초록 ▼

본 연구의 핵심목표는 NCAR 에서 개발하여 발전시켜온 기후모델인 CCSM3 기상장으로 구동되는 전구 대기화학 모델링 시스템을 GEOS-Chem 을 바탕으로 국내에 맞게 개선하여 독자적으로 구축하고 운영하여 GEOS-Chem/CCSM3 즉 궁극적으로 CCSM-Chem 이라는 새로운 Off-line 기후-화학 접합 모델링 시스템을 구축하는 것이다. 전지구 규모의 기후-화학접합 모델링 시스템의 구축과 운용을 위해서 전구대기화학모형 연구부, 기후모델 연구부, 배출목록 연구부, 그리고 모델 병렬화 연구부의 네 전문가 그룹을 구성하여 상호

본 연구의 핵심목표는 NCAR 에서 개발하여 발전시켜온 기후모델인 CCSM3 기상장으로 구동되는 전구 대기화학 모델링 시스템을 GEOS-Chem 을 바탕으로 국내에 맞게 개선하여 독자적으로 구축하고 운영하여 GEOS-Chem/CCSM3 즉 궁극적으로 CCSM-Chem 이라는 새로운 Off-line 기후-화학 접합 모델링 시스템을 구축하는 것이다. 전지구 규모의 기후-화학접합 모델링 시스템의 구축과 운용을 위해서 전구대기화학모형 연구부, 기후모델 연구부, 배출목록 연구부, 그리고 모델 병렬화 연구부의 네 전문가 그룹을 구성하여 상호 유기적인 협력을 통해 효과적으로 목표를 성취하였다.
본 연구는 대기화학모형 연구부가 과제를 총괄한다. 대기화학모형 연구부에서는 전지구규모 대기화학모델로 GEOS-Chem version 8 을 기본 모형으로 한 전구 대기화학모델링 시스템을 국내 최초로 도입, 구축하여 기후변화에 따른 대기환경의 변화를 과학적으로 이해하고 평가하는 기초를 다지게 되었다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 국립환경과학원 연구용역사업 최종보고서 ... 3
• 목차 ... 4
• List of Figures ... 9
• List of Tables ... 15
• 요약문 ... 17
• 제 1 장 과업의 수행과 성취 ... 19
• 가. 기술 개발의 필요성 ... 19
• 나. 과업수행 진행 ... 21
• 다. 성취 현황 요약 ... 23
• 제 2 장 세부과업 상세 진행내용 ... 26
• 1. CCSM 기상장으로 구동되는 전구 대기화학 모델 개발 및 구동 ... 26
• 1.1. 개요 ... 26
• 1.2. GEOS-Chem 모델 ... 26
• 1.3. 수행내역: CCSM과의 연동 ... 28
• 1.4. CCSM3와 연동된 GEOS-Chem (GEOS-Chem/CCSM3)의 결과 검증 ... 37
• 1.4.1. 기체상태 화학물질 검증 ... 37
• 1.4.1.1. 모델 자료와 비교된 기체들 ... 37
• 1.4.1.2. 모의된 기체들 비교 ... 38
• 1.4.1.3. 기상장의 비교 ... 47
• 1.4.1.4. 요약 및 결론 ... 48
• 1.4.2. 전지구 에어로졸의 수지(budget) 분석 ... 49
• 1.4.2.1. 무기성 에어로졸 ... 49
• 1.4.2.2. 탄소 성분 에어로졸 ... 54
• 1.4.2.3. 자연 발생 에어로졸 ... 59
• 1.4.2.4. 타 모델들과의 비교 ... 64
• 1.4.3. TRACE-P 관측자료를 이용한 CCSM-Chem 모델 검증 ... 70
• 1.4.3.1. 관측자료 ... 70
• 1.4.3.2. 모델모의 ... 70
• 1.4.3.3. 가스상 물질 검증 ... 71
• 1.4.3.4. 모의된 에어로졸 검증 ... 75
• 1.4.3.4. 결론 및 토의 ... 78
• 1.4.4. TRACE-P 와 지상 관측 자료의 BC 에어로졸을 이용한 GEOS-Chem/CCSM3 모델검증 ... 79
• 1.4.4.1. 모델 모의 ... 79
• 1.4.4.2. 동아시아의 BC 에어로졸의 지역적 분포 ... 79
• 1.4.4.3. TRACE-P를 이용한 모델검증 ... 81
• 1.4.4.4. 지상관측 자료를 이용한 모델 검증 ... 84
• 1.4.4.5. 토의 및 결론 ... 85
• 1.4.5. 에어로졸 광학두께 비교 ... 85
• 1.4.5.1. MODIS AOD와 비교 ... 85
• 1.4.5.2. 기상장에 따른 각 에러로솔별 광학두께 비교 ... 88
• 1.4.5.3. AERONET AOD와 비교 ... 91
• 1.4.5.4. 결론 및 토의 ... 92
• 1.4.6. GEOS-Chem/CCSM3를 이용한 2003년 5월 산불 실험 ... 93
• 1.5. 세부수행계획상 목표달성 토의 및 앞으로의 연구방향 ... 96
• 참고문헌 ... 97
• 2. 전 지구 및 동아시아 emission inventory 자료 조사 및 구축 ... 101
• 2.1. 서 론 ... 101
• 2.1.1. 연구의 배경 및 목적 ... 101
• 2.1.2. 연구의 범위 및 방법 ... 102
• 2.2. 기존 배출목록의 조사 및 선정 ... 103
• 2.2.1. 전 지구 배출목록들의 개요 및 특성 ... 103
• 2.2.1.1. POET (POET inventory documentation) ... 103
• 2.2.1.2. RETRO (Reanalysis of the TROpospheric chemical compostion over the pas 40years) ... 105
• 2.2.1.3. EDGAR (Emission Database for Global Atmospheric Research) ... 106
• 2.2.1.4. EDGAR-HYDE (100 YEAR) ... 108
• 2.2.1.5. GFED v2 (Global Fire Emissions Database version 2) ... 108
• 2.2.1.6. GEIA v.1 (Global Emissions Inventory Activity) ... 108
• 2.2.1.7. UNFCCC 배출목록 ... 109
• 2.2.1.8. Bond et al. inventory ... 109
• 2.2.2. 전 지구 배출목록 비교 분석 및 주 대상 배출목록 선정 ... 110
• 2.2.2.1. 배출목록의 비교분석 및 주 대상 목록의 선정 ... 110
• 2.2.2.2. 선정된 배출목록의 세부특성 ... 113
• (1) Hindcasting - EDGAR-HYDE ... 113
• 1) 시간에 따른 물질별 배출량 변화 경향 ... 117
• 2) 배출원 별 총 기여도 비교 ... 117
• a. CO2 ... 118
• b. CH4 ... 118
• c. N2O ... 118
• (2) 기준연도(Base-year) - EDGAR 3.2 FT2000과 GEIA ... 121
• 2.2.3. 아시아 배출 목록들의 개요 및 특성 ... 125
• 2.2.3.1. LTP inventory ... 126
• 2.2.3.2. TRACE-P inventory ... 127
• 2.2.3.3. REAS(Regional Emission inventory in ASia) Inventory ... 134
• 2.2.3.4. INTEX2006 inventory ... 140
• 2.2.3.5. ABBI Inventory ... 143
• 2.2.4. 아시아 배출목록 비교 분석 및 주 대상 배출목록 선정·분석 ... 144
• 2.2.4.1. 각 물질별 지역별 기여도 및 섹터별 배출 총량 비교 ... 144
• (1) SO2 ... 144
• (2) NOx ... 145
• (3) CO ... 146
• (4) NH3 ... 147
• (5) CO2 ... 148
• 2.2.4.2. 배출목록 기준연도에 따른 물질별 배출총량 비교 ... 149
• (1) 기준연도 2000 배출목록 (TRACE-P inventory, REAS, LTP Inventory) 비교 ... 149
• (2) 2006 년 기준연도 배출목록(INTEX2006, REAS2006 prediction) 비교 ... 152
• 2.2.4.3 배출목록 기준연도 변화에 따른 물질별 배출총량 비교 ... 153
• (1) TRACE-P inventory 및 INTEX2006 배출목록 비교 ... 153
• (2) REAS 배출목록 비교(2000년 base year 및 2006년 prediction) ... 154
• 2.2.4.4. 아시아 배출목록 비교 분석 및 주 대상 배출목록 선정 ... 155
• 2.3. 배출자료 처리 (Emissions Processing) ... 156
• 2.3.1. Emissions projection ... 156
• 2.3.1.1. 전 지구 Emissions projection ... 156
• 2.3.1.2. 아시아 emissions projection ... 159
• 2.3.2. 배출량의 시간할당 ... 163
• 2.3.3. 화학종 분화 ... 166
• 2.3.3.1. Source mapping ... 167
• 2.3.3.2. 화학종별 질량분율 ... 168
• 2.4. 산정결과 및 분석 ... 170
• 2.4.1. 배출목록 산정결과 ... 170
• 2.4.1.1. 1997~2007년간의 전 지구 배출목록 산정결과 ... 170
• 1) CO ... 171
• 2) NOx ... 175
• 3) NMVOC ... 178
• 4) BC, OC ... 183
• 5) NH3 ... 186
• 6) SO2 ... 187
• 2.4.1.2. 1997~ 2007년간의 아시아 배출목록 산정결과 ... 190
• 2.4.2. 산정된 전지구 배출목록의 Processing결과 ... 194
• 2.4.2.1. 물질별 연도별 공간분포 ... 194
• (1) CO 배출량의 연도별 공간 분포 ... 194
• (2) BC, OC 배출량의 연도별 공간 분포 ... 197
• (3) SO2 배출량의 연도별 공간 분포 ... 202
• 2.4.2.2. 배출량의 월별 공간분포의 변화 ... 205
• (1) 월별 CO 배출량변화 ... 205
• (2) 월별 NOx 배출량변화 ... 208
• 2.4.2.3. 화학종 분화된 NMVOC 배출목록 ... 211
• 2.4.2.4. 오염물질별 ratio analysis ... 213
• (1) NOx vs. CO ... 213
• (2) BC vs. CO 와 OC vs. CO ... 215
• (3) BC/OC ratio ... 217
• (4) SO2 vs. CO ... 218
• 2.4.3. 배출목록의 정도 관리 (QA/QC) ... 219
• 2.4.3.1. 불확실성 분석 ... 219
• 2.5. 요약 및 결론 ... 223
• 참고문헌 ... 224
• 3. CCSM 모델의 장기 적분 및 모델특성 파악 - NCAR CCSM 화학모델 입력자료 구축을 위한 모델 운용 ... 228
• 3.1. 개요 ... 228
• 3.1.1. 과업수행 내역 요약 ... 228
• 3.2. CCSM3 모델의 Linux Cluster에 장착 및 구동 ... 229
• 3.2.1. 하드웨어 및 소프트웨어 ... 229
• 3.2.2. CCSM3 구성 ... 229
• 3.2.3. CCSM3 실행파일 생성 (building) ... 231
• 3.2.4. 모델 실행의 예 ... 232
• 3.3. 장기 적분된 CCSM3 기상장 특성 분석 ... 233
• 3.3.1. Case 구성: 실험명 fv_B ... 233
• 3.3.2. 평균장 분석 ... 235
• 3.3.3. 연변화 (annual cycle) ... 250
• 3.3.4 경년변동 (interannual variability) ... 253
• 3.3.5 EOF (경험적직교함수) 분석 ... 258
• 3.4. CCSM3-Chem을 이용한 시베리아 산불에 의한 대기반응 ... 259
• 3.4.1. 목적 ... 259
• 3.4.2. 실험방법 ... 259
• 3.4.3 결과 ... 263
• 3.5. CCSM2.0의 장기적분 및 모델 특성 파악 ... 267
• 3.5.1 CCSM2.0 모델 특성 ... 268
• 3.5.2. CCSM2.0 장기적분 수행 결과 ... 269
• 3.6. CCSM2.0을 이용한 aerosol 강제력에 대한 기후 민감도 실험 ... 285
• 3.7. 요약 및 성과 ... 299
• 참고문헌 ... 299
• 4. 모델 병렬화를 위한 코드 분석 및 병렬 알고리즘 초기 장착 ... 301
• 4.1. 개요 ... 301
• 4.1.1. 제목 ... 301
• 4.1.2. 연구의 목적 및 중요성 ... 301
• 4.1.2.1. 연구의 목적 ... 301
• 4.1.2.2. 연구의 중요성 ... 301
• 4.1.3. 연구의 내용 및 범위 ... 301
• 4.1.3.1. GEOS-Chem 모델의 구조 분석 ... 301
• 4.1.3.2. 모델 분할을 통한 성능 개선 연구 ... 302
• 4.1.3.3. 연산 분산을 통한 성능 개선 연구 ... 302
• 4.1.3.4. 대기 모델 분산처리 연구 활동 조사 ... 302
• 4.1.4. 연구결과 ... 302
• 4.1.4.1. 소스코드 ... 302
• 4.1.4.2. 최종보고서 ... 302
• 4.1.5. 활용에 대한 건의 ... 302
• 4.1.6. 기대효과 ... 303
• 4.2. GEOS-Chem 모델의 구조 분석 ... 303
• 4.2.1. GEOS-Chem 모델 개요 ... 303
• 4.2.2. restart 파일 분석 ... 304
• 4.2.2.1. 개요 ... 304
• 4.2.2.2. 파일형식 ... 304
• 4.2.3. ctm.bpch 파일분석 ... 307
• 4.2.3.1. 개요 ... 307
• 4.2.3.2. 파일형식 ... 309
• 4.2.4. 모델 분할을 통한 성능 개선 연구 ... 309
• 4.2.4.1. 개요 ... 309
• 4.2.4.2. 모델 분할 위한 점검사항 ... 309
• 4.2.4.3. 연구내용 ... 310
• 4.2.4.4. 각 노드에게 보내주어야 할 데이터 ... 310
• 4.2.4.5. 데이터 입출력 방법 ... 311
• 4.2.4.6. 데이터 나누는 방법 ... 311
• 4.2.4.7. 노드 수 결정 ... 314
• 4.2.5. Nested Grid 측면에서의 분석 ... 315
• 4.2.5.1. 개요 ... 315
• 4.2.5.2. Grid 다이어그램 구조 ... 315
• 4.2.5.3. Grid 관련 변수 ... 316
• 4.2.5.4. Nested Grid 동작 분석결과 ... 318
• 4.2.6. restart 파일 측면에서의 분석 ... 318
• 4.2.6.1. 개요 ... 318
• 4.2.6.2. 관련 파일 ... 319
• 4.2.7. 모델 분할을 통한 성능 개선 세부 방안 ... 319
• 4.2.7.1. 시작 위치와 길이 조작하여 수행하는 방법 ... 320
• 4.2.7.2. 지정된 범위가 아닐 경우 연산하지 않는 방법 ... 320
• 4.2.7.3. Nested Grid 이용한 방법 ... 320
• 4.2.7.4. Grid 크기 조작 ... 320
• 4.2.7.5. I0, J0, IIPAR, JJPAR 조작하기 ... 322
• 4.2.8. 연구결과 ... 323
• 4.3. 연산 분산을 통한 성능 개선 연구 ... 323
• 4.3.1. 개요 ... 323
• 4.3.2. 연구 진행 요약 ... 324
• 4.3.3. 모델의 실행 구조 분석 ... 325
• 4.3.3.1. 프로그램 코드 기반 정적 분석 ... 325
• 4.3.3.2. 프로그램 수행 기반 동적 분석 ... 325
• 4.3.4. 서브루틴 별 연산 부하 측정 ... 326
• 4.3.4.1. 프로파일링 프로그램 이용 서브루틴 별 연산 수행 시간 산출 및 분석 ... 326
• 4.3.4.2. 선별된 서브루틴 대상으로 내부 반복문에 대한 연산 부하 분석 ... 326
• 4.3.5. 서브루틴 별 분산처리 판단 ... 327
• 4.3.5.1. 앞 단계에서 파악된 반복문을 대상으로 분산처리 가능 여부 판단 ... 327
• 4.3.5.2. 1회 수행 시간, 전체 처리량 기준으로 1차 선정 : 서브루틴 3개 ... 328
• 4.3.5.3. 실제 반복문의 분산처리 가능 여부로 2차 선정 : 서브루틴 2개 ... 328
• 4.3.6. 분산처리 위한 코드 수정 ... 328
• 4.3.6.1. COMM_MOD 모듈 추가 ... 328
• 4.3.6.2. 해당 서브루틴 수정 ... 329
• 4.3.7. 실제 구동환경에서의 실험 ... 330
• 4.3.7.1. 분산처리 연산결과 검증 ... 330
• 4.3.7.2. 1차 테스트: Gigabit 네트워크를 사용하는 클러스터 환경 ... 330
• 4.3.7.3. Diskkless 환경에서의 네트워크 부하를 줄이기 위한 코드 수정 ... 330
• 4.3.7.4. 분산처리 코드 수행 ... 330
• 4.3.7.5. MPI_BCAST 함수를 이용한 데이터 교환의 문제점 ... 331
• 4.3.7.6. MPI_BCAST 함수의 대안: MPI_ALLGATHER 함수 ... 331
• 4.3.7.7. 2차 테스트 ... 332
• 4.3.7.8. 3차 테스트: 서울대 연구실 클러스터 환경 ... 333
• 4.3.8. 연산 분산을 통한 성능 개선 연구 결과 ... 335
• 4.4. 분산처리 연구 활동 조사 ... 335
• 4.4.1. 개요 ... 335
• 4.4.2. 국내외 e-Science 연구동향 ... 335
• 4.4.3. GEOS-Chem 모델 연구 동향 ... 336
• 참고자료 ... 337
• 제 3 장 세부수행계획상 목표달성 ... 338
• 제 4 장 참고문헌 ... 340
• 부록: 분산처리 판단 위한 소스코드 분석결과 ... 347