3) 슈퍼컴퓨터 3호기 4.4 슈퍼컴퓨터와 수치예보 시스템
4.4.2.7 현업 수치예보 모델의 구성4.4 슈퍼컴퓨터와 수치예보 시스템
[그림 4.60]현업 수치예보시스템의 수행 및 자료 흐름도
수치예보시스템의 운영은 보다 많은 자료를 수집하여 수치예보시스템에 활용하기 위하여 전지구 예보시스템은 이른 분석 4번과 늦은 분석 4번으로 총 8번에 걸쳐 수행된다. 이른 분석은 기상예보에 사용하기 위하여 정해진 예보시간에 예보 가이던스 제공이 목적이다. 늦은 분석은 관측자료 수집시 간을 길게 하여 보다 많은 관측자료를 반영한 향상된 배경장을 생성시키기 위해 수행된다.
수치예보 현업 시스템은 4회에 걸쳐 수행되는 늦은 분석 싸이클 시스템을 바탕으로 예보 가이던스 및 분석장 제공을 위하여 4회의 이른 분석이 수행 된다고 할 수 있다. 이른 분석 00UTC의 예보자료를 생성하기 위해서는 현 지시간으로 오전 11시25분에 수치예보시스템이 수행된다.
00UTC의 이른 분석 수행 이후에도 전 세계적으로 많은 관측자료가 입전 되므로 예보 가이던스 제공을 위하여 수행된 이른 분석보다 많은 관측자료 를 적용한 늦은 분석을 수행하여 향상된 자료를 생성하게 된다. 00UTC의 늦은 분석 6시간 예보장은 06UTC의 이른 분석과 늦은 분석의 배경장으로 사용하게 된다. 따라서 늦은 분석 06UTC 6시간 예보장이 이른 분석
4.4 슈퍼컴퓨터와 수치예보 시스템
12UTC의 배경장으로 사용하게 된다.
요약
기상청의 통합모델은 현업 예보를 위해 다양한 구성으로 실행된다. 전지구 모델, 아시아 지역예보모델 그리고 한반도 지역을 위한 5km 초단기예측시 스템으로 이루어지며 이 모델들의 주 특성들은 다음과 같다.
- 모델들은 각각 그리고 기후 연구를 위한 통합모델과도 공통의 컴퓨터 코드와 운영체제를 공유한다.
- 모델들은 일정한 간격의 위도-경도 격자를 사용한다. 전지구모델 (GDAPS)은 25km의 수평 해상도를 사용하며, 지역예보모델(RDAPS) 은 12km를, KWRF는 10km를 갖는다. 현재 전지구 및 지역예보모델들 의 연직 층수는 모두 70개의 연직층을 갖는다.
- 지역예보모델(RDAPS), 국지예보모델(LDAPS)과 KWRF의 측면 경계 조건은 전지구예보모델(GDAPS)에 의해 제공된다.
- 대기 역학과정은 매우 정교하게 처리된다. 각 모델의 적분시간 간격은 전지구모델에서는 7.5분, 지역예보모델에서는 200초가 사용된다.
- 다음의 물리적 과정은 모수화된다. 대류운과 강수, 층운과 강수, 복사, 경계층과 지면 과정, 그리고 중력파 항력이다.
- 관측정보들은 4차원 변분동화 방법을 이용하여 전지구모델과 지역예보 모델로 동화된다.
- 전지구예보모델은 00Z와 12Z에서 유효한 분석장으로 부터 T+240까 지의 예보를 2회/일로 실행한다. 또한 GDAPS는 중간 분석장인 06Z와 18Z로부터 T+72까지 예보를 수행한다. 12km 해상도의 지역예보모델 (RDAPS)과 10km 해상도의 지역예보모델(KWRF)은 각각 하루에 4회 (00Z, 06Z, 12Z와 18Z) + 72시간까지의 아시아 지역의 예보를 수행한 다.
요약
통합모델은 아직 계속 개선 중에 있다. 앞으로 예상되는 변화들은 다음과 같다.
- 모든 모델들의 수평해상도와 연직 층수가 향상될 것이다. 모델의 비-정 역학적 속성이 이러한 향상을 가능케 할 것이다.
- 대규모와 대류운/강수 기법들을 조합함으로써 모루운(Anvil)의 생성과 다른 기법들의 향상을 유도할 것이다.
- 역학과 모수화 스킴들의 결합을 향상시키고 ENDGAME(Even Newer Dynamics for Global Atmospheric Modelling of Environment)의 일 부로 연직좌표계를 향상시킨다.
- FLUME(Flexible UM 환경)이라 불리는 시스템을 개발하여 영국 기상 청과 다른 곳에서 개발된 새로운 모델과 스킴들이 아주 쉽게 UM에 결 합될 수 있도록 한다.
요약
집중호우 등 위험기상을 유발하는 중규모 현상의 경우는 시공간 규모가 작 기 때문에 12시간 또는 6시간 마다 수행되는 기존의 자료동화 체계로는 효 과적인 탐지와 예측이 불가능할 수 있다. 따라서 예측의 효과가 12시간 또 는 그 이내에 대하여 제한적으로 적용되는 방법이라 하더라도, 실시간 자 료 수집체계를 통해 가능한 잦은 분석과 예측을 수행하는 전략이 필요하다.
레이더 반사도와 낙뢰 자료를 활용한 물리적 초기화 기법이 특히 스핀업 문제를 지니고 있는 단시간 예측에서 효과적일 수 있다. 초단기 기상분석 및 예측시스템(KLAPS)에서는 기존의 초단기 예측시스템을 개선하여 매시 간 운영 및 지원되는 초단기 예측시스템을 구축하였다. 그리고, 효율적인 활용을 위해 그 결과가 약 25분 이내에 지원되도록 하였다. 이러한 예측은 단시간 강수예보에 유용한 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
하계 사례에 대한 분석에서 종관시스템에 의한 강수에 대해서 대부분의 저 기압에 의한 강수 사례에서는 1시간 간격의 예측이 강수의 일관성을 유지 하면서 모의하였고, 종관시스템에 지배를 받는 상황에서는 강수의 패턴을 잘 모의하였다. 하지만 대기불안정에 의한 국지적 강수에 대해서는 불안정 에 의한 강수가 구조화되기 전에 대해서는 예측성이 낮아진다. 그렇지만 레이더 에코 등에서 징후가 포착될 정도로 구조화되었을 때에는 즉각적으 로 강수를 생성하였다.
초단기예측 시스템에서는 매시간 예측을 하기 때문에 국지적으로 발달하 는 위험기상에 대해 상당한 수준의 정확도를 갖고 수 시간 이후까지도 예 측이 가능하였다. 정량적인 검증에 있어서 12시간 예측까지 긍정적인 결과 를 보이고 있고 이러한 효과는 10mm/hr의 강한 강수에서도 나타나는 것 을 알 수 있었다.
연습문제
1. 통합모델과 가변 격자계의 장점에 대해 논하시오.
2. 수치모델에서 산출되는 주요 예단변수들을 제시하시오.
3. 동네예보에서 생산하여 제공하는 예보요소 종류와 생산과정을 설명하시 오.
4. 슈퍼컴퓨터를 정의하고 수치예보에서 슈퍼컴퓨터가 필요한 이유를 설명 하시오.
부록
직교(x, y, z)좌표계에서의 운동방정식들은 다음과 같이 표현된다.
(1)
(2)
(3)
UM에서는 전향력의 모든 성분들이 포함된 원시방정식들이 사용된다. 방 정식 (1)과 (3)에 유사한 근사화 하지 않은 완전한 운동방정식들이 사용된 다. 모델이 비정역학이라 미래에 해상도 향상이 가능하며 (3)에서 연직가 속도항을 무시하지 않는다. (3)식에서 전향력 항 도 포함한다.
UM 방정식의 또 다른 특징은 천수대기 근사를 사용하지 않는 점이다. 이 것은 지표로부터 대기상단 사이에서는 지구중심으로부터의 거리가 매우 조금 변한다는 것에 기초한다. 이러한 가정을 사용하는 모델들에서는 지구 중심으로부터의 거리는 상수로 정의된다. 실제 대기에서는 각 운동량 보존
원리에 의하여 상승하는 공기덩이가 지구 자전축으로부터 멀어져 고도가 높아짐에 따라 약하지만 상대적으로 동풍 운동량을 획득하게 될 것이다.
적도에서 지표면으로부터 대류권계면까지 상승하는 공기덩이는 동풍성분 에서 2 의 변화를 경험하게 된다. 이 효과도 UM에서는 포함하고 있다.
변분 자료동화에서 최소화되어야 하는 비용함수는 다음과 같다.
여기서 : 비용함수
: 모델 상태를 나타내는 벡터 : 모델 배경장을 나타내는 벡터 B : 모델배경오차에 대한 공분산 행렬
: 관측벡터
H : 관측에 대한 모델의 예측을 제공하는 전방모델연산자 E : 관측에러에 대한 공분산 행렬
F : 전방모델 연산자 에러에 대한 공분산 행렬
: 우리가 적용하고 싶은 역학적 평형 같은 강제력(구속조건)
부록
이렇게 간단한 형태의 비용함수 J는 2개의 차항의 합으로 표시할 수 있다.
첫 항은 배경장으로부터 분석장의 편차를 측정하며 배경오차 공분산 행렬 에 역비례하게 가중된다. 두 번째 항은 관측자료로부터 모델 예측자료의 편차를 측정하며 관측과 전방모델 연산자 에러 공분산 행렬의 조합에 반비 례하게 가중된다. 위 공식에서 E는 측기에러를, F는 본질적으로 대표성과 관계되는 오차를 의미한다.