14] 단일변수 x에대한 4차원의변분동화에대한단순화된그림. 동화창의시작에서모델상태는이전의예측점에대한적합도와계속되는단기예측동안관측에대한적합도사이에통계적으로잘일치하도록조정됨 동화될자료를포함한동화창이실행되는동안모델이수행됨에따라다양한거리함수 ( 또는비용함수 ) 들 ( 그림에서 J) 이계산된다. 이들거리들은예상되는에러특성에따라가중되는배경장 ( ) 과관측 ( ) 으로부터각각모델과의거리를측정한다. 비용함수는이들거리들로정의되며변분적분석이라는과정을통해최소화된다. 비용함수의속성은변분과정이정확도가더높은자료에더일치하게맞추려고시도하는것이며그래서동화창시작점에서모델에최적추정치를제공하는것이다. 비용함수에대한더자세한사항들은부록에있다. 이러한유형의동화는관측의시간및공간퍼짐까지고려하기때문에 4차원변분법이라고불린다. 4-D VAR 방법은전지구및지역예측모델에서모두사용된다.

87 24 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 변분과정은모델의전예보나배경으로부터시작하며본질적으로반복과 정이다. 매반복단계마다대기의초기상태에대한정교한추정이이루어 지며이반복과정은비용함수가최소로수렴될때까지계속된다. 상상한대로, 이러한과정은계산량이엄청날수있으나이계산량을최대한줄일수있는기술이채택되었다. 비용함수는분석의추정치 ( 초기에는배경장 ) 로부터벗어남 ( 섭동 ) 의항으로표현되지만, 반복과정에서방정식에의해선형화된다. 최소화 (Minimisation) 는전체예측모델과같은해상도에서행해진다. 비록다양한역학적제약조건이변분동화에내재되어있지만, 결과적인초기장은예보가시작될수있을정도로충분히역학적으로평형이이루어지지않았다. 불연속적인초기화단계를채택하는것보다는, 분석증분을취하고예보모델의 n 적분단계에대해 1/n을더하는방법을이용한다. 접근에있어서분석이증대되고 n의시간동안 1/n의예측단계들을다시금해야한다. 만약 n( 시간 ) 이충분히클경우, 각적분단계에서파생되는불균형은모델이균형잡힌상태로빠르게조절되도록충분히작다. 숫자 n 크기는동화창동안에수행된적분단계수이다 ( 전지구모델과지역예보모델모두 6시간 ). 모델에동화되기이전에, 모든관측자료는품질검사과정을거친다. 그들은기후학적자료 ( 완전히비현실적인자료를제거하기위해 ), 모델배경자료그리고이웃한관측소의관측자료들과비교된다 운영상의예시예측모델들은슈퍼컴퓨터 3호기에서매일동일한시간에규칙적인주기로실행된다. 표 4.3은기상청에서현재운용중인전지구, 다양한규모및목적별지역예보모델들의상세한특성을보인것이다.

88 4 장기상청현업시스템 통합모델 [ 표 4.3] 기상청현업모델현황및주요응용분야 모델 구분 수평분해능 ( 연직층수 ) 운영횟수 / 일 예측기간 목적 전지구 지역 전지구예보모델 (GDPS) 25 km (70 층 ) 4 회 10.5 일 지역예보모델 (RDPS) 12 km (70 층 ) 4 회 72 시간 지역예보모델 (KWRF) 10 km (40 층 ) 4 회 72 시간 대상 : 전지구날씨예측용도 : 동네예보, 주간예보 대상 : 아시아날씨예측용도 : 동네예보 대상 : 아시아날씨예측용도 : 동네예보 국지국지예보모델 (LDAPS) 1.5km(70 층 ) 4 회 24 시간대상 : 한반도날씨 파랑 전지구파랑모델 (GWW3) 약 50 km 2 회 10.5 일 지역파랑모델 (RWW3) 약 8 km 2 회 72 시간 연안파랑모델 (CWW3) 약 1 km (6 개연안 ) 2 회 24 시간 대상 : 전지구해상파고용도 : 동네 주간해상예보 대상 : 아시아해상파고용도 : 해상동네예보 서해중부 / 남부, 남해서부 / 동부, 동해중부 / 남부 해일폭풍해일모델 (RTSM) 약 9 km 2 회 72 시간용도 : 아시아해상파고예보 황사아시아확장 (ADAM2) 30 km 2 회 72 시간용도 : 황사수송예측 태풍태풍모델 (DBAR) 약 35 km 4 회 72 시간용도 : 태풍진로예측 앙상블전지구앙상블모델 (EPSG) 40 km (70 층 ) 2 회 10 일용도 : 주간예보 통계모델 전지구 UM 기반 지역 UM 기반 KWRF 기반 중기기온 (GDLM) 3 시간기온 (RDLM) 칼만필터 (KLMN) 3 시간기온 (KDLM) 칼만필터 (KWKM) 6 개주요도시 주요예보지점 1 회 10 일용도 : 주간기온예보 2 회 48 시간 2 회 48 시간 2 회 48 시간 2 회 48 시간 용도 : 동네기온예보 초단기 초단기배경분석 (KL15) 15km (22층) 8회 - 대상 : 동아시아영역 15km (40층) 용도 : 초단기모델초단기배경예측 (KLBG) 4회 30시간 5km (40층) 의배경장생성 초단기분석 (KL05) 5km(22층 ) 24회 - 대상 : 한반도영역용도 : 3차원분석초단기예측 (KLFS) 5km(40층 ) 24회 12시간 / 예측생산

89 26 4 장기상청현업시스템 4.1 통합모델 전지구예모델 (GDAPS) 은 6 시간동화주기로운영한다. 전지구예모델의실 행은다음과같은그룹으로분류한다. 1. 전지구예모델은 00Z 와 12Z 에서유효한분석장으로부터 T+240 까지 의예보를 2 회 / 일로실행한다. 또한 GDAPS 는중간분석장인 06Z 와 18Z 로부터 T+72 까지예보를수행한다. GDAPS 의주목적은예보관들이단기예측, 중기예측, 항공기예보에필요 한지역종관지침을제공하고그리고지역예보모델을위한경계조건을제 공하는것이다. 2. 주기적분석 (at 00Z, 06Z, 12Z와 18Z) 을위해갱신 (Update) 실행이수행된다. 이실행들은다음단계의동화주기가시작되기전에분석장을즉시재계산하여가장최근에도착한관측자료들이동화에사용되게함으로써최상의분석장을도출하게한다. 12km 해상도의지역예보모델 (RDAPS) 와 10km 해상도의지역예보모델 (KWRF) 은각각하루에 4회 (00Z, 06Z, 02Z와 18Z) + 72시간까지의아시아지역의예보를수행한다. 국지예보모델 (LDAPS) 에서는한반도지역에대해 24시간까지의예보를하루에 8회수행한다.

90 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 서론 한반도에서는국지적인재해기상의빈도와강도가증가함에따라인명과재산피해가점점증가되고있다. 이와같은기상현상은기존의단기예보체계에서예측하기에는많은어려움이존재한다. 따라서이에대응할수있는예측기술개발이필요하다. 국립기상연구소에는국지분석시스템을활용한단시간강수예측시스템을구축하여초단기강수예측성향상을위한연구를진행해왔다. 이를위해다양한집중호우사례에대한연구뿐만아니라실시간운영체계를구축하여그결과를분석하여왔다. 그결과물리적초기화를통해 6시간이내의강수예측에뚜렷한향상이있음을제시했다 ( 기상연구소, 2005). 이러한초단기강수예측성향상을위해서는레이더와낙뢰자료의활용이매우중요하다는것을알수있었다. 예측성이낮은초단기에대한예측지원요구에따라기존의단시간강수예측시스템을활용한체계를운영하게되었다. 특히, 초단기예측은모델수행의선행시간을최대한줄여가능한빠른지원을할수록그유용성이높아지게된다. 따라서국지분석시스템을기반으로구축된 3차원분석시스템을이용함으로써단시간강수예측장의제공을보다앞당길수있었다 ( 기상연구소, 2006). 이러한결과는한반도뿐만아니라북미지역에서도 LAPS 초기장을이용한 WRF 모델의예측은강한강수의단기예측에특히높은강수예측성능을보였다 (Etherton and Santos, 2008).

91 28 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 2006년도에현업화되어운영되고있는초단기기상분석시스템을지속적으로개선하였고, 개선된분석자료를초기장으로초단기기상예측시스템 (Korea Local Analysis and Prediction System, KLAPS) 을새롭게구축하였다. 국지분석시스템의개선에는현업시스템의변경에따른수정및관측망의확대및변경사항을반영하였으며, 특히배경장을생산하는모델을교체하였다. 이를통해더욱상세해진분석장제공이가능하였다. 새롭게구축된초단기예측시스템은 WRF 모델을기반으로개발되었으며, 그예측장을활용도를높이기위해서수행체계를최적화하여그결과를 1 시간이내에예보관들에게제공할수있도록하였다. 2008년시험운영을통해초단기강수예측에매우유용하게이용될수있는것으로판단하여 2009년 8월에현업화하여지원하기시작하였다. 2010년에는 3시간간격으로발표하는기존동네예보단기예보와이음새없는예보를위해동네예보실황및초단기예보지원을위한자료로 KLAPS가이용되고있다. 매시간생산되는분석장으로부터동네예보실황요소를지원하고, 매시간생산되는예측장을통해서는초단기예보요소를지원하고있다.

92 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 초단기기상분석시스템기상청에서는예측능력향상을위해관측망의확대가이루어져왔다. 그리고정보통신기술발전과함께통신속도의향상으로각종위성자료및주변국의관측자료도준실시간으로수신가능하게되었다. 이와같은정보는종합기상정보시스템 (COMIS: COmbined Meteorological Information System) 에서관측종별로그래픽또는문자로실시간예보관에게제공되고있다. 그러나이와같이관측형태에따라별도로제공되는관측정보는별도의모니터링과분석을요구하게되므로, 모든관측자료를망라해서대기의상태를입체적으로조망하기에는부족한측면이있다. 이에실시간으로가용한모든관측자료와수치예측자료를사용해서 3차원분석자료를생산하여예보관에게제공할수있는시스템이요구되었다 ( 기상청, 2006). 이러한시스템의구축과관련하여가용한분석시스템에대한기술적검토가있었다. 기상청내에서연구개발이진행된 3차원변분자료동화 (3DVAR) 시스템과국지분석시스템이논의대상이되었다. 3차원변분자료동화는모형면에서분석이이루어지기때문에연직내삽오차가적다는장점이있지만, 분석시간이길고비종관자료를분석에사용하기위해서는별도의연산자개발이필요하였다. 이에반해국지분석시스템은기압면분석으로사이클체계에서연직내삽오차가유입될수있는단점이있지만, 계산시간이짧고새로운관측자료의입력이용이하며다양한응용지수산출이가능하다는장점이있었다. 관련부서들과의논의결과로국립기상연구소에서개발이진행된국지분석시스템을활용하기로결정되었다. 3차원분석시스템개발은 2006년도현업화업무로지정이되어, 관련부서들의협력을통해개발이진행되었다. 2006년 4월 15일부터시험운영을 5월 15일에는현업운영을시작하였다. 그이후지속적인개선이수행되었고, 시스템이름을초단기기상분석시스템으로명명하였다.

93 30 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 초단기기상분석시스템의체계는기본적으로기존에개발된체계와유사하게구성을하였다 ( 그림 4.15). 그렇지만초단기기상분석시스템은현업운영되어야했기때문에기상청의기본정책인디지털예보영역에맞추어야했다. 따라서분석의격자간격은 5km, 중심위도는 38.0 N, 중심경도 E 로새롭게구성을하였다. 3차원분석시스템은 의격자수를갖는 15km 영역과 격자수를갖는 5km 영역으로구성을하였다. 5km 격자영역은경계영향을줄이기위해디지털예보영역의격자를포함하여남북과동서로좀더넓게하였다. 기상청전지구모형예측자료를경계장으로 15km 영역모형이 6시간사이클체계로수행된다. [ 그림 4.15] 초단기기상분석시스템의체계도

94 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 이때에 15km 분석은예측장을배경으로매 3시간마다이루어진다. 5km 분석장은매시간이루어지는데배경장으로 15km 영역의예측장과함께둥지내삽되어생산되는 5km 예측장을이용한다. 따라서이를위해서 5 km 영역에대해서모형은매시간결과자료가생산되도록하였다. 5km 분석은미리수행된모형자료를이용하므로 15km 영역의모형수행은모형초기시간에비해지체가가능하다. 따라서 5km 분석에이용되지못하는 GTS 자료와라디오존데, 항공기관측자료등의상층관측자료가 15km 영역의분석에서는포함될수있도록분석이늦게이루어지게하였다. 그래서간접적이지만 5km 영역에 GTS 자료와라디오존데자료의영향이주어지도록하였다. 이와같이 15km 영역의예측장생산이지체가발생하기때문에 5km 영역의 3시간예측부터배경장으로이용된다. 초단기기상분석시스템은분석시간에서 10분이내에분석이이루어져야했다. 따라서분석시간약 6분이후에분석이시작되어야하므로, 그시간이전에수신이되는관측자료만활용이가능하다. 그래서활용할수있는관측자료가어떠한것이지관측자료의입전현황분석이필요했다. 현재기상청의모든관측자료는실시간으로종합정보시스템 (COMIS) 에수신이되므로종합정보시스템에관측자료의수신시간을자료별로조사하였다. 현재항공기상관측자료는기상청에서관측되는자료와공군에서관측된자료가수신되고있다. 수신된자료를살펴보았을때에기상청관측자료는관측시간 00분이되면 10개가수신되어대부분의관측자료가수신이된다. 공군관측자료는시간에따른변화가있지만정시 6분에대부분 33개정도의관측자료가수신됨을알수있다. 실제로항공기상관측자료는정시자료를약 10분전에관측하기때문에 6 분이내에대부분의자료가수신이되며 3차원분석시스템에활용이가능하다. 이와같이다양한관측자료에대해서매시간수신되는관측자료의수를조사하고실질적으로이용할수있는관측자료를파악하였다.

95 32 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 정지기상위성 MTSAT-2 자료는매시 00분과 33분두번의관측이이루어지는데, 00분자료는일부시간에는관측이이루어지지않기때문에 3차원분석시스템에는 33분자료를사용하였다. 이자료는매시약 48분에수신이완료되어활용이가능하다. 또한우리나라최초의정지궤도기상위성인천리안이 2011년 4월 1일부터현업운용됨에따라 15분주기의천리안자료활용을준비중이다. 자동기상관측자료와낙뢰자료는관측후약 5 분이내에자료를활용할수 있으며, 레이더자료는관측사이트마다관측과수신시간에차이가있지 만약 10 분정도의관측시간과의차이가있다. 따라서분석시간 10분전자료를사용한다. 수직측풍장비의관측도레이더자료와마찬가지로관측시간과수신에약 10분정도의차이가있어, 분석시간 10분전자료를활용하기로하였다. 항공기상관측자료는앞서언급한것처럼정시자료를약 10분전에관측하기때문에 6분이내에대부분의자료가수신이된다. 일본지상관측자료 (AMEDAS) 도실시간수신이되어 5분이내에활용이가능하다. 따라서레이더와국내수직측풍장비의관측자료를 10분이전자료를활용하게되면, 위성, 레이더, 수직측풍장비, AWS, 항공기상관측자료의자료를정시 6분에활용이가능하게된다. 이러한관측자료파일은종합기상정보시스템에서전후처리시스템으로 FTP로전송이되고 3차원분석시스템에서처리할수있는자료형태로각각전처리작업이이루어진다 ( 그림 4.16). 이후에초단기기상분석시스템의바람, 온도, 습도등의분석과정이적용되며, 최종분석장이매시약 10분에생산이된다. 이에반해관측자료중에는수신시각에지체가있어초단기기상분석시스템매시간분석에이용되지못하는것이있다. GTS는언급한것처럼관측시각과수신이차이가있으며, 각사이트에서관측된자료가독립적으로전송되기때문에시간이지날수록활용할수있는관측자료가증가하게된다.

96 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 GTS 자료중에서지상자료는분석시각에서 50분정도가지나면약 90 % 정도의자료가수신이되는반면에상층자료의경우는약 1시간 30분이지나야대부분의자료가수신된다. 항공기기상관측자료 (ACARS) 는현재미국 GSD( 구 FSL) 로부터자료를받고있는데약 1시간 30분이후에자료를활용할수있다. 일본수직측풍장비는정시약 20분이후에활용이가능하다. 이러한자료는비록매시분석에는이용되지못하지만 15km 영역의분석에활용이되고있다. 따라서이러한관측자료가 15km와둥지격자 5km 영역에서간접적으로분석장에효과를미치게된다. [ 그림 4.16] 매시간분석과정흐름도 2008년도에는레이더및윈드프로파일러장비가확대됨에따라관측자료추가하였다. 추가된레이더자료는성산포자료가포함되었으며, 윈드프로파일러는 2007년도이후신규설치된자료를포함하여 12대의관측자료가실시간입력되고있다. 또한 MTSAT-1R 위성의 HiRID 송신서비스중단및 HRIT 정규서비스실시에따른입력체계를구축하였다.

97 34 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 개발이후에정보가변경된 AWS, AMEDAS 지점정보를최신으로갱신하 였다. 그리고기상청으로실시간전송되는국내 AMDAR 자료도활용될수 있도록하였다. 항공기관측자료인 AMDAR는기존에는미국 GSD(Global Systems Division) 에서전세계자료를취합하고전송이되어입전시간지연으로인해 5km 해상도의국지분석시스템에서는활용할수없었지만, 국내자료를실시간활용할수있음에따라본연구를통해이용체계를구축하였다. 국내 AMDAR 자료는현재정시기준으로 10분전부터입전된자료를처리하는데평균 2~3대의항공기에서관측된자료가분석에활용된다. 정시 6분부터관측자료를전송하고처리하기때문에수신시간이늦은 GTS 와같은일부자료를제외하고는활용가능한대부분의관측자료를최대한입력가능하도록하였다. 그리고국지분석시스템에배경장을생산하는기반모델을변경하였다. 기존시스템은 MM5V3를이용하였다. 그이후에기상청현업지역모델이 KWRF로변경됨에따라효율적인운영을위해서배경장생산모델도 WRF 로변경하기로하였다. KLAPS 시스템은기본적으로 WRF 결과자료를처리할수있는과정이포함되어있었지만, WRF 버전 4.1 이전의체계에맞춰져있었다. 따라서 WRF 버전 4.2 이후에변경된전처리과정등을반영하기위해수정이요구되었다. 이를위해서 WRF 결과를초단기기상분석시스템에입력과정을개발하였다. 여기에는 WRF 모델결과의완화등의과정이포함되었다. 한편국지분석시스템에서는위성, 레이더, 항공기상관측등다양한관측자료를이용한구름분석과정이포함되어있다. 이러한분석과정에서구름정보와상관된바람과온도에대한조절은이루어져야한다. 모델적분초기시각에구름또는대기물변수를지정한다고하더라도이를뒷받침할수있는대기흐름이정의되지않으면증발에의한냉각과하강기류의형성이유발될수있다. 따라서이를보완하기위하여여러종류의관측으로부터 3 차원구름의분포를분석하고, 이와역학적균형을이루는초기장을생산하는일련의물리적초기화과정이국지분석시스템에는포함되어있다 (Schultz et al., Shaw et al., 2001).

98 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 강수현상시에강우와강설의구분은온도보다는습구온도에기반을둔다. 이것은환기효과 (Ventilation Effects) 로떨어지는강수의온도가습구온도를유지시키기때문이다. 만약대기가충분히건조하다면 0 이상의온도에서도강설이일어난다는것은익히알려진것이다. 경험적으로이러한강우와강설구분의습구온도임계값은약 1.3 근처이다. 따라서지면에서의습구온도가이임계값이상이면강우, 0 이하이면강설, 두경계값사이는강우와강설이혼합되어나타날수있다. 국지분석시스템에서계산된지상온도, 습도, 기압자료를이용해서습구온도를계산하고구름분석을통해파악된강수현상이나타나는격자에서이습구온도를적용해서강수유형자료를산출할수있는것이다. 국지분석시스템을활용하여매시간생산되는강수유형자료가실시간으로예보관들에게지원될수있도록하는체계를구축하였다 ( 그림 4.17). 강수유형자료는레이더자료가관측가능한범위내에서결정이된다. [ 그림 4.17] KLAPS 에서산출하여지원하는강수유형자료 ( 주황색은강우, 하늘색은강설을의미 )

99 36 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 검증을위하여강수유형판별결과를관측자료와비교를하였다. 사용된 자료는국내기상대매시간관측자료이다. 국내식기상현상코드번호에서비와관련된번호와눈과관련된코드를분석하여강우, 강설, 강우강설혼합의자료를추출하였다. 그리고, 국지분석시스템에서 5km 마다생산된강수유형자료를기상대근처의 3 3 격자에대해서강우, 강설, 혼합을구분하였다. 9개의격자중에서강우나강설만있는경우는강우, 강설로판별하고두강수유형이모두있는경우는혼합으로분류하였다. 2006년겨울 (2006년 11월 16일부터 2007년 3월 15일 ) 과 2007년겨울 (2007년 11월 16일부터 2008년 3월 15일 ) 의기간에대해서기상대에서강우, 강설, 혼합의관측수에비해국지분석시스템에서강수현상을판단한경우는 2006년겨울은약 54%, 2007년겨울은약 50% 에불과하였다. 따라서국지분석시스템에서전반적으로강수현상을적게분석하고있는것이다. 이러한원인은위성과레이더를이용한 3차원구름분석이실제보다구름을적게분석하는것을의미한다. 강우와강설유형만보면 2006년에는약 92%, 2007년에는 82% 정도의정확도를보인다. 관측에서강수가나타났지만 KLAPS 분석에서강설및혼합형으로보는경우가반대의경우보다많았다. KLAPS에서판단된강수유형산출자료는특히정규관측자료가부족한북한지역이나서해상을이동하는저기압시스템에의한강설예보에유용하게활용될수있다. 현재강수유형은분석장에대해서적용이되었다. 하지만, 이러한결과를활용해서수치모형예측에사용이가능할것이다. 이경우에사회적으로많은영향을끼치는강설현상에대한예보정확도를향상시킬수있을것이다.

100 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 2010년도에동네예보실황장을제공하기위해서분석장의개선이있었다. 우선기존 WRF v4.2 기반의배경장생산모델이최신 WRF v3.1 기반으로변경이되었으며, 민간항공기관측자료활용고도변경, 레이더자료처리개선, 구름분석을위한위성자료활용과정을개선하였다. 산출되는 KLAPS 분석장중에서지상기온, 습도, 풍향, 풍속, 운량, 하늘상태, 강수량의 7개요소에대해서동네예보로제공하고있다. 이중에서기온은분석장과관측지점의고도차이를보정하였고, 해안지역도행정구역에맞춰일부변경하였다. 강수량은 10분간격의레이더반사도자료와 1시간누적 AWS 강수자료를합성하여한반도근처의강수량을산출하여제공하고있다.

101 38 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 초단기기상예측시스템초단기기상예측시스템은위성, 레이더등의비종관자료를활용하여구름분석이포함된초기장을이용하므로수치모델의적분초기부터강수를적절히모의가능하다. 따라서모델적분초기의강수스핀업문제를완화할수있다. 북미사례에서 LAPS 초기장을이용한 WRF 모델의예측은강한강수의단기예측에특히높은강수예측성능을보였다 (Etherton and Santos, 2008). 그리고, 일 2회의잦은예측으로단시간에급격히발달하는강수시스템을예측하는데유용하고, 빠른지원이가능하므로초기시각으로부터 1 시간이내에예측장이활용가능하다. 그림 4.18은매시간수행되는초단기기상예측시스템의체계도를나타낸것이다. [ 그림 4.18] 초단기기상예측시스템의체계도 초단기예측시스템의수평해상도는 5km, 수평격자수는 이며연직으로는 40층이다. 명시적물리과정은 WDM-6 방안을사용하였고, 적운모수화방안은사용하지않았다. 초단기예측시스템은 2008년 8월시험운영이시작되었고 2009년 8월현업운영으로결과가공식적으로지원되다. 2010년 6월 KLAPS v3.0으로업그레이드되었고, 동네예보와초단기예측에자료를제공하고하고있다.

102 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 초단기기상예측시스템의특징인구름분석의효과를살펴보았다. 이미언급한것처럼구름분석이포함된초기장을이용하므로스핀업문제를완화하여수치모델의적분초기부터강수를적절히모의가능하다. 현재 KLAPS에서는구름분석을위해위성영상자료, 레이더반사도볼륨자료, 지상항공관측자료등이이용된다. 이러한자료를이용해서 3차원적인구름의구조를만들어낸다. 그리고, 이와관련되어습도장뿐만아니라구름주위의바람장에적절하게생산하게된다. 또한기상청에서실시간관측되고있는낙뢰자료를이용하는데이를통해서구름내부의연직속도에대하여더욱현실적으로향상시키고있다. 이러한구름분석자료는수치모형에서초기시간부터강수형성이가능하도록한다. 그림 4.19는구름분석이포함되지않은초기장과국지분석을통한구름분석이포함된초기장을이용한 1시간누적강수와이때의레이더영상자료를나타낸것이다. 구름분석이포함되지않은예측에서는서해상에만강수현상이있고레이더영상자료에서볼수있는한반도에존재하는강수대를예측하지못하고있다. 이에반해구름분석이포함된예측에서는한반도에서의강수대를뚜렷하게예측하고있다. 심지어레이더영상에서볼수있는주강수대보다약간동쪽에있는강수대도모의하는것을볼수있다. 이것은모델초기시각에분석과정에서입력된레이더정보등이매우적절하게분석에활용되어수치예보의강수모의에작동하고있음을알수있다. 이러한모형초기의구름분석효과는일반적으로약 9~12시간까지긍정적인영향을주는것으로알려져있다. Radar image (a) (b) 09/ UTC [ 그림 4.19] 구름분석이포함되지않은경우 (a) 와포함된경우 (b) 에수치모델에서 1 시간누적강수모의결과비교

103 40 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 2009년도에는초단기기상예측시스템의예측성능향상을위하여다양한개선을추진하였다. 우선은초기연직속도결정모수최적화를통해초기화과정을개선하였다. 이를위해구름연직속도모수탐색을위한유전알고리즘 (GA : Genetic Algorithm) 코드결합하였다. KLAPS에서는구름유형에따라구름내부의연직속도가결정되며, 운형에따라서로다른모수 (x 1, x 2, x 3 ) 를가진다 ( 그림 4.20). 적운형, 층적운형, 층운형구름의모수각각에대해유전알고리즘적용하였다. [ 그림 4.20] 운형에따른 KLAPS 의연직속도결정방법

104 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 강수사례에대한최적의모수를탐색하기위한수치실험을설계하고수행하였다. 유전알고리즘에서 20개의개체에대해서 30세대까지실험을수행하면서최적의모수를탐색하였다. 이때적용한적합도함수는 6시간누적강수량 1~50mm까지의각기준값에대한 ETS의누적값이다. 2008년 6월 17일사례에대해서탐색실험수행하였다. 최적의모수탐색을위해 KLAPS 분석과정과 WRF 모델결합한유전알고리즘적용하고해당모수들로구성된각모델결과에대해적합도함수계산하게되는이흐름도는그림 4.21에나타내었다. [ 그림 4.21] 모수탐색흐름도

105 42 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 세대에따른모수분포진화특성을살펴보았다 ( 그림 4.22). 유전알고리즘탐색공간 (0~1) 에서각모수들은세대가지날수록점차적으로수렴하여약 20세대에서는상당한수렴정도보였다. 특히 x1( 적운모수 ) 은 5~6세대에서대부분수렴하였다. [ 그림 4.22] 적운모수 x1 의 0 세대 ( 왼쪽 ) 과 20 세대 ( 오른쪽 ) 의모수분포 구름연직속도에대한강수예측민감도분석을수행하였다 ( 그림 4.23). 3개의모수중적운형에대한모수 (x1) 가강수예측성에가장민감하였다. 모수값이증가할수록적합도함수가증가되는경향이산출됨을보였다. 특히 15mm /6hr에서높은 ETS 값을산출하고 BIAS도개선되는것을알수있었다. [ 그림 4.23] 적운모수별 6 시간누적강수문턱값에따른적합도함수 (ETS) 분포

106 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 모수에따른분석및예측결과를비교하였다. 먼저분석장비교분석에서 850hPa 고도바람장, 특히레이더와위성관측지역에서차이가뚜렷함을알수있었다 ( 그림 4.24). 이를통해모수변경에따른구름분석의효과를확인할수있었다. [ 그림 4.24] 2008 년 6 월 17 일 09UTC 850hPa 분석바람벡터장의차이 ( 오른쪽 ). 왼쪽은동일시각위성 ( 좌상 ) 과레이더 ( 좌하 ) 관측영상

107 44 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 강수예측비교분석에서새로운적운모수에의해전라남도와앞바다의 강수시스템예측성능향상됨을보였다 ( 그림 4.25). [ 그림 4.25] 2008 년 6 월 17 일 09UTC 를초기장으로한 6 시간누적강수량비교. 왼쪽 (CTRL) 은기존모수를적용한분석장을초기장으로한예측장, 오른쪽 (BEST) 은최대적합도함수를갖는모수를적용한분석장을초기장으로한예측장

108 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 탐색된모수를이용하여 2008년도여름철 (6, 7, 8월 ) 에대해예측을수행 ( 매 3시간 ) 하였다. 각예측자료의 3시간누적강수량을 AWS 관측자료로검증한결과, 전반적으로강수예측능력이향상되었다 ( 그림 4.26). 특히 6 시간누적 14.5mm 기준으로는 ETS가 23.8% 에서 23.5% 로향상되었다. [ 그림 4.26] 규준실험 (Control, 파랑 ) 과연직속도최적모수가적용된실험 (Omega, 빨강 ) 의 3 시간누적강수의문턱값별 ETS( 왼쪽 ) 와 BIAS( 오른쪽 )

109 46 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 그리고, 초단기기상예측시스템의모델물리과정을개선하였다. 최근 Lim and Hong(2009) 에의해이중모멘트구름미세물리과정이새롭게개발되었다. 초단기기상예측시스템의모델에개선된미세물리과정 ( 이중모멘트 ) 을적용하였다. 기존에활용되었던 WRF 모델의 Single-Momont 6- class(wsm6) 미세물리과정은수증기, 구름물, 구름얼음, 눈, 비, Graupel 의 6개종류에대해서혼합비를예측한다. WRF Double-Moment 6- calss(wdm6) 는 WSM6에구름물과빗물에대한수농도를추가로예측하여명시적인구름응결핵과결합되어다양한비입자의크기분포를가진다 ( 그림 4.27). [ 그림 4.27] WDM6 에서혼합비과수농도에대한미세물리과정흐름도 ((Lim and Hong, 2009)

110 4 장기상청현업시스템 초단기기상분석및예측시스템 2008년 6월 18일 0000UTC를초기시간으로하여 WSM 방안과 WDM 방안을이용하여 3시간누적강수모의결과비교하였다. 강수패턴은전반적으로두방안모두비슷한형태를나타내었다. 그러나국지적인강수량의차이를보였는데, 6시간예측에서 WSM 방안에서나타나는한반도중부의강수지역이 WDM에서약화되고, 9시간예측에서는 WDM에서모의된강수대가더강하게모의 ( 그림 4.28 오른쪽열에서분홍색점선타원안 ) 되었다. AWS WSM WDM F03H F06H F09H [ 그림 4.28] 2008 년 6 월 18 일 03UTC 부터 09UTC 까지 3 시간누적강수분포도. 상단부터 AWS 관측, 기존 (WSM) 과새로운 (WDM) 의미시물리과정

111 48 4 장기상청현업시스템 4.2 초단기기상분석및예측시스템 미세물리과정이강수에미치는영향을알아보기위하여여름철 3개월 ( ) 에대해민감도실험을수행하였다. 3시간간격으로총 736회의모델예측결과자료에대해서 AWS 강수검증하였다 ( 그림 4.29). 3시간누적 1mm의약한강도의강수기준과 3시간누적 10mm의중간강도의강수기준에서 WDM 결과가 12시간예측까지모두높은 ETS 보였다. BIAS는 WDM이 WSM보다높은값을보여, WDM이강수영역을다소넓게예측하였다. [ 그림 4.29] 규준실험 (WSM, 파랑 ) 과새로운미시물리과정이적용된실험 (WDM) 의 3 시간누적강수의문턱값별 ETS 와 BIAS