Contents 01 인사말 02 연혁 03 소개 04 센터주요업무및기반설비 05 06 07 09 11 12 13 슈퍼컴퓨터의역사기상청의슈퍼컴퓨터슈퍼컴퓨터 4호기 08 세계슈퍼컴퓨터와기술의트렌드 수치예보와슈퍼컴퓨터 10 수치예보모델 수치예보주요기술 (1) 수치예보주요기술 (2) 기상청수치예보의역사 14 기상청수치예보모델현황 15 수치예보모델의성능및효과 16 수치예보및슈퍼컴퓨터가치확산 17 센터활동
인사말 01 하늘을친구처럼, 국민을하늘처럼 Greeting 최근지구온난화에따른기후변화로인한이상기상이해마다나타나고있어, 국민의생활을불편하게만들고생명과재산을위협하고있습니다. 이와더불어레저활동이나산업경제에대한기상정보의수요또한증가하고있어, 오늘날기상정보는일상생활과사회경제활동에없어서는안될귀중한정보로자리매김하였습니다. 는이처럼귀중한기상정보를생산하는데기초가되는기상전문슈퍼컴퓨터를운영하는기관으로안정적인슈퍼컴퓨터운영및관련정책수립과기술개발, 대외협력업무등을총괄하여수행하고있습니다. 그동안슈퍼컴퓨터도입으로사회, 경제에미친영향에대한많은평가가있었습니다. 하지만저희는슈퍼컴퓨터도입시기에따라예보의패러다임을바꾸어놓으며발전을거듭해왔다고자신있게말씀드릴수있습니다. 앞으로도 여기는마음을가지고국민의생명과재산보호에최선을다하는가되겠습니다.
연혁 02 History of NCMS 연혁 과학기상예보의심장 1988 기상분석용중형컴퓨터 (Cyber 932) 도입 (8 월 ) 기상용슈퍼컴퓨터. 여러분곁에가 1990 1995 기상청승격및수치예보과신설기상예보용중형컴퓨터 (Fujitsu VPX-220) 도입 (3월) 있습니다. 1999 기상용슈퍼컴퓨터 1 호기초기분 (NEC SX-4) 도입 (4 월 ) 2000 2004 기상용슈퍼컴퓨터 1호기최종분 (NEC SX-5) 도입완료 (9월) 기상용슈퍼컴퓨터 2호기초기분 (CRAY X1) 도입 (10월) 2005 정보화관리관실산하슈퍼컴팀신설 (7 월 ) 기상용슈퍼컴퓨터 2 호기최종분 (CRAY X1E) 도입완료 (12 월 ) 2007 예보국산하수치예보센터신설 (3 월 ) * 수치모델개발팀, 수치자료응용팀, 수치모델운영팀 2008 수치예보센터 수치모델관리관으로명칭변경 (3 월 ) * 수치모델개발과, 수치자료응용팀, 수치모델운영팀 2009 수치모델운영팀 슈퍼컴퓨터운영팀으로명칭변경 (4 월 )
연혁 02 History of NCMS 2010 준공 (3월) 충청북도청주시청원구오창읍슈퍼컴퓨터운영팀 슈퍼컴퓨터운영과로개편 (4월) 기상용슈퍼컴퓨터 3호기초기분 (CRAY XT5) 도입 (6월) 3호기초기분기반통합모델 (40km) 현업운영기상용슈퍼컴퓨터 3호기최종분 (CRAY XE6) 도입완료 (12월) 2011 3 호기최종분기반통합모델 (25km) 현업운영 (5 월 ) 2012 2014 슈퍼컴퓨터생산자료저장용스토리지 (8.1PB) 증설 (12월) 3호기인터림, 초기분외부공동활용시스템전환운영기상용슈퍼컴퓨터 4호기초기분 (CRAY XC40) 도입 (12월) 4호기용기반설비증설장비 ( 무정전전원장치, 냉동기등 ) 도입 (12월) 2015 증축공사준공 (3월) 4호기초기분기반통합모델 (25km) 현업운영 (6월) 슈퍼컴퓨터운영과 로개편 (11 월 ) 기상용슈퍼컴퓨터 4 호기최종분 (CRAY XC40) 도입완료 (12 월 ) 2016 4호기최종분기반통합모델 (25km) 현업운영 (2월) 4호기초기분외부공동활용시스템전환운영 (5월) 3 호기시스템사용자서비스운영종료 (5 월 ) 4 호기최종분기반통합모델 (17km) 현업운영 (6 월 ) 2017 대용량자료교환망 (Science DMZ) 구축및서비스 (8월) 사용자지원종합관리체계구축 (9월)
소개 03 Introduction to NCMS 일기예보생산의초석이되는 기상청은기상용슈퍼컴퓨터의안정적인운영을위해충청북도청주에위치한오창과학산업단지에신축을결정하고 2008년 6월착공하여약 1년 8개월간의공사끝에 2010년준공했습니다. 는완전히이중화된전산실, 대용량무정전전력공급체계, 대규모항온 항습및소화등의설비를갖추어기상용슈퍼컴퓨터운영에최적화된환경을 24시간 365일지속적으로제공하고있습니다. 비상상황발생시외부의전력공급이완전히차단되더라도자체발전기와 UPS 시스템을이용하여무중단으로슈퍼컴퓨터를운영할수있습니다. 센터주소 충청북도청주시청원구오창읍 중심상업2로 72 부지면적 23,092 m2 건축연면적 8,465 m2 건축규모지상 3층 2개동건물구조철근콘크리트 전산시설기반설비업무시설공용시설 1,687m2 4,218m2 1,105m2 1,454m2
센터주요업무및기반설비 04 Main business and infrastructure 슈퍼컴퓨터센터의기반시설 국내최고의슈퍼컴퓨터센터로서그역할을다하겠습니다. 슈퍼컴퓨터 주요업무 슈퍼컴퓨터도입및운영관리 기상용슈퍼컴퓨터및관련 시스템도입 기상용슈퍼컴퓨터운영관리 슈퍼컴퓨터분야최신기술정보교류 슈퍼컴퓨터사용자지원 수치예보모델운영환경구축 슈퍼컴퓨터사용자기술지원 슈퍼컴퓨터자원공동활용지원 슈퍼컴퓨터관련교육및워크숍개최 관리 청사시설관리및방호 슈퍼컴퓨터기반설비 ( 전기, 기계, 통신, 항온 항습, 소화등 ) 관리 기반설비운영효율화및성능개선 기반설비 지열시스템 UPS 축전지 수변전설비 수배전반 비상용발전기 UPS 축전지 냉동기 한전에서수전한 22,900V 특고압전기를저전압전기로낮추어슈퍼컴퓨터로공급하는설비 한전선로이상및정전사고발생시자가발전을통해비상전력을생산하여슈퍼컴퓨터및기반시설에전력을공급하는설비 평상시상용전원을축전지에저장하였다가정전등사고발생시축전지에저장된전력을통하여전원을안정적으로공급하는장치 슈퍼컴퓨터가동시발생하는열을냉각시키기위하여 5 냉수를만들어슈퍼컴퓨터및건물전체에공급하는설비 비상발전기 냉각탑 냉수펌프 항온 항습기
슈퍼컴퓨터소개 05 슈퍼컴퓨터는첨단과학기술분야의필수적인도구입니다. What is a Supercomputer? 슈퍼컴퓨터활용분야엄청난계산성능을자랑하는슈퍼컴퓨터는입자물리, 천문우주, 기상 기후, 생명공학등첨단과학기술분야의필수적인도구입니다. 핵실험등과같이실험이매우어렵거나사실상불가능한경우슈퍼컴퓨터를이용한시뮬레이션으로해결책을제시할수있습니다. 이때문에영화제작, 주식거래와위험분석등금융서비스, 생명과학, 나노규모의동작시뮬레이션, 자율주행자동차개발같은고부가가치제품이나핵심기술을만드는산업분야에도많이사용되고있습니다. 최근빅데이터분석이떠오르고 AI 기술까지이슈가되면서슈퍼컴퓨터는분자모델링, 전산유체역학, 기상 기후모델링등전통적으로슈퍼컴퓨터가활용됐던분야외에도지능정보사회의핵심기술인빅데이터분석, 기계학습, AI, 모델링등다양한분야에서활용되고있습니다. 슈퍼컴퓨터란? 슈퍼컴퓨터의활용분야 슈퍼컴퓨터는 당대의컴퓨터들중에서가장빠른계산성능을갖는컴퓨터들 을말하는것으로 고성능수치계산에대한수요로탄생하였습니다. 슈퍼컴퓨터의성능은보통초당부동소수점 영화제작 연산능력 Flops 으로측정하는데, 세계에서가장빠른슈퍼컴퓨터순위는매년 6 월과 11 월 TOP 500 Supercomputer http://top500.org 사이트에서발표하고있습니다. 통상여기에포함되는 500 위까지의 컴퓨터를슈퍼컴퓨터라부릅니다. Flops : Floating-point Operations per second 생명과학 분자모델링 세계최초의범용컴퓨터 ENIAC 1943년부터 1946년에걸쳐펜실베니아대학모클리와에커트가제작한전자식컴퓨터이며, 미군에서탄도계산용으로사용된이후우주선연구, 난수연구, 기상등에이용되었습니다. 최초의슈퍼컴퓨터 CDC 6600 1964년에미국 CDC사에서만든세계최초의슈퍼컴퓨터로성능은초당 1백만회의부동소수점연산이가능한 1MF 메가플롭스로당대컴퓨터들에비해매우뛰어난계산성능을달성하였습니다. 슈퍼컴퓨터 천문우주 금융서비스 대중적인지도를높인 CRAY 슈퍼컴퓨터시리즈 한국최초의슈퍼컴퓨터 CRAY 2S 세계적으로가장유명한슈퍼컴퓨터제조사중하나인미국크레이사는 1972년최초의슈퍼컴퓨터를설계한세이모어 우리나라최초의슈퍼컴퓨터는 1988년한국과학기술정보연구원 KISTI 에서도입한 CRAY-2S 시스템입니다. 이시스템은 인공지능 기상 기후예측 크레이에의해설립되었습니다. 이후크레이사는 CRAY-1 1993 년까지당시중앙기상대일기예보, 3 차원한반도지도 시리즈등영화나언론매체등을통해대중적으로널리알려진슈퍼컴퓨터를발표하며세계슈퍼컴퓨터시장을선도했습니다. 제작, 원자력발전소안전성분석등에활용되었습니다. 자율주행자동차개발
기상청의슈퍼컴퓨터 06 KMA Supercomputer 기상청슈퍼컴퓨터의성능향상 15 년동안약 30,000 배향상된계산성능 NEC SX-5 객관적기상예보체계구축 2000 년도입 슈퍼컴퓨터 1 호기 0.224TF 기상청은 2000년슈퍼컴퓨터 1호기NEC SX-5를도입하고슈퍼컴퓨터기반의고해상도수치예보모델을예보업무에활용하고있습니다. 이후 2005년에는슈퍼컴퓨터 2호기 CRAY X1E, 2010년에는슈퍼컴퓨터 3호기 CRAY XE6를차례로도입하고 2015년에는슈퍼컴퓨터 4호기 CRAY XC40를도입하여업무에활용하고있습니다. 1호기에비해 4호기의성능은비약적인발전을이루어 15년동안약 30,000배로향상된계산성능으로예보의정확도를높이고있습니다. 슈퍼컴퓨터 1호기객관적기상예보체계구축 일본 NEC사의 SX-5 벡터시스템 1999년 6월부터 2005년 12월까지운영되었으며, 2대중 1대는전시용으로별도보관중이고, 1대는폐기처분됨 슈퍼컴퓨터 2호기동네예보서비스실시 미국크레이사의 CRAY X1E 시스템 2005년부터 2010년까지현업운영과현업백업으로운영 2010년부터 2012년까지국가표준기후시나리오생산용으로운영 2012년불용폐기 CPU(CORE) 수 28개 이론성능 0.224TF 슈퍼컴퓨터 2호기 CPU(CORE) 수 1,024개 이론성능 18.5TF 슈퍼컴퓨터 3호기 CPU(CORE) 수 90,240개 이론성능 758TF 메모리용량저장장치메모리용량저장장치메모리용량저장장치 0.2TB 3.8TB 4TB 88TB 120TB 3,989TB CRAY X1E 동네예보서비스실시 18.5TF CRAY XE6 예보정확도획기적향상 758TF 2005 년도입 2010 년도입 90 배향상 41 배향상 8 배향상 ( * BMT 기준 30 배향상 ) 슈퍼컴퓨터 3호기예보정확도획기적향상 슈퍼컴퓨터 4호기위험기상등선진국형기상정보생산 슈퍼컴퓨터 4 호기 CRAY XC40 위험기상등선진국형기상정보생산 5,800TF 2015 년도입 CPU(CORE) 수 139,392 개 메모리용량 744TB 이론성능 5,800TF 저장장치 15,780TB 미국크레이사의 CRAY XE6 시스템 2010년부터 2015년까지현업운영과현업백업으로운영 2016년 5월시스템운영종료 일부시스템외부기관에이전완료 미국크레이사의 CRAY XC40 시스템 멀티코어프로세서탑재 (Intel Haswell 2.6GHz) CRAY XC40은계산을위한계산시스템과, 사용자로그인, 전 후처리서버등여러시스템들로구성 * BMT란? Benchmarking Test의약자로써시스템의성능을비교 분석하여평가하는것을말한다.
139,392Cores 슈퍼컴퓨터 4 호기 07 KMA 4th Supercomputer 초기분 / 최종분비교 우리들이행복한삶을누리고자연의변화를미리예측할수있도록 우리시스템자기와듣는이를포함한여러사람을가리키는말. 첨단기상예측기술로가치있는기상정보를생산하여우리국민에게편안함을제공합니다. 국가대기과학및지구환경시스템분야관련대학과연구기관의 R&D를지원하는공동활용시스템으로활용 CRAY XC40( 초기분 ) Core 수 10,752cores 이론성능 447TF 메모리 57TB 슈퍼컴퓨터 4 호기 우리들이행복한삶을누리고자연의변화를미리예측할수있도록 이라는바람이담긴순수우리말로 누리시스템 명명된기상청의네번째슈퍼컴퓨터, 슈퍼컴퓨터 4 호기는위험기상, 영향예보등선진국형기상정보를 세상의예스러운말, 누리다 생산하여정확함은물론이고국민들에게보다발전된일기정보를전달하기위해도입됐습니다. 미국크레이사의스칼라계열 CRAY XC40 시스템으로, 초기분인우리와최종분인누리 미리세개의 기상정보를신속 정확하게예측하여안전하고편안함을누릴수있게합니다. 시스템으로구성되어있고, 그중에서최종분누리시스템은일기도를생산하는현업용시스템으로활용되고있습니다. 슈퍼컴퓨터 4호기시스템의계산성능 (3호기/4호기비교 ) 수치예보현업용으로활용 CRAY XC40( 최종분 ) Core 수 69,696 cores 이론성능 2900TF 메모리 372TB 미리시스템 먼저, 앞서 현재의기상정보를바탕으로미래의기상상태를미리예측하여안전하고편안한미래를밝힙니다. 연구개발용으로활용 CRAY XC40( 최종분 ) 이론성능 2900TF Core 수 69,696 cores 메모리 372TB 90,240Cores 90,240Cores 4PB 758TF 120TB 3TF 90TF 744TB 5,800TF 16.5PB 계산시스템및전후처리시스템기종 우리 CRAY XC40-LC (3 캐비닛 ) 누리 / 미리 CRAY XC40-LC (16 캐비닛 2 조 ) Core 수 공유저장창치 이론성능 메모리용량 BMT 실제성능 30 배향상 6.2 배향상 7.7 배향상 4.1 배향상 1.6 배향상 이론성능 (TF) 447 5,800 계산시스템및전후처리시스템사양 Intel haswell 2.6GHz(12core) 128GB Intel haswell 2.6GHz(12core) 128GB( 계산 ) -256GB( 전후처리 ) 시스템명 : CRAY XE6 설치시기 : 2010년 시스템명 : CRAY XC40 설치시기 : 2015년 노드수량 계산시스템 : 448노드 계산시스템 : 2,904노드 2조 전후처리시스템 : 12노드 전후처리시스템 : 56노드 2조 로그인서버 4조 8조 슈퍼컴퓨터 3 호기 슈퍼컴퓨터 4 호기 공유저장장치 3.3PB 15.8PB
세계슈퍼컴퓨터의기술트렌드 08 Trend in Supercomputer 세계슈퍼컴퓨터의순위 세계슈퍼컴퓨터순위사이트인 TOP500 Supercomputer www.top500.org 는고성능슈퍼컴퓨팅에 대한공신력있는분석정보를제공하기위해 1993 년시작된 TOP500 프로젝트에의해 슈퍼컴퓨터의보유대수와성능은그나라의국력을나타내는척도입니다. 만들어졌습니다. 그리고매년두차례 6월과 11월에시스템의성능을기준으로 1위부터 500위까지의슈퍼컴퓨터를선정해 www.top500.org 사이트에서발표하고있습니다. 이렇게발표되는순위는절대적인것이아닙니다. 매발표때마다상대적으로변동되며평균적으로 200여대의순위가교체됩니다. 여기서말하는순위의변동은반드시하락만을의미하는것은아니며시스템의성능을업그레이드하면그순위가상승하는경우도있습니다. 세계에서성능이가장우수한슈퍼컴퓨터의보유국은어디인지, 또대한민국기상청의슈퍼컴퓨터는몇위에등재되어있는지궁금하다면 www.top500.org 사이트를방문해보세요! TOP500 사이트에서는슈퍼컴퓨터의순위뿐만아니라과거의순위목록을이용하여슈퍼컴퓨팅 기술의변화추이와동향을분석할수있는다양한통계정보를제공하고있습니다. 발전경향 슈퍼컴퓨터연산단위 세계적으로슈퍼컴퓨터의성능은매 4년마다평균 10배이상의매우빠른속도로증가해왔습니다. 이는매 18개월마다반도체의집적도가 2배씩향상된다는무어의법칙 Moore s law 보다도빠른것입니다. 하지만최근무어의법칙이사실상한계에이르렀다고평가되고있고, 11년에약 1,000배씩 1,000,000,000,000,000,000 향상된다는슈퍼컴퓨터의성능발전경향도흔들리고있습니다. 당초 2019년에 1초당 100경번의연산이가능한 1EF 엑사플롭스슈퍼컴퓨터가등장할것이라고예상했던것과달리언제엑사플롭스스케일의슈퍼컴퓨터가등장할것인지도확신할수없게되었습니다. 다만, 슈퍼컴퓨터의발전이더디어지는추세라고하지만여전히매번발표때마다 500대의슈퍼컴퓨터성능합계는계속해서높아지고있고, 1초에 1000조번의연산이가능한 PF 페타플롭스스케일의시스템의수도계속해서증가하고있습니다. 슈퍼컴퓨터의보유대수와성능은그나라의국력을나타내는척도라고표현할정도로큰상징성을갖고 100 경 Exa Flops 1000 조 Peta Flops 조 Tera Flops 10 억 Giga Flops 100 만 Mega Flops Flops란컴퓨터의연산속도를나타내는단위로, 1초당부동소수점연산명령을몇번실행할수있는지를말합니다. Tera Flops는 1초당 1조번, Peta Flops는 1초당 1000조번, Exa Flops는 1초당 100경번의연산이가능함을의미합니다. 있기때문에미국, 중국, 일본, 독일등세계강대국들의각축장이되고있고, 중국과미국은 2020~2021 년까지세계최초의엑사플롭스스케일의슈퍼컴퓨터를개발하기위해경쟁하고있습니다. 나라별 TOP500 슈퍼컴퓨터분포도 성능발전경향을보여주는그래프 Sum #1 #500 1997 2008 2019 1TF의시스템첫등장 1PF의시스템첫등장 1EF의시스템등장예상 10 EFlop/s 1 EFlop/s 100 PFlop/s 10 PFlop/s 2012년 11월 2013년 11월 2015년 11월 1 PFlop/s Performance 100 TFlop/s 10 TFlop/s 1 TFlop/s 100 GFlop/s 10 GFlop/s 1 GFlop/s 100 MFlop/s 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2017 년 11 월 이분포도는 500개의사각형으로구성되어있고, 사각형한개의크기는 TOP500 에등재된슈퍼컴퓨터한대의성능을나타냅니다. 이그림을통해전세계에서가장성능이좋은슈퍼컴퓨터를어느나라에서보유하고있는지, 어느나라가가장많은슈퍼컴퓨터를보유하고있는지를알수있습니다. 또한연도별분포도비교를통해각나라가보유하고있는슈퍼컴퓨터의대수및성능의변화추이를파악할수있으며, 미국, 중국, 일본, 독일등세계적강대국들의슈퍼컴퓨터개발경쟁동향을분석할수있습니다.
수치예보와슈퍼컴퓨터 09 Supercomputers and Weather Forecasts 일기예보의단계 일기예보는컴퓨터의발명과수치예보이론의발전으로도약했습니다. 기상관측일기예보는기상현상을관측하는것으로부터시작합니다. 지상기상관측, 고층기상관측, 해양기상관측, 레이더관측, 위성관측등을통하여기상자료를수집합니다. 관측자료수집 처리 국내에서수집한자료들과외국에서송신되는방대한 기상자료들이슈퍼컴퓨터에입력돼수치예측자료들을 일기예보와슈퍼컴퓨터 생산합니다. 기상관측도구의발명, 일기도고안및전신등통신기술발달에따라 1800 년대중반이후일기도 기반의일일예보등근대적일기예보체제가정착되었습니다. 20 세기에는컴퓨터의발명과수치예보 이론의발전에힘입어일기예보가보다과학적인방법으로다시한번도약했습니다. 수치모델운영및예측자료생산 리차드슨의수치예보개념도 수치예보, 즉정량적으로날씨를예측하려는과학자들의오랜꿈은 1922년영국의리차드슨에의해실현됐습니다. 리차드슨의개념도에따르면전지구를나타내는커다란체육관같은구안에많은사람들이앉아있고, 그중앙에오케스트라의지휘자처럼모든과정을지휘하는책임자가있어이책임자가일정위치를지정하면, 그곳에있는사람은자신에게해당된값을손으로계산하고옆사람에게계산결과를넘겨주는방식을반복해서날씨예측값을얻어낼수있다고생각했습니다. 하지만전자식컴퓨터가개발되기이전에는엄청나게많은양의수식을빠르고정확하게계산해야하는수치예보가사실상불가능했고, 결국리차드슨은수치예보가실용화될수없다고 고성능수치계산을목적으로만들어진슈퍼컴퓨터로, 수치예보모델을통해미래의날씨예측정보를생산합니다. 분석및의사결정이렇게만들어진각종예보분석자료들과현재의기상상태를토대로전국예보관들이토의를거쳐예보를결정합니다. 결론지었습니다. 당시에는실패한개념이었다고하지만 1 차세계대전동안영국기상학자리차드슨이제시한 예보공장개념은현대의 64,000 개 CPU 를가진초대형병렬슈퍼컴퓨터와유사한개념이었고, 수치예보는최초의컴퓨터인에니악 (ENIAC) 이미국에서개발되면서 1950 년대부터획기적으로 기상정보제공 발달하게됐습니다. 이렇게결정된예보는방송, 신문, 인터넷등다양한매체를통해전국민에게제공됩니다. 수치예보란? 수치예보는객관적이고과학적인방법으로미래의날씨를예측하는일기예보방식입니다. 대기의온도, 기압, 바람, 구름, 강수등다양한대기운동을수치로계산하여미래의기상상태를예측하는방법을말하는데, 종전에예보관의지식, 경험및주관적판단에만의존할수밖에없었던예측의영역에과학적방법을도입한것입니다. 이와같이구체적인수치를계산한결과로날씨를전망하는시도는지금으로부터약 100년전 (1차세계대전중이던 1917년 ) 처음이뤄졌으며컴퓨터가등장한 1950년대이후현실화되기시작했습니다. Forecast Factory (1922) 날씨를예측하는원형극장 ( 리차드슨이고안한수치예보개념도 ) 수치예보도입이후기상관측자료는알림표나분석일기도등의직접적형태로만제공되지않고, 수치예보모델에서모의된미래의날씨예측정보와함께예보관에게제공되어더욱객관적이고정확한판단이가능하게되었습니다. 미래의날씨를모의하기위해사용되는수치예보모델은종류나규모, 해상도등에따라제한된시간이내에수백조번이상의수치연산을필요로하는경우도많기때문에고성능수치계산을목적으로만들어진슈퍼컴퓨터가사용됩니다.
수치예보모델 10 11 Numerical Weather Prediction(NWP) Model 수치예보의주요기술 (1) Key Technology of NWP 수치예보모델은미래의날씨를예측하기위해만들어진컴퓨터프로그램입니다. 수치예보는자연에대한이해와첨단과학및 IT 기술의결정체입니다. 수치예보모델의개념 수치예보는기상관측, 원격탐사, 초고속통신, 자료동화, 슈퍼컴퓨터, 계산과학, 프로그래밍, 그래픽 수치예보모델은지구의기상시스템을대기상태와운동을지배하는역학 물리방정식을사용하여기상학적으로모델링한것입니다. 시 공간적으로연속체인기상시스템은수학적으로직접계산할수 처리등자연에대한이해와첨단과학및 IT 기술의결정체로써, 전세계적인기상협력과다양한분야의첨단기술을융합하여발전하고있습니다. 없기때문에수치예보모델에서는통상지구를바둑판같은수많은격자로나누어격자점마다대기의 상태와운동에대한방정식을계산하도록구성되어있습니다. 기압, 바람, 온도, 강수등의대기상태는각격자점의값으로나타나므로, 격자간격에따라예측가능한대기상태가달라집니다. 격자가조밀할수록더정확한예측이가능해지지만계산해야할격자점이많아지므로정확하고신속한결과값을얻기위해서는보다고속의컴퓨터가필요합니다. 슈퍼컴퓨터가예측결과를산출하는과정 대기의상태와움직임을재현하는방정식계 수치모델을단시간에계산하는슈퍼컴퓨터 관측기술 AWS, 위성, 레이더등첨단관측기술및장비를활용한전지구 3차원입체관측 초고속통신기술세계각국에서관측 분석된대용량기상자료를최대한신속하게수집 자료동화기술위성, 레이더등에서수집한각종기상자료를융합, 3차원격자형태의수치모델입력자료로가공 수치모델프로그램과슈퍼컴퓨터 슈퍼컴퓨팅기술 계산자원할당을최적화하여방대한계산작업을효율적으로처리 물리방정식해독기술 프로그래밍기술 가시화기술 관측자료 방정식을계산하기위한슈퍼컴퓨터용프로그램 예측결과 물리방정식을이용하여자연현상을과학적으로해석 복잡하고방대한물리방정식을슈퍼컴퓨터가효과적으로처리하도록병렬프로그램화 격자형태의수치모델예측결과를효과적인분석이가능하도록가시화
수치예보의주요기술 (2) 12 Key Technology of NWP 수치예보모델의해상도 수치예보모델이고해상도일수록보다정교한예측이가능해집니다. 규모가큰기상현상 규모가작은기상현상 (ex. 태풍, 장마등 ) (ex. 집중호우, 돌풍등 ) 고해상도모델의필요성 수치예보모델 ( 해상도 ) 수치예보모델의해상도는그모델이사용하는격자가얼마나작고조밀한지를말하는것으로, 격자크기가작은고해상도모델일수록보다작은규모의기상현상에대한식별과정교한예측이 가능해집니다. 집중호우, 돌풍, 폭설등과같이많은피해를가져오는국지적위험기상현상들은보통 수km미만의규모이기때문에이를제대로예측하기위해서는수km이내의보다정교한격자를갖는 고해상도모델이필요합니다. 고해상도수치예보모델은격자간격이조밀할뿐만아니라고도등지형적효과를보다현실적으로반영할수있어정교한예측이가능하지만, 관측자료와컴퓨터성능의부족으로인해해상도의증가에는한계가있습니다. 통상수치모델의해상도가 2배증가하면이에따른계산양은 15~20배정도증가하는것으로알려져있습니다. 넓은격자 ( 저해상도 ) 좁은격자 ( 고해상도 ) 규모가큰기상현상들만격자위에남게됩니다. 즉, 격자위에남아있는규모가큰기상현상 ( 태풍, 장마등 ) 만예측할수있게되며규모가작은기상현상은예측하기어렵습니다. 규모가작은기상현상들도격자위에남게됩니다. 즉, 격자위에남아있는규모가작은기상현상 ( 국지성호우, 돌풍, 우박등 ) 도예측가능해집니다. 고해상도모델필요 규모는작지만인명 재산피해가큰기상현상들은격자가조밀해야예측가능합니다. 큰공은규모가큰기상현상을의미하고, 작은물체들은규모가작은수 km 미만의국지적위험기상현상을 간격이조밀해질수록고도등지형적효과를보다현실적으로반영할수있어정교한예측가능 비유합니다. 수치예보모델의격자보다작은규모의국지적기상현상은예측하기가어렵기때문에규모가작은기상현상들을예측하기위해서는고해상도의수치예보모델이필요합니다.
기상청수치예보의역사 13 The History of NWP in KMA 슈퍼컴퓨터와수치예보모델의역사그래프 슈퍼컴퓨터도입후고해상도수치예보모델을예보업무에활용하고있습니다. 1990 1995 연도 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000 Cyber 932 1988 Fujitsu VPX220 FLAM KLAM GDPS 80 km 10L 40km 15L GSM T106L21 1.25 GFlops 전구모델해상도 110 km 우리나라수치예보의역사 세계의기상선진국들은 1950 년대후반부터수치예보를기상업무에적용했으나우리나라는이보다 30년가까이늦은 1980년대후반이되어서야수치예보를도입했습니다. 1985년에는수치예보현업화를위한 전산예보도입계획 을수립하고아일랜드, 스웨덴등유럽중견국의수치모델을도입, 우리나라에맞게변환하기위한연구과제에착수하였습니다. 이후 1991년부터는우리나라최초의현업용모델인아시아지역모델 ALAM 과극동아시아지역 2000 NEC SX-5 RDPS EPS GDPS MM5 30/10/5km L33 110km T106L30M16 GSM T213L30 224 GFlops 55 km 모델 FLAM 을운영하기시작했고, 1990년말에는수치예보업무를전담할수치예보과를신설하고본격적인수치예보업무및서비스를시작했습니다. 슈퍼컴퓨터 1호기를도입한 2000년부터는슈퍼컴퓨터기반의고해상도수치예보모델을예보업무에활용하고있습니다. 2005 CRAY X1E RDPS EPS GDPS MM5 30/10/5kmL33 KWRF 10kmL40 55km T213L30M17 GSM T426 L40 18.5 TFlops 30 km 연도별수치예보모델운영내용 연도모델명해상도연직운영장비 1991 1993 1997 아시아지역모델 (ALAM) 극동아시아지역모델 (FLAM) 한반도국지모델 (KLAM) 전지구모델 (GDAPS) T106L21 CDC Cyber 160km 10층 932 80km 10층 KIST(SERI) CRAY-2s 40kmㅍ 16층 KIST(SERI) CRAY Y-MP Fujitsu 110km 21층 VPX220 1999 지역모델 (RDAPS) 30km 33층전지구모델 (GDAPS) 55km 30층 T213L30 2001 T106 앙상블모델 110km 30층 (EPS) 2005 2011 전지구모델 (GDAPS) T426L40 T213 앙상블모델 (EPS) 전지구모델 (GDAPS) N512L70 슈퍼컴퓨터 1 호기 (NEC SX-5) 30km 40층 슈퍼컴퓨터 2호기 55km 40층 (CRAY X1E) 25 km 70 층 지역모델 (RDAPS) 12 km 70 층 N320 앙상블모델 (EPS) 40 km 70 층 슈퍼컴퓨터 3 호기 (CRAY XE6) 연도모델명해상도연직운영장비 2012 국지모델 (LDAPS) 1.5 km 70 층 2016 2018 전지구모델 (GDAPS) N768L70 17 km 70 층 지역모델 (RDAPS) 12 km 70 층 국지모델 (LDAPS) 1.5 km 70 층 N320 앙상블모델 (EPS) 국지앙상블모델 (LENS) 전지구모델 (GDAPS) N1280L70 32 km 70 층 3 km 70 층 10 km ( 18.6.~) 70 층 지역모델 (RDAPS) 12 km 70 층 국지모델 (LDAPS) 1.5 km 70 층 N320 앙상블모델 (EPS) 국지앙상블모델 (LENS) 32 km 70 층 2.2 km ( 18.10.~) 70 층 슈퍼컴퓨터 3 호기 (CRAY XE6) 슈퍼컴퓨터 4 호기 (CRAY XC40) 2010 2016 2018 CRAY XE6 CRAY XC40 LDPS RDPS EPS GDPS LDPS RDPS EPS GDPS LENS LDPS EPS GDPS LENS 1.5km L70(744 928) UM12km L70 KWRF 10kmL40 40km N320L70M24 UM 40km N320L50 UM 25km N512L70 1.5kmL70(1,188 1,148) UM 12kmL70 32km N400L70M49 UM 17kmN768L70 3km M13 1.5kmL70(1,188x1,148) 32km N400L70M49 UM 10kmN1280L70 2.2km M13 758 TFlops 5,800 TFlops 25 km 17 km 10 km
기상청수치예보모델현황 14 Current status of NWP in KMA 응용모델 총 20 종모델일약 100 회수행 기상청은슈퍼컴퓨터를예보 연구개발등의다양한분야에서활용하고있습니다. 태풍모델 황사모델 폭풍해일모델 기상청수치예보모델현황 기상청은슈퍼컴퓨터 4 호기를사용하여단기및중기예보를위해 20 여종의수치예보모델을하루 약 100 회이상현업운영하고있고, 이외에도장기예측, 기후변화관련모델들과연구개발을위한 다양한수치예보모델들을운영하고있습니다. 단기및중기예보를위한수치예보모델은전지구 예보모델, 지역예보모델, 국지예보모델, 응용및통계모델등으로구분됩니다. 전지구예보모델은 이중가장기본이되는모델로써특정한경계가없이지구전체를대상으로예측을수행합니다. 특정한지역을대상으로하는모델들은전지구예보모델로부터지역경계조건을받아서수행되는데, 동아시아지역을예측하는지역예보모델과한반도영역의위험기상을예측하는국지예보모델이있습니다. 또한중기예보와위험기상예측을위해전지구앙상블과국지앙상블을운영하고있고응용및통계모델에는파랑, 폭풍해일, 황사, 연무를예측하는모델을운영하고있습니다. 전지구앙상블모델 연무모델 초단기모델 기상청에서수행하고있는수치예보모델 ( 예측영역기준 ) 기타응용수치모델 모델종류 수평해상도 연직층수 예측기간 운영목적 전지구모델 (GDAPS) 10km 70 12일 전지구중기예측 전지구앙상블모델 (EPS) 32km 70 12일 전지구중기확률예측 지역모델 (RDAPS) 12km 70 87시간 동아시아단기예측 국지예보모델 (LDAPS) 1.5km 70 36시간 한반도단기예측 국지앙상블모델 (LENS) 2.2km 70 72시간 한반도위험기상확률예측 초단기모델 KLAPS 5km 40 12 시간 VDAPS 1.5km 70 12 시간 한반도초단기예측 GWW3 50km 12 일전지구해상파고예측 파고모델 RWW3 8km 87 시간아시아해상파고예측 전지구예보모델지역예보모델국지예보모델 CWW3 1km 72 시간지방청관할해역해상파고예측 수평 10km 분해능 ('18.6.~) 수평 12 km분해능 수평 1.5 km분해능 폭풍해일모델 (RTSM) 8km 87 시간아시아폭풍해일예측 연적 70 층 (80 km ) 연적 70 층 (80 km ) 연적 70 층 (40 km ) 황사모델 (ADAM2) 25km 72 시간황사수송예측 12 일예측 87 시간예측 36 시간예측 연무모델 (ADAM3) 25km 72 시간연무예측 4차원융합자료동화 격자 : 2,565 1,920 70=344,736,000 4차원변분자료동화 격자 : 540 432 70=16,329,600 3차원변분자료동화 격자 : 1,416 1,646 70=163,151,520 동네예보 / 통계모델 - 2-10 일동네, 기온예측
수치예보모델의성능및효과 15 Performance of NWP model 수치예보및슈퍼컴퓨터가치확산 16 Value spread of NWP and supercomputer 슈퍼컴퓨터는예보정확도향상에필요한핵심인프라입니다. 슈퍼컴퓨터에서생산되는분석및예측정보는다양한분야에활용됩니다. 수치예보는과학적방법으로수치모델을계산하여미래의날씨상태에대한객관적예측자료를 사회 경제적파급효과 생산함으로써, 예보관의지식 경험과주관에주로의지하던과거의일기예보를보다과학적이고객관적인방식으로바꾸어놓았습니다. 슈퍼컴퓨터에서생산되는분석및예측정보는국가의정책결정이나자연재해, 재난과같은위기상황에대한최적의의사결정지원을위한과학적정보입니다. 이를위해기상에관한정보뿐만아니라 해양, 생물, 빙권등과같이전체지구시스템을대상으로관측된다양한정보들이활용됩니다. 이렇게생산된정보는재해로부터국민의생명 재산보호, 기후변화대응, 수자원관리와같은각종 40% 수치예보모델성능 32% 관측자료 28% 예보관의능력 예보정확도의결정요소연구결과에따르면기상예보의정확도에영향을미치는요소중에서수치예보모델의성능과모델의초기입력자료로사용되는관측자료가전체의 72% 를차지하는것으로조사되었습니다. 에너지자원관리, 생태계관리 보호등다양한분야에활용됩니다. 기후변화대응국가기후변화대응책수립을위한고해상도국가표준기후변화시나리오산출개도국수치예보자료지원 아시아 21 개국 300 여개도시, 아프리카 10 개국 70 여개도시 슈퍼컴퓨터는예보의정확도를결정하는세가지요소중에서관측자료활용성증대와수치예보모델의성능향상에필요한필수인프라입니다. 우리나라수치예보의예측정확도는슈퍼컴퓨터 3호기도입, 관측자료확대및수치예보모델정비등의작업이이루어진 2010년이후세계주요기상선진국에근접하는수준으로대폭향상됐습니다. 수치예보자료수혜국에서공여국으로발전 우즈베키스탄 (10) 몽골 (7) RMSE[m] 120 100 80 60 40 20 1 호기 2 호기 3 호기 4 호기 수치예보모델예측성능약 25% 증가 수단 (9) 카자흐스탄 (18) 키르키즈스탄 (17) 타자키스탄 (15) 이란 (4) 아프가니스탄 (10) 바레인 (1) 파키스탄 (4) 네팔 (4) 부탄 (36) 카타르 (12) 방글라데시 (14) 에리트리아 (2) 라오스 (4) 오만 (30) 베트남 (29) 에티오피아 (10) 캄포디아 (7) 필리핀 (29) 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 우간다 (9) 자부티 (2) 소말리아 (6) T+24hrs T+72hrs T+120hrs 전지구예보모델의북반구 500hPa 고도장예측오차전지구예보모델의예측성능검증기준은평균제곱근오차 (RMSE) 입니다. 평균제곱근오차는완벽한경우 0의값을가지게되는데, 따라서위그래프의좌측수치가 0에근접할수록전지구예보모델의오차가작고정확하다고볼수있습니다. 르완다 (5) 브루디 (2) 케냐 (13) 탄자니아 (13) 기상현대화지원기상조기경보시스템지원 태풍예측시스템지원동아프리카 10개국기상현대화지원
센터활동 17 Activity of NCMS 슈퍼컴퓨터사용자워크숍슈퍼컴퓨터분야최신기술동향과슈퍼컴퓨터활용사례등의정보를교류합니다. 는국민여러분곁에있습니다. 는정부기관중유일하게슈퍼컴퓨터를보유하고있는기관으로서기상용슈퍼컴퓨터의효율적활용과국내대기과학분야슈퍼컴퓨팅활성화를위해대외협력 사용자교육 워크숍개최등다양한활동을수행하고있습니다. 특히슈퍼컴퓨터프로그램개발자를위한포트란, 병렬프로그래밍교육은기상청내부직원뿐아니라대기과학관련대학, 유관기관등에서좋은반응을얻고있습니다. 또한국내 외많은기관과의워크숍, 센터견학프로그램을통해수치모델과슈퍼컴퓨터관련경험과지식을공유하고있습니다. 교육기상청직원과슈퍼컴퓨터사용자를대상으로슈퍼컴퓨터사용자교육, C언어프로그래밍교육, 포트란프로그래밍교육, 병렬프로그래밍교육등연 4차례이상다양한교육프로그램을제공합니다. 청소년슈퍼컴퓨터체험캠프청소년을대상으로슈퍼컴퓨터활용실습, 기상 기후수치예보모델생산과정체험등우리나라의선진화된기상예측시스템을체험할수있는프로그램을제공합니다. 견학센터방문자를대상으로및슈퍼컴퓨터운영전반에대한정보를제공합니다. 슈퍼컴퓨터사용자교육 포트란프로그래밍과정 C언어프로그래밍과정 병렬프로그래밍과정 슈퍼컴퓨터구성및사용법, 스케줄러사용법등에대한교육포트란프로그램문법이해및실습 C언어프로그래밍이해및실습병렬프로그래밍 (MPI, OpenMP) 기본개념이해및실습 견학프로그램안내 - 홍보동영상시청 - 와슈퍼컴퓨터소개 - 전산실 ( 슈퍼컴퓨터 ) 관람 견학시간월 ~ 금요일 09:00~18:00 견학신청및문의담당자연락처 043-711-0225 토 일요일및공휴일에는견학프로그램을운영하지않으며, 기관사정에따라특정일에는견학이불가할수있습니다. 견학신청및확정은담당자와의유선상담을통해이루어집니다. 자세한내용은담당자에문의바랍니다.