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한국형모델(KIM) 기반 자료동화 개발 현황 및 향후 계획
전형욱,하지현,이승우,황윤정,조영순,김창환,김미자,김은희,전상희,차지은,손지영,김혜영,강전호,권인혁,김승범,권영철 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
자료동화는 관측자료를 입력하여 좋은 것들을 가려낸 후 앞 시간의 모델 예측장과 잘 섞어서 정확한 예보 초기장을 생산하는 시스템이다. 현업 KIM에 활용되는 관측은 지상자료, 고층자료, 위성자료가 있다. 이들 관측을 해외 선진기관의 활용 수준으로 확대하기 위해서 세계기상통신망을 통해 유통되는 지상 고층자료를 확보하여 모델에 꾸준히 추가 적용하고 있다. 위성자료는 매년 4종씩 추가를 목표로 하고 있으며, 올해는 총 7종 (CSR 3종, 마이크로파 3종, GNSS-RO 1종)을 추가하여 목표를 초과 달성하였다. 마이크로파 관측이 활용하지 못하던 육상 및 해빙 지역에서 일부 채널들을 적용하기 시작하였다. 관측의 질적인 처리능력 향상을 위해 복사전달모델을 개선하였고, 라디오존데 하강관측 자료와 대기운동벡터 관측에 대한 품질검사를 개선하였다. 자료동화체계에서는 KIM 모델 해상도(12 km)와 차이를 줄이기 위해서 자료동화 해상도를 50 km에서 32 km로 향상했으며, 파수를 170에서 200으로 증가하였다. 실제적인 오차 적용을 위해서 기후학적 배경오차 공분산을 계절별로 산출하였으며, 최적화를 위하여 10% 감소하여 적용하였다. 또한 위성 변분편차보정의 독립변수들 간의 변동성을 맞추기 위하여 정규화하도록 개선하였다. 앙상블자료동화에 적용되지 않았던 AMSR-2 자료를 추가 하였으며, 상층 적용을 현실화하기 위하여 임의적인 감쇄 적용을 제거하였고, 적설 초기장을 개선하였다. 이러한 개선사항들을 적용하였을 때 현업 버전에 비해서 분석장의 오차가 크게 개선되어 500 hPa 지위고도에서 20% 이상 개선되었다. 예측시간이 길어질수록 예측오차의 개선 정도는 1일 예측 10%, 3일 예측 5%, 5일 예측 1.6%으로 점점 낮아지지만 지속적인 개선을 유지하였다. 내년에는 하층 민감 위성자료의 육지 해빙 지역 활용을 위해 관측 전처리 과정에 1차원 변분기법을 적용하여 지면정보 최적화와 품질검사 개선을 계획하고 있다. 또한 지속적인 관측자료 확대를 위해 위성관측 4종 (CSR 1종, 적외파 2종, 바람 1종)을 추가할 예정이다. 자료동화 해상도를 24km까지 향상하고, 융합형 앙상블 변분자료동화체계의 배경오차 최적화 작업을 수행할 예정이다. 또한 KIAPS에서 개발한 원천 기술들을 원활하게 현업화하기 위하여 수용 체계를 개선할 예정이다.
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3차원변분자료동화를 이용한 황사·연무통합예측모델 지상 관측 에어로졸 농도 자료동화체계 개발
조정훈,최민우,장필훈,부경온 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.4
기상청은 황사와 연무 예보 지원을 위해 미국환경보호국의 CMAQ (Community Multiscale Air Quality Modeling System) 모델을 기반으로 황사·연무통합예측모델(ADAM3, Asian Dust Aerosol Model version 3)을 개발하여 운용 중이다. ADAM3는 예측 성능 향상을 위해 최적내삽법을 활용하여 지상 관측 PM<sub>10</sub> 농도를 자료동화하고 있다. 2020년 천리안위성2A호 운영 개시에 따라 제공되는 다양한 황사 관련 관측 자료를 활용할 수 있는 기반을 마련하고 분석 시각의 배경오차공분산 변화를 반영하기 위해 앙상블 기반 3차원변분자료동화(3DVAR DA, Three Dimensional VARiational Data Assimilation)를 활용한 에어로졸 농도 자료동화체계를 개발하였다. 자료동화에 사용된 자료는 우리나라와 중국, 몽골의 황사감시망과 대기질 감시망, 총 1886개 지점의 관측 PM<sub>2.5</sub> 농도와 PM<sub>10</sub> 농도이며, 물리적한계검사와 공간정합성검사 등 품질검사 후 사용하였다. 자료동화에 사용된 배경오차공분산은 이전 7일 동안 예측된 총 20개의 ADAM3 예측 결과를 앙상블 방법으로 분석 시점마다 산출하였다. 수평자료동화 결과 분석된 PM<sub>2.5</sub>와 PM<sub>10</sub> 농도는 황사와 비황사의 PM<sub>10</sub> 대비 PM<sub>2.5</sub> 농도비 특성을 반영하여 ADAM3의 에어로졸 성분별 농도로 분화되었다. 3DVAR DA 특성을 최적내삽법과 비교하기 위해 비황사 사례와 황사 사례에 대한 실험을 수행하였다. PM<sub>10</sub>과 PM<sub>2.5</sub> 분석장은 기존 최적내삽법과 유사한 수평 분포를 보였으나, 수평상관길이와 연직상관길이의 차이로 인해 3DVAR DA 실험에서 관측 자료의 영향이 분석증분에 수평 방향으로는 좁고, 연직 방향으로는 넓게 나타났으며, 황사 사례의 경우 기존 최적내삽법 대비 모델 최하층 농도가 100 ㎍m<sup>-3</sup>까지 차이를 보였다. 분석 증분 차이는 모델 예측 결과에도 영향을 끼쳐 황사 사례에서 기존 최적내삽법 대비 예측 시간 24시간 이후에도 지역에 따라 약 50 ㎍m<sup>-3</sup>의 차이를 보이는 등 자료동화 영향의 지속 시간이 연장되었다. 또한, 1 개월 동안 수행된 실험에서 3DVAR DA를 사용한 실험이 기존 최적내삽법을 사용한 실험 대비 12시간 예측 기준 발원지 지역 평균제곱근오차가 1.8% 감소하고, 초기 시각에서 최대 24시간 동안의 편차가 개선되었다.
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