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문제 정의
- 본 논문에서는 기상청에서 운영중인 지역 조석/폭풍해일 예측모델(RTSM)의 결과와 2008년과 2009년에 산출된 해수면 높이(천문조+기상조)를 우리나라 연안에 운영중인 국립해양원 검조소 자료와의 비교를 통해 공간적, 시간적인 특성을 살펴보았다. 또한 2008년과 2009년에 우리나라에 가장 근접했던 태풍 Kalmaegi와 Morakot이 접근시 예측 정확도를 산출하였다.
- 본 연구에서는 한반도 주변 해역의 폭풍해일 특성을 분석하기 위해 2008년과 2009년의 지역 조석/폭풍해일(RTSM) 예측모델 결과와 우리나라 주변의 검조소 자료와 비교검증을 실시하여 2년간의 한반도 연안 폭풍해일 특성 및 48시간 예측 정확도를 분석하였고 한반도 주변 해역별 폭풍해일 월별 특성을 해면기압과 해상풍 등과 함께 고찰하였다. 또한 2008년과 2009년에 각각 우리나라에 가장 근접했던 7호 태풍 Kalmaegi와 8호 태풍 Morakot 기간을 선정하여 해양기상 예측 시스템에 의해 산출된 조석/폭풍해일고를 관측자료와 비교하여 예측정확도를 산출하였다.
제안 방법
- 52)cm로 나타나 기상조의 예측정확도가 천문조에 비해 낮은 것을 알 수가 있다. 2008년 7호 태풍 Kalmaegi와 2009년 8호 태풍 Morakot이 우리나라에 접근할 때 예측 폭풍해일고의 48 예보시간 예보정확도를 살펴보았다. 태풍 Kalmaegi 접근시의 모델과 관측 해수면 높이의 48 예보시간 RMSE는 10.
- RTSM 모델은 Princeton Ocean Model(POM)의 2차원 수심적분 모드를 근간으로 개발되었다. POM은 Blumberg와 Mellor에 의해서 개발된 모델로, 수평적으로는 Arakawa-C 격자체계를 사용하며 다음과 같은 원시방정식(primitive equation)의 수치해를 구한다(Mellor, 1998).
- 본 연구에서는 한반도 주변 해역의 폭풍해일 특성을 분석하기 위해 2008년과 2009년의 지역 조석/폭풍해일(RTSM) 예측모델 결과와 우리나라 주변의 검조소 자료와 비교검증을 실시하여 2년간의 한반도 연안 폭풍해일 특성 및 48시간 예측 정확도를 분석하였고 한반도 주변 해역별 폭풍해일 월별 특성을 해면기압과 해상풍 등과 함께 고찰하였다. 또한 2008년과 2009년에 각각 우리나라에 가장 근접했던 7호 태풍 Kalmaegi와 8호 태풍 Morakot 기간을 선정하여 해양기상 예측 시스템에 의해 산출된 조석/폭풍해일고를 관측자료와 비교하여 예측정확도를 산출하였다.
- 본 논문에서는 기상청에서 운영중인 지역 조석/폭풍해일 예측모델(RTSM)의 결과와 2008년과 2009년에 산출된 해수면 높이(천문조+기상조)를 우리나라 연안에 운영중인 국립해양원 검조소 자료와의 비교를 통해 공간적, 시간적인 특성을 살펴보았다. 또한 2008년과 2009년에 우리나라에 가장 근접했던 태풍 Kalmaegi와 Morakot이 접근시 예측 정확도를 산출하였다.
- 특히 RTSM은 북서태평양에서 발생하여 우리나라에 영향을 미치는 태풍에 대해 2차원의 폭풍해일고를 산출할 뿐만 아니라 주요연안 지점의 48 시간 조석/폭풍해일고를 산출하게 된다. 이러한 48시간 예측 조석/폭풍해일고 결과와 우리나라 전 연안에 국립해양조사원에서 운영 중인 검조소 자료를 이용하여 모델과 관측자료 사이의 통계적인 분석을 실시하였다. Fig.
- 7(a), (b)에는 2008년과 2009년 1월에서 12월까지 월별로 천문조와 기상조를 분리하여 모델과 관측의 bias를 24, 48시간 예측치로 나누어 나타내었다. 전체 검조소 중 관측자료의 결측이 없었던 24개 검조소 지점(부산, 추자도, 대산, 고흥, 후포, 인천, 장항, 제주, 군산외항, 마산, 목포, 모슬포, 묵호, 포항, 평택, 서귀포, 속초, 성산포, 통영, 울릉도, 울산, 완도, 영광, 여수)에 대해서 모델과 관측 값의 천문조와 기상조를 비교하였다. 각 지점별로 관측된 해수면 높이를 조화분해처리 후 잔차위(residual)결과를 확인하여 관측 자료의 점프나 오차를 최소화 하였다.
- 입력자료는 기상청의 대기모델 자료에서 산출된 해면기압과 해상풍 자료가 RTSM의 입력자료로 이용된다. 조석 모델의 경우 Mastumoto et al.,(2000) 의 고해상도 조석 모델 결과에서 추출한 조화상수 자료를 경계 조건으로 사용하여 주요 8개 분조(M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1)에 대해 모의되도록 구성하였다. 특히 RTSM은 북서태평양에서 발생하여 우리나라에 영향을 미치는 태풍에 대해 2차원의 폭풍해일고를 산출할 뿐만 아니라 주요연안 지점의 48 시간 조석/폭풍해일고를 산출하게 된다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 지역 조석/폭풍해일 예측모델(RTSM)의 영역은 20~52°N, 115~150°E(Fig. 1)로써 위도와 경도방향으로 1/12° 크기의 격자로 구성하였다.
- RTSM은 현재 기상청에서 조석/폭풍해일 예측을 위한 예보 시스템으로써 매일 00, 12 UTC에 48 시간 예측치를 산출하게 된다. 입력자료는 기상청의 대기모델 자료에서 산출된 해면기압과 해상풍 자료가 RTSM의 입력자료로 이용된다. 조석 모델의 경우 Mastumoto et al.
데이터처리
- 통계적 방법은 같은 시간대의 검조소 값과 모델결과 사이의 bias(mean error), RMSE(Root Mean Square)이 사용되었다. bias, RMSE는 다음과 같이 정의된다.
이론/모형
- AM은 수평확산계수로 Smagorinsky 공식을 이용하여 모델 내부에서 계산된다.
- 1)로써 위도와 경도방향으로 1/12° 크기의 격자로 구성하였다. 전술한 바와 같이 본 모델은 Princeton Ocean Model(POM)(Mellor, 1998)을 근간으로 개발되었다. RTSM은 현재 기상청에서 조석/폭풍해일 예측을 위한 예보 시스템으로써 매일 00, 12 UTC에 48 시간 예측치를 산출하게 된다.
성능/효과
- 관측 자료를 통해 나타난 2008년과 2009년의 가장 큰 차이점은 최대 폭풍해일고가 2008년에는 하계에 집중 한 것으로 나타났지만 2009년에는 전 계절에 걸쳐 하계와 유사한 최대 폭풍해일고가 나타났던 것을 알 수가 있으며 이러한 특징은 모델 예측에서도 확인 할 수가 있다. 2008년에 비해 2009년이 전체적으로 높은 폭풍해일고 최대값을 나타내고 있으며 해역별로는 남해, 동해에 비해 서해가 높은 폭풍해일고를 나타내며 주로 4월, 7월(8월 : 2008년), 10월은 다른 월에 비해 폭풍해일고가 높게 나타났으며 남해가 동해에 비해 폭풍해일고가 높지만 특징적인 계절 변화는 없는 것으로 나타났다.
- 전체 검조소 중 관측자료의 결측이 없었던 24개 검조소 지점(부산, 추자도, 대산, 고흥, 후포, 인천, 장항, 제주, 군산외항, 마산, 목포, 모슬포, 묵호, 포항, 평택, 서귀포, 속초, 성산포, 통영, 울릉도, 울산, 완도, 영광, 여수)에 대해서 모델과 관측 값의 천문조와 기상조를 비교하였다. 각 지점별로 관측된 해수면 높이를 조화분해처리 후 잔차위(residual)결과를 확인하여 관측 자료의 점프나 오차를 최소화 하였다.
- 8에는 검조소 1년 관측자료와 조석/폭풍해일고 모델의 예측 자료를 이용하여 각 해역에서의 최대 폭풍해일고를 월별로 나타내어 비교하였다. 관측 자료를 통해 나타난 2008년과 2009년의 가장 큰 차이점은 최대 폭풍해일고가 2008년에는 하계에 집중 한 것으로 나타났지만 2009년에는 전 계절에 걸쳐 하계와 유사한 최대 폭풍해일고가 나타났던 것을 알 수가 있으며 이러한 특징은 모델 예측에서도 확인 할 수가 있다. 2008년에 비해 2009년이 전체적으로 높은 폭풍해일고 최대값을 나타내고 있으며 해역별로는 남해, 동해에 비해 서해가 높은 폭풍해일고를 나타내며 주로 4월, 7월(8월 : 2008년), 10월은 다른 월에 비해 폭풍해일고가 높게 나타났으며 남해가 동해에 비해 폭풍해일고가 높지만 특징적인 계절 변화는 없는 것으로 나타났다.
- 기상조의 비교에서는 동계와 하계의 오차가 매우 뚜렷하게 나타나는데 동계의 음의 bias, 즉 모델예측 기상조가 관측에 비해 낮게 모의 하는 결과를 보였다. 하계로 가면서 오차가 줄어들고 2008년과 2009년 모두 8월에 최대 양의 bias를 보이고 있다.
- 5 이상의 양의 큰 bias를 보였으며 제주에서 가장 큰 음의 bias를 보였다. 또한, 인천, 목포, 진도, 거문도를 제외한 모든 지점에서 작은 RMSE를 보였다. bias와 RMSE는 대부분의 지점에서 예측시간이 길어질수록 큰 값을 보였다.
- 11에서는 태풍 Kalmaegi가 우리나라에 영향을 미친 기간 동안에 국립해양조사원의 검조소 중 30개의 지점(인천, 평택, 대산, 안흥, 보령, 장항, 군산외항, 위도, 영광, 목포, 대흑 산도, 진도, 추자도, 완도, 거문도, 고흥, 여수, 통영, 마산, 부산, 제주, 모슬포, 서귀포, 성산포, 울산, 포항, 후포, 묵호, 속초, 울릉도)에서 모델의 폭풍해일고 예측 값과 관측 값 사이의 bias와 RMSE를 24, 48시간 예측으로 나누어 비교한 그림이다. 인천과 진도에서 0.5 이상의 양의 큰 bias를 보였으며 제주에서 가장 큰 음의 bias를 보였다. 또한, 인천, 목포, 진도, 거문도를 제외한 모든 지점에서 작은 RMSE를 보였다.
- 서해(125°~127°E, 34°N-38°N), 남해(125°~131°E, 33°N-35°N), 동해(129°~131°E, 35°N-38°N)의 각 해역별로 최소 해면기압과 최대 해상풍의 크기를 나타내었다. 전체적으로 하계의 낮은 해면기압과 동계의 강한 해상풍을 해역별로 나타내고 있지만 2008년 해상풍의 경우 7, 8, 9월에 강한 해상풍 특히 8월에 서해에 15 m/s 이상의 강한 해상풍이 높은 폭풍해일고를 발생시킨 것으로 파악되며 2009년의 지그재그형의 최대폭풍해일고 결과에 대응하는 해상풍의 특성이 나타나고 있음을 최대 해상풍 결과에서 알 수 있었다.
- 2008년 7호 태풍 Kalmaegi와 2009년 8호 태풍 Morakot이 우리나라에 접근할 때 예측 폭풍해일고의 48 예보시간 예보정확도를 살펴보았다. 태풍 Kalmaegi 접근시의 모델과 관측 해수면 높이의 48 예보시간 RMSE는 10.44 cm로 나타났으며 태풍 Morakot의 경우는 5.94 cm로 2009년에 비해 2008년의 태풍 통과시 예보 정확도가 다소 떨어진 것을 알 수가 있었다. 일반적으로 폭풍해일 모델의 정확도는 해상풍 및 해면기압등의 대기 입력장의 정확도에 의해 좌우되는데 본 연구에서 입력장으로 사용되는 RDAPS 모델의 태풍 진로 및 강도와 관련되어 폭풍해일고 예측 정확도 연구도 필요할 것으로 생각된다.
후속연구
- 하계로 가면서 오차가 줄어들고 2008년과 2009년 모두 8월에 최대 양의 bias를 보이고 있다. 이는 동계의 강한 저기압과 해상풍에 의한 폭풍해일고의 예측 정확도가 하계에 비해 다소 떨어지는 결과라 할 수 있으며 하계의 태풍 시기 뿐만 아니라 동계의 폭풍해일고 현상에 대한 연구도 또한 필요한 것으로 사료된다. 2008년과 2009년의 모델과 관측의 24(48) 예보시간 평균 기상조의 bias는 각각 -4.
- 94 cm로 2009년에 비해 2008년의 태풍 통과시 예보 정확도가 다소 떨어진 것을 알 수가 있었다. 일반적으로 폭풍해일 모델의 정확도는 해상풍 및 해면기압등의 대기 입력장의 정확도에 의해 좌우되는데 본 연구에서 입력장으로 사용되는 RDAPS 모델의 태풍 진로 및 강도와 관련되어 폭풍해일고 예측 정확도 연구도 필요할 것으로 생각된다.
- 한반도 주변의 월별, 해역별 최대 폭풍해일고 비교에서는 2008년의 경우에는 주로 하계에 최대 폭풍해일고가 집중되었지만 2009년의 경우에는 하계뿐만 아니라 다른 계절에도 높은 폭풍해일고가 관측 및 예측되어 태풍 등에 의한 악기상 시 발생하는 폭풍해일 뿐만 아니라 강한 저기압 및 해상풍에 의해 발생하는 폭풍해일고의 경우에 본 연구에 의하면 예측정확도가 떨어지는 것으로 보여 향후 동계의 폭풍해일도 주의깊게 예측하고 모니터링 해야 할 것으로 사료된다.
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