국가 기후예측모델 공동개발 성과 진단․평가 체계 구축 및 지면과정 개선 기술개발

저자
예측기술과 김해정, 신선희, 양유빈, 전종안, 함수련
 
작성일
2022.12.28
조회
431
  • 요약
  • 목차

평문 초록

우리나라 장기예보 지원을 위해 국립기상과학원은 국가 기후예측시스템을 현업 운영하고 있으며, 예측모델의 예측성 향상을 위한 기후예측모델 개발은 연구개발허브(국립기상과학원, APCC, 학계 및 산업계)에 의해 공동으로 이루어지고 있다. 이 과제에서는 공동개발체계 하에서 개발된 연구 성과들이 현업으로 효과적으로 전환(R2O) 되기 위한 공동개발 기반체계를 구축하고, 기후예측모델 내 지면성분 모델의 물리과정 개선방안을 제시함으로써 국가 기후예측모델의 예측성 향상에 기여하고자 하였다.

공동개발 체계에서의 주요 개선점들을 도출하고 개선 방안들을 제안함으로써 궁극적으로 국가기후예측시스템 공동개발의 기능을 보다 공식화, 체계화, 문서화할 기반을 제공하고자 하였다. 주요 제안으로는 첫째, 구조적 측면에서 4단계, 3요소 공동개발의 체계를 제시하였고 각 단계별 역할 범위와 현행 대비 개선점, 요소별 기능을 제안하였다. 둘째, 연구 환경적 측면에서 다섯 가지 주요 개선점을 도출하고 각각에 상응하는 개선 방안들을 제안하였다. 이를 통해 국가 기후예측시스템 공동개발이 체계적으로 운영되고 활성화되어 우리나라 장기예보 개선을 위한 협력의 성장 동력이 되길 기대한다.

공동개발 체계에서 개발된 기술들이 현업으로 전환되기 위해서는 테스트베드에서의 준현업 실험을 통해 제안된 기술의 현업 적합성과 과학적 효과를 선제적으로 검증받아야 한다. 이에 모델 개발에 따른 기후예측모델의 예측성능을 일관된 평가 잣대로 통합적으로 평가하는 표준평가 프레임을 구축하고자 하였다. 표준 평가프레임은 예측유형에 따른 정량적인 성능검증 파트와 프로세스 기반의 기후변동성 진단평가 파트로 구성하였고, 이를 통해 기후예측모델의 구조적 오차, 예측품질의 개선 정보를 제공하고 모델의 개선방안을 제공하고자 하였다. 올해는 표준성능평가 프레임의 단정예보, 확률예보, 앙상블예보의 메트릭을 구축하고, ENSO 진단평가 메트릭을 구조화하였다. 각각의 평가 메트릭은 선택된 평가항목의 예측성을 정량화하여 객관화된 스코어카드의 형태로 표출하였고, 이는 모델개발에 따른 예측성능의 변수, 시간, 계절에 대한 통합적인 개선율을 한 눈에 볼 수 있도록 설계하였다. 제안한 스코어카드가 모델 개발 성과의 현업 전환을 고려하는 의사 결정 시 유용한 판단 근거가 되길 기대한다.

공동개발 체계에서 개발된 기술들을 현업에 적용하기 위한 가교 역할을 하는 테스트베드에서는 2020년부터 개발되고 있는 해빙 물리 과정에 의한 계절내 규모 기후 예측 기술 개발을 적용/평가하였다. 국가 기후예측모델은 겨울 지표 기온을 낮게 모의하는 계통적 오차를 보이는 것으로 알려져 있는데 해빙 물리 과정의 눈 반사율을 조정함으로써 이 오차를 개선하고자 하였다. 현업 기후예측모델과 동일한 환경에서 준현업 실험을 수행하여 기후에 미치는 영향을 분석하였다. 눈 반사율을 감소시킴으로써 기후예측모델의 지표 온도 오차가 감소하였고 겨울철 극-중위도 원격상관 모의 성능이 개선되었다.

1개월에서 3개월 정도 기후를 예측하는 기후예측시스템에서 지면모형은 토양수분과 같은 지면의 상태를 재현한다. 지면모형은 지면과 대기의 상호작용을 통하여 강수, 유출량, 증발산량, 토양수분 등 강수와 순 복사량를 분할하는 역할을 한다. 이 연구에서는 Noah, Noah-MP, JULES 등 주요 3개 지면모형의 물과 에너지 성분에 대한 예측성 비교 및 분석하여, JULES 지면모형의 개선방안을 제시하고자 하였다. Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE 관측 Total Water Storage (TWS), Global Land Evaporation Amsterdam Model (GLEAM)의 표층 및 근역층 토양수분과 증발산량, FluxCom의 현열과 잠열자료를 수집하여 지면모형에 대한 기준자료로 사용하여 물과 에너지 성분에 대한 상호 비교를 하였다. 비교를 위해서 대표적인 7개 유역을 선정하였는데, 대륙별 주요 유역 5개 유역(미시시피유역, 아마존 유역, 양쯔강유역, 메콩강유역, 머레이-달링유역)과 한반도 폭염 등 기후와 밀접한 관련이 있는 2개 유역 (고비 및 티벳유역)이다. 주요 3개 지면모형은 2007년부터 2011년 까지 총 5년 기간 동안 모의했고, 그 결과를 분석하였다. 전반적으로 3개 지면모형은 에너지 성분보다는 수문성분의 예측성이 떨어지고, 건조지역에서 수문성분과 습윤 지역에서 에너지성분 예측성이 현저히 떨어지는 결과를 보였다. 이러한 연구결과와 기후예측시스템의 시간규모 등을 고려하여 단기적으로 한반도와 근접해 있고 한반도 기후와도 관련이 큰 양쯔강 유역의 표층과 근역층 토양수분 예측성 향상을 위해 지하수 모듈 개선을 제안하였으며, 지하수 모듈은 미계측 유역 적용이 용이하고, 필수자료가 매우 간단하며, 계산비용이 작아 기후예측성 향상 목적과 더불어 현업 적용이 용이하도록 개선해야 할 것이다.

또한, 국가 기후예측모델(GloSea6) 내 지면과정 중 하천유출모델의 특성을 파악하고 개선점을 제시하고자 하였다. GloSea6는 상대적으로 간단한 하천유출모델을 사용하고 있으며, 모델내에서 모의되는 하천유출량은 관측과 비교하였을 때 과대모의하고 있음을 알 수 있었다. 해양에 전달되는 과도한 담수는 해양 혼합층에 영향을 주어 결국 양의 해수면 온도 오차에 기여하게 된다. 정확한 하천 흐름을 모의하고 대기-지면-해양 상호작용의 개선을 가져오기 위해서는 정교하고 현실적인 하천유출모델을 접합하는 것이 가장 바람직하겠으나, 현재 현업에서 사용 중인 GloSea6에 개선을 위해서 간단하고 직접적인 효과를 줄 수 있는 방법으로 하천유출모델의 해상도를 높여 해양으로 유출되는 담수의 양을 줄이는 것을 제안할 수 있다.