Issue
1.서론
전 지구적인 기후변화와 도시화로 인하여 우리나 라는 예년과 달리 국지적인 집중호우의 발생빈도가 증가하고 있다. 서울 및 수도권지역과 같이 인구 밀 집지역에서 발생하는 위험기상은 다른 지역과 비교 하여 상대적으로 더 많은 인적 및 물적 재해를 가져 올 수 있다. 따라서 이러한 위험기상에 대한 감시 능 력을 강화하기 위해서는 보다 조밀한 기상관측망을 구축하여 활용 기술을 개발하는 것과 다양한 관측 자료와 고해상도 기상예측을 위한 예측시스템의 개 발이 필요하게 되었다.
위험기상에 대한 감시와 예측을 수행하기 위하 여 국립기상과학원에서는 2006년부터 초단기 기
상분석 및 예측시스템(Korea Local Analysis and Prediction System, KLAPS)을 개발하여 운영하고 있다. 여기에서 생산된 자료를 초기장으로 사용하 여 WRF 모델을 기반으로 초단기 기상 예측시스템 을 구축하였다. 2010년부터 예측모델(WRF v3.1.1) 의 개선 및 토지이용도 변경, 구름 분석 개선을 통 해 KLAPS v3.0으로 개선한 결과를 이용하여 초 단기 동네예보를 지원하고 있다.(하종철 등, 2010) KLAPS는 5km 해상도의 한반도 영역에 대해 매시 간 분석을 수행하는 초단기 분석 체계와 이 분석 결 과를 바탕으로 매시간 예측을 수행하는 초단기 예 측 체계로 나누어져 수행되고 있으며 5km 해상도 의 예측 결과를 위해 전구 UM(Unified Model)으로 부터 둥지격자체계로 규모축소하고 있다(하종철 등, 2011). 그리고 기상청에서는 1.5km 해상도의 국지 UM을 이용하여 기상예보를 수행하고 있다. 그러나 기상청에서 생산하는 수치모델 기반의 기상정보는 그 주 목적이 보편적이고 광역적인 기상예보를 위한 것이므로 인구와 경제 활동이 밀집되어 있는 수도권 의 다양한 수요자를 만족시키기에는 한계가 있다.
국립기상과학원에서는 2012년부터 ‘차세대도시 농림융합기상서비스개발’ 사업의 재원으로 수도권 지역에 특화된 시스템 구축을 위해 KLAPS 기반 의 스톰규모 수도권 위험기상 감시 및 예측시스템 (Advanced Storm-scale Analysis and Prediction System, ASAPS)을 구축하여 슈퍼컴 3호기에서 운
수도권 위험기상 감시를 위한 03
스톰규모 예측시스템 소개
지 준 범 한국외국어대학교
차세대도시·농림융합기상사업단도시기상융합 서비스개발실 모델개발팀장
rokmcjjb717@hufs.ac.kr
박 정 균 한국외국어대학교
차세대도시·농림융합기상사업단도시기상융합 서비스개발실장
elepig@hufs.ac.kr
용하였다(국립기상연구소, 2012, 2013; 김은희 등, 2014). ASAPS는 30분, 1km 간격의 높은 시·공간 해상도 분석 및 예측을 통하여 1시간 간격으로 갱신 되는 양질의 기상 정보를 생산하고 있다. 일반적인 기상상황에서는 1시간 간격의 예측결과도 충분하나 한반도 여름철 등의 국지성 집중호우는 재해기상 감 시에 대한 주의보, 특보 등의 선행시간을 줄이기 위 해 정보 갱신 주기를 짧게 하는 것이 더 유용할 수 있다. 기 구축된 ASAPS는 2015년 차세대도시농림 융합기상사업단(이하 사업단)으로 이관하였고 2016 년에는 예측모델 및 분석모델을 개선하였고(지준범 등. 2016), 사업단 관측 자료의 자료동화 개선을 수 행중이다. 또한 슈퍼컴퓨터 4호기에 이식하여 실시 간 운영중이다. 이는 국내에서 실시간으로 운영되는 최고 시공간 해상도의 수치예측모델이다.
수도권 스톰규모 예측시스템을 위한 사업단의 장 기 로드맵은 그림 1과 같다. 여기에는 연차별 개발
및 개선 일정 그리고 이에 대한 산출물과 그 활용분 야에 대한 계획이 담겨 있다.
2. 수도권 스톰규모 예측시스템
수도권 스톰규모 예측시스템(ASAPS)은 배경장, 분석장, 예측장을 생산하는 총 3개의 체계로 나누어 져 수행되며 강수확률예측을 위한 앙상블예측 정보 를 생산하는 체계를 포함한 것이다(그림 2). 1km 예 측을 수행하기 위해서는 둥지격자체계의 규모축소 가 필요하다. 따라서 5km 해상도의 모델이 같이 수 행 되어야 하다(SUF5). 배경장 생산은 매시간 수 행되며 삼면의 바다를 포함한 한반도 지역에 대해 5km, 수도권 지역에 대해 1km 예측을 한다. 분석 장 생산(SU01)은 수도권 지역에 대한 다수의 관측 자료를 활용하여 1km 분석을 수행한다. 예측장 생
그림 1. 수도권 위험기상감시를 위한 스톰규모 예측시스템 개발 로드맵
산(SUF1)은 수도권 지역에 대해 SUF5의 5km 예측 장을 측면 경계로 하고, SU01의 결과를 초기값으로 매 1시간마다 30분 간격으로 6시간까지 예측하도록 구성되어 있다. 수도권 고해상도 강수확률예측시스 템(SUF5E)은 SUF5를 측면경계로 이용하며, 수도 권 지역에 대해서는 1km 해상도로 WRF(Weather
Research and Forecasting, Skamarock et al., 2008) 모델의 둥지격자와 물리과정을 조합한 앙상 블예측시스템이다. 수도권 지역에서 둥지격자를 서 로 겹치게 설정하여 이 겹치는 영역에 대해 강수확 률을 예측하고 있다.
그림 2. 수도권 스톰규모 예측시스템의 체계도와 영역 구성
2.1 배경장(SUF5)
KLAPS 자료를 사용하여 5km, 1km 예측을 수 행하며 배경장 생산을 위하여 WRF 모델을 이용하 여 일방향 둥지내삽(1-way nesting) 기법에 의해 수행이 된다. 배경장 생산은 매시간 수행되며, 기상 청 현업에서 생산되는 15km 경계장(KLBG)과 5km 분석장(LAPS)을 사용하여 5km에 대한 9시간 예측 장, 1km에 대한 6시간 예측장을 생산한다. 5km 예 측장은 1km 예측모델의 경계장이 되고 1km 예측 장은 1km 예측모델의 초기 분석장을 위한 배경장 이 된다. 배경장 생산의 5km, 1km 결과는 각각 삼
면의 바다를 포함한 한반도 지역과 수도권을 포함한 한반도 중부 지역의 영역을 가지며 그림 2에 나타내 었다. 5km 영역은 235×283의 격자를 가지고 1km 영역은 266×266 격자를 가지며 예측장(SUF1)과 같은 영역이다.
2.2 분석장(SU01)
수도권 스톰규모 예측시스템의 1km 분석을 수행 하기 위해서는 모델 결과자료, 즉 배경장이 필요하 며 배경장은 SUF5의 5km, 1km 예측장으로부터 추 출된다. ftp, online-api를 통해 관측 자료를 수집
하고, 수집된 관측 자료를 해독하고 분석과정을 거 쳐 분석장 생산을 위한 입력자료가 생산된다(Albers et al., 1996). 현재 사용되고 있는 관측 자료는 AWS, RADAR, 위성, METAR, AMEDAS, 낙뢰, 윈드프로파일러 등이다. 또한 항공기 운항시 관측되 는 AMDAR 자료가 포함된다. 분석에 사용되는 관 측 자료는 기상청의 종합기상정보시스템(COMIS, COmbined Meteorological Information System) 로부터 파일을 전송(FTP)을 받아 디코딩(decoding) 과정을 수행하여 분석과정에 이용하고 있다. 일부 관측 자료들은 URL-API를 통해 자료 전송과 디코 딩이 하나의 과정으로 처리가 된다. 이러한 관측 자 료들은 별도의 전송 과정 없이 전송과 디코딩을 포 함하여 구축되었다.
2.3 예측장(SUF1)
수도권 스톰규모 예측시스템의 1km 예측시스템
은 SUF5의 5km 예측장을 경계장으로 하고, 1km 분석장을 초기장으로 예측이 이루어지도록 구성되 어 있다. 배경장(SUF5) 체계와 같이 예측 모델은 WRF를 사용하였다. 모델 영역은 배경장에서 1km 로 일방향 둥지내삽된 수도권 중심의 한반도 중부지 역이다. 수평격자 간격은 1km이고, 동서남북 격자 수는 266×266이다. 예측 체계는 1시간 간격 배경 장의 5km 예측장을 경계장으로 사용하고, 매1시간 모델이 수행되며, 30분 간격으로 6시간 예측 자료가 생산된다.
2.4 강수확률예측시스템
수도권 고해상도 강수확률예측시스템(SUF5E)은 한반도 영역은 5km 해상도로 하고, 수도권 지역은 고해상도의 강수예측을 위해 1km 해상도로 하였다.
강수확률예측을 위해 WRF 모델의 둥지격자 체계를 이용하여 앙상블예측시스템을 구축하였다. 각 둥지
그림 3. 수도권 고해상도 강수확률예측시스템 영역 구성 및 중복 영역
격자는 서로 다른 물리과정을 적용하여 앙상블 예측 을 하도록 하였으며 수도권 지역에서 둥지격자를 서 로 겹치게 설정하여 이 겹치는 영역에서 강수확률을 예측하도록 하였다. 예측에 사용된 영역은 그림 3 과 같다. 한반도는 5km 해상도로 235×283 격자를 가지고, 수도권 지역의 둥지격자는 1km 해상도 및 266×266 격자로 수도권 지역에 서 고해상도로 모 의를 한다. 그림 3은 1km 해상도의 수도권 지역 10 개의 둥지격자 즉 앙상블 멤버가 서로 겹치는 영역
을 보여준다.
각 둥지격자는 앙상블 멤버로서 각각 서로 다른 영역으로 설정되었으며 서로 다른 물리과정을 적용 하였다. 초기조건은 동일하며, 각 앙상블 멤버에는 표 1과 같이 각각 미세물리과정을 다르게 하여 앙상 블 예측을 실행하였다. 각 앙상블 멤버는 9시간 예 측을 수행하여 1시간 예측시간 간격으로 예측장을 생산한다.
표 1. 앙상블 멤버별 미세물리과정
Ensemble member MP physics
EM01 WDM6
EM02 WDM5
EM03 WSM6
EM04 WSM3
EM05 Mibrandt 2-mom
EM06 Morrison 2-mom
EM07 SBU-Y Lin
EM08 Goddard
EM09 Thompson
EM10 NSSL2-mom
2.5 표출시스템
수도권 스톰규모 예측시스템의 결과는 실제 예측 값을 사용하는 것 뿐 아니라, 실시간 결과 모니터링 과 결과 분석을 위해 후처리 과정에서 이미지 파일 형태로 처리된다. 1km 예측모델은 1시간마다 수행 되므로 후처리 절차도 1시간 간격으로 수행된다. 결 과는 그림 4에서 보는 바와 같이 사업단 표출서버를 통하여 조회할 수 있다. 현재는 사업단 내부에만 서 비스 되고 있으나, 향후 기상청과의 정책적인 협의 가 완료되면 제한적이나마 외부의 유관기관에 서비 스될 것이다. 실시간 표출 요소는 바람장을 포함한 강수와 기온 예측 그리고 고해상도 강수확률예측시 스템의 강수확률과 확률강수량이다.
3. 활용 현황 및 향후 계획 3.1 응용모델의 기상예측정보 지원
수도권 스톰규모 예측시스템의 목표는 예측된 기 상정보를 응용기상모델에 지원하는 것이다. 표 2는 사업단 응용모델개발실에서 개발중인 응용서비스에 서 필요로 하는 기상예측정보를 보여주고 있다. 현 재 버전의 스톰규모 예측시스템은 필요로 하는 기상 변수는 모두 생산해 내고 있으나, 시/공간 해상도가 부족한 서비스 영역이 있어 이에 대한 개선이 필요 한 실정이다.
3.2 향후 계획
스톰규모 예측시스템은 30분, 1km 간격의 높은 시·공간 해상도 분석 및 예측을 통하여 자주 갱신되 는 양질의 기상예측정보를 생산하고 있다. 일반적인 기상상황에서는 1시간 간격의 예측결과도 충분하나 한반도 여름철 등의 국지성 집중호우는 재해기상 감 시에 대한 주의보, 특보 등의 선행시간을 줄이기 위 해 빈번한 예측 정보 갱신이 유용할 수 있다. ASAPS 는 최신버전의 예측모델 및 분석모델의 개선, 사업단 관측 자료의 자료동화 적용 연구를 진행 중이다. 앙 상블 예측을 통한 확률 강수 정보는 수도권지역에 대 한 기상청 영향예보(impact forecast) 지원을 목표 로 하고 있어 새로운 앙상블 멤버 구성을 위한 연구 도 진행하고 있다. 응용모델의 기초입력자료로 제공 및 기상예측 정보에 대한 제공을 위하여 시·공간 해 상도를 향상시키는 연구도 진행중이다. 2017년에는 300~500m의 공간해상도와 15분의 시간 해상도로 운영하는 것을 목표로 하고 있다.
4. 맺음말
수도권 위험기상 감시를 위한 스톰규모 예측시스 템에 대한 전반적인 구성과 활용에 대하여 소개하였 다. 수도권 스톰규모 예측시스템은 수도권 지역에 대하여 5km, 1km 예측장을 생산할 수 있으며 둥지 격자 체계를 이용하여 앙상블예측시스템으로 구축 되어 강수확률 및 확률강수량을 제공한다. 기상예측 정보는 다양한 응용모델의 입력자료로 활용이 가능 하며 예측정보 자체로 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 사료된다. 예측모델 및 분석모델의 개선, 사 업단 관측 자료의 자료동화 개선을 통하여 슈퍼컴퓨 터 4호기에서 실시간 시험운영중이며, 이를 통해 스 톰규모 예측시스템의 예측성능 향상을 위한 연구를 진행하고 있다. 응용서비스를 위한 응용모델과 연계 되어 있어, 상호 피드백을 통한 개선을 기대할 수 있 다. 사업단의 과제가 완료되면 수도권 집중호우에 대한 예측과 위험기상 감시를 통하여 기상예측정보 의 첨단화 및 기상예측정보의 새로운 가치를 만들어 낼 수 있을 것이다.
그림 4. 수도권 스톰규모예측시스템의 표출시스템 결과
감사의 글
이 연구는 기상청 차세대도시농림융합스마트기상
서비스개발(WISE) 사업(KMIPA-2012-0001-1)의 지원으로 수행되었습니다.
표 2. 응용서비스의 기상예측정보 수요
도시돌발홍수 산지홍수 도로기상 미세기후분석 위험물질확산 도시생태 에너지
대상영역 수도권 수도권
(하천주변)
수도권 (도로)
수도권
(서울시) 수도권 수도권
(서울시)
수도권 (서울시) 공간 해상도
(이상치) 250 m 1 km 100 m 100 m 10 m 500 m 500 m
공간해상도
(가용치) 1 km 1 km 1 km 500 m 1 km 1 km 1 km
시간해상도 10 min 1 hr 5 min 1 hr 1 hr 1 hr 1 hr
입력기상변수 강수량 강수량, 풍속
기온, 강수량, 상대습도, 풍향/ 풍속,
순복사량
기온, 풍향/
풍속, 습도
기온, 풍향/풍속, 난류에너지
기온, 습도, 풍속, 복사량,
강수량
기온, 습도, 풍속, 복사량,
강수량
출력변수 산출물
월류량,침수심, 침수면적, 돌발홍수 위험지수
지표유출량, 토양수분, 증발산 등
노면온도, 마찰계수, 안전속도
5m 풍향, 풍속,기온
바람 (U, V, W), 기온, 확산
모기활동 예측지수
에너지 기상지수
참고문헌
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