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1 Journal of Climate Change Research 2020, Vol. 11, No. 4, pp. 247~257 DOI: 이재희 * 성현민 ** 심성보 ** 부경온 *** * 국립기상과학원미래기반연구부연구원 ** 국립기상과학원미래기반연구부연구사, *** 국립기상과학원현업운영개발부연구관 International Data Node System for CMIP6 Climate Change Projections Lee, Jae-Hee * Sung, Hyun Min ** Shim, Sungbo ** and Boo, Kyung-On *** * Researcher, Innovative Meteorological Research Department, National Institute of Meteorological Sciences(NIMS), Jeju, Korea ** Research Scientist, Innovative Meteorological Research Department, NIMS, Jeju, Korea *** Senior Research Scientist, Operational Systems Development Department, NIMS, Jeju, Korea ABSTRACT The National Institute of Meteorological Sciences (NIMS) of the Korea Meteorological Administration (KMA) is participating in CMIP6 to produce climate change projections for the IPCC Sixth Assessment Report (AR6). Based on the KMA Advanced Community Earth-system model (K-ACE) and UK Earth System Model (UKESM1) in collaboration with the MetOffice, UK, we will take part in ScenarioMIP and AerChemMIP to model long-term climate simulations under the Shared Socioeconomic Pathways for IPCC AR6. The experiment output dataset will be enormous, with management and world-wide dissemination critical to meeting global goals. In order to support data access, a node in the Earth System Grid Federation has been developed. We applied the postprocessing method to publish CMIP6 data to the ESGF; this postprocessing method includes the international standard data conversion (CMORization) and quality assurance (QA) processes. These CMORization and QA processes are mandatory for publishing data to ESGF and increase the reliability of the data. We expect that shortening the time needed from model simulation to delivering data through the ESGF node will improve climate change science outcomes and will facilitate the CMIP activities of various users. Keyword : Climate change, ESGF, Quality Assurance, CMOR, CMIP6 1. 서론 기후변화에따른사회경제적영향및미래국제협약에포함될수있는잠재적대응요소들에대한검토와권고사항을준비하기위해 1988년유엔환경계획 (United Nations Environment Programme, UNEP) 과세계기상기구 (World Meteorological Organization, WMO) 에서는기후변화에관한정부간협의체 (Intergovernmental Panel on Climate Change, 이후 IPCC) 를설립하였다. IPCC에서는온실가스 배출에의한잠재적인미래기후변화시나리오를산출하여평가보고서에활용한다 (IPCC, 2013). IPCC 평가보고서는기후위기에대응하는여러정책결정을위한중요한도구로사용되어기후변화대응전략을평가한다. 따라서많은국가들이 IPCC 평가보고서작성을위한기후변화시나리오개발에참여하고있다. 시나리오는세계기후연구프로그램 (World Climate Research Programme, 이후 WCRP) 의결합모델상호비교프로젝트 (Coupled Model Intercomparison project, 이후 CMIP) 를통해산출된다. 실험을설계하고실 Corresponding Author : jhlee0@korea.kr (33 Seohobuk-ro, Seogwipo-si, Jeju ORCID 이재희 X 63568, Korea, National Institute of Meteorological Sciences, Tel. 성현민 , ) Received: June 17, 2020 / Revised: July 10, st, July 27, nd / Accepted: August, 12, 2020 심성보 부경온 X

2 248 이재희 성현민 심성보 부경온 행하며모델출력을생산하는전문가외에도기후변화를연구하는관련분야의연구자, 기후서비스를개발하고제공하는개발자등많은사람들이 CMIP 산출물을활용하게된다. 자료는생산하는만큼사용자에게제공되는것도매우중요하므로모델링커뮤니티의전문가가아닌일반이용자에게도자료의투명성과가용성이보장되어야한다. 그리고데이터생산후오랜시간이지나도모델의구성, 생산과정의절차와선택에대한사항까지추적할수있어야한다. 이러한요구에의해 2014년 WCRP의기후모델링워킹그룹의기반시스템패널 (WGCM Infrastructure Panel, 이하 WIP) 이설립되어 CMIP을지원하는업무를담당하고있다 (Eyring et al., 2016a). WIP는 CMIP 모델출력에대한이용과분석을용이하게하는소프트웨어개발프로젝트를지원하고있다. 모델출력이공통의구조와형식으로작성되도록하고공통의방법으로전세계적으로보관및접근가능하게하는표준을정의한다. 또한 CMIP 또는다른 MIP 프로젝트가과학적요구를충족시킬수있도록 CMIP 실험의설계를감독하고권고사항을제공한다. 그외 WIP에서는 CMIP을뒷받침하기위한계산기능과자료기반시스템을조사하며, 국제표준체계의실험설계를감독하는팀과자원을제공하고인프라를설계하는팀간의의사소통을개선하는업무를수행한다. 특히 WIP는 CMIP 설계, 미래성장을지원하는데필요한글로벌데이터인프라 (Earth System Grid Federation, 이후 ESGF) (Williams et al., 2011a, Williams et al., 2011b) 에대한권고사항을제공하는데, 이권고안에따라각모델링센터는 ESGF 노드를구축하고운영하여 CMIP 자료공유를제공한다. 기상청국립기상과학원에서는 2007년부터기후변화시나리오산출을통하여 IPCC 4차, 5차평가보고서에기여하여왔다. 2022년 IPCC 6차평가보고서에대해서도 CMIP6에참여하여기후변화시나리오를산출중이다. 국제적으로 5 차평가보고서에비해 6차평가보고서는모델의향상, 기후과정진단을위한다양한실험의증가등으로인해자료의용량은크게증가하였다. 이에기관별생산된자료들이수요자들에게대용량으로처리, 배포, 관리하는자료유통, 전달이매우중요해진다. 국립기상과학원에서는자료의산출에서제공까지의시간을단축하여자료제공을신속히하고시나리오의활용을높이고자 ESGF 노드를구축하였는데본논문에서는이구축과정을소개하고자한다. WIP의권고안을준수한국제데이터노드구축과정과자료제출과정에대한내용을포함하였다. 2장에서는 CMIP6에참여하여 생산한자료를언급하고, 3장에서는 ESGF 자료제출에필요한과정인국제표준자료변환, 품질보증과정에대하여설명하고, ESGF의역할, 구축방안및 CMIP6 자료제출에대하여논의한다. 마지막으로 4장에서는요약및결론을제시하였다. 2. CMIP6 전지구기후변화시나리오 2.1 CMIP6 대응을위한기후변화시나리오자료산출온실가스나에어로졸과같은인위적강제력과태양활동과화산폭발같은자연강제력이기후변화에미치는영향을살펴보고, 이러한외부강제력변화에따른기후전망정보를생산하기위해서는기후모델링이뒷받침되어야한다. 이에기후모델을활용한미래시나리오산출과불확실성을평가하는방법론이제시되고, CMIP 의기초가되었다. IPCC의첫번째보고서에서공식화되어진대기모델비교프로젝트 (Atmospheric Model Intercomparison Project, 이후 AMIP) 는참여를원하는누구나에게열린최초의모델간비교프로젝트이다 (Gates, 1992). 이때 5 개의모델이참여하였고, AMIP, 산업화이전제어실험, abrupt 4 CO2, 1% CO2 로구성된 DECK(Diagnostic, Evaluation and Characterization of Klima) 실험이표준화되었다 (Balaji et al., 2018). 이렇게시작된 CMIP은현재 CMIP6 에이르러서 40여개의모델링센터에서 100개이상의모델을가지고 CMIP 패널에의해승인된 23개의 MIP에참여하고있다. CMIP6의 MIP에서는 CMIP5 에비하여상당히확장된 287개의실험이요구되고있다. 287개실험의제출변수목록에는 8개의모델링영역 ( 대기, 해양, 지면, 해빙등 ) 에서산출되어야할수천개의변수가존재한다 ( accessed 2020 May 30). 또한물리, 화학, 생물학적프로세스의영향으로실험에대한복잡도가증가되어자료의용량이크게증가하였다. 국립기상과학원에서는필수실험인 DECK을비롯하여 SSP에따른시나리오모델상호비교프로젝트 (Scenario Model Intercomparison Project, 이후 ScenarioMIP) 와에어로졸화학모델상호비교프로젝트 (Aerosol Chemistry Model Intercomparison Project, 이후 AerChemMIP) 에참여하여자료를산출하고, ESGF에서제공하고있다. 2.2 새로운온실가스경로에따른미래기후변화시나리오미래기후변화에대한예측은기후시스템에대한이해를높이고, 사회적위험과대응방안을수립하는데중요한역할을한다. IPCC AR6(Sixth Assessment Report) 에서는 Fig. 1과같은새로운온실가스경로 (Shared Socioeconomic Pathway, 이후 Journal of Climate Change Research 2020, Vol. 11, No. 4

249 SSP) 를제안하고 ScenarioMIP을이용한미래기후변화시나리오를산출을요구하였다 (Eyring et al., 2016a; O'Neill et al., 2014; O'Neill et al., 2016). 후모델은국립기상과학원지구시스템모델인 K-ACE(Lee et al., 2019) 와영국기상청지구시스템모델인 UKESM1(Sellar et al.

3 249 SSP) 를제안하고 ScenarioMIP을이용한미래기후변화시나리오를산출을요구하였다 (Eyring et al., 2016a; O'Neill et al., 2014; O'Neill et al., 2016). 후모델은국립기상과학원지구시스템모델인 K-ACE(Lee et al., 2019) 와영국기상청지구시스템모델인 UKESM1(Sellar et al., 2019) 이다. 산출된자료는 ESGF 노드에제출되어연구자들이이용할수있도록하였다. Table 1은 ScenarioMIP의 4가지실험에대하여보여준다. SSP1-2.6 시나리오는사회불균형의감소와친환경기술의빠른발달로기후변화, 적응능력이좋은지속성장가능사회경제구조의저탄소시나리오이고 SSP2-4.5 시나리오는중도성장의사회경제시나리오로기후변화완화및사회경제발전정도가중간단계를가정하는시나리오이다. SSP3-7.0 시나리오는사회경제발전의불균형과제도적제한으로인해기후변화에취약한상태에놓이는사회경제구조의시나리오이다. SSP5-8.5 시나리오는기후정책부재, 화석연료기반성장과높은인적투자로기후변화적응능력은좋지만, 완화능력이낮은사회경제구조의고배출시나리오이다. 파리협정에의거한 1.5도기온상승억제와가장유사한시나리오는 SSP1-2.6 시나리오이며, 현재와같은추세가지속되는미래와유사한시나리오는 SSP3-7.0 이다. Fig. 1. The Shared Socioeconomic Pathways(SSP). It is divided into five domains by the challenges of mitigation and adaptation to climate change. (Fig. 1 in O Neill et al. (2014)) CMIP6 의주요활동에해당하는 ScenarioMIP 은다음과같은목적을가지고실험이수행된다. 첫째, 시나리오에서의물리적기후시스템과기후변화가사회에미치는영향에대한이해도를향상시켜연구협업을용이하게하는것이다. SSP-RCP 온실가스농도경로는통합평가모델 (Integrated Assessment Model, IAM) 을활용하여경제 사회적요소 ( 인구증가, 교통 식생활 에너지분야의변화, GDP 등 ) 에관한미래전망을고려한사회경제시나리오에탄소순환이결합되어개발되었다. ScenarioMIP 실험의결과는여러커뮤니티의통합연구를촉진할수있도록미래시나리오를위한새로운기후정보를제공할것이다. 둘째, ScenarioMIP 및다른 CMIP6 프로젝트의시나리오기반연구에서강제력측면의기후효과와관련된과학적질문을해결할수있는근거를제공하는것이다. 마지막으로다중모델앙상블에기초한예측불확실성을계량화하는개선된방법을제공하는것으로모델성능, 모델의존성및관측불확실성을고려하는것이다. 국립기상과학원에서는 ScenarioMIP의 SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5를이용하여미래기후변화시나리오를산출하고 21세기말평균기온과강수량, 해수면온도, 해빙면적, 극한기후값을예측하였다. 이에사용된기 Table 1. ScenarioMIP experiments. Scenario Description SSP1-2.6 Scenario represents the low end of the range of future forcing pathways. It combines low vulnerability with low challenges for mitigation as well as a low forcing signal. SSP2-4.5 Scenario represents the medium part of the range of future forcing pathways. It combines intermediate societal vulnerability with an intermediate forcing level. SSP3-7.0 Scenario represents the medium to high end of the range of future forcing pathways. It combines relatively high societal vulnerability with relatively high forcing. SSP5-8.5 Scenario represents the high end of the range of future pathways. It is a scenario with the highest radiative forcing, because of high CO2 emissions. 2.3 미세먼지와대기화학에대한기후변화시나리오 에어로졸및오존, 메탄등대기화학성분에대한정책적자 료지원을위하여국립기상과학원에서는영국기상청과협력하 여지구시스템모델 (UKESM1) 을이용하여 AerChemMIP 프로 젝트 (Collins et al., 2017) 에참여하였다.

4 250 이재희 성현민 심성보 부경온 Fig. 2. The processes for Publishing CMIP6 data in ESGF. In order to submit CMIP6 data, the international standard data conversion (CMORization) and quality assurance(qa) is mandatory. 이프로젝트는에어로졸과화학반응가스가기후변화에치는영향을이해하기위해황산염, 검댕, 유기탄소와같은에어로졸성분뿐만아니라메탄, 오존, NOX, VOC 등화학성분별실험으로구성되어있다. 이는과거기간동안의인위적배출이전지구복사강제력과지역기후에영향을주었는가, 미래기후정책에따른근기기후변화유발물질 (Near-Term Climate Forcers, 이후 NTCF) 의농도변화및기후에미치는영향이얼마나되는지, 과거 NTCF 배출에있어서의불확실성이복사강제력추정에영향을주는가, 자연적 NTCF 배출, 대기조성, 복사효과에기후피드백이얼마나중요한가등의과학적질문에대한해답을얻는것을목적으로하고있다. 시나리오산출에사용된영국기상청지구시스템모델 (UKESM1) 은메탄, 오존, 질소성분과관련된대기화학반응과에어로졸의성분별물리과정을고려한다. 기존 CMIP5 모델과비교하여에어로졸의생성및성장뿐만아니라에어로졸-구름상호작용에대한물리과정이크게향상되었다. 국립기상과학원에서는 AerChemMIP의여러실험중 hist-pintcf, histsst-pintcf, piclim-ntcf, ssp370-lowntcf 실험에참여하여자료를생산하고제출중에있다. 이러한기후변화시나리오자료는다양한주제의기후변화연구에활용되고있다. 3. 기후변화시나리오자료제출을위한 ESGF 노드구축 3.1 ESGF 국제데이터노드의필요성 CMIP에서의산출물은센서와위성등에의해생성되는기상관측자료와마찬가지로전세계많은연구자들을위한중요한과학적자원이다. 이러한대용량의데이터를관리하고공유하는것또한자료생산못지않은중요한업무이다. 이를위한해결책으로 CMIP5에서는 ESGF를구성하였다. ESGF는데이터보관및배포를위한기반시스템으로 2013년세계기후연구프로그램의공동과학위원회 (WCRP Joint Scientific Committee) 에의해제안되었다. CMIP3의 35TB에서 CMIP5는 3.5PB로 100배증가된데이터는이러한기반시스템에대한관심을증폭시켰다 (Balaji et al., 2018; Cinquini et al., 2014). 기후모델실험을설계하고실행하며결과생산을담당하는지구시스템과학전문가외에도건강, 농업, 천연자원의다양한분야에서기후변화를연구하는연구자, 기후서비스를개발하고제공하는개발자등많은사람들이 CMIP 자료에관심을갖고있으며이를이용하고있다. 이에자료에대한과학적재현성과기초적인내구성, 데이터의출처에대한입증은중요한문제라고할수있다. 따라서 ESGF 자료제출을위해서는 Fig. 2 와같은일련의과정을수행해야한다. 먼저후처리를통하여국제표준자료로의변환 (CMORization) 을수행한다. 변환된자료는자료가가진메타정보및데이터검증을수행하여자료의신뢰성을높이고, 이후 ESGF 노드에공개하여다수의연구자가이용할수있도록한다. 각과정에대한세부적인내용은다음절에서설명한다. 3.2 CMIP6 기여자료산출과품질보증 국제표준자료변환기후모델자료를생산하는모델링그룹의산출물은자신의모델에지정된저장규칙에따라개별적인방식으로저장되어진다. 하나의파일에는한개이상의변수가포함되어있을수있으며, 저장디렉토리구조나명명규칙또한모델링그룹에의해지정된방법을사용한다. 표준화되지않은방법으로저장된자료는다양한분야의여러연구자들이공유하기에는많은문제점이존재한다. 이에 CMIP에자료제출을위해서는 MIP에서요구되는파일구조와메타데이터가기후커뮤니티의표준모델실험요건을충족해야한다. 즉, 개별모델링그룹은데이터를서로다른방식으로저장하지만 CMOR (Climate Model Output Rewriter)( 를사용 Journal of Climate Change Research 2020, Vol. 11, No. 4

5 251 하여데이터를 MIP에서요구하는형식으로변환하여야한다. CMOR는다양한 MIP에데이터를제공하는모델링센터의노력을줄이기위해설계되었다. 이것은원본데이터구조에서수행해야하는변환을최소화하여 MIP 요구사항충족시키는것을목적으로한다. 기후데이터를교환하기위해 CMOR 라이브러리를적용하면 MIP 참여가용이하다. 하나의 MIP에출력요건을충족시키는방법을적용시킨다면, 다른 MIP에대한출력을준비하기가쉬워진다. 국립기상과학원에서는포트란과쉘스크립트, 파이썬을이용한후처리과정을개발하여국제표준자료변환과정을간편화하였다. CMOR 라이브러리를이용하여개발된후처리과정은 CMIP 에서정한규칙에따라제출변수를 NetCDF 형식의국제표준자료로손쉽게변환할수있도록해준다. CMOR 라이브러리는 C언어, 파이썬, 포트란등다양한언어로제공되고있으며, 각모델링센터에서자유롭게원하는라이브러리를선택하여사용할수있다. JSON 형태로제공되는 사용자입력파일 을입력자료로사용하여제출변수에필요한필수메타정보를입력한다. 이파일은사용자제공메타데이터및구성지시어를제공하고있다. 그외 CMOR에의해작성될수있는각변수에대해필요한메타데이터의대부분을제공하는 CMOR 테이블 을이용하여표준출력자료를생산한다. 이파일은 CMIP 공식사이트 ( 에서제공되며사용자에의해임의로수정될수없다. CMIP에참여하는모델링그룹에서생산한기후모델자료는 ESGF 분산데이터저장소에저장된다. 여기에저장된시나리오자료는다양한분야에서기후과학을연구하는연구자를위해공개된다. 이에각기관에서제출하는자료는국제표준자료포맷의기준에적합해야하는것뿐만아니라자료의품질보증과정을통한검증이필요하다 품질보증과정수행자료가생산된후에도모델출력에서모델의구성, 생산도중에이루어지는절차와선택까지추적할수있는있어야한다. CMIP 커뮤니티그룹에서는자료품질에대한표준메트릭스를개발하려는노력이이어졌다 (Eyring et al., 2016b; Gleckler et al., 2016). 데이터사용을기록하고추적할필요성과함께과학적재현성과책임에대한필요성이요구된다. 품질보증 (Quality Assurance, 이하 QA) 은국제표준규격및각프로젝트규칙을준수하고있음을검사하는과정으로자료에대한신뢰성을확보할수있게해준다. 이에국제표준자료로의변환과정에서 CMIP6에서제공하는 CMIP6 CVs (Controlled Vocabularies, 이후 CV) 에기반한메타데이터를포함하고있는지확인한다. QA는 CMIP6 데이터요구사항 명세를잘따르고있는지, CV와명명규칙을준수하는지, 공통디렉토리구조를따라서구성되어있는지를확인하는과정이다. QA는데이터수명주기전체에영향을준다. 모든단계에서과학적재현성을가능하게하는출처정보가포함되어있는가를확인한다 (Juckes et al., 2015). 데이터의오류를보고하지않은채로방치할경우지구시스템모델링커뮤니티외부에대한데이터신뢰도를훼손할수있으므로이러한문제를조기에발견하는것은중요하다. 데이터및메타데이터가모델의시뮬레이션을정확하게반영하여과학적목적을위해안정적으로사용될수있도록해야한다. QA에서중요한요소는분산된데이터에공통 CV에기초한공통메타데이터가포함됨을확인하는것이며, 이는서로다른그룹과기관의데이터에대한일관된처리를가능하게할것이다. QA 절차는기본적으로데이터생산자가책임을진다. 이에많은모델링센터들은 CMIP 제출을위한자료출력을처리할때 CMIP6 요구사항을준수하도록이러한단계를워크플로우에직접포함되도록하고있다. 국립기상과학원에서도이러한 QA과정을포함시켜후처리과정을구축하였다. 사용한도구는독일의기후컴퓨팅센터에서개발한유틸리티인 QA-DKRZ (Quality Assurance-Deutsches Klima Rechen Zentrum, 이며, 변환자료의메타정보를검증하는역할을한다. QA-DKRZ 는파이썬으로작성된스크립트기반도구로자료에포함된메타정보, 데이터정보를확인하여오류여부를로그파일형태로제공한다. QA는 CMIP6 품질보증절차에따라 ESGF 시스템내에서도수행된다. 데이터를인증하는추가 QA 검사를수행하여인용및장기보관에적합하도록한다. 데이터는배포된후에오류가발견될수도있다. 이에 ESGF에서는 Errata 서비스를제공한다. 이미배포된자료에서발견된오류의심각성정도 (Critical, High, Medium, Low) 와함께오류정보를 ES-DOC 에올려서자료를이용하는사용자들과공유하고있다. Errata는치명적인오류가발생된자료에대해서는공개를철회하고수정된자료로배포하도록하는서비스이다. 3.3 CMIP6 자료제출을위한 ESGF 노드구축 ESGF 아키텍처 ESGF는분산통합소프트웨어아키텍처를기반으로한다. 이시스템은전세계에지리적으로떨어져있는다수의노드 (Table 2) 로구성되지만공통의서비스, 프로토콜, API 를채택하여상호운용할수있도록하였다. 데이터와메타데이터는각노드에서독립적으로관리및저장되고있으나

6 252 이재희 성현민 심성보 부경온 클라이언트는하나의저장소에자료가저장된것처럼접근가능하다 (Cinquini et al., 2014). ESGF는 CMIP5를위한 IT 인프라를제공하는것을목적으로시작되었다. ESGF 소프트웨어컴포넌트는서로다른기관과프로그램에의해지원을받는전세계많은연구소가공동협력하여개발하였다. ESGF를구성하는컴포넌트모듈은서로상호작용하고, 잘정의된인터페이스를통해클라이언트와도상호작용하도 록만들어졌다. 또한구현언어에관계없이다른컴포넌트가시스템에쉽게포함될수있도록하였다. ESGF 노드는데이터및메타데이터액세스와사용자관리를가능하게하는서비스와애플리케이션으로구성된다. ESGF 서비스는데이터노드, 인덱스노드, 인증제공서비스, 계산노드의 4가지기능의논리적영역으로분류되어있다 (Fig. 3). Table 2. ESGF data nodes status. (Data from accessed 2020 May 30) No Data Node No Data Node surf-hosted.nl 26 esgf-data1.llnl.gov 2 acdisc.gesdisc.eosdis.nasa.gov 27 esgf-data2.ceda.ac.uk 3 aims3.llnl.gov 28 esgf-data2.diasjp.net 4 cmip.bcc.cma.cn 29 esgf-data2.llnl.gov 5 cmip.dess.tsinghua.edu.cn 30 esgf-data3.ceda.ac.uk 6 cmip.fio.org.cn 31 esgf-data3.diasjp.net 7 cordexesg.dmi.dk 32 esgf-dev.bsc.es 8 crd-esgf-drc.ec.gc.ca 33 esgf-ictp.hpc.cineca.it 9 data.meteo.unican.es 34 esgf-nimscmip6.apcc21.org* 10 dataserver.nccs.nasa.gov 35 esgf-node.cmcc.it 11 dist.nmlab.snu.ac.kr 36 esgf-node2.cmcc.it 12 dpesgf03.nccs.nasa.gov 37 esgf.anl.gov 13 esg-cccr.tropmet.res.in 38 esgf.apcc21.org 14 esg-dn1.nsc.liu.se 39 esgf.bsc.es 15 esg-dn1.ru.ac.th 40 esgf.dwd.de 16 esg-dn2.nsc.liu.se 41 esgf.ichec.ie 17 esg.camscma.cn 42 esgf.nci.org.au 18 esg.lasg.ac.cn 43 esgf.rcec.sinica.edu.tw 19 esg.pik-potsdam.de 44 esgf1.dkrz.de 20 esg1.umr-cnrm.fr 45 esgf2.dkrz.de 21 esgdata.gfdl.noaa.gov 46 esgf3.dkrz.de 22 esgf-cnr.hpc.cineca.it 47 gpm1.gesdisc.eosdis.nasa.gov 23 esgf-data.ucar.edu 48 noresg.nird.sigma2.no 24 esgf-data1.ceda.ac.uk 49 vesg.ipsl.upmc.fr 25 esgf-data1.diasjp.net Note: ESGF nodes built by NIMS-KMA Journal of Climate Change Research 2020, Vol. 11, No. 4

7 253 Fig. 3. ESGF architecture. The ESGF employs a system of distributed peer nodes using P2P protocol. (Fig. 1 in Cinquini et al. (2014). Refer to corresponding caption for further details) Fig. 4. ESGF Node software stack. (Fig. 2 in Cinquini et al. (2014). Refer to corresponding caption for further details)

8 254 이재희 성현민 심성보 부경온 ESGF에서제공하는서비스는 Table 3에서보여준다. 데이터노드는안전한데이터게시및액세스를위한서비스제공을담당한다. 인덱스노드는메타데이터의인덱싱및검색을위한서비스를포함하고있다. 인증제공서비스는사용자인증및사용자속성의안전한전달이가능하도록해준다. 계산노드는데이터분석및시각화를위한높은수준의서비스를제공한다. Table 3. The ESGF services. They are divided into four areas of functionality. Service Data Node Index Node Indentity Provider Description Secure data publication and access Indexing and searching metadata, implemented using Apache Solr User authentication and secure delivery of user attributes Compute Node Higher-level services for data analysis and visualization 소프트웨어스택에는 ESGF가직접개발한구성요소와 Postgres, Tomcat(Vukotic and Goodwill, 2011), Solr(Smiley et al., 2015) 과같은보편적으로사용되는오픈소스나타사응용프로그램, MyProxy, GridFTP와같은 escience 프로그램및 TREDDS(John Caron and Davis, 2006), 라이브액세스서버 (Live Access Server, LAS)(Hankin et al., 2001) 등이포함되어있다. (Fig. 4) ESGF 소프트웨어스택은노드관리자, P2P프로토콜, 데이터작성및공개어플리케이션, 검색서비스, 보안인프라, 웹포털사용자인터페이스, 데이터액세스, 데이터분석및시각화, 대시보드, CMI 뷰어를주요구성요소로포함하고있다. ESGF 시스템구조는여러프로토콜과서비스를통하여사용자들이데이터를다운로드할수있도록해준다. 데이터에접근가능하도록하는메커니즘은데이터가저장된호스트의노드관리자에의해설치된다. ESGF에저장된데이터는인터넷브라우저를통한접근, OPenDAP, Wget, GridFTP, Globus Online과같은방법으로자료에접근하여이용할수있다. 시스템관리자는각노드에서서비스에맞는설정정보파일을작성한다. 우리는노드구축을위해이러한설정파일의시스템구성정보를이용하여서비스를설정하였다. ESGF의자료제공을위한프로토콜과서비스는다음과같다. - 하이퍼링크를이용하여사용자는브라우저에서직접적 으로다운로드할수있다. - Open Data Access Protocol(OPeNDAP)(Cornillon et al., 2003) 은사용자가변수, 시간적, 지리적범위에의해맞춤형데이터선택이가능하도록하는개념이적용되었다. 이서비스는일반적으로파일의크기가 2GB 이하로제한되어있다. - Wget 스크립트를이용하는사용자는파일이저장된위치나이름을알지못하더라도접근가능하다. 또한사용자가스크립트를수정하여사용가능한장점이있다. - GridFTP 액세스 (Allcock et al., 2005) 는 FTP에기반한특수프로토콜을사용한다. 이서비스는성능이우수하고인증이확실하며, 신뢰할수있는데이터전송을허용한다. - Globus Online은 GridFTP를통해안정적으로파일전송기능을제공하는호스트서비스다. ESGF는주로데이터저장및접근을위한글로벌인프라를제공하는데초점을맞추고있다. 그러나기후데이터의규모와범위가계속확대됨에따라데이터가위치한서버에서수행되는데이터분석의필요성이점점뚜렷해지고있다. 이에따라 Live Access 서버엔진, UV-CDAT, RCMET 등의툴을사용하여서버및클라이언트측모두에서사용가능한데이터분석및시각화기능을제공하고있다 자료제출을위한노드구축 ESGF에자료를제출하기위해각모델링센터는이미구축되어있는노드에자료를전송할수도있고, 자신의노드를구축하여자료를저장할수도있다. 자료의용량이나기존 ESGF 노드로의자료전송속도등을고려하여선택할수있다. K-ACE를이용하여산출된자료를저장및관리하기위해우리는자체노드를구축하였다. 이노드 ( 5) 는 APEC 기후센터 (APEC Climate Center, 이후 APCC) 협조를받아 APCC 네트워크망을이용하고있다. 자료서비스를위하여제출할자료의용량및관리의용이성등을고려하여구축된국립기상과학원자체노드는 Fig. 6과같이구성되어있다. ESGF 노드구축을위해서는필요한시스템및네트워크요구사항을만족해야한다. 서버는제어서버와관리서버 2대가요구된다. 그러나반드시물리적으로독립된서버일필요는없다. ESGF 노드는리눅스계열 CentOS를기본운영체제로이용하고있으며, 오픈소스기반자동화관리도구인 ESGF-Ansible을사용한다. Table 4는우리가구축한노드서버의시스템환경및설치에요구되는필수프로그 Journal of Climate Change Research 2020, Vol. 11, No. 4

255 램목록이다. 데이터의제출및관리에사용되는기본시스템및유틸리티는파이썬라이브러리를사용하여작성되어있으므로파이썬 2.7 이후버전이필요하며, HTTPS를통한웹서비스가가능하도록보안인증서 (SSL Certificates) 가설치되어있어야한다. ESGF 노드의설치가완료되면 ESGF에 CMIP6 자료제출이가능하다. 제출과정은 Fig. 6에서보여준다.

9 255 램목록이다. 데이터의제출및관리에사용되는기본시스템및유틸리티는파이썬라이브러리를사용하여작성되어있으므로파이썬 2.7 이후버전이필요하며, HTTPS를통한웹서비스가가능하도록보안인증서 (SSL Certificates) 가설치되어있어야한다. ESGF 노드의설치가완료되면 ESGF에 CMIP6 자료제출이가능하다. 제출과정은 Fig. 6에서보여준다. 기후모델에서산출된자료는후처리를통해앞절에서설명한국제표준자료변환과정과 QA과정을거친후로컬서버의스토리지에저장한다. 제출을위해서는 mapfile을생성하여야한다. CMIP 제출변수파일에각각에관련 mapfile이 생성되는데, 이파일에는저장위치, 오류체크를통해무결성을확인하기위한체크썸, 파일의버전정보등을담고있다. 이렇게생성된 mapfile들을이용하여 PostgreSQL DB, Thredds catalog, Index node에순차적으로정보를저장시켜최종적으로 ESGF 노드에서자료를활용할수있도록제출프로세스가수행되어진다. 이러한과정을통해서 K-ACE모델의 CMIP6 변수 190여종, 약 3,200개를 ESGF 노드에제출하여공개하고있다. 이외에 UKESM1모델과 CORDEX 자료도 ESGF 노드에제출하여미래기후변화예측연구에도움을주고자한다. Table 4. System Specification Type Properties Processor Dell PowerEdge720 CPU Intel Xeon E5 RAM 64G OS CentOS Linux 7 Program Python 2.7 or later, ESGF Ansible( ESGF v2.5 or later( commercial CA Fig. 5. THredds(TDS) catalogs of NIMS-KMA node. ( accessed 2020 May 30)

2022년발간예정인 IPCC 6차평가보고서에도참여하기위해 CMIP6에자료를생산및제출함과더불어, 국제데이터노드를구축하고, ESGF 노드로써의역할을수행중이다. ESGF에제출된자료는기후변화를연구하는많은연구자들이이용하여과학적질문에대한해답을제공하는기본자료로사용되고있다.

10 256 이재희 성현민 심성보 부경온 Fig. 6. NIMS-KMA node architecture and overview of the ESGF publication process. NIMS-KMA node built using ESGF-Ansible, esg-publisher(left), Steps to publish climate model output on ESGF(right) 4. 요약및결론 국립기상과학원에서는 2007년부터 CMIP에참여하여 4 차, 5차평가보고서에시나리오산출을통해기여하여왔다. 2022년발간예정인 IPCC 6차평가보고서에도참여하기위해 CMIP6에자료를생산및제출함과더불어, 국제데이터노드를구축하고, ESGF 노드로써의역할을수행중이다. ESGF에제출된자료는기후변화를연구하는많은연구자들이이용하여과학적질문에대한해답을제공하는기본자료로사용되고있다. 기후모델을생산하는모델링센터에서의산출물은자신의모델에지정된저장규칙에의해각자의방식으로자료를저장되고관리되어진다. 자료사용자측면에서이것은자료이용에많은불편함을초래한다. 이에 ESGF에 CMIP자료제출을위해서는국제표준자료형식인 NetCDF로의변환및자료에대한정보를담고있는메타데이터가포함되도록요구하고있다. 이에국립기상과학원에서는국제표준자료변환과정 (CMORization) 수행하였다. 또한자료에대한과학적재현성과기초적인내구성, 데이터의출처에대한입증을보증하기위해수행되어진품질보증과정 (QA) 과정은생산된변수자료를검증하여신뢰성을높였다. 전세계많은나라에서생산된 CMIP자료는 ESGF 분산데이터노드에저장되어기후과학자및관련연구자들에게공유되어진다. P2P방식으로공유되고있는 CMIP 자료는여러나라의노드에서관리되고있다. CMIP에참여하는모 델링센터에서는자료제출을위해이미구축되어있는 ESGF 노드를이용할수도있고자체노드를구축할수있다. 국립기상과학원에서는 WIP의권고안을준수한국제데이터노드 ( 를구축하여 CMIP6 자료를제출하였다. 노드는 ESGF 포탈 ( 에연결되어 CMIP6 자료제공에이용되고있다. IPCC 5차평가보고서에비해 6차평가보고서를위해산출되는자료용량은크게증가하였다. Cinquini et al.(2014) 에의하면이전에비하여훨씬높은해상도의보다정교한기후모델자료와관측데이터를포함하고있는 CMIP6는 350PB에서 3EB(Exabyte) 사이의데이터가저장될것으로예상하였다. 이는 CMIP5에비하면최소 100여배이상크게증가된용량이다. 자료는생산하는만큼, 대용량으로처리, 배포, 관리하는자료유통, 전달이매우중요하게되었다. 이에 ESGF를통한산출에서제공까지의시간을단축한신속한자료제공으로국내외사용자들의자료활용에크게기여할수있으리라기대한다. 사사 이연구는기상청국립기상과학원 AR6 기후변화시나리오개발 평가 (KMA ) 의지원으로수행되었습니다. Journal of Climate Change Research 2020, Vol. 11, No. 4

11 257 References Allcock W, Bresnahan J, Kettimuthu R, Link M The Globus striped GridFTP framework and server. SC'05:Proceedings of the 2005 ACM/IEEE conference on Supercomputing; IEEE. p. 54. Balaji V, Taylor KE, Juckes M, Lawrence BN, Durack PJ, Lautenschlager M, Blanton C, Cinquini L, Denvil S, Elkington M Requirements for a global data infrastructure in support of cmip6. Geoscientific Model Development. 11(9): Cinquini L, Crichton D, Mattmann C, Harney J, Shipman G, Wang F, Ananthakrishnan R, Miller N, Denvil S, Morgan M. Pobre Z, Bell GM, Doutriaux C, Drach R, Williams D, Kershaw P, Pascoe S, Gonzalez E, Fiore S, Schweitzer R The Earth System Grid Federation: An open infrastructure for access to distributed geospatial data. Future Generation Computer Systems. 36: Collins WJ, Lamarque J-F, Schulz M, Boucher O, Eyring V, Hegglin MI, Maycock A, Myhre G, Prather M, Shindell D Aerchemmip: Quantifying the effects of chemistry and aerosols in cmip6. Geoscientific Model Development, 10(2): Cornillon P, Gallagher J, Sgouros T OPeNDAP: Accessing data in a distributed, heterogeneous environment. Data Science Journal. 2: Eyring V, Bony S, Meehl GA, Senior CA, Stevens B, Stouffer RJ, Taylor KE. 2016a. Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization. Geoscientific Model Development. 9(5): Eyring V, Gleckler PJ, Heinze C, Stouffer RJ, Taylor KE, Balaji V, Guilyardi E, Joussaume S, Kindermann S, Lawrence BN et al. 2016b. Towards improved and more routine Earth system model evaluation in CMIP. Earth System Dynamics. 7(4): Gates WL AN AMS CONTINUING SERIES: GLOBAL CHANGE--AMIP: The Atmospheric Model Intercomparison Project. Bulletin of the American Meteorological Society. 73(12): Gleckler PJ, Doutriaux C, Durack PJ, Taylor KE, Zhang Y, Williams DN, Mason E, Servonnat J A more powerful reality test for climate models. Eos. 97. Hankin S, Callahan J, Sirott J An Overview of the Live Access Server. AGUSM. 2001:A31D-10. IPCC Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change: Cambridge University Press. John C, Davis E UNIDATA s THREDDS data server. 22nd International Conference on Interactive Information Processing Systems for Meteorology, Oceanography, and Hydrology Juckes M, Eyring V, Taylor K, Balaji V, Stouffer R The CMIP6 Data Request: The next generation climate archive. EGUGA Lee J, Kim J, Sun M-A, Kim B-H, Moon H, Sung HM, Kim J, Byun Y-H Evaluation of the Korea Meteorological Administration Advanced Community Earth-System model (K-ACE). Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences. 56(3): O Neill BC, Kriegler E, Riahi K, Ebi KL, Hallegatte S, Carter TR, Mathur R, van Vuuren DP A new scenario framework for climate change research: the concept of shared socioeconomic pathways. Climatic Change. 122(3): O'Neill BC, Tebaldi C, van Vuuren DP, Eyring V, Friedlingstein P, Hurtt G, Knutti R, Kriegler E, Lamarque J-F, Lowe J et al The scenario model intercomparison project (ScenarioMIP) for CMIP6. Geoscientific Model Development. 9(9): Sellar AA, Jones CG, Mulcahy JP, Tang Y, Yool A, Wiltshire A, O'Connor FM, Stringer M, Hill R, Palmieri J et al Ukesm1: Description and evaluation of the U.K. Earth System Model. Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 11(12): Smiley D, Pugh E, Parisa K, Mitchell M Apache solr enterprise search server. Packt Publishing Ltd. Vukotic A, Goodwill J Apache tomcat 7. Springer. Williams DN, Lawrence BN, Lautenschlager M, Middleton D, Balaji V. 2011a. The earth system grid federation: Delivering globally accessible petascale data for CMIP5. Proceedings of the Asia-Pacific Advanced Network. 32(0). Williams DN, Taylor KE, Cinquini L, Evans B, Kawamiya M, Lautenschlager M, Lawrence B, Middleton D, Contributors E. 2011b. The Earth System Grid Federation: Software framework supporting CMIP5 data analysis and dissemination. 56(2):

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론 2. 관련연구 2.1 MQTT 프로토콜 Fig. 1. Topic-based Publish/Subscribe Communication Model. Table 1. Delivery and Guarantee by MQTT QoS Level 2.1 MQTT-SN 프로토콜 Fig. 2. MQTT-SN