초록 ▼

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
1. 국립기상연구소 ARGO 프로그램 및 해양변동성 연구
국립기상연구소는 전 지구 해양감시망 구축을 목적으로 하는 국제 ARGO1) 공동연구에 2001년부터 참여하여 2012년 1월 현재까지 총 138기의 ARGO 플로트를 동해와 북태평양 일대에 투하하였다. 2011년도에는 극지연구소 쇄빙선 “아라온”을 이용하여 동해와 캄차카반도 동남해역에 각각 8기와 6기의 플로트를 추가로 투하하였다. 당해연도에는 동해와 북태평양에서 수집된 ARGO 플로트 자료를 활용하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. 먼저,

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
1. 국립기상연구소 ARGO 프로그램 및 해양변동성 연구
국립기상연구소는 전 지구 해양감시망 구축을 목적으로 하는 국제 ARGO1) 공동연구에 2001년부터 참여하여 2012년 1월 현재까지 총 138기의 ARGO 플로트를 동해와 북태평양 일대에 투하하였다. 2011년도에는 극지연구소 쇄빙선 “아라온”을 이용하여 동해와 캄차카반도 동남해역에 각각 8기와 6기의 플로트를 추가로 투하하였다. 당해연도에는 동해와 북태평양에서 수집된 ARGO 플로트 자료를 활용하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. 먼저, 동해 해양순환 예측시스템의 재현도 향상에 대한 ARGO 플로트 자료의 기여도에 관해 살펴보고자, 3차원 변분동화기법이 적용된 지역 예측시스템을 이용하여 플로트 자료 유·무에 대한 재분석장을 생산하여 각각의 결과를 관측자료와 비교·분석하였다. 또한, 북태평양에서 관측된 ARGO 플로트 자료를 최적내삽법을 활용하여 월별로 격자화 하였고, 격자자료를 바탕으로 북태평양의 수온 및 등수온층 깊이의 시·공간 분포를 살펴보았다
2009년을 연구기간으로 동해 ARGO 플로트 수온자료의 동화 유·무에 따른 수치 실험을 수행하여 각각의 결과를 비교한 결과, 주로 플로트의 관측밀도가 높은 40°N 이남지역에서 동한난류의 이안, 중규모 에디의 형성 및 발달에 큰 차이가 나타났다.
또한, 표류부이 자료로부터 얻은 표층유속과의 비교를 통해, 특히 ARGO 플로트 자료를 동화한 결과에서, 중규모 에디의 생성 및 발달이 관측치에 근접하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 북태평양의 ARGO 플로트 수온 격자자료 바탕으로 한 2004∼2010년 평균 수온 및 등수온층 깊이 분포는 World Ocean Atlas 2001의 기후값과 절대값에서 차이가 나타나나, 전반적으로 유사한 공간분포를 나타내었다. 등수온층의 최대 깊이(> 250m)는 주로 겨울철(2∼3월)의 subarctic 지역에서 나타났다. 또한, Central Mode Water와 North Pacific Subtropical Mode Water가 형성되는 subarctic front(45°N, 150°E-160°W)와 Kuroshio Extension front(35°N, 140°E-180°W)의 남쪽에서도 200m 이상의 깊은 등수온층이 각각 나타났다. 특히 Centeral Mode Water의 형성해역에서 동계-춘계에 경년 변동성이 강했으며, 2006-2008년에 양의 아노말리가 그리고 2005년 및 2009-2010년에 음의 아노말리가 각각 나타났다.
전지구 해양자료동화 시스템 개발의 일환으로 당해연도에는 영국기상청 계절예측 시스템인 GloSea4의 약 15년간의 해양초기장 특성을 살펴보았다. 본 연구에서는 전지구 해양과 더불어 계절예측에 있어 중요한 열대태평양 해역을 주요 연구해역으로하여 서태평양 적도부근의 warm pool 지역 및 Nino 3.4 해역의 표층수온을 타기관의 재분석자료(SODA, GODAS)와 비교하였다. 전지구 표층수온의 경우, NOAA의 OI-SST 분석자료를 기준으로 했을 때, 태평양 적도, 북서태평양, 그리고 인도양에서 약 0.3℃의 음의 아노말리를 나타내었으나, 타기관 자료와 비교했을 때 차이는 비교적 약한 것으로 나타났다. 또한, warm pool 지역의 수온 경계(28℃ 등치선) 변화 및 NINO 3.4 해역에서의 수온변동도 타기관 자료에 비해 OI-SST 결과에 가장 가깝게 모사하는 것을 확인 할 수 있었다. 이외에도 표층유속 및 염분분포를 관측 결과에 기반한 분석장들과 비교하였고, 결과 전반적으로 적도태평양의 흐름패턴은 관측에 가깝게 모사하고 있으나, 표층염분의 경우 인도양 및 남태평양 해역에서 - 0.5 PSU 이상의 강한 차이를 나타내는 특징을 보였다.
2. 현업 해양기상 예측시스템 개선연구
1) 전지구 파랑 예측시스템 개선 연구
2011년 기상청 전지구 통합모델(UM)의 수평격자의 해상도가 약 40km에서 25km로 변경되면서 이에 맞게 전지구 파랑 예측시스템의 해상도의 변경이 필요하게 되었다. 전지구 파랑 예측시스템의 해상도를 기존의 0.5°에서 0.25° 로 변경하였고 시간 적분 간격을 조정하였다. 바람자료는 전지구 통합모델인 UM_N512L70 자료를 0.25° 해상도에 맞게 내삽하여 사용하였고 2011년 7월부터 8월까지 두 달 동안 모델을 수행하였다. 한편 본 시스템에서는 해상풍에 의한 파에너지 생성과 소멸과 관련된 모수화 과정은 Tolman and Chalikov(1996)을 사용하고 있다. 이 방식은 파의 성장을 유지시키기 위하여 유효 해상풍 계수(effective wind factor:c_O)를 사용하는데, 해상풍에 의해서 파랑 변수에 특별한 편차 값을 보일 때 c_O 값을 조절함으로서 편차를 보정할 수 있다. 본 연구에서는 c_O 를 조절하면서 고해상도 전지구 파랑예측시스템의 주요 통계 값을 분석해보고 최적의 계수를 선정하였다.
고해상도 전지구 파랑 예측시스템의 수행 결과 해상풍의 bias 와 RMSE는 기존 보다 향상되었으나 유의파고의 경우 기존 시스템 보다 커지는 경향을 보여 고해상도 전지구 파랑 예측시스템이 유의파고를 강하게 모의하는 경향이 뚜렷하였다. 또한 기존의 시스템에서는 c_OO2) 지방청 관할 해역별 국지연안 파랑 예측시스템 구축
기상청에서 동네예보가 시행되면서 지방청 예보 구역별로 해상 광역 예보 구역이 구분되어짐에 따라 기존의 국지연안 파랑 예측시스템의 예보 활용을 위해서 지방청별 예보 영역에 맞춘 예측시스템이 필요하게 되었다. 따라서 지방청 예보 구역별로 연안 상세 파랑 예측시스템의 개발 및 현업운영이 필요하게 되어 대전청, 광주청 그리고 제주청의 관할 해상 예보구역에 대한 상세 파랑 예측시스템을 개발하였다.
지방청 관할 국지연안 파랑 예측시스템(CWW3:Coastal WAVEWATCH-III)의 분해능은 약 1km(1/120°)로 설계되었고, 경계면 예측 스펙트럼 자료는 지역 고해상도 지역 파랑예측 시스템에서 만들어진 자료를 사용하고 바람자료는 기상청 지역모델(UM 12km L70)을 사용한다. 이 시스템은 현재 수퍼컴 3호기에서 시험운영체계로 구축되었고 1일/2회(00, 12UTC) 48시간까지 실시간으로 자료가 생산되고 있다(내부 인트라넷 http://172.29.101.152/～ocean1/ MML_wave_main.html). 기상청의 부이자료(덕적도, 칠발도, 거문도, 마라도, 외연도 부이)를 이용하여 3개월 (2011년 9-11월) 동안의 Bias 와 RMSE 값을 분석을 하였다. Bias의 경우 24예보시간에 대해서 전체적으로 모델값이 관측값보다 과소모의 하는 경향이 나타나며 11월에 들어서면서 관측값보다 모델이 유의파고를 약간 크게 모의하는 경향이 나타났다. RMSE의 경우 10월에 거문도와 외연도 부이지점을 제외하고 지방청 관할 국지연안 파랑예측시스템의 모델이 가장 좋은 결과를 보였다. CWW3와 지방청 관할 국지연안 파랑 예측시스템이 비슷한 경향을 보이고 있으며 마라도 부이 지점이 다른 부이지점에 비해 RMSE가 조금 높게 나타났다. 전반적으로 현재 현업으로 운영되고 있는 CWW3 모델과 월별·부이지점별로 약간의 차이를 보이고 있지만 비슷한 검증결과를 보이고 있고 RWW3보다는 지방청 관할 국지연안 파랑 예측시스템의 예측성능이 탁월하다.
3) 지방청별 국지연안 폭풍해일 예측시스템 구축
기상청에서는 2006년 7월 1일부터 현업으로 이용되고 있는 2차원 지역 폭풍해일 모델(Regional Tide/Surge Model)을 이용하여 태풍 내습시 우리나라에 심각한 피해를 주는 폭풍해일을 예측하는데 객관적인 예보기준을 제공하고 있다. 또한 우리나라 연안의 상세하고 정확한 예측을 위하여 우리나라 주변 해역을 약 1km로 나누어 6개의 동일한 영역으로 CTSM (Coastal Tide/Surge Model)을 구축하고 시험운영하고 있다. 하지만 우리나라 연안 해양기상 예보의 활용을 위해 지방청별 예보영역에 맞춘 예보 모델이 필요성이 부각되었다. 작년에 강원청(CTSM_GAWN)과 부산청 (CTSM_BUSN) 관할 예보구역의 1km의 수평격자를 갖는 모델을 구축하였고 2010년 6월부터 1일 2회 00 UTC와 12 UTC에 72시간 예보를 수행하여 모델을 실시간으로 운영하고 있다. 올해는 대전지방기상청(CTSM_DAJN), 광주지방기상청 (CTSM_GWNJ), 제주지방기상청 (CTSM_JEJU) 관할 예보 구역의 모델을 구축, 현업으로 운영하고자 연구를 수행하였다. 지방청 모델들은 1일 2회 00UTC와 12 UTC에 72시간 예측이 수행이 이루어지도록 하였다. 72시간 모델수행이 완료되면 3시간 마다 2차원 폭풍해일고 분포도, 폭풍해일고 종합 분포도와 각 검조소 지점별 72시간 조석/해일고 시계열 그림을 표출한다. CTSM_DAJN는 인천, 평택, 대산, 안흥, 보령의 5개 검조소 지점을 포함하고 있고, CTSM_GWNJ는 장항, 군산외항, 위도, 영광, 목포, 대흑산도, 완도의 7개 지점, CTSM_JEJU는 추자도, 제주, 모슬포, 서귀포, 성산포의 5개 지점을 포함하고 있다(표출시스템:(http://172.29.101.152/～ocean2/ MML_surg_main.html). 2011년 5월부터의 결과가 저장이 되어 있으며 5월부터 9월까지 5개월 동안 수행하였던 결과를 이용하여 각 지방청 영역 내에 위치하고 있는 검조소 관측 값과의 비교를 통해 Bias 및 RMSE의 통계적 방법을 이용하여 검증을 수행하였다.
또한 RTSM과의 결과와의 비교를 통해 모델의 성능을 검증하였다. 월별 예측시간별 차이는 있지만 대체적으로 새로 구축된 모델의 결과가 낮은 Bias를 보인다. RMSE의 경우 모든 예보시간에서 6월이 가장 큰 RMSE를 보인다. 또한 6월과 8월은 모든 예보시간에서 RTSM의 결과가 낮은 RMSE를 보이지만 그 외의월에서는 반대의 결과를 보인다. 예보시간, 지점, 월별 RTSM과 각 지방청별 Bias와 RMSE를 살펴본 결과, 지점마다 예보시간과 월별에 따라 약간의 차이는 있지만 대체적으로 새로 구축된 지방청 모델의 결과가 좋은 예측성능을 보였다.
3. 해양순환 예측시스템 개선 및 항만 범람 예측시스템 개발
1) 해양순환 예측시스템 개선
국립기상연구소에서는 우리나라 주변해역의 수온과 염분, 흐름의 특성을 분석하고 변화를 예측하기 위해 2008년부터 지역해양순환 예측시스템을 구축하여 운영하고 있다. 지금까지 지역 해양순환 예측시스템에서는 양자강 유출수를 월 평균값으로 적용하였으며 최대 유출량은 7월에 59,973 m³/sec 으로 되어 있다. 이로 인해 유출량이 실제보다 많게/적게 적용되어 저염분수의 영향을 과대/과소 모의할 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해 2011년 7월부터 1시간 간격의 실시간 관측 자료를 수집하여 예측시스템에 적용하였다. 그림 5에는 양자강 하구부터 제주도 서측해역까지의 수심에 따른 염분 분포를 제시하였으며, 실시간 관측자료를 적용한 경우 염분분포는 월평균 자료를 입력한 결과보다 0.5∼2 psu 정도 높게 나타났으며 10m 수심까지 차이가 있는 것으로 나타났다.
2) 해양순환 예측시스템을 활용한 표류부이 현업운용 방안 연구
중국대륙에서 이동해오는 기단이 황해를 건너면서 발생하는 대기와 해양의 상호작용으로 그 성질이 급변하여 집중호우와 폭설 등의 현상이 나타나고 있어 황해상에서의 해양기상 정보에 대한 요구가 증가되고 있다. 서해상에서의 해양과 대기 경계층에서의 변화를 감시하기 위한 하나의 방법으로 표류부이를 투하하면 해류를 따른 해양상태를 실시간으로 감시할 수 있고 또한 예측에 활용될 수 있을 것이다. 표류부이의 효과적인 투하와 운영을 위한 방안을 제시하기 위해 본 지역 해양순환 예측시스템을 이용하여 입자추적 수치모의를 수행하고, 표류부이 투하 시 부이의 생존기간과 공간적인 분포를 파악하였다. 그림 6에 1월에 투하한 표류부이의 3개월간 이동 경로와 투하 위치에 따른 3개월후 부이 위치를 제시하였다. 동계의 북서계절풍의 영향으로 1월에 투하한 부이는 대부분 남동측으로 이동하는 것으로 나타났으며, 경기만과 태안 인근 해역에서 투하한 부이는 3개월 이내에 수심이 낮은 해안에 접근하여 관측불능상태가 되는 것으로 나타났다.
3) 항만 범람 예측시스템의 개발
삼면이 바다와 접해 있는 우리나라는 항만을 통해 많은 물류 작업들이 이루어지고 있으며, 해안에는 해수욕장과 같은 휴양지가 조성되어 있어 이를 이용하려는 사람들이 계속해서 증가하고 있다. 이에 따라 기상청에서는 범람에 의해 발생하는 해안 재해를 최소화하기 위해서 태풍 내습시 폭풍해일에 대한 예측을 수행하고 있으며 이를 예보 업무에 활용하고 있다. 또한 최근 들어 해안 저지대나 항만 시설의 범람 발생 가능성과 침수 영역에 대한 정량적인 예측 정보의 필요성이 커짐에 따라 국립기상연구소에서는 2010년부터 범람 예측시스템을 구축하여 운영하고 있다. 그림 7에는 수치표고 모델과 상세 격자 수심자료를 이용하여 구성한 표고 및 수심도와 상세 비구조 격자체계를 제시하였다. 2011년 5호 태풍 메아리 내습시 범람 예측시스템 운영 결과 황해로 북상하여 서해안 일대에 60cm 이상의 해일고가 발생하였으나 조위가 낮은 소조기에 태풍이 내습하여 조위와 해일고를 합한 총 수위는 낮게 나타났다. 앞으로 기상청에서 태풍 발생시 제공되는 중심 위치와 강도에 대한 정보를 이용하여 범람 예측을 추가적으로 실시할 계획이다. 범람 예측시스템이 국민의 생명과 재산을 보호하기 위한 예보 자료로서 그 역할을 충실히 하기 위해서는 시스템의 개선뿐만 아니라 유관 기관과의 협력도 지속적으로 이루어져야 할 것으로 생각된다.
4. 서해의 대기-해양 상호작용에 대한 고찰
서해에서의 대기-해양 상호작용을 살펴보기 위하여 우선 서해 중부해상에 설치된 덕적도 부이에서 1999～2011년의 13년 동안 관측된 자료를 평균하여 수온과 기온의 월 변화 특성을 비교하였다(그림 8). 수온은 2월에 가장 낮고 8, 9월에 가장 높게 나타났다. 수온과 기온의 차이는 3월에 음에서 양으로 바뀌어 4월부터 8월까지는 기온이 수온보다 높았고 9월에 다시 양에서 음으로 바뀌어 10월부터 이듬해 2월까지는 수온이 기온보다 높았다. 특히 5～7월은 기온과 수온의 차이가 커 해무 발생에 유리한 조건이 형성되고 있었으며, 이 기간의 풍계도 남풍이 우세하여 남쪽으로부터 온난 다습한 공기의 이류가 빈번함을 알 수 있었다.
인천에서 1971～2010년의 40년 동안 관측된 안개 발생일의 월 빈도수를 보면 4～7월 사이에 안개 발생이 점점 증가하고 있었다(그림 9). 인천은 서해의 수온의 영향을 직접적으로 받는 곳에 위치하며 또, 조석의 영향이 매우 큰 곳이다. 연안에서 조석 현상은 해수를 연직으로 혼합시키는 역할을 하며 결과적으로 연안의 수온이 더 낮아진다. 이는 기온과 수온의 차이를 더 크게 만드는 효과가 있다. 일본에서 생산된 해수면 온도(New Generation Sea Surface Temperature: NGSST)자료를 이용하여 2003～2010년의 8년 동안 평균한 연평균 해수면온도 분포에서도 서해 연안의 수온이 낮음을 확인할 수 있다(그림 10). 따라서 4～7월 사이에 인천 부근 해상에서 차가운 수면위로 남풍 또는 남서풍이 불 때 온난 다습한 공기의 이류로 이류무가 형성되기 쉬운 조건이 형성되어 있으며 특히, 연안에서의 조석현상에 따른 수온저하로 안개발생과 유지에 더 유리해진다. 그 결과, 이 기간 동안 안개발생이 지속적으로 증가하는 것으로 보인다.
한편, 서해는 조석의 효과가 매우 큰 곳으로 대기-해양 상호작용에 대한 연구를 하기 위해서는 이에 대한 고려가 반드시 필요하다. 그러나 보통 대기모델에서는 조석현상에 따른 조간대, 조위 등의 변화를 고려하지 않기 때문에 기존 모델로는 서해의 영향을 모의하기 어려운 것이 사실이다. 본 연구에서는 앞으로 서해를 중심으로 대기-해양 상호작용에 대한 수치모의 연구를 수행하기 위하여 우선 WRF 모델을 설치하여 해무사례에 대해 시험모의를 수행하였으며(그림 11), 향후 이 모델을 이용하여 조석효과를 반영한 수치모의 실험을 계속 수행해 나갈 계획이다.
5. 지구환경 3차원 가시화시스템(지구·ON) 개발
최근 컴퓨터 성능 및 가시화 기술의 발달에 힘입어 미국 National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA)의 Science On a Sphere(SOS) 및 National Center for Atmospheric Research(NCAR)의 Visualization and Analysis Platform for Ocean, Atmosphere, and Solar Researchers(VAPOR) 등 기상관련 연구소들이 자체적으로 가시화시스템을 개발하고 있는 추세다. 이러한 3차원 가시화시스템은 기상, 기후, 해양, 지진 등 다양한 분야에서 수요가 증가하고 있으며, 이에 역동적인 지구환경을 효율적으로 표출할 수 있는 지구환경 3차원 표출시스템이 요구되고 있다. 국립기상연구소는 2011-2013년간 3년 계획으로 기상·기후·해양·지진 등 역동적인 지구환경을 직관적·효율적으로 표출할 수 있는 지구환경 3차원 가시화시스템(지구·ON) 개발 사업을 추진 중이다. 2011년에는 기후변화 시나리오, 해빙, 자원지도, 토양수분 등의 자료를 이용한 콘텐츠의 다양화 추진 및 기존 시스템의 공간제약성을 극복한 축척모형을 개발하였다. 6회의 축척모형 시연을 통하여 사용예정자들의 의견을 수렴하였으며, 원활한 사업 추진 및 지적재산권 확보를 위하여 특허를 출원(제10-2011-0058752호/2011.6.16)하였고 국유특허 등록 신청(2012년 1월 예정)을 하였다. 지구·ON 개발 완료(2013년 10월) 후 국내외 과학관, 정부기관, 교육기관 등에 설치를 위한 상업화 및 콘텐츠 산업화 추진을 통하여 기상산업화에 기여함으로써 국가경제 선도에 일익을 담당할 것으로 본다.

Abstract ▼

Ⅳ. Research Contents and Results
1. The NIMR’s ARGO Program and ocean variability
The national institute of meterological research(NIMR) has participated in the international ARGO¹⁾ program for the purpose of establishing the global ocean monitoring network since 2001, and it has de

Ⅳ. Research Contents and Results
1. The NIMR’s ARGO Program and ocean variability
The national institute of meterological research(NIMR) has participated in the international ARGO¹⁾ program for the purpose of establishing the global ocean monitoring network since 2001, and it has deployed a total of 138 Argo floats in the East Sea and the North Pacific Ocean as of January 2012. In 2011, NIMR additionally deployed 8 and 6 floats in the East Sea and in the southeastern coast region off the Kamchatka peninsula respectively, using an ice-breaking ship in the Korea Polar Research Institute, “Araon”. In 2011, we performed the research as follows, using Argo data collected in the East Sea and the North Pacific Ocean: First, we carried out experiments with and without data assimilation of Argo temperature data in order to examine impacts of Argo data to the ocean circulation system for the East Sea. The reanalysis fields are then compared with observed velocity data from surface drifters, which are not applied to the assimilation procedure. Also, Argo temperature data were gridded monthly by using the optimized interpolation method to investigate spatial and temporal distributions of isothermal layer depth and the water temperature in the North Pacific Ocean.
The results of numerical experiments with and without Argo data assimilation show that a large differences are generally found in the separation of East Korean Warm Current and the evolution of meso-scale eddy in the mid-southern East Sea where observational density of Argo floats is generally high. The comparison between both reanalysis fields and the flow velocity from surface drifters reveals that the results considering Argo data in the data assimilation have better performance, especially in the evolution of meso-scale eddy in the East Sea.
The distribution of mean water temperatures and the isothermal layer depth on the basis of the ARGO gridded data in the North Pacific Ocean from 2004 to The distribution of mean water temperatures and the isothermal layer depth on the basis of the ARGO gridded data in the North Pacific Ocean from 2004 to 2010 differs in its absolute values from the climatology in World Ocean Atlas 2001; however, it generally showed the similar spatial distribution. The maximum isothermal layer depth (> 250m) can mainly be seen in the subarctic region in the winter(about Feb.). Also, even in the south of the subarctic front (45°N, 150°E-160°W) and Kuroshio Extension front (35°N, 140°E-180°W), where Central Mode Water and North Pacific Subtropical Mode Water are formed, the deep isothermal layer with its depth over 200m can be seen respectively. The present study also reveals that the minimum temperature within the isothermal layer is generally occurs in March, showing 1 month time-lag against the maximum isothermal layer dept.
In an attempt to develop the global ocean data assimilation system, in the relevant year, the characteristics of ocean initial field of GloSea4 for about 15 years were examined. In this study, with the tropical Pacific Ocean the research target which are important in terms of the seasonal forecast as well as the global oceans, the sea surface temperatures in the warm pool region around the equator in the West Pacific and Nino 3.4 region were compared with various reanalysis data (i.e. SODA, GODAS). In the case of the global sea surface temperature, as based on the criteria of the analysis data from NOAA’s OI-SST, the equator in the Pacific Ocean, in the Northwest Pacific Ocean, and in the Indian Ocean, the negative anomaly at about 0.3℃ was shown but as compared to the other reanalysis data(i.e., SODA, GODAS), there was a relatively small difference. Also, it was confirmed that even the change in the water temperature boundary (28℃ isothermal line) in the warm pool area and in the water temperature in NINO 3.4 region the most closely replicates the results of OI-SST as compare to the other dataset. Besides, the surface current velocity and salinity distribution were compared with the analysis field based on the observation results, and it is found that the flow pattern in the equator of the Pacific Ocean replicated the observation result closely but the surface salinity showed an large difference by - 0.5psu or more in the Indian Ocean and the South Pacific.
2. Study on the improvement of the marine meteorological prediction system
2-1) The global waves prediction system
As the resolution of horizontal resolution in the Unified Model (UM) of the KMA in 2011 was changed from that of 40km to that of 25km, accordingly, the change of resolution in the global waves prediction system would be needed.
The resolution of the global waves prediction system was change from the previous value of 0.5° to that of 0.25°, and the time integration interval was adjusted. The wind data were used by interpolating the data of UM_N512L70, the global Unified Model, to be suited for 0.25° resolution. The modelling process lasted from July through August 2011. Furthermore, in this system, the parameterization process with regard to the creation and destruction of wave energy caused by sea-surface wind is in accordance with Tolman and Chalikov (1996). This method uses effective wind factor(c_O) in order to maintain the growth of waves, and if the wave variable by sea-surface wind shows some unusual deviation value, the deviation can be corrected by adjusting the value of c_O In this study, as c_O is adjusted, the significant statistical values of the high resolution global waves prediction system were analyzed and the optimal coefficients were selected.
As a result of implementing the operation of the high resolution global waves prediction system, the bias and RMSE of sea-surface wind show better results than before, but in the case of significant wave height, it tends to grow bigger than in the previous system, which means that the high resolution global waves prediction system has a strong tendency to simulate the significant wave height very closely. Also, in the previous system, the value of c_O was fixed to be 1.4 but with it arbitrarily changed to 1.3, 1.25, and 1.2, respectively, the modelling process was carried out. If the value was changed from 1.4 to 1.3, for the forecast time +00, RMSE value decreased by about 23% or more and for the forecast time +120, it showed the decrease rate by about 9% . If it was decreased further from 1.3 to 1.25, the decrease rate was about 0.5 to 1%, and if it was decreased from 1.25 to 1.2, RMSE decreased from 0.8 to 1.2%. As a result of analyzing possibility distribution function (pdf) of the significant wave height, as the value of c_O becomes smaller, the graph distribution becomes most approximate to the observation values.
2-2) The establishment of the coastal wave prediction system
As the high resolution forecast data is provided, the marine meteorological forecast zone was also needed by each regional forecast area governed by each Regional Meteorological Administration (RMA). So, in order that the previous regional coastal prediction system can be utilized for forecast service, the prediction system suited for the forecast area by each RMA has been required.
So the specified coastal wave prediction system was developed for marine forecast areas governed by the Daejeon RMA, the Gwangju RMA, and Jeju RMA. The resolution of the coastal wave prediction system has been designed to be as detailed as about 1km (1/120°), and the boundary surface prediction spectrum data refer to those created by the high-resolution regional waves prediction system. Wind data refer to the regional model in the KMA(UM 12km L70). This system has been built as the pilot operating system in Supercomputer No. 3, and produced data real-time twice a day (00:00, 12:00 UTC) for up to 48 hours (Intranet address: http://172.29.101.152/～ocean1/MML_wave_main.html). Concerning the data from buoys in KMA, the buoys in Deokjeokdo, Chilbaldo, Geomundo, Marado, and Oeyeondo were used for analyzing bias and RMSE values for 3 months (from September to November, 2011). In the case of bias, the model values for 24-hour forecast time tend to be too small simulated as compared to the observation values; with the advent of November, the model values tend to simulate the significant wave height a little more highly than the observation values. In the case of RMSE of October, except for the buoys in Geomundo and Oeyeondo, the wave prediction system for each RMA showed the best result. The current coastal wave prediction system (CWW3) has also a similar tendency to the regional coastal waves prediction system for the RMA, and the buoy data of Marado showed a little higher RMSE value than other stations. Generally, depending on the currently operated CWW3 model, there is a slight difference in the specific points, however the
verification result was generally similar; the coastal wave prediction system for RMA is far superior in its prediction capacity to the RWW3 which is a wave prediction system covering all area of Korea peninsula with 12km grid resolution.
2-3) The establishment of coastal tide/surge prediction system
The KMA provides the objective forecast criteria for predicting a storm or tsunami that can do a severe damage to Korea when typhoon attacks by use of the currently operated 2D Regional Tide/Surge Model. Also, for the detailed and accurate forecast on the coasts in Korea, the neighboring seas were divided by about 1km interval, and Coastal Tide/Surge Model (CTSM) was built up with 6 equidistant areas and is under experimental operation. However, it has become necessary to have the forecast model suited for the forecast area by each regional meteorological administration for utilization of the marine weather forecast on the coasts of Korea. Last year, the models with 1 km of horizontal grid in the forecast zones governed by the Gangwon RMA (CTSM_GAWN) and the Busan RMA (CTSM_BUSN), and since June, 2010, the forecast for 72 hours ahead has been performed twice a day at 00:00UTC and 12:00UTC. The model is being operated in the real-time. This year, the study was conducted with a view to building up and operating the models in the work-sites for the forecast areas governed by the Daejeon RMA (CTSM_DAJN), the Gwangju RMA (CTSM_GWNJ), and Jeju RMA (CTSM_JEJU). The regional office-led models are designed to provide 72-hour forecast twice a day at 00:00UTC and 12:00UTC. After the performing 72-hour forecast, it displays 2-dimensional distribution of storm surge every 3 hour, and time series of 72-hour tides/surge height for each tidal station. CTSM_DAJN includes the 5 tidal stations of Incheon, Pyeongtak, Daesan, Anhung, and Boryung, and CTSM_GWNJ includes 7 stations of Changhang, Gunsan, Youngkwang, Mokpo, Daehuksan Island and Wando. CTSM_JEJU includes 5 stations in the Chuja Island, Jeju, Mosulpo, Seoguipo, and Songsanpo (homepage http://172.29.101.152/～ocean2/MML_surg_main.html). The results from May 2011 have been stored, and by use of the results obtained from May to September for 5 months and by comparison with the observation values from the tidal stations located within the area of each regional office, the verification process was implemented using the statistical method of bias and RMSE. Also, by comparison with RTSM results, the performance of the model was verified. Although there was some difference by month and prediction time, the result of newly established model generally show low biased values. In the case of RMSE, it was the biggest in June during the all forecast time period. Also, the results of RTSM show low RMSE at every forecast time in June and August, however the opposite results are shown in the other months. And RMSE showed that even there was a slight difference depending on the forecast time and location or month. However, the results from the newly established system for each RMA showed better
prediction performance.
3. Improvement of the ocean circulation prediction system and development of the inundation predicting system for harbor area
3-1) Modification of the ocean circulation prediction system
The KMA has built up and operated the regional ocean circulation prediction
system since 2008 in order to analyze the characteristics of water temperature, salt, and current in the neighboring seas of Korea and to predict the change. Up to now, the regional ocean circulation prediction system has applied the monthly mean value of outflow from the Yangtze River and the maximum outflow discharge is known to be 59,973m³/sec in July. Because of this fact, as the outflow is applied more or less than the actual amount, the effect of low-sodiumwater could be overestimated or underestimated in the simulation. In order for this matter to be solved, the real-time observation data have been collected since July 2011 at the 1-hour interval and applied in the prediction system. In Fig 5, the salt distribution by depth of water from the mouth of the Yangtze
River to the west waters of the Jeju Island was shown, and when the real-time observation data are applied, the salt distribution is found to differ up to 10 m of water depth and to be higher by 0.5∼2 psu than in the case of the input data of monthly mean values.
3-2) Application of the ocean circulation prediction system: Particle Tracking
The feedback between ocean and atmosphere created as the air mass moving from the Chinese passes the Yellow Sea makes the characteristics of weather change to cause hazardous phenomena such as torrential rain or heavy snow, etc. There is an increasing need for the information on the ocean weather over the Yellow Sea. As a way of monitoring the change on the boundary surfaces of ocean and atmosphere in the Yellow Sea, drifting buoys can be dropped to monitor the real-time status of ocean according to sea currents and can be utilized for prediction. In order to suggest the methods of dropping and managing drifting buoys effectively, we used this ocean circulation prediction system to perform the particle tracing numerical simulation and found out the spatial distribution and the survival time of drifting buoys when they are released. Fig 6 shows the location of buoys after 3 months depending on the drop point and the 3-month long migration routes of them when they were dropped in January. Due to the effects of the northwestern seasonal wind in winter, most of the buoys dropped in January were found to move to the southeastern direction. The buoys dropped at the Gyeongi Bay and in the neighboring seas of Taean were found to be out of observable range since they arrive at the shores at the shallow water depth within 3 months.
3-3) Development of the inundation predicting system for harbor area
In Korea, there are a lot of distributing work through the harbors, and resort areas, and beaches on the shores, and there are a lot of people who want to use these services. Accordingly, KMA forecasts storm surge when the typhoon approaches in order to minimize disasters on the seashores caused by flooding and utilizes this information for forecast service. Also, the National Institute of Meteorological Research (NIMR) has established and operated the flooding prediction system since 2010 as there is an increasing need for the quantitative prediction information on the flooded areas and an increasing possibility of flooding in the lowlands along the coasts and at the harbor facilities. Fig 7 shows the maps of altitudes and water depths composed using the digital elevation model and the detailed lattice data of water depth and the specified non-structural lattice system. As a result of operation of the inundation prediction system when Typhoon MEARI(0511) approached in 2011, 60 cm or higher of storm-surge height was shown in the overall area on the West coast, Korea, as it moved north to the Yellow Sea, but since it came in the period of neap tide when the tidal level was low, the total level summing the tidal level and storm-surge height was low. In the future, KMA will additionally implement the flooding prediction using the information on the central location and the intensity provided when the typhoon attacks. In order that the flooding prediction system can play an effective role in providing the forecast data for protecting the life and property of people, it is considered that the cooperation with the relevant organizations should be accompanied on a continuous basis with the improvement of the system itself.
4. Study on the atmosphere-ocean interaction in the Yellow Sea
In order to examine the atmosphere-ocean interaction in the Yellow Sea, we
took an average of the observed data from the buoy in the Deokjeokdo, which was located in the central part of Yellow Sea, during the period of 1999～2011, and compared the characteristics of monthly variations of water and air temperatures near the sea surface(Fig 8). The water temperature was the lowest in February and the highest in August and September. The sign of the difference between water and air temperature was changed from negative to positive during March, as a result, the air temperature was higher than the water temperature from April to August. While in September, the sign of the temperature difference was converted from positive to negative: from October to February next year, the water temperature was higher than the air temperature.
Especially from May to July, the difference between water and air temperature was so high that a desirable condition was formed in which a sea fog can occur. In addition, the south or southwestern winds were prevailed during this period, so the advection of warm and highly humid air was found to be very frequent.
As the monthly frequency of foggy days in Incheon during the period of 1971～2010 was examined, the frequency was increased persistently from April to July(Fig 9). Incheon is located where it can be directly affected by the water temperature of the Yellow Sea, and the effect of tidal waves is very strong.
Near the coastal area, the tidal waves caused the seawater to mix vertically, and as a result, the water temperature became lower. This is the effect on widening the gap between air and water temperature near the coast. It also could be found that the water temperature was lower on the West Coast in the distribution of the annual average sea-surface temperature during the period of 2003～2010(Fig 10) by using the NGSST (New Generation Sea Surface Temperature) data produced in Japan. Hence, from April to July, the south or southwestern winds pass above the colder surface of the neighboring sea of Incheon, there is a desirable condition on which sea fog can be formed with the advection of warm and highly humid air. Especially, with the lowered water temperature due to the tidal waves near the coast, it is more advantageous for fog to be generated and maintained. As a result, during this period, it is considered that there is increasing occurrences that fog can be generated on a continual basis.
While, the Yellow Sea is where the effect of tidal waves is very strong: in order to conduct a research on the atmosphere-ocean interaction, it must be required to take it into account. However, the numerical model usually does not consider the changes of surface characteristics according to tidal waves or tidal level, etc., so as a matter of fact, it is difficult to simulate the effect of the Yellow Sea in the model. In this study, for performing the research on numerical simulation of the atmosphere-ocean interaction targeted to the Yellow Sea, first of all, the WRF model was installed to implement the test simulation for the case of sea fog(Fig 11). The numerical simulation experiment will be continued to examine the tidal wave effect using this model in the future.
5. Development of the 3D visualization system for displaying the global
environment (Earth·ON)
Assisted by the development of the performance of the recent computers and the visualization technology, the meterological research institutes are currently developing their own visualization systems such as Science On a Sphere (SOS) of the National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA), Visualization and Analysis Platform for Ocean, Atmosphere, and Solar Researchers (VAPOR) by National Center for Atmospheric Research(NCAR), etc. There is an increasing demand on these kinds of the 3D visualization systems in a variety of areas of weather, climate, ocean, or earthquake, etc., and accordingly the 3D display system for the global environment is needed which can effectively display the dynamic global environment. With the 3-year plan from 2011 to 2013, the NIMR is pushing ahead with the development project for the global 3D visualization system (Earth. ON), which can intuitively and effectively display the Earth environments, such as in weather, climate, ocean and earthquake. In 2011, it pursued to diversify the contents using the data of climate change scenarios, sea ice, resources map, and soil moisture, etc. and developed a scale model in which the spatial restriction in other similar systems was overcome. By demonstrating a scale model 6 times, it collected opinions of prospective users, and for securing the intellectual property and proceeding to effective business, it acquired the patent pending(No. 10-2011-0058752 on June 16, 2011.) and applied for its registration as the national patent(expected to be completed in January 2012). After the completion of development of Earth·ON(to be done in October 2013), it will have a key role in doing a pioneering work in the national economy by contributing to meterological industrialization through commercialization and contents industrialization in order to install the system in the science institutes, governmental organizations, or educational institutes internationally and domestically.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구보고서 ... 2
• 목차 ... 4
• CONTENTS ... 7
• LIST OF TABLES ... 10
• LIST OF FIGURES ... 12
• 요약문 ... 20
• Summary ... 33
• 제 1 장 서론 ... 52
• 제 2 장 국립기상연구소 ARGO 프로그램 및 해양변동성 분석 ... 55
• 제 1 절 국립기상연구소 ARGO 플로트 투하 및 운영 ... 55
• 제 2 절 동해 해양순환예측 결과에 대한 ARGO 자료 기여도 분석 ... 61
• 1. 서론 ... 61
• 2. 자료 및 연구방법 ... 63
• 3. ARGO 플로트 자료의 기여도 분석 ... 65
• 제 3 절 북태평양 해양변동성 분석 ... 71
• 1. 연구배경 ... 71
• 2. 자료 및 분석방법 ... 73
• 3. 북태평양 수온 및 등수온층 깊이의 시공간 변동 ... 75
• 제 4 절 전 지구 해양자료동화 시스템 개발 기초연구 ... 83
• 1. 연구 배경 ... 83
• 2. 자료 및 분석방법 ... 83
• 3. 영국 기상청 해양 초기장 특성 분석 ... 84
• 제 5 절 결론 및 향후계획 ... 91
• 제 3 장 현업 해양기상예측시스템 개선 연구 ... 93
• 제 1 절 서 론 ... 93
• 제 2 절 파랑 예측시스템 개선 연구 ... 94
• 1. 기상청 파랑예측시스템 민감도 분석 ... 94
• 2. 고해상도 전지구 파랑 예측시스템 구축 및 성능향상 연구 ... 103
• 제 3 절 지방청 관할 해역별 국지연안 파랑 및 폭풍해일 예측 시스템 구축 ... 112
• 1. 시스템 설계 및 구성요소 ... 112
• 2. 지방청별 국지연안 파랑 예측시스템 검증 ... 124
• 3. 지방청별 국지연안 폭풍해일 예측시스템 검증 ... 132
• 4. 목포 수위계를 이용한 모델 검증 ... 145
• 제 5 절 결 론 ... 150
• 제 4 장 해양순환 및 범람 예측시스템 개발 연구 ... 152
• 제 1 절 지역 해양순환 예측시스템 개발 연구 ... 152
• 1. 서 론 ... 152
• 2. 양자강 저염분수 감시 활동 ... 153
• 3. 표류부이 운영방안 검토 ... 159
• 제 2 절 범람 예측시스템 개발 연구 ... 170
• 1. 서 론 ... 170
• 2. 입력 자료 개선 및 시스템 운영 결과 ... 170
• 제 3 절 결 론 ... 188
• 제 5 장 서해의 대기-해양 상호작용에 대한 고찰 ... 190
• 제 1 절 서 론 ... 190
• 제 2 절 서해의 해수면온도 분포와 안개 발생 ... 191
• 1. 서해의 해수면온도 분포 특성 ... 191
• 2. 서해의 안개 발생 ... 195
• 제 3 절 서해 해양기상 수치모의 연구를 위한 기반 구축 ... 197
• 제 4 절 결과 및 토의 ... 199
• 제 6 장 결 론 ... 200
• 참고문헌 ... 206
• 부 록 I 지구환경 3차원 가시화시스템(지구.ON) 개발 ... 212
• 학술용역 : 해양관측자료를 활용한 자료동화 시스템 ... 218
• 학술용역 : 전구 SST 예측 및 해양변동성 분석(Ⅱ) ... 340
• 끝페이지 ... 485