초록 ▼

본 연구용역사업인 ‘우주기상 예보를 위한 우주기상 예측 모델 개발’은 태양활동 극대기를 대비한 태양, 행성간 공간(태양풍), 지구 자기권, 전리층 및 대기권(고층대기)에 대한 우주기상상태를 연구하는 것이다. 우주기상예보를 위한 모델 개발은 우리의 일상생활과 우주투자기술의 피해를 최소화하기 위한 목적으로 연구되어 왔으며, 각국은 예보의 적중률을 높이고자 권역별 예보모델과 통합 예보모델들을 개발 중에 있다. 우주기상예보 시스템은 이미 1970년대에 미국(SWPC/NOAA)이 주도해서 시작하였으며 국가적인 차원에서 민·관·군의 연구소에서

본 연구용역사업인 ‘우주기상 예보를 위한 우주기상 예측 모델 개발’은 태양활동 극대기를 대비한 태양, 행성간 공간(태양풍), 지구 자기권, 전리층 및 대기권(고층대기)에 대한 우주기상상태를 연구하는 것이다. 우주기상예보를 위한 모델 개발은 우리의 일상생활과 우주투자기술의 피해를 최소화하기 위한 목적으로 연구되어 왔으며, 각국은 예보의 적중률을 높이고자 권역별 예보모델과 통합 예보모델들을 개발 중에 있다. 우주기상예보 시스템은 이미 1970년대에 미국(SWPC/NOAA)이 주도해서 시작하였으며 국가적인 차원에서 민·관·군의 연구소에서 활발하게 연구를 진행하고 있다. 또한 유럽 연합의 ESA, 일본의 NICT, 호주 IPS 등의 경우에도 우주기상 예측모델을 활용한 우주기상예보에 대한 세계적인 네트웍에 참여하고 있으며, 자국 내의 피해를 최소화하기 위한 방안으로 우주기상예보 서비스를 개발하고 근실시간으로 사용자들에게 웹, 이메일, 문자메세지 정보를 제공하고 있다. 우리나라도 이러한 흐름에 맞춰 전 세계적인 네트웍에 적극적으로 동참하며 새로운 우주기상예보 서비스를 개발하고 관련 정보들을 필요한 사용자들에게 쉽게 전달할 수 있는 국가우주기상센터를 설립하는 데 노력을 기울여 왔다.
본 사업의 최종보고서의 내용은 다음과 같다.
최종보고서의 ‘I.서론’에는 주관기관 소개, 조직의 구성 및 협력기관 등을 소개하고, 각각의 기관과 대학과의 협력체계를 구축하고 있는 상황을 포함하고 있다. ‘II. 연구사업 추진체계’는 추진체계를 1년차부터 5년차까지 연차별로 기술하였다. ‘III. 국내외 우주기상 예측모델 개발 현황조사 및 분석’에는 국내외 우주기상 예보를 위한 기관들과 우주 기상 예측모델 개발을 위한 기관들을 자세히 소개한다. 국외 우주기상 관련기관으로는 SWPC(Space Weather Prediction Center, USA), NICT(Japan), ISES(International Space Environment Service), CCMC(Community Coordinated Modeling Center), CSEM(the Center for Space Environment Modeling)과 국외에서 사용되고 있는 모델들을 조사하였다. 또한 국내의 우주기상 관련기관으로는 한국천문연구원 태양우주환경 연구그룹과 전파연구소에서 운용되고 있는 우주전파환경센터(SREC)에 대하여 간단하게 소개한다. ‘Ⅳ. 우주기상 예측 모델 도입 및 개발’은 본 연구에서 도입 및 개발할 모델들을 소개한다. 우주기상 예측 모델은 태양, 행성간 공간(태양풍), 지구 자기권, 전리층 및 고층대기에 대한 것으로 각 영역에서 도입할 모델들과 각 모델들에 대한 도입우선순위, 평가 및 장단점에 대하여 기술하고 있다. 또한 각 모델들을 도입, 개발 후 검증 계획을 기술하고 있으며 활용계획을 포함하고 있다. ‘V. 연구사업 일반’에서는 예산 총액, 참여연구원, 그리고 1차년도 사업비 총괄표를 포함하고 있다. 연구사업 1차년도는 1차례의 워크샵과 간담회를 개최하였다. 그 내용은 [별첨1, 2]에 포함하였으며 간담회의 내용을 포함하고 있다.
본 주관기관에서는 우주기상 모델 개발을 목적으로 하고 있으며, 공동연구원 2명이 AGU Meeting에 참여하여 NOAA SWPC director와 앞으로 상호 협력을 위한 미팅을 가졌으며, 공동연구원 1명과 연구조원 2명을 일본 NICT에 보내 우주기상 모델에 대한 상호협력 및 공동연구를 할 계획에 있다.

목차 Contents

• 최종보고서 ...1
• 제출문 ...3
• 목차 ...4
• 표목차 ...8
• 그림목차 ...8
• 요약문 ...12
• I. 서 론 ...14
• 1. 사업 개요 ...14
• 2. 사업 조직도 ...15
• 2.1. 우주기상 감시실 ...15
• 2.2. 우주기상 예보모델 개발실 ...15
• 2.3. 우주기상 예보실 ...15
• 2.4. 연구지원팀 ...15
• 2.5. 예보 교육팀 ...15
• 3. 국내.외 자문 기관 ...16
• 3.1. 공군 본부 / 우주발전과 ...16
• 3.2. 전파연구소 ...16
• 3.3. 경북대학교 ...16
• 3.4. 충남대학교 ...17
• 3.5. 충북대학교 ...17
• 3.6. 서울대학교 ...17
• 3.7. KAIST ...17
• 3.8. SWPC(Space Weather Prediction Center) ...17
• 3.9. NICT 6...17
• 3.10. STELab ...17
• 4. MOU 체결 기관 소개 ...19
• 4.1. UC Berkeley / Space Science Lab ...19
• 4.2. Dartmouth College / Space Physics Group ...19
• 4.3. Kyushu Univ. / Space Environment Research ...19
• 4.4. Kyoto Univ. /Graduate School of Natural Science ...19
• 4.5. Univ. of Newcastle / Center for Space Physics ...19
• 4.6. National Cheng Kung Univ. / Space Science Center ...19
• 4.7. Imperial College / Space Plasma Group ...20
• 4.8. Max Planck Institute for Solar System Research ...20
• 4.9. 한국천문연구원 / 태양우주기상 연구그룹 ...20
• II. 연구사업 추진 체계 ...21
• 1. 1차년도 (2010년) ...21
• 2. 2차년도 (2011년) ...22
• 3. 3차년도 (2012년) ...24
• 4. 4차년도 (2013년) ...25
• 5. 5차년도 (2014년) ...27
• III. 국내외 우주기상 예측 모델 개발 현황조사 및 분석 ...28
• 1. SWPC(Space Weather Prediction Center) 소개 ...28
• 1.1. 개요 ...28
• 1.2. SWPC에서 제공하는 서비스 ...29
• 1.3. 실시간 우주 기상 상황 정보 ...30
• 1.3.1. GOES X-선 플럭스 ...30
• 1.3.2. GOES 양성자 플럭스 ...31
• 1.3.3. GOES 전자 플럭스 ...31
• 1.3.4. GOES 자력계 ...32
• 1.3.5. 위성 환경 정보 ...32
• 1.3.6. NOAA 예보 규모 ...33
• 1.4. SWPC에서 사용하는 모델 ...36
• 1.4.1. 지자기 예측 모델 ...36
• 1.4.2. 태양풍 예보 모델 ...37
• 1.4.2.1. Wang Sheeley 모델 ...37
• 1.4.2.2. GPS 예측 모델 ...39
• 1.4.2.3. 통신 예측 모델 ...39
• 1.4.2.4. 국제적 D층 흡수 예측 모델 ...40
• 1.4.2.5. 위성 환경 예측 모델 ...41
• 2. 일본 정보통신 연구기구 (NiCT) ...42
• 2.1. 개요 ...42
• 2.2. 연구 사업 ...43
• 2.2.1. 전파 전반 피해 연구사업 ...43
• 2.2.2. 우주환경 모니터링 및 예보사업 ...44
• 2.3. 우주기상 예보 ...47
• 2.3.1. 우주기상 정보 센터 ...47
• 2.3.2. 우주기상예보 사례 ...50
• 2.3.3. 우주환경 정보 서비스 ...59
• 3. 국제 우주환경 서비스 (ISES, International Space Environment Service) ...62
• 3.1. 개요 ...62
• 4. CCMC(Community Coordinated Modeling Center) ...66
• 4.1. 소개 ...66
• 5. CSEM (The Center for Space Environment Modeling) ...71
• 6. 우주기상 예측모델 개발 기관 ...75
• 6.1. CCMC(community Coordinated Modeling Center) ...71
• 6.2. Kameleon Software ...75
• 6.3. CSEM (Center for Space Environment Modeling) ...76
• 6.4. CISM (Center for Integrated Space Weather Modeling) ...77
• 6.4.1. ISM 목적 ...79
• 6.4.2. ISM에 적용 모델 ...80
• 6.4.3. 실시간 예보 순서 ...82
• 6.4.4. 연구방법 ...82
• 6.4.5. ISM : High-Level 구조 ...82
• 6.4.6. ISM 계산 격자(ISM Computational Grid) ...83
• 6.4.7. ISM 모델 특징 ...84
• 6.4.8. ISM 시뮬레이션 결과 ...85
• 6.4.9. 북쪽방향 IMF 동안 전리층의 전류 변화 ...88
• 6.4.10. 북쪽방향 IMF 동안 자기권의 전류 폐쇄(Closure) ...88
• 6.4.11. ISM 발전 상태 ...88
• 6.4.12. Nuclear 환경 예보에서 ISM의 역할 ...89
• 6.4.13. Comprehensive Space Environment Model ...91
• 6.5. 기타 모델 제공처 ...91
• 6.6. 데이터 소스 ...91
• 7. 국외 우주기상 예측 모델 ...92
• 7.1. 태양-태양계의 결합된 예측모델 ...92
• 7.1.1. CORHEL(MAS/WSA/ENLIL) 모델 ...92
• 7.1.2. SWMF/SC/IH(Space Weather Modeling Framwork/Solar Corona/Inner Heliospere) 모델 ...93
• 7.2. 결합된 자기권 예측모델 ...94
• 7.2.1. SWMF/BAT-R-US with RCM 모델 ...94
• 7.3. 태양 예측모델 ...95
• 7.3.1. PFSS(Potential Field Source Surface) 예측모델 ...95
• 7.3.2. WSA/PF +CS 예측모델 ...96
• 7.3.3. SWMF/SC/IH 모델 ...97
• 7.3.4. ANMHD(Anelastic Magnetohydrodynamic Solver) 예측모델 ...97
• 7.4. 태양권 예측모델 ...98
• 7.4.1. CORHEL (MAS/WSA/ENLIL) 예측모델 ...98
• 7.4.2. SWMF/SC/IH 예측모델 ...98
• 7.4.3. ENLIL 예측모델 ...98
• 7.4.4. ENLIL with Cone Model 예측모델 ...100
• 7.4.5. Heliosphere Tomography 예측모델 ...101
• 7.4.6. Exospheric Solar Wind 예측모델 ...102
• 7.4.7. EMMREM(Earth-Moon-Mars Radiation Environment Module) 예측모델 ...104
• 7.5. 자기권(magnetosphere) 예측모델 ...105
• 7.5.1. Global Magnetosphere ...105
• 7.5.1.1. BATS-R-US 예측모델 : 149 페이지 참조 ...105
• 7.5.1.2. SWMF/BATS-R-US with RCM 예측모델 : 149 페이지 참조 ...105
• 7.5.1.3. OpenGGCM 예측모델 ...105
• 7.5.1.4. GUMICS 예측모델 ...105
• 7.5.1.5. LFM(Lyon-Fedder-Mobarry)-MIX(Magnetosphere Ionosphere Coupler/Solver) 예측모델 ...108
• 7.5.1.6. WINDMI 예측모델 ...109
• 7.5.2. Inner Magnetosphere ...109
• 7.5.2.1. Fok Ring Current 예측모델 ...110
• 7.5.2.2. AE-8/AP-8 RADBELT 예측모델 ...111
• 7.5.2.3. IGRF(International Geomagnetic Reference Field) 예측모델 ...112
• 7.5.2.4. Tsyganenko Model 예측모델 ...113
• 7.6. 전리층(IONOSPHERE)/ 열권(THERMOSPHERE) 예측모델 ...114
• 7.6.1. Ionosphere/Thermosphere ...114
• 7.6.1.1. SAMI2 예측모델 103 ...114
• 7.6.1.2. CTIP(Coupled Thermosphere-Ionosphere-Plasmasphere) 예측모델 ...115
• 7.6.1.3. ABBYNormal 예측모델 ...116
• 7.6.1.4. USU-GAIM 예측모델 ...118
• 7.6.1.5. IRI(International Reference Ionosphere) 예측모델 ...119
• 7.6.1.6. TIE-GCM(Thermosphere-Ionosphere- Electrodynamics General Circulation Model ) 예측모델 ...120
• 7.6.2. Ionosphere Electrodynamics ...121
• 7.6.2.1. Weimer 예측모델 ...121
• 7.6.2.2. MSISE 예측모델 ...122
• 8. 국내 우주기상 예측모델 개발 현황 ...123
• 8.1. 한국천문연구원 태양우주환경 연구그룹 ...123
• 8.2. 전파연구소 ...125
• IV. 우주기상 예측 모델 도입 및 개발 ...126
• 1. 태양 모델 요약 ...126
• 1.1. 태양 관측 자료 분석 자동화 연구 ...126
• 1.2. 플레어 예보 모델 ...130
• 1.3. 고에너지 입자 예보 모델 ...133
• 1.4. 도입 Model 비교 및 우선순위 ...137
• 1.4.1. 태양자료 자동분석모델 ...137
• 1.4.2. 플레어 예보 모델 ...139
• 1.4.3. 고에너지 입자 예보 모델 ...141
• 2. 행성간 공간(태양풍) 영역 예측모델 ...143
• 2.1. 연구 내용 ...143
• 2.2. 태양풍 예측모델들의 도입 ...147
• 2.2.1. WSA 모델과 ENLIL 모델의 비교 ...147
• 2.2.2. 태양풍 예보 모델 평가표 ...148
• 2.2.3. 태양풍 예측모델 도입 추천순위 결정 ...149
• 2.2.3.1. 추천 모델 - WSA (Wang-Sheeley-Arge) 모델 ...149
• 2.2.3.2. 향후 발전 계획 ...149
• 2.2.3.3. 태양-태양풍예보모델(NICT) ...150
• 3. 자기권(Magnetosphere) 영역 예측모델 : NICT ...153
• 4. 자기권계면 위치 예측모델 비교 및 우선순위 ...157
• 5. 전리권(Ionosphere)/대기권 영역 예측모델 ...161
• 1.1. 전리권/고층대기 모델 ...161
• 1.2. 기존 모델 도입 ...164
• 1.2.1. CISM의 열권-전리권 모델 (TING) 도입(The Center for Integrated Space Weather Modeling) ...164
• 1.2.2. SWMF 전리권 모델 및 고층대기 모델(Space Weather Modeling Framework) ...165
• 1.2.3. 우주기상 예보활용 예 ...167
• 1.2.4. 문제점 ...168
• 1.3. Space Weather Simulation (SWS in NICT) ...168
• 1.3.1. 문제점 ...169
• 1.3.2. 우주기상 예보 활용의 예 ...169
• V. 연구사업 일반 ...171
• 1. 예산 총액(5년) : 600 백만원 ...171
• 2. 참여 연구원 ...171
• 3. 1차년도 사업비 총괄 표 ...172
• [별첨 1] 연구과제 워크샵 자료 (2010.12.03) ...173
• [별첨 2] 우주기상 학.연.산 간담회 ...244