3.1 전지구 수치예보시스템
전지구 자료동화기술로 4차원 변분법(4 Dimensional Variational method : 4DVAR)과 앙상블 칼만필터(Ensemble Kalman FIleter : EnKF) 및 두 기법의 장 점을 접목한 하이브리드 기법이 주로 이용된다[표 2-2]. 세부분야로는 자료동화 시 간창 확장, 비 가우시안 오차 포함, 비선형 가정의 개선이 진행되고 있으며, 경계층 층운의 분석 개선, 수치 모델 상단 증가와 대기조성 정보 개선을 통한 위성자료동화 개선 노력이 있다. 관측 자료 분야는 강수지역, 육상, 해빙에서의 마이크로파 사운딩 동화, 구름지역 적외사운딩 동화, 정지궤도위성의 수증기복사량 동화가 주요하다. 또 한 어조인트를 이용한 관측 민감도 연구도 활발하게 진행되고 있다. 지표자료동화는 마이크로파를 이용한 앙상블 기법이 두드러지고, 해양자료동화에 있어서도 앙상블 기 법이 주류이다.
[표 2-3]은 WMO 수치실험그룹(Working Group on Numerical Experiment : WGNE) 2009년 보고서의 모델 개발계획으로 2010년에는 대부분의 국가에서 전지
구분 2009 2010 2011 2012 2013 ECMWF TL799 L91 TL1279 L91 TL1279 L130 TL1279 L130
영국 25 ㎞ L70 25 ㎞ L70 20 ㎞ L90 프랑스 T538c2.4 L60 T799c2.4 L90 T799c2.4 L90
독일 20 ㎞ L60 20 ㎞ L60 15 ㎞ L70 15 ㎞ L70
미국 T382 L64 25 ㎞ L90 25 ㎞ L90 25 ㎞ L90 25 ㎞ L90 캐나다 35 ㎞ L80 25 ㎞ L80 25 ㎞ L80 15 ㎞ L80
일본 TL959 L60 TL959 L60 TL959 L60
중국 50 ㎞ L61 25 ㎞ L61 25 ㎞ L81 25 ㎞ L81
한국 T426 L40 20㎞ L70 20㎞ L70 20㎞ L70 20㎞ L90 [표 2-3] 각국 기상센터의 전지구 수치예보모델 해상도 개발 계획(WGNE report, 2009) 구 모델의 수평해상도를 20~25㎞ 까지 높일 계획이며, 유럽중기예보센터는 모델의 연직 층을 2011년에 91층에서 130층으로 증가시켜 운영할 계획이다.
- Tn : 수평방향의 해상도를 나타는 삼각절단의 약어로 최대 n 개의 파 - Ln : 연직으로 n 개의 층으로 구성
- TLn : 세미라그랑지안 법에 의한 동서 파수
[그림 2-10]는 전지구 모델을 운영하는 각 나라의 모델 예측 성능을 북반구 500hPa 고도의 이상상관 지수로 나타낸 그림이며, 값이 1에 가까울수록 예측성능이 좋은 모델임을 의미한다. 2009년의 전지구 모델의 북반구 예측성능은 유럽중기예보 센터, 영국, 일본, 미국, 캐나다 등의 순서이다.
[그림 2-10] 전지구 모델 5일 예보 성능비교. 2008년 12 월~2009년 11월까지 평균된 북반구 500hPa 고도의 이상상 관 지수(일본기상청, 미국기상청 자료)
3.2 지역 수치예보시스템
전지구 수치예보시스템과는 달리 지역수치예보시스템은 적은 계산 자원으로도 운영 이 가능하기 때문에, 전지구 수치예보시스템을 가지고 있지 못한 나라에서도 지역수 치예보시스템만은 운영하고 있는 경우가 많다. 그러나 자체적으로 지역수치예보모델 을 개발하여 사용하고 있는 나라들은 일부 유럽국가와 미국, 일본 정도뿐이며 대부분 은 이들 선진국에서 개발된 모델을 도입해 활용하고 있다.
선진국의 지역 수치예보시스템 발전 동향을 살펴보면, 자료동화 부문에서는 위성, 레이더 등 원격관측 자료의 동화에 유리한 4차원 변분법(4DVAR)이나 모델의 흐름 에 따른 오차의 진화를 고려하는 앙상블 칼만필터(EnKF) 기법이 각광을 받고 있다.
최근에는 4차원 변분법과 앙상블 칼만필터를 접목시킨 하이브리드 시스템 개발이 새 로운 첨단 분야로 떠오르고 있다.
모델부문에서는 강수과정이나 대기복사과정, 그리고 대기경계층에서의 혼합과정 등 모델 물리과정 전반에 대한 개선이 지속적으로 진행되고 있으며 해상도 확대 또한 경 쟁적으로 이루어져 영국, 프랑스, 독일의 경우처럼 5㎞ 미만의 고해상도 모델이 현업 화 단계까지 발전하고 있다.
한편, 슈퍼컴퓨터의 급속한 발달과 함께 전지구모델과 지역모델을 동일한 역학체계 로 구성하는 통합모델(UM)의 활용이 주목을 받고 있다. 과거에는 전산자원의 제약 때문에 전지구 모델은 스펙트럴 역학체계1)를 사용하고 지역모델에만 격자체계를 사 용하였으나, 슈퍼컴퓨터의 계산능력이 급속히 발전함에 따라 전지구 모델에서도 지역 모델과 같은 방식의 격자체계를 활용할 수 있게 되었다. 따라서 전지구 모델과 지역 모델을 통합한 UM의 역할과 기능이 중요하게 대두되기 시작하였다. 이런 세계적인 추세에 따라 기상청에서는 2008년부터 영국기상청에서 운영하고 있는 UM의 도입을 추진하였으며, 2009년 시험운영을 거쳐 2010년부터 현업에 활용할 예정으로 수치예 보 정확도 향상에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다. 유럽중기예보센터(ECMWF) 다음으로 세계 2위의 기상기술을 보유하고 있는 영국은 최근 들어 자국의 모델을 다
1) 모델에서 수행되는 적분계산을 격자공간에서 하지 않고 사인이나 코사인 함수 같은 파동함수 공간 에서 수행하는 역학체계로서 적은 계산 자원으로도 많은 양의 계산을 할 수 있는 장점이 있지만 급 격히 진행되는 현상에 대한 모의가 어렵고 강수과정과 같은 물리 과정들을 명시적으로 묘사하는데 한계가 있다.
국가 모 델
수평격자간격(격자수) 연직층수 자료동화
영국 12 ㎞ (600×360) 70층 4DVAR
1.5 ㎞ (768×960) 70층 3DVAR
프랑스 2.5 ㎞ (600×500) 60층 3DVAR
독일 7 ㎞ (665×657) 40층 3DVAR
2.8 ㎞ (421×461) 50층
러시아 7 ㎞ (600×347) 40층
-미국 12 ㎞ (726×1287) 60층 Advanced
4 ㎞ (720×1011) 50층 3DVAR
캐나다 10 ㎞ 58층 FGAT2)
브라질 5 ㎞ (1001×2101) 80층 EnKF
일본 5 ㎞ (721×577) 50층 4DVAR
중국 5㎞ (1200×800) 50층 4DVAR
대한민국 10 ㎞ (513×573) 40층 3DVAR
5 ㎞ (242×330) 40층
인도 27 ㎞ 38층 3DVAR
10 ㎞ 38층
[표 2-4] 국가별 지역 수치예보시스템 비교(2009년 1월 기준)
른 나라에 개방하는 방향으로 정책을 선회하고 있으며, 이에 따라 우리나라 이외에 호주, 남아프리카공화국 등이 이미 영국으로부터 UM을 도입했거나 도입을 진행 중인 상태이다.
전지구 수치예보시스템과 마찬가지로 지역 수치예보시스템도 유럽, 일본, 미국 등 이 기술적으로 선두그룹을 형성하고 있으며, 우리나라와 중국, 호주, 러시아 등이 그 뒤를 잇고 있다. [표 2-4]는 2009년 1월 기준 국가별 지역 수치예보시스템(재해기 상 예측을 위한 고해상도 모델 포함)의 운영현황을 보여준다.
2) FGAT은 적시 배경장 활용기법이라고도 하며, 기술적으로 3차원 변분법과 4차원 변분법의 중간단 계에 해당하는 자료동화기법이다. 관측 자료를 동화할 때 관측 자료의 공간적인 위치뿐만 아니라 관측이 이루어진 시간도 부분적으로 고려함으로써 좀 더 현실에 가까운 결과를 산출할 수 있다.
3.3 앙상블 예측시스템
전지구 앙상블예측시스템은 어느 정도 성숙 단계로, 정교화에 중점을 두고 산출물 개발 및 응용모델과의 연계에 관심을 두고 있다. 또한 지역 앙상블예측시스템은 연구 단계를 넘어 현업으로 운영하는 기관이 늘고 있으며, 이 중 영국기상청이 가장 적극 적으로 예보에 앙상블을 활용하고 있고, 2012년부터 1.5㎞ 해상도 앙상블을 운영한 다는 계획을 갖고 있다. 앙상블 예측의 활용을 돕기 위해 별도의 후처리 부서를 두는 기관도 늘고 있다(영국, 프랑스, 캐나다 등). 또한 세계기상기구(WMO) 주도하에 앙 상블이 궁극적으로 역량을 발휘할 수 있는 재해기상 분야에서의 시연사업 활동이 전 세계적으로 활발해지고 있다. [표 2-5]와 [표 2-6]은 2009년 10월 현재 각국의 전지구와 지역앙상블 운영 현황이다.
Centre Initial pert method(area)
Model error simul
Horizon res (current→plan
km)
Vert res
Fcst length (days)
#pert
Mem+cntl#runs per day(UTC)
#mem dayper
TIGGE op data
(Australia)BoM SVs(NH, SH) NO TL119 19 10 32+1 2(00/12) 66 3 Sep 07
CMA (China)
BGM(globe) (*typhoon
relocation) NO T213(60㎞) 31 10
(→15) 14+1 2(00/12) 30 15 May 07 CDTEC
(Brazil) EOF-based(40S
:30N) NO T126 28 15 14+1 2(00/12) 30 1 Feb 08
ECMWF SVs(globe) YES
TL399
(50→30㎞) 62 0-10
50+1 2(00/12) 102 1 Oct 06 TL255
(80→60㎞)
(coupled ocean) 62 10-15 (Japan)JMA
SV(WNP, TC)
NO TL319
(60㎞→TL479+
TL319)
60 (→100,
60)
5.5 10+1 4 44
SV(NH+TR) 9 50+1 1(12) 51 1 Oct 06
(Korea)KMA BVs(NH) NO T213(60㎞) 40 10 16+1 2(00/12) 34 28 Dec 07
Meteo
France BVs+SVs(local)
(→+EDA) NO
(8*Phs) TL358c2.4 55
(→65) 4.5 10+1
(→34+1) 1(18) 11 26 Oct 07 MSC
(Canada) EnKF(globe) YES TL149 28 16 20+1 2(00/12) 42 3 Oct 07
NCEP
(USA) ETR_BV
(*TS relocation) N→(SPS) T126(→T190) 28 16 20+1 4(00/06/1
2/18) 84 5 Mar 07 UKMO
(UK) ETKF(globe) SKEB,RP,
SCV 1.25×0.83deg
(90㎞→60) 38
(→70) 15 23+1 2(00/12) 48 1 Oct 06
[표 2-5] 전지구 앙상블예측시스템 운영 국가와 운영 현황
Centre Initial pert
method(area) LBC Model error simul
Horizon res (current→
plan km)
Vert res
Fcst length (days)
#pert
Mem+cntl#runs per day(UTC) BoM
(Australia)
CMA (China)
WRF-vased
(North China) 15㎞ 35
(10hPa) 36h 14+1 2(00/12) GRAPES-based
(North China) BGM GEPS Multi-par 15㎞ 36h 1+8 2(00/12)
REPS
(SW China) 2LBC 2CP 20㎞ 48h 1+8
COSMO
LEPS(Italy) 2CP+Turb 10㎞(→7) 40 132h 16 2(00/12)
SREPS IFS, GME, UM,
→COSMO at 25㎞GFS 3Phys pert 10㎞ 40 72h 16(4m×
(3P+1cnt
l)) 2(00/12) DE EPS
('11 op) (NO CP) 2.8㎞ 40 21h
Spain Meteo France
(전구이지만 지역 목적) BVs(local) NO TL358 41 2.5 10+1 1(18)
(Canada)MSC (USA)NCEP
Ndas/regional bred GFS 3h/regional bred
/GEFSGFS
4M(Eta, RSM, NMM, ARW)×6CP
32-45㎞
(→32㎞) 87h 20+1
UKMO
(UK) GEPS GEPS RP, SCV 24㎞
(→18) 38
(→70) 54h 23+1 2(6,18)
[표 2-6] 지역 앙상블예측시스템 운영 국가와 운영 현황
[그림 2-11]우리나라 기후변화 감시망