통합모델 기반 수치예보시스템 구축

6.3.1 자료동화시스템

2000년대 들어 세계통신망의 급속한 발전으로 기상전용통신망(GTS)과 인터넷을 통해 세계 각국의 비종관 관측 자료까지도 현업수치예보모델에 활용할 수 있는 기반 이 갖추어졌다. 기상청 용역보고서(2007)에 의하면 수치예보모델 예측성능 개선에 기여하는 정도는 수치예보모델 개선 30%, 초기장 개선 70%로 관측 자료의 중요성 이 대두되고 있다. 시·공간적으로 조밀한 관측 자료는 수치예보모델의 자료동화 알 고리즘(품질검사, 4차원 변분법(4DVAR))을 이용하여 개선된 초기장을 제공해주며, 이는 수치예보모델 성능 개선의 가장 큰 요인이 되고 있다.

현재 영국기상청에서는 SSMIS와 GPSRO(GPSRadioOccultation)⁹⁾ 자료를 추가 하여 총 1 1 종의 관측 자료를 활용하고 있으며, 우리나라는 9종에 대한 자료처리과정 을 개발하여 시험운영에 활용하고 있다[그림 3-27].

[그림 3-27] 통합 수치예보모델에 활용중인 관측 자료 분포도(2009년 10월 기준)

9) GPSRO(GPSRadioOccultation) : 여러 소형위성에 GPS수신기를 탑재하여, 기압, 온도, 수증기량 에 따른 신호지연을 측정하여 전 지구적인 대기수직분포 관측

위성자료는 총 관측 자료 대비 입전량의 96%, 활용량의 60%를 차지할 정도로 통 합모델(UM) 초기장 생산에 중요하다. 관측 자료의 양은 2009년 4월 시험운영을 개 시할 당시에는 영국대비 46%였으나, 지속적으로 증가하여 2009년 12월 현재 영국 대비 72% 수준에 도달했으며, 미처리 2종(SSMIS와 GPSRO)의 활용을 위한 관측 자료 처리과정 개발이 마무리되는 2010년에는 영국기상청 대비 80% 이상의 관측 자료 활용으로, 통합모델의 성능이 더욱 향상될 것으로 기대하고 있다.

기상청의 자료동화시스템은 2000년 3차원 최적내삽법과 2004년 3차원 변분법을 거치면서 짧은 기간 내에 괄목할 만한 발전을 이루었으나, 4차원 변분법을 현업에 적 용하고 있는 선진국의 수준과 아직도 적지 않은 차이를 보였다. 2010년 공식운영 예 정인 영국기상청의 4차원 변분 자료동화시스템의 도입은 기상청의 자료동화기술을 선진국 수준으로 끌어올리는 중요한 전환점이 될 것으로 보인다. 4차원 변분 자료동 화시스템(4DVAR)의 도입과 함께 그동안 활용이 불가능하였던 미국과 유럽 기상위 성자료들의 활용이 가능해지며 이를 통해 수치예보의 정확도가 크게 개선될 것으로 전망하고 있다.

2010년 4차원 변분법의 공식운영을 준비하기 위해 통합모델과 연동된 자료동화 순환예측체계가 2009년 4월부터 시험운영되었다. 시험운영 과정에서 누락된 관측 자 료의 추가와 자료처리과정상의 오류수정을 통해 공식운영을 위한 준비를 대부분 완료 하였으며, 예측의 정확도 또한 현행 수치예보시스템 대비 26%¹⁰⁾(2009년 12월 기 준)까지 개선된 결과를 보였다.

2010년 5월부터 공식운영 될 통합모델 자료동화시스템은 안정화 단계를 거쳐 2011년부터는 영국기상청과 동일한 최신 고해상도 버전으로 업그레이드될 예정이다.

6.3.2 전지구 통합모델

기상청은 2008년 6월 영국기상청으로부터 입수한 초기장을 이용하여 전지구 통합 모델의 시험운영을 개시한데 이어, 2009년에는 관측 자료 전처리과정 및 자료동화과 정이 접합된 두 종류의 6시간 주기 전지구 순환예측의 시험운영을 개시하였다. 2009 년 1월에 개시한 전지구 통합모델 순환예측체계는 영국기상청으로부터 입수하는 전 지구 관측 자료를, 그리고 2009년 4월에 개시한 순환예측체계는 기상청이 입수하는 10) 국내 관측 자료를 활용한 통합모델(UM)의 시험운영 결과로, 영국초기장을 이용한 통합모델 시험

운영 결과와는 다름에 유의

전 지구 관측 자료를 기반으로 시험 운영되고 있으며, 두 시험운영체계 모두 통합모 델 6.6 버전을 이용하여 전지구 예측을 수행한다.

영국기상청 초기자료를 이용한 전지구 통합모델 시험운영은 영국기상청으로부터의 자료 수신체계 개선과 체계적인 모니터링 시스템의 운영, 그리고 안정적인 후처리를 위한 별도의 전산자원 확보를 통하여 00UTC 기준으로 15시까지 통합모델 예측결과 가 제공될 수 있도록 하였다.

기상청이 입수하는 관측 자료를 이용한 전지구 순환예측체계는 2010년 통합모델의 현업운영을 위한 준비단계로서, 2009년 시험운영 초기에는 시범적으로 일 2회(00, 12UTC) 5일(120시간) 예측을 수행하였으며 10월부터는 현업 전지구 수치예보시스 템과 동일하게 일 2회 10.5일 예측을 수행하고 있다. 또한 안정적인 전지구 통합모 델 운영과 신속한 자료제공을 위하여 모델상부 확산 조정과 자동 재수행 등의 체계를 구축하였다.

전지구 통합모델에서는 8종의 모델면 예보변수, 8종의 등압/등온위면 예보변수와 90여종의 단일면/토양층 예보변수, 그리고 3시간 일기도의 생산을 위한 배경자료 및 지역모델, 해양모델, 위성자료 분석용 변수 등을 정기적으로 생산하여 현업운영에 대 비하고 있다.

2010년에는 전지구 통합모델을 슈퍼컴 3호기에서 운영하며, 중기예측성능의 향상 을 위하여 최신 버전의 통합모델을 이용하여 수평 분해능과 연직 층수가 각각 25㎞, 70층으로 강화된 고 분해능 전지구 통합모델의 운영체계를 구축할 예정이다.

구 분 설 정 내 용

버전 UM 6.6

수평 분해능 N320 (~40㎞) / 격자개수 : 640(동서)×481(남북) 연직 분해능 50층 (모형상단 ~63㎞)

예측 기간 252시간 (1일 2회 / 00,12UTC) 15시간 (배경장생산 / 매 6시간) CPU 개수 64개 (MSP 모드)

소요 시간 약 120분 (전‧후처리 제외)

사용 플랫폼 기상청 슈퍼컴 2호기(Cray X1E / 신바람)

초기장 자료동화 연동으로 자체생산

[표 3-42] 전지구 순환예측을 위한 통합모델 설정

[그림 3-28] 12㎞ 해상도 지역 통합모델 영역

6.3.3 지역 통합모델

2009년 4월부터 기상청이 입수하는 관측 자료 기반의 전지구 통합모델 예측장으 로부터 초기·경계장을 제공받아 10㎞ 해상도 지역 통합모델을 시험운영하였다. 그 결 과 10㎞ 지역 통합모델은 수치 불안정에 의한 지점 스톰(point storm, 한 개의 격자 에서만 매우 강한 강수 발생)이 자주 발생하였고, 안정한 운영을 위해 모델 적분시간 간격을 줄인 결과 예보생산 소요시간이 증가하였다. 이 현상을 해결하기 위하여 12

㎞ 해상도 지역 통합모델을 구성하여 10㎞ 모델과 비교한 결과, 동등한 예측성능을 보이면서도 지점 스톰 현상은 줄어든 반면, 더 큰 시간간격을 사용할 수 있어 예측자 료 제공시간도 단축되었고(10㎞ 해상도 모델 대비 66%), 기상청에서 개발하고 있는 통합모델 기반의 재해기상모델과도 이음새 없는 연계가 가능하다는 장점이 있었다.

따라서 12㎞ 해상도 지역 통합모델로 변경하 여 일 2회(00, 12UTC) 3일(72시간) 예측을 수행하였다. 모델의 안정적 운영을 위해 육지내 의 물(호수, 강 등)을 메우고 지형을 평활화 하 였다. 2010년에는 지역 통합모델을 슈퍼컴퓨터 3호기에서 운영하고 연직 층수를 70층으로 증 가 시킬 예정이며, 지역 통한모델을 위한 자체 순환예측체계도 구축할 계획이다.

구 분 설 정 내 용

버전 UM 6.6

수평 격자간격 12㎞ / 격자개수: 540(동서)×432(남북) 연직 층수 38층 (모델상단 ~39㎞)

예측 기간 72시간 (1일 2회 / 00,12UTC) CPU 개수 128개 (MSP 모드)

소요 시간 약 29분 (전‧후처리 제외)

적분 간격 300초

초기장 전 지구영역 초기자료로부터 재구성 [표 3-43] 12㎞ 해상도 지역 통합모델 설정