KOR

Top

연구개발

Korea Institute of Atmospheric Prediction Systems

추진체계
사업개요
기대효과
연구개발
추진체계

사업개요

사업단의 임무는 한국형수치예보모델(KIM)의 기반위에 최신 과학기술을 접목하여 차세대 수치예보모델을 개발하는 것입니다 모델 개발 방향은 일기(10일) 예보와 연장중기(30일) 예보 품질을 높이는 데 초점이 맞추어져 있습니다. 모델 개발과정에서 단계적으로 확보하게 될 요소 기술은 슈퍼컴퓨팅과 수리과학, 환경·기후변화 과학 분야에도 도움이 될 것입니다.
수치예보모델 개발
모델링 프레임워크와 슈퍼컴퓨팅
대기 환경과 기후변화 과학 기반

수치예보모델 개발

가변격자 역학체계

한반도 중심 영역의 격자간격을 촘촘히 구성한 격자 체계를 바탕으로, 분광요소방법으로 유체역학 방정식의 수치 해를 구하게 됩니다. 수평 격자 간격을 스톰규모(단위 적운세포)로 좁혀가고, 대기권 상층의 중간대기를 포함하면서 180층까지 연직 영역을 늘려가면서 수치 해의 정확성, 안정성을 실험합니다. 물리량이 보존되면서도 시간 적분간격을 늘려 갈 수 있는 경제적인 수치 계산 알고리즘을 개발하고, 다른 센터의 수치계산 방법과 특성을 비교합니다. 전통적인 둥지격자 체계와 특성을 비교하여, 예보 현장의 전산자원 환경에 적합한 격자체계를 구축하고, 단계적 발전 방향을 제시합니다.

고해상도 물리과정

1-12km의 다양한 해상도의 물리현상을 모의할 수 있는 물리과정을 개발합니다. 특히 고해상도에 맞게 상세 모의할 수 있는 복사 물리과정과 구름미세물리과정을 개발합니다. 한국형수치예보모델 물리과정의 기반 위에서 수평 격자 규모에 따라 탄력적으로 적용가능한 적운, 경계층, 중력파 항력 물리과정을 각각 개발합니다. 민감도 실험을 통해 물리과정 간 균형을 이루면서도 모델 성능을 높일 수 있도록 최적의 매개변수를 선정합니다. 고해상도 물리과정을 균일 격자와 가변 격자에 각각 적용하여 특성을 비교하고, 예보 현장의 전산자원 환경에 적합한 물리과정을 구축하고, 단계적 발전 방향을 제시합니다.

연장 중기(30일) 모의 위한 경계모델 결합

단중기 수치예보가 초기치 문제인 반면, 장기예보는 경계조건과 물리과정의 영향을 많이 받는 문제입니다. 단중기에서 연장중기까지 예측 기간을 확장하려면, 초기 및 경계조건, 그리고 물리과정을 모두 고려해야합니다. 경계 조건을 결정하는 물리과정이 가진 관성(또는 메모리)의 시간 규모를 감안하여, 변동성이 큰 순서로 점차적으로 결합해 갑니다. 지면과 해양 경계모델을 대기 모델과 접합하여 토양과 식생, 해양 표층과 해빙이 각각 대기에 주거나 받는 열과 수증기의 교환 과정을 모의합니다. 대기가 해양에 가하는 바람 항력을 모의합니다. 민감도 실험을 통해 대기모델과 경계모델간 균형을 이루면서도 결합 모델의 성능을 높일 수 있도록 각종 매개변수를 최적으로 보정하고, 경계 모델의 물리량을 역학적으로 초기화하는 방안을 개발합니다. 예보 현장의 전산자원 환경에 적합한 결합모델 체계를 구축하고, 단계적 발전 방향을 제시합니다. 에어로졸이 복사 물리과정과 구름 물리과정을 통해 대기 상태에 미치는 영향을 모의하기 위하여 대기화학모델을 단순하고 경제적인 방식으로 구축하고, 점진적으로 보다 정교하게 개발한 대기화학모델을 예보 현장의 모델에 결합하는 방향으로 나아갑니다.

앙상블 기반 하이브리드 자료동화

앙상블은 복수의 모델 예측 시나리오의 모임으로, 모델의 초기조건과 물리과정의 불확실성을 대변합니다. 앙상블 자료를 분석하면 시시각각 달라지는 모델의 오차 상관행렬을 구할 수 있습니다. 여기에 관측과 관측오차를 감안하여 변분법을 통해 최적의 모델 초기장을 만드는 과정이 앙상블 기반 하이브리드 자료동화입니다. 결합 모델에도 동일한 방식으로 접근하지만, 결합모델을 구성하는 경계모델은 각각 시공간적 특성 규모가 다르므로 다른 처방이 필요합니다. 먼저 경계모델별로 독립적인 자료동화를 수행합니다. 다음 단계에서는 결합 모델을 이용하여 관측증분을 계산하고, 경계모델별로 관측증분을 분석에 반영하는 방법론을 정립하고, 예보 현장의 전산자원 환경을 고려한 결합 자료동화 체계를 구축하고 단계적 발전 방향을 결합모델의 확장된 조절 변수를 이용하여 완전한 앙상블 결합 자료동화 체계를 구현하는 방향을 추구합니다.

모델링 프레임워크와 슈퍼컴퓨팅

모델링 프레임워크란 수치예보모델의 추상적 개발을 가능케 하는 소프트웨어 개발 체계로써 작게는 수치예보모델을 구성하는 역학코어와 물리과정의 연결과 제어, 파일 입출력, 커플링 도구 등에서부터 크게는 자료동화와 수치예보모델, 후처리 작업을 스케줄링하는 모델 운영 인터페이스 등을 의미합니다. 한편 고성능 슈퍼컴퓨팅 환경에서는 코드의 병렬화와 최적화 기술도 구사해야 합니다. CPU 코어 하나로 수 년 동안 계산해야 하는 수치예보모델을 슈퍼컴퓨터에서 수 시간 내에 계산을 완료하기 위해 병렬화와 최적화 기술이 적용되어야 하고, 이것은 특히 결합모델 개발과 대규모 앙상블모델 개발에 필수적인 기술 요소입니다.

대기 환경과 기후변화 과학 기반

기상 조건에 따라 미세먼지의 농도가 크게 변하기 때문에, 화학과정을 결합한 수치예보모델은 날씨예측의 정교화 뿐만 아니라 미세먼지의 거동 분석에도 활용할 수 있습니다. 또한 앙상블 기반 자료동화 체계는 원격 복사량으로부터 기체 농도를 분석하거나, 민감도 분석을 통해 시간을 거슬러 배출원을 역으로 추적하는데에도 응용할 수 있습니다. 한편, 해양, 지면, 해빙을 결합한 모델은 날씨 변동성에 대한 경계조건의 원거리 영향성을 분석할 수 있으며, 기후 변동성과 이에 따른 이상 기상현상을 이해하는데 응용할 수 있습니다.
국내 기상 관련 주요기관
국내 기상 관련 대학교
해외 기상 관련 기관