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문제 정의
- 특히, 본 연구에서는 단기−1개월 예측결과에 주목하고자 한다.
- 본 연구에서는 GloSea5의 표층해류 검증을 위해 표류부이 관측자료를 이용하였다. 표류부이의 위치정보로부터 표층류의 값을 계산하고, 이를 이용하여 전지구 규모의 해류 예측성능을 평가하며, 예측 선행시간에 대한 오차 정보와 원인에 대해서 살펴보고자 한다. 특히, 본 연구에서는 단기−1개월 예측결과에 주목하고자 한다.
- 향후, 해양 예측자료 서비스 확대와 더불어 75개층의 자료를 서비스할 수 있는 체계로 전환할 예정이다. 또한, 기후예측모델의 경우 선행시간 증가에 따른 모델의 구조적 오차를 제거하기 위해 통상 예측 편차장을 사용하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서는 예측 값을 그대로 사용하여 실제 예측값을 활용하기 위한 기초 정보를 제공하고자 한다. 본 연구에서는 예측 시작일로부터 7일, 14일,21일, 28일째 결과를 1주부터 4주 예측장으로 각각 정의하였다.
- 표류부이 유속은 2도 격자로 평균하여 나타내었고, GloSea5 유속분포는 표류부이의 관측위치로 내삽하여 표류부이 유속과 동일하게 격자 평균하였다. 아울러, 관측 및 위성자료 기반의 분석장인 OSCAR 자료와도 함께 살펴보았다.
- 해류 자료를 활용하는 많은 분야에서 1주 이상의 중·장기 예측자료를 필요로 한다. 이 절에서는 예측 시작일부터 4주까지의 예측시간 증가에 따른 오차의 특성을 살펴보고자 한다. Fig.
- 이 절에서는 북서태평양에서의 표층유속 예측특성에 주목하고자 한다. 먼저, 2016년 9월부터 2017년 2월까지의 기간에 HYCOM의 0−6일 예측결과가 모두 확보된 122일에 대해 북서태평양에서의 GloSea5와 HYCOM의 예측결과를 비교하였다(Fig.
- 본 연구에서는 2016년 3월부터 2017년 2월까지를 연구 기간으로 하여 기상청에서 현업운영 중인 기후예측시스템(GloSea5)의 표층유속 예측성을 살펴보았다. 전지구 규모의 예측성을 검증하기 위해, 표류부이의 위치정보를 이용하여 일평균 유속을 산출하였다.
- 본 연구를 통해 기상청에서 생산 중인 GloSea5 표층해류 자료의 단기에서 1개월 해역별 예측 정확도와 모델의 바이어스를 살펴보았다. 본 연구결과는 한정된 연구기간을 가지기 때문에, 경년이나 계절적인 예측특성 등을 살펴볼 수 없는 한계점이 있지만, 향후 예측자료를 서비스하고 시스템을 개선하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
제안 방법
- GloSea5의 표층유속을 검증하기 위해 표류부이의 위치정보로부터 표층유속을 계산하였다. Blockley et al.
- (2012)가 제시한 방법을 따른다. 즉, 관측일 00시와 24시의 위, 경도 위치 정보로부터 표류부이가 하루 동안 이동한 직선 이동거리를 계산하였고, 여기에 이동시간을 고려하여 일평균 유속을 계산하였다. 따라서, 계산된 표류부이 유속은 하루 동안 이동한 거리의 중간지점에서의 12시 자료를 대표하게 되며, 표류부이의 드로그(drogue)가 위치한 약 15 m 깊이의 해류를 나타내게 된다.
- OSCAR 자료는 약 열흘간의 해상풍, 해수면 고도, 해수면 온도 관측자료를 바탕으로 약 5일 간격의 1/3도와 1도 수평 해상도의 전지구 규모 표층 유속정보(해수면−수심 30 m)를 생산하는데, 본 연구에서는 1/3도 해상도 자료를 사용하였다. 이처럼 약 10일의 평활화(smoothing)를 적용하여 5일 간격으로 자료가 생산되기 때문에, OSCAR를 이용하여 일별 예측자료를 직접 검증하는 데에는 한계가 있으나, 전반적인 해류의 수평구조를 비교하기 위해 활용하였다.
- 표류부이 관측자료와 함께, HYCOM 예측자료를 이용하여 GloSea5의 단기예측 정확성을 살펴보았다. HYCOM모델은 수평으로 약 1/12도 해상도를 가지는 고해상도 전 지구 모델이며, 연직으로는 해역의 특성에 따라 Hybrid,시그마, z-level 좌표계를 혼합하여 사용한다.
- HYCOM모델은 수평으로 약 1/12도 해상도를 가지는 고해상도 전 지구 모델이며, 연직으로는 해역의 특성에 따라 Hybrid,시그마, z-level 좌표계를 혼합하여 사용한다. 예측자료는 3시간 간격으로 168시간까지 제공되는데, 분석에서는 일평균 예측장으로 변환하여 사용하였다. 또한 2016년 9월부터 2017년 2월까지 기간 중 168시간 예측자료가 모두 확보된 122일의 예측 자료만을 비교 검증에 사용하였다.
- 본 연구에서는 2016년 3월부터 2017년 2월까지 기간에 대해, GloSea5 일별 예측장의 앙상블 평균자료를 구해 1개월 예측성능을 분석하였다. GloSea5 해양모델의 연직해상도는 표층부근에서 약 1−2 m 해상도를 가지나, 현재는 전산자원 등을 고려하여 대표 수심에 대한 자료만을 선택적으로 저장하고 있다.
- 또한, 기후예측모델의 경우 선행시간 증가에 따른 모델의 구조적 오차를 제거하기 위해 통상 예측 편차장을 사용하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서는 예측 값을 그대로 사용하여 실제 예측값을 활용하기 위한 기초 정보를 제공하고자 한다. 본 연구에서는 예측 시작일로부터 7일, 14일,21일, 28일째 결과를 1주부터 4주 예측장으로 각각 정의하였다. 또한 통계적 검증 방법으로 평균제곱근 편차(RootMean Square Error, RMSE), 평균 오차(Mean Error, ME), 그리고 상관계수(Correlation Coefficient)를 이용하였으며, 식은 아래와 같다.
- GloSea5의 표층해류 재현성을 살펴보기 위해, 연구기간에 대해 평균한 예측 시작일(또는, 첫 번째 예측일)의 유속분포를 표류부이 위치자료로 계산한 유속(이후, 표류부이 유속)과 비교하였다(Fig. 2). 표류부이 유속은 2도 격자로 평균하여 나타내었고, GloSea5 유속분포는 표류부이의 관측위치로 내삽하여 표류부이 유속과 동일하게 격자 평균하였다.
- 2). 표류부이 유속은 2도 격자로 평균하여 나타내었고, GloSea5 유속분포는 표류부이의 관측위치로 내삽하여 표류부이 유속과 동일하게 격자 평균하였다. 아울러, 관측 및 위성자료 기반의 분석장인 OSCAR 자료와도 함께 살펴보았다.
- GloSea5의 표층해류 단기 예측성능을 평가하기 위해 표류부이 유속에 대한 예측 오차를 살펴보고 이를 HYCOM 예측결과와 비교하였다. 2장에서 서술한 바와 같이, 분석을 위해 2016년 9월부터 2017년 2월까지의 기간 동안 HYCOM의 6일 예측결과가 모두 확보된 총 122일을 선정하였다.
- 2장에서 서술한 바와 같이, 분석을 위해 2016년 9월부터 2017년 2월까지의 기간 동안 HYCOM의 6일 예측결과가 모두 확보된 총 122일을 선정하였다. 선정된 122일의 단기 예측자료를 이용하여,GloSea5와 HYCOM 모델의 예측선행일에 대한 RMSE와 ME를 비교하였다(Fig. 4).
- 먼저, 2016년 9월부터 2017년 2월까지의 기간에 HYCOM의 0−6일 예측결과가 모두 확보된 122일에 대해 북서태평양에서의 GloSea5와 HYCOM의 예측결과를 비교하였다(Fig. 8).
- 해역별 예측성능을 살펴보기 위해, Fig. 1b와 같이 전지구를 8개의 해역으로 나누어 예측선행일에 따른 RMSE,ME와 상관계수를 살펴보았다(Fig. 7). 동서, 남북방향 유속 모두 예측선행일 1−4주의 RMSE 크기는 예측 시작일의 RMSE에 의존적인 것으로 나타났으며, 열대태평양, 인도양, 남극해에서 다른 해역에 비해 상대적으로 오차가 크게 나타났다(Fig.
- 예측선행일에 대한 쿠로시오 전선과 에디의 배치 등 중규모 현상을 살펴보기 위해, Fig. 9에 2016년 7월 10일 해수면 고도의 예측선행일별 결과와 7월 4일부터 16일까지 표류부이가 이동한 위치를 함께 살펴보았다. 표류부이의 궤적과 비교했을 때, GloSea5는 예측초기일(0-day)에 대만 동안과 일본 남쪽해역(32oN−35oN, 140oE−143oE)의 쿠로시오 전선, 그리고 에디의 위치(예: 32oN, 153oE)와 규모를 전반적으로 잘 모의하는 것을 알 수 있다.
- 표류부이 유속을 이용하여, GloSea5의 예측 시작일에 대한 표층유속 RMSE와 ME를 살펴보았다. 동서방향 유속의 전지구 평균 RMSE는 0.
대상 데이터
- 본 연구에서는 GloSea5의 표층해류 검증을 위해 표류부이 관측자료를 이용하였다. 표류부이의 위치정보로부터 표층류의 값을 계산하고, 이를 이용하여 전지구 규모의 해류 예측성능을 평가하며, 예측 선행시간에 대한 오차 정보와 원인에 대해서 살펴보고자 한다.
- 특히, 본 연구에서는 단기−1개월 예측결과에 주목하고자 한다. 1개월 이후에는 모델오차의 증가폭이 작고, 많은 응용분야에서 해류자료 이용 시에 예측 편차장보다 예측치 자체를 이용하는 것을 고려하여 예측 선행시간 31일까지의 일별 예측 결과를 분석에 사용하였다. 본 연구의 분석 방법과 검증 자료에 대해서는 2장에서 서술하였다.
- 연구에서 전지구 해역은 양 극지방을 제외한 70oS−70oN로 정의하였다.
- OSCAR 자료는 약 열흘간의 해상풍, 해수면 고도, 해수면 온도 관측자료를 바탕으로 약 5일 간격의 1/3도와 1도 수평 해상도의 전지구 규모 표층 유속정보(해수면−수심 30 m)를 생산하는데, 본 연구에서는 1/3도 해상도 자료를 사용하였다.
- 2009)을 사용하여 생산된다. 앙상블 멤버는 총 4개의 멤버로 구성되어 있으며, 이 중 2개 멤버는 약 1개월 예측을, 나머지 2개 멤버는 6개월 예측을 수행한다. 본 연구에서는 앙상블 평균값을 사용하였다.
- 본 연구에서는 표류부이 자료를 이용하여, GloSea5에서 예측된 2016년 3월부터 2017년 2월까지의 전지구 표층해류 예측 결과를 검증하였다. 검증자료로는 미국 AOML(Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory of NOAA; http://www.
- 본 연구에서는 표류부이 자료를 이용하여, GloSea5에서 예측된 2016년 3월부터 2017년 2월까지의 전지구 표층해류 예측 결과를 검증하였다. 검증자료로는 미국 AOML(Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory of NOAA; http://www.aoml.noaa.gov)에서 제공하는 지연모드 품질관리된 6시간 간격의 표류부이 위치자료를 사용하였다. 아울러, GloSea5의 단기 표층유속 예측결과를 평가하기 위해, 국내외에서 널리 활용되고 있는(김 등 2013)HYbrid Coordinate Ocean Model/Navy Coupled Ocean Data Assimilation(HYCOM/NCODA, 이하 HYCOM)의 예측 결과와 비교하였다.
- 본 연구에서 사용한 표류부이는 The Global Drifter Program에서 사용 중인 SVP(Surface Velocity Program) 타입의 부이로 평균적으로 매일 1,000기 이상의 부이가 전지구 규모로 실시간 관측을 수행하고 있다. 표류부이는 전세계 표층 해양의 60% 이상에서 관측이 수행되고 있는 큰 장점이 있어, 위성자료의 검증이나 기후 연구, 자료동화를 포함하는 모델 예측 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
- 예측자료는 3시간 간격으로 168시간까지 제공되는데, 분석에서는 일평균 예측장으로 변환하여 사용하였다. 또한 2016년 9월부터 2017년 2월까지 기간 중 168시간 예측자료가 모두 확보된 122일의 예측 자료만을 비교 검증에 사용하였다.
- GloSea5 해양모델의 연직해상도는 표층부근에서 약 1−2 m 해상도를 가지나, 현재는 전산자원 등을 고려하여 대표 수심에 대한 자료만을 선택적으로 저장하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 드로그깊이에 가까운 10 m 수심의 예측자료를 분석에 활용하였다. 향후, 해양 예측자료 서비스 확대와 더불어 75개층의 자료를 서비스할 수 있는 체계로 전환할 예정이다.
- GloSea5의 표층해류 단기 예측성능을 평가하기 위해 표류부이 유속에 대한 예측 오차를 살펴보고 이를 HYCOM 예측결과와 비교하였다. 2장에서 서술한 바와 같이, 분석을 위해 2016년 9월부터 2017년 2월까지의 기간 동안 HYCOM의 6일 예측결과가 모두 확보된 총 122일을 선정하였다. 선정된 122일의 단기 예측자료를 이용하여,GloSea5와 HYCOM 모델의 예측선행일에 대한 RMSE와 ME를 비교하였다(Fig.
데이터처리
- 앙상블 멤버는 총 4개의 멤버로 구성되어 있으며, 이 중 2개 멤버는 약 1개월 예측을, 나머지 2개 멤버는 6개월 예측을 수행한다. 본 연구에서는 앙상블 평균값을 사용하였다.
- gov)에서 제공하는 지연모드 품질관리된 6시간 간격의 표류부이 위치자료를 사용하였다. 아울러, GloSea5의 단기 표층유속 예측결과를 평가하기 위해, 국내외에서 널리 활용되고 있는(김 등 2013)HYbrid Coordinate Ocean Model/Navy Coupled Ocean Data Assimilation(HYCOM/NCODA, 이하 HYCOM)의 예측 결과와 비교하였다.
- 5 m s-1를 초과하는 자료도 분석에서 제외하였다. 계산된 표층유속의 수평 분포는 많은 연구분야에서 활용되고 있는 OSCAR(Ocean Surface Current Analysis Real-time;Bonjean and Lagerloef 2002) 분석장과도 비교하였다. OSCAR 자료는 약 열흘간의 해상풍, 해수면 고도, 해수면 온도 관측자료를 바탕으로 약 5일 간격의 1/3도와 1도 수평 해상도의 전지구 규모 표층 유속정보(해수면−수심 30 m)를 생산하는데, 본 연구에서는 1/3도 해상도 자료를 사용하였다.
- 본 연구에서는 예측 시작일로부터 7일, 14일,21일, 28일째 결과를 1주부터 4주 예측장으로 각각 정의하였다. 또한 통계적 검증 방법으로 평균제곱근 편차(RootMean Square Error, RMSE), 평균 오차(Mean Error, ME), 그리고 상관계수(Correlation Coefficient)를 이용하였으며, 식은 아래와 같다.
- #와 #은 각 날짜 별로 분석에 사용한 해류자료들의 평균이며, S는 각 자료의 표준편차를 의미한다. 분석에서 특정 기간의 통계값은 위의 식을 이용해 계산한 일별 통계값을 대상 기간에 대해 평균하여 구하였다.
- 본 연구에서는 2016년 3월부터 2017년 2월까지를 연구 기간으로 하여 기상청에서 현업운영 중인 기후예측시스템(GloSea5)의 표층유속 예측성을 살펴보았다. 전지구 규모의 예측성을 검증하기 위해, 표류부이의 위치정보를 이용하여 일평균 유속을 산출하였다. 표류부이의 이동위치에 기반한 유속자료는 직접적인 해류관측 자료는 아니지만, 전지구 규모의 해류 관측자료가 거의 없는 환경을 고려한다면 모델의 표층해류의 검증에 유용하게 활용할 수 있는 장점이 있으며, 계류부이 자료와의 비교를 통해서도 그 유의성이 확인된 바 있다(Blockley et al.
이론/모형
- 기상청에서 현업운영 중인 GloSea5는 영국기상청 해들리 센터의 지구시스템 모델인 HadGEM3(HADley centre Global Environmental Model version3)를 기반으로 하며,대기, 해양, 해빙, 지면 모델이 결합된 기후예측시스템이다. 대기모델은 UM(Unified Model; Walters et al. 2011),해양모델은 NEMO(Nucleus for European Modelling of the Ocean; Madec 2008), 해빙모델은 CICE(Los Alamos Sea Ice Model; Hunke et al. 2010), 그리고 지면모델은 JULES(Joint UK Land Environment Simulator; Best etal. 2011)를 채택하고 있다. 이들 모델은 OASIS(Ocean Atmosphere Sea Ice Soil) 결합자(coupler)를 이용하여 3시간 마다 플럭스를 교환한다.
- 2014)의 결과를 이용하고 있다. 참고로, FOAM은 GloSea5와 동일한 해양-해빙 모델(i.e.NEMO, CICE 모델)과 해상도를 가지며, 자료동화를 위해서 3차원 변분법 기반의 NEMOVAR(Waters et al. 2014)를 사용한다. GloSea5의 앙상블 멤버는 시간지연 앙상블과 SKEB2 기법(Stochastic Kinetic Energy Backscatteringversion2; Bowler et al.
- 2014)를 사용한다. GloSea5의 앙상블 멤버는 시간지연 앙상블과 SKEB2 기법(Stochastic Kinetic Energy Backscatteringversion2; Bowler et al. 2009)을 사용하여 생산된다. 앙상블 멤버는 총 4개의 멤버로 구성되어 있으며, 이 중 2개 멤버는 약 1개월 예측을, 나머지 2개 멤버는 6개월 예측을 수행한다.
- (2012)은 표류부이의 위치로부터 계산한 유속을 이용하여 전지구 해양순환 예측모델의 해류 예측성능을 검증하였고, 열대해역의 계류부이 관측자료와의 비교를 통해 표류부이 유속자료의 신뢰성을 확인한 바 있다. 본 연구에서는 Blockley et al. (2012)가 제시한 방법을 따른다. 즉, 관측일 00시와 24시의 위, 경도 위치 정보로부터 표류부이가 하루 동안 이동한 직선 이동거리를 계산하였고, 여기에 이동시간을 고려하여 일평균 유속을 계산하였다.
성능/효과
- 예를 들면, 태평양과 대서양 적도해역의 남적도 해류,아열대 해역(10oN−30oN)의 북적도 해류, 그리고 두 해류 사이에 동향하는 적도반류 등이 두 결과에서 뚜렷하게 나타났으며, 중위도 해역의 쿠로시오와 멕시코 만류도 유사한 패턴을 보였다. 반면, 유속의 세기는 적도 서태평양을 제외하고 대체로 GloSea5가 표류부이 유속보다 약한 결과를 보였다. 특히, 남극해(50oS−80oS)의 광범위한 영역에서 표류부이의 동향성분 유속이 GloSea5에 비해 다소 높게 나타났다.
- 특히, 남극해(50oS−80oS)의 광범위한 영역에서 표류부이의 동향성분 유속이 GloSea5에 비해 다소 높게 나타났다. 표류부이 유속과 OSCAR 분석장 간의 비교에서도(Fig. 2c, 2e) 해류의 위상은 대체로 일치하였으나,표류부이 유속이 OSCAR 분석장보다 다소 강하게 나타났으며, 특히 남극해에서 그런 경향이 뚜렷하게 나타났다. 참고로, Blockley et al.
- 인도양의 남부해역(40oS−10oS)과 남태평양의 서쪽에서 모델은 대체로 남향류 바이어스를 보이고, 북태평양 서쪽과 북대서양 동쪽에서 북향류 바이어스가 우세한 것으로 나타났다.
- 전지구 평균 RMSE는 동서, 남북방향 표층유속 모두 예측선행일 0일(예측 시작일)에서 6일까지 GloSea5가 작게 나타났다. 특히 예측초기에는 HYCOM과의 RMSE 차이가 상대적으로 크게 나타났고 이러한 차이는 예측일이 증가하면서 크게 감소하는 결과를 보였다.
- 전지구 평균 RMSE는 동서, 남북방향 표층유속 모두 예측선행일 0일(예측 시작일)에서 6일까지 GloSea5가 작게 나타났다. 특히 예측초기에는 HYCOM과의 RMSE 차이가 상대적으로 크게 나타났고 이러한 차이는 예측일이 증가하면서 크게 감소하는 결과를 보였다. 해역별로는 열대 태평양과 남극해를 제외하고 동서, 남북방향 해류 모두GloSea5의 RMSE가 작게 나타났다.
- 특히 예측초기에는 HYCOM과의 RMSE 차이가 상대적으로 크게 나타났고 이러한 차이는 예측일이 증가하면서 크게 감소하는 결과를 보였다. 해역별로는 열대 태평양과 남극해를 제외하고 동서, 남북방향 해류 모두GloSea5의 RMSE가 작게 나타났다. 특히 남태평양과 남,북대서양은 예측초기일의 큰 RMSE 차이가 6일 예측까지지속되었으며, 이에 반해 북태평양과 인도양은 예측초기일에서 보인 모델간 오차 차이가 예측선행일이 길어지면서 점차 감소하는 경향을 보였다.
- 해역별로는 열대 태평양과 남극해를 제외하고 동서, 남북방향 해류 모두GloSea5의 RMSE가 작게 나타났다. 특히 남태평양과 남,북대서양은 예측초기일의 큰 RMSE 차이가 6일 예측까지지속되었으며, 이에 반해 북태평양과 인도양은 예측초기일에서 보인 모델간 오차 차이가 예측선행일이 길어지면서 점차 감소하는 경향을 보였다. 반면에, 열대 태평양에서는 GloSea5의 RMSE와 ME가 HYCOM에 비해 크게 나타났고 예측선행일에 따른 변화도 컸다.
- 특히 인도양은 예측일 증가에 따른 오차 증가 폭이 상대적으로 높게 나타나 예측선행일 2−3일 이후에는 HYCOM 보다 높은 오차를 보였다.
- 4)와 유사하게 나타났다. 전지구 평균 상관계수에서 예측초기일(0-day)에 GloSea5가 HYCOM에 비해 상관성이 높게 나타났으나, 예측일이 증가하면서 거의 동일한 값을 보였다. 전지구 결과와 비슷하게 북태평양과 북대서양에서는 예측초기일에는 GloSea5의 상관성이 다소 높게 나타나나 예측일이 증가하면서 두 모델의 상관성이 비슷해 지는 것으로 나타났다.
- 전지구 평균 상관계수에서 예측초기일(0-day)에 GloSea5가 HYCOM에 비해 상관성이 높게 나타났으나, 예측일이 증가하면서 거의 동일한 값을 보였다. 전지구 결과와 비슷하게 북태평양과 북대서양에서는 예측초기일에는 GloSea5의 상관성이 다소 높게 나타나나 예측일이 증가하면서 두 모델의 상관성이 비슷해 지는 것으로 나타났다. 남태평양과 남대서양 해역에서는 모든 예측선행일에 대해서 GloSea5의 상관계수가 평균 약 0.
- 전지구 결과와 비슷하게 북태평양과 북대서양에서는 예측초기일에는 GloSea5의 상관성이 다소 높게 나타나나 예측일이 증가하면서 두 모델의 상관성이 비슷해 지는 것으로 나타났다. 남태평양과 남대서양 해역에서는 모든 예측선행일에 대해서 GloSea5의 상관계수가 평균 약 0.2 높게 나타났으며, 반면에 열대 태평양과 남극해역에서는 상관성이 낮게 나타났다. 인도양에서는 예측일 1일 이후로 상관성이 역전되어 HYCOM의 상관계수가 높게 나타났다.
- 인도양에서는 예측일 1일 이후로 상관성이 역전되어 HYCOM의 상관계수가 높게 나타났다. 남북방향 성분도 예측초기에는 GloSea5의 상관성이 HYCOM보다 높게 나타나지만, 예측일이 증가하면서 북태평양, 북대서양, 인도양에서는 상관성이 점차 낮아져 역전되는 결과를 보였다.
- 제한된 분석기간이지만, HYCOM과의 비교를 통해 GloSea5의 표층해류 단기 예측결과를 평가할 수 있었다. 예측선행일에 대한 RMSE, 평균 오차, 상관계수를 비교한 결과, 열대 태평양과 남극해를 제외하고, GloSea5는 HYCOM에 비해 초기 예측결과가 우수한 것으로 나타났다.
- 제한된 분석기간이지만, HYCOM과의 비교를 통해 GloSea5의 표층해류 단기 예측결과를 평가할 수 있었다. 예측선행일에 대한 RMSE, 평균 오차, 상관계수를 비교한 결과, 열대 태평양과 남극해를 제외하고, GloSea5는 HYCOM에 비해 초기 예측결과가 우수한 것으로 나타났다. 예측일이 증가하면서 해역별로 예측성능에 차이를 보이는데, 예를 들어 남태평양과 남대서양 해역은 GloSea5의 예측결과가 예측 시작일부터 6일까지 상대적으로 우수하게 나타났으나, 북태평양과 인도양의 경우는 GloSea5의예측초기 오차 증가율이 HYCOM에 비해 높게 나타나면서, 예측일 2, 3일 이후의 두 시스템간 예측오차는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 동서, 남북방향 RMSE를 살펴보면, 예측선행시간 2−4주에서 가을철 오차가 상대적으로 증가하는 경향이 보이나, 각 예측선행일별 오차의 시간 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 결과적으로 예측 시작일의 연평균 ME는 0.8 × 10-3 m s-1로 동향류 오차를 보이나, 예측 2주에서는 -1.4 × 10-3 m s-1 의 서향류 바이어스를 보인다.
- 동서, 남북방향 RMSE를 살펴보면, 예측선행시간 2−4주에서 가을철 오차가 상대적으로 증가하는 경향이 보이나, 각 예측선행일별 오차의 시간 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 예측 시작일에서 4주로 예측일이 증가하면서 RMSE도 점차 증가하는데, 특히 예측 시작일과 1주 사이에서 오차 증가가 뚜렷하게 나타났으며, 1주 이후는 다소 완만하게 증가하는 결과를 보였다. 이러한 경향은 분석기간 동안 대체로 일정하게 나타났다.
- 동서, 남북방향 유속 모두 예측선행일 1−4주의 RMSE 크기는 예측 시작일의 RMSE에 의존적인 것으로 나타났으며, 열대태평양, 인도양, 남극해에서 다른 해역에 비해 상대적으로 오차가 크게 나타났다(Fig. 7a, 7b).
- 예측 시작일과 1주 사이의 RMSE 증가율은 열대 태평양과 인도양에서 가장 높았으며, 해당 해역은 적도 대서양과 더불어 1주에서 4주 사이의 중·장기 예측오차 증가폭도 가장 크게 나타났다.
- 7a, 7b). 아울러, 모든 해역에서 예측 시작일과 1주 사이에서 RMSE 증가율이 가장 높게 나타났으며, 2주 이후는 증가율이 줄어드는 결과를 보였다. 함 등 (2017)이 제시한 바와 같이, 이는 기후 결합모델이 가지는 climate drift에 의한 결과로서, 모델이 적분을 수행하면서 모수화 문제 등으로 인해 초기의 조건에서 벗어나 모델의 기후로 안정화되면서 나타나며, 대부분의 결합모델에서 공통적으로 존재하는 현상이다.
- 7c). 열대 태평양과 대서양을 제외하고, 모든 해역에서 예측 시작일의 바이어스 부호가 유지되고, 예측선행일 증가에 따른 바이어스 크기는 큰 변화를 보이지 않았다. 다른 해역과 달리, 열대 태평양과 대서양에서는 예측선행일에 따라서 ME가 크게 증가한다.
- 7e, 7f). 전반적으로 예측 시작일에서 1주 사이의 상관계수 감소폭이 가장 크게 나타났으며, 2주 이후는 전반적으로 작게 나타났다. 예측시작일에서 4주까지 전지구 평균한 동서방향 성분의 상관계수는 약 0.
- 전반적으로 예측 시작일에서 1주 사이의 상관계수 감소폭이 가장 크게 나타났으며, 2주 이후는 전반적으로 작게 나타났다. 예측시작일에서 4주까지 전지구 평균한 동서방향 성분의 상관계수는 약 0.64에서 0.45로 감소했으며, 남북방향 성분은 0.50에서 0.23으로 감소해 예측일 증가에 따른 상관성 감소폭이 더 컸다. 해역별로 살펴보면, 동서방향 성분은 열대해역에서 모든 예측선행일에 대해 상관계수가 크고 감소폭도 다른 해역에 비해 작게 나타났다.
- 23으로 감소해 예측일 증가에 따른 상관성 감소폭이 더 컸다. 해역별로 살펴보면, 동서방향 성분은 열대해역에서 모든 예측선행일에 대해 상관계수가 크고 감소폭도 다른 해역에 비해 작게 나타났다. 반면에, 북태평양, 남대서양, 인도양 등의 해역은 예측초기 상대적으로 높은 상관계수를 보이나 예측 1, 2주째의 감소폭이 다소 크게 나타났다.
- 8). 북서태평양에서의 동서 및 남북방향 유속 RMSE는 예측 시작일 전지구 평균 RMSE와 유사한 크기를 보였는데, 예측일 증가에 따른 오차 증가폭은 전지구 평균보다 다소 크게 나타났다. 두 시스템의 RMSE를 비교한 결과 예측 초기에는 차이가 다소 크게 나타나나(>0.
- 예측선행일에 따른 RMSE 증가 패턴은 다른 해역과 동일하게, 동서·남북방향 유속 모두 예측초기 1주일 동안 증가 폭이 가장 크게 나타났고, 이후는 다소 완만한 증가를 보였다. 상관계수도 예측초기에 0.6 이상의 비교적 높은 값을 보이고, RMSE와 유사하게 예측일 1, 2주까지 감소율이 높게 나타났다. ME는 예측초기일에 보인 동향 및 북향성분의 바이어스가 예측 1개월까지 대체로 유사하게 나타났다.
- 표류부이의 궤적과 비교했을 때, GloSea5는 예측초기일(0-day)에 대만 동안과 일본 남쪽해역(32oN−35oN, 140oE−143oE)의 쿠로시오 전선, 그리고 에디의 위치(예: 32oN, 153oE)와 규모를 전반적으로 잘 모의하는 것을 알 수 있다. 대체로 일본 남쪽 해역에서 발달한 쿠로시오 사행의 경우 예측선행일 2주까지 유사하게 재현하지만, 3주 이상의 예측결과에서는 관측보다 남쪽 해역까지 사행이 확장하는 결과가 나타났다. 예측초기일과 비교하여 전반적으로 규모가 큰 에디의 배치는 예측일 2주 이상에서도 유사한 패턴을 보이나, 표류부이의 궤적과 비교한 에디의 위치 및 규모의 정확성은 선행일 2주부터는 관측과 다소 차이가 있는 것으로 나타났다.
- GloSea5의 예측 시작일 연평균 동서, 남북 성분의 유속분포는 남극해 부근을 제외하고 대체로 표류부이 유속 분포와 유사한 결과를 보였다. 예측 시작일의 동서, 남북방향 RMSE는 해류의 변동성이 강한 해역인 열대해역, 남극해, 그리고 서안경계에서 비교적 크게 나타났다. 동서방향 유속에 대한 예측초기일의 ME(평균오차)를 살펴본 결과, 모델은 열대 서태평양과 인도양에서 비교적 강한 서향류 바이어스를, 아열대 해역(10−30oN/S)에서는 동향류바이어스를, 그리고 중위도 해역에서는 서향류 바이어스를 각각 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 예측 시작일부터 예측선행일 4주까지의 RMSE를 살펴본 결과, 1−4주의 동서, 남북방향 유속의 RMSE 크기는 전반적으로 예측 시작일의 RMSE에 의존적인 것을 볼 수 있었다.
- GloSea5의 표층해류 예측결과는 국내외에서 널리 이용되고 있는 미국 HYCOM 모델과 유사한 단기 예측성능을 보였는데, 이러한 결과는 표층해류에 있어서 GloSea5의단기예측 결과가 유용하게 활용될 수 있음을 의미한다. 특히, 예측초기에는 GloSea5의 오차가 상대적으로 낮게 나타났는데, 이는 해양초기장의 정확성과 관련이 있는 것으로 판단된다.
- 비록 제한된 분석기간에서 수온 만을 대상으로 살펴본 연구결과이지만, 이러한 해양초 기장의 성능차이가 초기 예측결과에 영향을 주었을 가능성이 높은 것으로 판단된다. 하지만 대체로 GloSea5의 예측초기 오차 증가율이 높고, 북태평양과 인도양에서는 예측선행일 2, 3일 이후에는 RMSE의 차이가 거의 없어지고 상관성은 오히려 낮아지는 결과도 보였다.
- 예측 시작일부터 예측선행일 4주까지의 RMSE를 살펴본 결과, 1−4주의 동서, 남북방향 유속의 RMSE 크기는 전반적으로 예측 시작일의 RMSE에 의존적인 것을 볼 수 있었다. 열대해역을 제외한 태평양, 대서양 해역에서는 평균보다 작은 RMSE를 보였고, 반면에 열대태평양과 인도양은 상대적으로 큰 RMSE가 나타났다. 아울러, 예측초기일에서 1주 사이의 RMSE 증가율이 다른 기간보다 높게 나타났으며, 최대 증가율은 열대 태평양의 동서방향 유속에서 나타났다.
- 열대해역을 제외한 태평양, 대서양 해역에서는 평균보다 작은 RMSE를 보였고, 반면에 열대태평양과 인도양은 상대적으로 큰 RMSE가 나타났다. 아울러, 예측초기일에서 1주 사이의 RMSE 증가율이 다른 기간보다 높게 나타났으며, 최대 증가율은 열대 태평양의 동서방향 유속에서 나타났다. 또한, 열대 태평양에서는 예측선행일이 길어지면서 서향류 바이어스가 큰 폭으로 증가하는 결과를 보였다.
- 10에 나타내었다. 예측 시작일(Fig. 10a)의 표층해류분포와 비교해서, 예측일이 증가하면서 특히 적도해역에서 뚜렷한 차이가 나타남을 알 수 있다. 예측초기일의 결과와 비교해서 예측선행일 1주째에는 서태평양 적도에서 서향류 성분이 강해지며, 예측 2주째부터 이러한 경향이 점차 적도 태평양 중부까지 확대되는 결과를 보였다.
- 10a)의 표층해류분포와 비교해서, 예측일이 증가하면서 특히 적도해역에서 뚜렷한 차이가 나타남을 알 수 있다. 예측초기일의 결과와 비교해서 예측선행일 1주째에는 서태평양 적도에서 서향류 성분이 강해지며, 예측 2주째부터 이러한 경향이 점차 적도 태평양 중부까지 확대되는 결과를 보였다. 이러한 모델 오차는 열대해역의 대기순환 예측성능과 연관이 있을 것으로 보인다.
- 본 연구결과는 한정된 연구기간을 가지기 때문에, 경년이나 계절적인 예측특성 등을 살펴볼 수 없는 한계점이 있지만, 향후 예측자료를 서비스하고 시스템을 개선하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 아울러, 본 연구에서 검증에 사용한 표류부이 기반의 유속 관측자료는 wind slip 효과를 완전히 분리할 수 없는 점 등 직접 관측자료에 비해 몇몇 단점을 가지지만, 전지구 영역에서 모델결과를 평가할 수 있고 비교적 안정적으로 실시간 자료를 입수할 수 있는 장점이 있다. 본 연구결과를 바탕으로 GloSea5의 해류 예측결과를 준 실시간으로 평가하고 분석하기 위해 현재 기상청에서는 GTS(Global Telecommunication System) 통신망으로부터 입수되는 실시간 표류부이 자료를 이용한 해류예측 검증 및 진단 체계를 개발하고 있다.
- 태평양과 대서양의 적도 해역을 중심으로 북향성분과 남향성분이 각각 북반구와 남반구의 중위도 부근까지 우세하게 나타났으며, 인도양 북부(10oS−30oN)와 남부(10oS−50oS)에서는 각각 남향성분과 북향성분이 우세하게 나타나는 등 전반적인 공간패턴이 유사하게 나타났다.
- 동서방향 유속에 대한 예측초기일의 ME(평균오차)를 살펴본 결과, 모델은 열대 서태평양과 인도양에서 비교적 강한 서향류 바이어스를, 아열대 해역(10−30oN/S)에서는 동향류바이어스를, 그리고 중위도 해역에서는 서향류 바이어스를 각각 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 예측선행일에 따른 RMSE 증가 패턴은 다른 해역과 동일하게, 동서·남북방향 유속 모두 예측초기 1주일 동안 증가 폭이 가장 크게 나타났고, 이후는 다소 완만한 증가를 보였다.
- 두 시스템의 RMSE를 비교한 결과 예측 초기에는 차이가 다소 크게 나타나나(>0.01 m s-1), 예측선행일 3일 이후에는 이러한 차이는 거의 없어진다.
- 유속세기는 적도태평양에서 관측보다 강한 북향성분이 나타났으나, 대부분의 해역에서는 관측과 큰 차이를 보이지 않았다. 표류부이 유속과 OSCAR 분석장도 전체적으로 공간패턴은 유사하게 나타났으나, 아프리카 동안, 벵골만과 적도 서대서양 등 일부 해역에서는 다소 큰차이가 나타났다(Fig. 2d, 2f).
- 표류부이 유속을 이용하여, GloSea5의 예측 시작일에 대한 표층유속 RMSE와 ME를 살펴보았다. 동서방향 유속의 전지구 평균 RMSE는 0.19 m s-1로, 주요 해류 부근을 제외하고는 전반적으로 작게 나타났다(Fig. 3a). 변동이 크고 유속이 빠른 쿠로시오와 멕시코 만류, 남적도 해류, 그리고 남극순환류에서는 0.
- 40 m s-1 이상의 다소 큰 RMSE가 나타났다. 또한, 남적도 해류가 서안의 육지경계와 만나는 태평양, 대서양, 인도양 적도해역의 서쪽경계에서도 큰 오차를 보였다. 남북방향 RMSE는 전지구 평균 약 0.
- 또한, 남적도 해류가 서안의 육지경계와 만나는 태평양, 대서양, 인도양 적도해역의 서쪽경계에서도 큰 오차를 보였다. 남북방향 RMSE는 전지구 평균 약 0.18 m s-1로 동서방향 성분 보다 오차가 작았으며, 전반적으로 동서방향 RMSE와 공간분포가 유사하게 나타났다(Fig. 3b).
- 반면에, 열대 태평양에서는 GloSea5의 RMSE와 ME가 HYCOM에 비해 크게 나타났고 예측선행일에 따른 변화도 컸다. 또한, 두 모델은 다른 해역에 비해 열대해역에서 큰 RMSE를 보였으며, 예측선행일에 따른 ME의 변화도 크게 나타났다. 남극해에서는 두 모델 모두 강한 서향류 바이어스를 보였다.
- 01 m s-1), 예측선행일 3일 이후에는 이러한 차이는 거의 없어진다. 예측선행일별 상관계수도 유사한 결과를 보였는데, 특히 GloSea5의 남북방향 성분의 상관계수는 예측초기에 감소폭이 크게 나타나 예측 3일 이후는 HYCOM에 비해 상관성이 낮은 결과를 보였다. 이처럼,북서태평양 해역에서 초기 예측결과는 GloSea5가 상대적으로 우수하나, 이러한 결과가 예측일이 길어졌을 때에는 유지되지는 않는 결과를 보였다.
- 예측선행일별 상관계수도 유사한 결과를 보였는데, 특히 GloSea5의 남북방향 성분의 상관계수는 예측초기에 감소폭이 크게 나타나 예측 3일 이후는 HYCOM에 비해 상관성이 낮은 결과를 보였다. 이처럼,북서태평양 해역에서 초기 예측결과는 GloSea5가 상대적으로 우수하나, 이러한 결과가 예측일이 길어졌을 때에는 유지되지는 않는 결과를 보였다. 또한, 두 모델 모두 단기예측기간 동안 동서, 남북방향 유속에서 각각 동향, 북향성분의 바이어스가 지배적인 것으로 나타났다.
- 이처럼,북서태평양 해역에서 초기 예측결과는 GloSea5가 상대적으로 우수하나, 이러한 결과가 예측일이 길어졌을 때에는 유지되지는 않는 결과를 보였다. 또한, 두 모델 모두 단기예측기간 동안 동서, 남북방향 유속에서 각각 동향, 북향성분의 바이어스가 지배적인 것으로 나타났다.
- 대체로 일본 남쪽 해역에서 발달한 쿠로시오 사행의 경우 예측선행일 2주까지 유사하게 재현하지만, 3주 이상의 예측결과에서는 관측보다 남쪽 해역까지 사행이 확장하는 결과가 나타났다. 예측초기일과 비교하여 전반적으로 규모가 큰 에디의 배치는 예측일 2주 이상에서도 유사한 패턴을 보이나, 표류부이의 궤적과 비교한 에디의 위치 및 규모의 정확성은 선행일 2주부터는 관측과 다소 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 아울러, 예측초기일에서 1주 사이의 RMSE 증가율이 다른 기간보다 높게 나타났으며, 최대 증가율은 열대 태평양의 동서방향 유속에서 나타났다. 또한, 열대 태평양에서는 예측선행일이 길어지면서 서향류 바이어스가 큰 폭으로 증가하는 결과를 보였다.
후속연구
- 따라서, 본 연구에서는 드로그깊이에 가까운 10 m 수심의 예측자료를 분석에 활용하였다. 향후, 해양 예측자료 서비스 확대와 더불어 75개층의 자료를 서비스할 수 있는 체계로 전환할 예정이다. 또한, 기후예측모델의 경우 선행시간 증가에 따른 모델의 구조적 오차를 제거하기 위해 통상 예측 편차장을 사용하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서는 예측 값을 그대로 사용하여 실제 예측값을 활용하기 위한 기초 정보를 제공하고자 한다.
- 2015). 추가적인 연구가 필요하지만, 이러한 결합모델의 초기화 문제가 예측초기의 오차증가에 영향을 미쳤을 가능성이 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 기상청에서 생산 중인 GloSea5 표층해류 자료의 단기에서 1개월 해역별 예측 정확도와 모델의 바이어스를 살펴보았다. 본 연구결과는 한정된 연구기간을 가지기 때문에, 경년이나 계절적인 예측특성 등을 살펴볼 수 없는 한계점이 있지만, 향후 예측자료를 서비스하고 시스템을 개선하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 아울러, 본 연구에서 검증에 사용한 표류부이 기반의 유속 관측자료는 wind slip 효과를 완전히 분리할 수 없는 점 등 직접 관측자료에 비해 몇몇 단점을 가지지만, 전지구 영역에서 모델결과를 평가할 수 있고 비교적 안정적으로 실시간 자료를 입수할 수 있는 장점이 있다.
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