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중규모 수치실험을 이용한 적운대류 중력파 항력 모수화 개발
작성자 관리자 등록일 2012.10.15 조회수 2247
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중규모 수치실험을 이용한 
적운대류 중력파 항력 모수화 개발


전혜영



최근 전 세계적으로 기후변화에 따른 기상이변이 빈번하게 발생함에 따라 기후변화와 그것의 예측에 대한 중요성이 날로 높아지고 있다. 우리나라도 여름에는 집중호우, 겨울에는 이상한파 등의 이상기후로 인한 피해가 갈수록 늘어나고 있는 실정이며, 이에 앞으로 일어날 기후변화와 이와 동반되는 기상이변에 대한 대비책을 마련하는 것이 매우 중요한 문제가 아닐 수 없다. 기후변화를 정확하게 예측하기 위해서는 무엇보다도 실제 대기에서 나타나는 복잡한 기상현상들을 보다 정확하게 기후모형에 표현하는 것이 중요하다.

여러 가지 기상현상 중 하나로 대기 중의 중력파는 현실적인 기후모형을 개발하는데 있어 필수적으로 포함되어야 하는 중요한 역학 과정이다. 특히 현재 기상청 현업모형 등의 전지구 일기예보모형과 기후예측모형들이 성층권과 중간권을 모두 포함시키는 방향으로 개발되는 추세에서, 중간권의 가장 중요한 역학과정인 대기 중력파를 이해하고 그것의 효과를 모형에 포함시키는 기술은 매우 중요한 학문 분야로 인식되고 있다.

중력파는 주로 대류, 산악, 제트 등의 대류권 소스에 의해 발생되며 그것이 연직으로 전파하면서 중층대기 이상까지 운동량과 에너지를 수송함으로써 중층대기의 다양한 역학현상에 (중간권 바람 역전, 차가운 여름 중간권계면, 적도 성층권 준 격년진동 등) 중요한 영향을 미친다. 그러나 현재 대부분의 전지구 모형의 해상도는 이러한 작은 규모의 중력파를 분해하기에 충분치 않기 때문에 중력파의 효과가 모수화되어 모형에 포함되어지고 있으며, 따라서 현실적인 중력파 모수화 기술은 모형의 현실 예측성과 직결된다고 볼 수 있다.

본 연구진은 적운대류가 발생시키는 중력파와 관련된 연구 분야의 국제적 선도 그룹으로서, 1998년 대류가 발생시키는 중력파의 모수화 기술을 (Chun and Baik, 1998) 세계 최초로 개발한 이래 이론적, 기술적으로 대류 중력파의 효과를 전지구 모형에 현실적으로 포함시키기기 위한 노력을 기울여왔다 (Chun and Baik, 2002; Song and Chun, 2005; Chun et al., 2008; Song and Chun, 2008; Choi and Chun, 2011).

또한 적운대류에 의한 중력파 모수화를 국내외의 기후모형과 [예, 연세대학교 전지구 대기순환 모형 (Chun et al., 2001), 미국 국립기상연구소의 기후모형 (NCAR CCM3, Chun etal., 2004; WACCM, Song et al., 2007, Chun et al.,
2008, Song and Chun, 2008)] 기상청 일기예보모형에 (예, GDAPS, 김소영 외, 2006) 접합하여 모형이 현실적으로
중층대기의 현상을 재현하는데 기여하였다. 특히 Song and Chun (2008)에서 개발한 레이기반 모수화는 본 연구진이 세계 최초로 레이추적 방법을 모수화에 적용하여 파동의 삼차원 전파까지 고려함으로써 중력파 모수화 분야에 있어서 놀라운 이론적, 기술적 진보를 이루었다. 또한 이 모수화는 대류중력파 모수화 최초로 위성 중력파 관측과의 비교를 통해 현실 재현성이 검증되었다 (Choi and Chun, 2009). 그러나 모수화의 현실성이 모수화에서 임의로 결정하고 있는 매개변수인 파동전파방향에 의존함을 발견하였고, 이에 매개변수와 관련된 모수화의 불확실성을 제거하기 위해 모수화에 포함되어 있는 매개변수들을 물리적으로 타당하게 결정하기 위한 연구를 수행하였다.


이를 위해 본 연구진은 2009년 KISTI 슈퍼컴퓨팅본부의 자원을 이용하여 중력파를 명시적으로 분해하는 삼차원 중규모 모형의 다양한 대류 중력파 사례에 대한 수치실험을 수행하였으며, 이를 통해 모수화에 포함되어 있는 두 개의 주요한 매개변수인 대류소스의 이동속도와 파동전파방향을 결정하였다. 또한 수치실험 결과를 모수화 결과와 비교함으로써 모수화에서 사용하는 대류소스 스펙트럼과 중력파의 운동량속 스펙트럼의 타당성을 검증하였다.

그 연구 결과는 2011년 4월 이 분야의 저명한 SCI 학술지인 Journal of the Atmospheric Science에 게재되었으며 그
내용을 소개하고자 한다.





[그림1] 다양한 대류사례의 (U90, LS0, LS45, LSV, TOGA COARE, INDONESIA) 중규모 수치실험과 (S로 표시)
중력파 모수화에서 (P로 표시) 계산된 대류소스 스펙트럼.

 



본 연구의 중규모 수치실험은 삼차원 이상화된 WRF (Weather Research and Forecasting) 모형 버전 3.1을 사용하여 5건의 이상대류사례와 2건의 실제대류사례에 대해서 각각 수행되었다. 이때, 기본류 바람이 대류소스의 이동속도와 파동전파방향을 결정하는 중요한 요인일 것이라 가정하여, 이상사례의 수치실험은 각각 서로 다른 방위각을 가지는 다양한 기본류 바람 하에서 수행되었다 [90° 방향으로 일정한 속도의 바람을 가지는 경우 (U90 실험), 0°, 45°, 140°-90°의 방향으로 하층시어 바람을 가지는 경우 (각각 LS0, LS45, LSV 실험), 45° 방향으로 상층시어 바람을 가지는 경우 (US45)].

실제대류사례에 대해서는 열대지역에서 관측된 대류사례인 TOGA COARE와 INDONESIA 대류사례에 대한 수치실험을 수행하였다.


중규모 수치실험에서 모의된 서로 다른 대류는 기본류의 하층바람을 따라 이동함을 보였다. 각각의 사례에 대한 대류소스 스펙트럼을 계산하였고, 스펙트럼은 그 크기에 있어서 모든 방향에서 비슷한 크기를 가지는 등방성 스펙트럼의 구조를 가짐을 확인하였다. 그러나 극점이 나타나는 위상속도의 값은 모든 방향에서 달랐으며 그 위치가 각각의 방위각으로 투영된 하층 기본류 바람과 동일한 크기를 가지는 위상속도에서 나타남을 확인하였다. 정량적으로 임의의 방위각 에서 대류소스의 이동속도는 와 잘 일치하였다 (U700과 V700은 각각 700 hPa 아래에서 평균된 기본류 바람의 동서와 남북 방향 성분). 이러한 수치실험 결과를 바탕으로 모수화의 매개변수인 대류소스의 이동속도 를 700 hPa 아래에서 평균한 기본류 바람을 사용하여 결정하였고, 이를 사용하여 모수화로부터 계산된 대류소스 스펙트럼은 모든 사례에서 중규모 수치실험 결과를 잘 재현함을 보였다 [그림1].


다음으로 대류소스가 발생시키는 중력파의 구름 상단에서의 운동량속 스펙트럼을 계산하여 중규모 수치실험의 결과와 모수화의 결과를 비교하고 이를 통해 최적의 파동전파방향을 결정하였다. 모수화에서의 운동량속 스펙트럼은 대류소스 스펙트럼과 소스가 운동량속에 기여하는 정도를 제한하는 역할을 하는 WFRF (wave filtering and resonance factor)의 스펙트럼 결합에 의해 결정된다. 모든 사례에서 모수화에서 계산된 운동량속 스펙트럼은 수치실험으로부터의 운동량속 스펙트럼과 잘 일치하였고, 이는 모수화가 수치실험의 결과를 잘 재현함을 나타낸다 [그림 2].





[그림 2] 다양한 대류사례의 (U90, LS0, LS45, LSV, TOGA COARE, INDONESIA) 중규모 수치실험과 (S로 표시)
중력파 모수화에서 (P로 표시) 계산된 구름 상한에서의 중력파 운동량속 스펙트럼.



그러나 우세한 파동전파방향을 결정하는데 있어서는 어떤 방향도 무시될 수 없을 만큼 모든 방향에서 운동량속이 의미있는 값을 가짐을 보였다. 이는 각각의 파동전파방향에서 소스의 효율성이 WFRF에 의해 제한되기는 하지만, 그림 1에서 보이는 것과 같이 등방성의 소스로 인해 모든 방향으로 중력파가 운동량속에 기여했기 때문이다.

이 결과는 모수화에서 다양한 파동전파방향을 고려하는 것이 현실적인 중력파 효과를 표현하는데 가장 타당함을 의미한다. 그러나 제한된 컴퓨팅 자원을 고려하여 유한한 수의 파동전파방향을 결정하고자 할 때에는 동, 서, 남, 북의 중력파 운동량 성분을 모두 포함할 수 있는 45°와 (동-서) 135°의 (남-북) 두 방향이 모든 파동전파방향으로부터의 중력파 운동량속 스펙트럼을 가장 잘 재현함을 확인하였다 [그림 3]. 이에 45°와 135°의 두 방향을 컴퓨터 효율을 고려한 최적의 파동전파방향으로 결정하였다.




[그림 3] 다양한 대류사례의 (U90, LS0, LS45, LSV, US45, TOGA COARE, INDONESIA) 중규모 수치실험으로부터의 모든 파동전파방향에서 적분된 구름 상한에서의 중력파 운동량속 스펙트럼과 (파란색 선)
모수화로부터 45°와 135°에서 적분된 중력파 운동량속 스펙트럼 (적색 선).

 



본 연구는 다수의 삼차원 수치실험을 수행해야 하기에 대용량 컴퓨팅 자원을 필요로 하였다. 따라서 KISTI 슈퍼컴퓨팅본부의 자원 지원은 다수의 CPU 사용을 가능하게 함으로써 수치실험의 수행시간을 단축하는데 도움을 주었고, 이를 통해 보다 효율적으로 본 연구결과를 도출할 수 있었다. 또한 본 연구를 통해 모수화에 포함된 매개변수를 효과적으로 결정함으로써 모수화의 불확실성을 최소화하는 방향으로 모수화를 개선시킬 수 있었다.

개발된 모수화는 최근 기상청으로 기술 이전되어 통합수치예보모형에 장착되어 그 효과가 테스트되었다. 궁극적으로는 본 연구에서 개발된 모수화를 국내외 기후모형 및 일기예보모형에 장착하여 모형의 구조적인 오차 분석 및 모형 개선에 활용함으로써 [그림 2] 다양한 대류사례의 (U90, LS0, LS45, LSV, TOGA COARE, INDONESIA) 중규모 수치실험과 (S로 표시) 중력파 모수화에서 (P로 표시) 계산된 구름 상한에서의 모형의 예측성 향상에 기여할 것이라 기대한다.


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