[보고서]환경위성탑재체 활용관련 자료동화체계 개발

박선기

[국가R&D연구보고서] 환경위성탑재체 활용관련 자료동화체계 개발
Development of Data Assimilation System for GEMS 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	이화여자대학교 Ewha Womans University
연구책임자	박선기
참여연구자	김다은 , 김완희 , 박소정 , 이상미 , 이승연 , 이예본 , 임수정 , 정슬기 , 정승원
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2017-03
과제시작연도	2016
주관부처	환경부 Ministry of Environment
연구관리전문기관	한국환경산업기술원 Korea Environmental Industry & Technology Institute
등록번호	TRKO201900002401
과제고유번호	1485013752
사업명	환경정책기반공공기술개발사업
DB 구축일자	2019-07-06
키워드	환경위성탑재체.대기-화학 결합모델.자료동화.관측연산자.최대우도앙상블필터.GEMS.atmosphere-chemistry coupled model.data assimilation.observation operator.maximum likelihood ensemble filter(MLEF).
DOI	https://doi.org/10.23000/TRKO201900002401

초록 ▼

□ 개발 목적 및 필요성
■ 환경위성탑재체에서 생산되는 관측 자료의 효율적인 활용
- 첨단자료동화 시스템으로 고해상도 위성 자료를 효율적으로 사용한다.
- 고해상도 위성 자료로 개선된 화학 초기장을 생성한다.
- 월경 (transboundary) 대기오염 예보의 향상시킨다.
■ 환경위성탑재체 관측 자료를 동화하는 화학 수송 자료동화 시스템 개발
- 흐름의존적(flow-dependent) 불확실성 추정이 가능한 자료동화 방법을 사용한다.
- 복사휘도 정보를 효율적으로 이용 가능한 자료동화 시스템을 개발한다.

□ 연구개발결과
■ WRF-Chem-MLEF 시스템 개발
- 이화여대 서버에 WRF-Chem-MLEF 시스템을 설치하였다.
- 실제 대기 관측 동화 능력을 개발하였다.
- 실제 화학 관측 (GEMS 프록시(proxy) 자료)동화 능력을 개발하였다.
- 합성 GEMS 관측 동화 능력을 개발하였다.
■ WRF-Chem-MLEF 시스템으로 동화 실험 및 평가
- 실제 대기 관측 동화 실험을 수행하였다.
- 실제 화학 관측 (GEMS 프록시(proxy) 자료) 동화 실험을 수행하였다.
- 합성 GEMS 관측 동화 실험을 수행하였다.
- 실제 대기, 화학 관측 및 합성 GEMS 관측 동화 결과 각 관측이 예보 불확실성을 줄이고 예보 능력을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

□ 성능사양 및 기술개발 수준
리눅스 환경에서 구동 가능하며, 실제 대기, 화학 관측 및 합성 GEMS 관측의 동화가 가능한 자료동화시스템 개발을 완료하였다.

□ 활용계획
● 수학, 통계 등의 기초과학 분야의 발전을 유도한다.
● 환경 예측의 정확도 향상으로 기상/환경 예측 시스템의 독자적 원천 기술 확보한다.
● 환경문제로 발생하는 경제적․산업적 손실을 최소화한다.
● 대기오염 물질의 발원 및 소멸을 추적한다.
● 환경위성 자료의 동화 기술을 갖춘 전문적인 연구능력을 갖춘 인력을 양성한다.

(출처 : 요약서 4p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results
Unit Project Name : Development of Data Assimilation System for GEMS

Results
■ Development of WRF-Chem-MLEF system
- Complete development of hybrid data assimilation method (MLEF) with coupled atmosphere-chemistry model (WRF-Chem)
- Development of assimilation capability for real atmosphere and chemistry, and synthetic GEMS observation
■ Test and evaluation of WRF-Chem-MLEF assimilation run
- Results of assimilating real atmosphere and chemistry, and synthetic GEMS observation can decrease forecast uncertainty and increase predictability

(출처 : SUMMARY 13p)

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 3
요 약 서 ... 4
요 약 문 ... 6
SUMMARY ... 10
목차 ... 15
표목차 ... 16
그림목차 ... 17
1. 연구개발과제의 개요 ... 22
1-1. 연구개발 목적 ... 22
1-2. 연구개발의 필요성 ... 22
1-3. 연구개발 범위 ... 23
2. 국내외 기술개발 현황 ... 24
2-1. 해외 기술개발 동향 ... 24
2-2. 국내 기술개발 동향 ... 25
3. 연구수행 내용 및 결과 ... 26
3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 26
3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 30
3-3. 연구개발 결과 요약 ... 65
4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 68
4-1. 목표달성도 ... 68
4-2. 관련분야 기여도 ... 70
5. 연구결과의 활용계획 ... 72
5-1. 연구 결과의 학문적/사회적 기여 ... 72
5-2. 대기질 예보 향상 및 이해 증진 ... 72
5-3. 전문 인력 양성 ... 72
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 74
6-1. Gridpoint Statistical Interpolation (GSI) ... 74
7. 연구개발결과의 보안등급 ... 76
8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 78
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 80
10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 82
11. 기타사항 ... 84
12. 참고문헌 ... 86
부 록 ... 93
끝페이지 ... 149

표/그림 (27)

표 Analysis adjustments (ppmv) at 850 hPa, valid 0000 UTC on 9 June 2013, for: (a) ozone, (b) nitrogen-monoxide, (c) nitrogen-dioxide, (d) nitrogen-trioxide, and (e) sulphur-dioxide
표 RMSE for chemistry initial conditions
표 Geopotential height analysis adjustments (m) at 500 hPa in: (a) synthetic chemistry observation experiment, and (b) combined synthetic chemistry and real atmospheric observations experiment
표 RMSE of ozone (ppbv) over several data assimilation cycles
표 The NO2 analysis response (ppmv) to a single temperature observation at 500 hPa, valid at 0000 UTC on 9 June 2013, in (a) horizontal at 500 hPa and (b) vertical. The vertical cross-section is along the dashed line from the panel (a)
표 The SO2 analysis response (ppmv) to a single temperature observation at 500 hPa, valid at 0000 UTC on 9 June 2013, in (a) horizontal at 500 hPa and (b) vertical. The vertical cross-section is along the dashed line from the panel (a)
표 (a) The best track of Typhoon Nabi (2005) from 29 August to 9 September 2005, and (b) total column O3 (in DU) from OMI at 0405 UTC, 3 September 2005. The best track analysis is provided by Typhoon Research Center (http://www.typhoon.or.kr/) and modified. From (18)
표 Degrees of Freedom for Signal in assimilation of total column O3 observations valid 3 September 2005 at 0600 UTC. The units are non-dimensional. From (20)
표 Analysis increments xa - xf of chemical control variables in response to total column O3 observations valid 3 September 2005 at 0600 UTC: (a) O3 at 850 hPa, (b) NO2 at 850 hPa, (c) SO2 at 850 hPa, (d) O3 at 200 hPa, (e) NO2 at 200 hPa, (f) SO2 at 200 hPa. From (20)
표 Degrees of Freedom for Signal in assimilation of total column O3, NO2, SO2 observations valid 3 September 2005 at 0600 UTC. The units are non-dimensional
표 Analysis increments xa - xf of chemical control variables in response to total column O3, NO2, SO2 observations valid 3 September 2005 at 0600 UTC: (a) O3 at 850 hPa, (b) NO2 at 850 hPa, (c) SO2 at 850 hPa, (d) O3 at 200 hPa, (e) NO2 at 200 hPa, (f) SO2 at 200 hPa
표 Ozone RMSE (ppbv) in: (i) assimilation of O3 observations only (black, dashed line), and (ii) simultaneous assimilation of O3 and real atmospheric observations (red, dotted line). One can notice that, although initially the O3 only experiment has smaller RMSE, the assimilation of combined observations eventually produces a smaller error
표 Analysis increment of atmospheric variables valid 3 September 2005 at 0600 UTC, for: (a) wind at 850 hPa, (b) temperature at 850 hPa, (c) specific humidity at 850 hPa, (d) wind at 200 hPa, (e) temperature at 200 hPa, and (f) specific humidity at 200 hPa. The units are: m s-1 for wind, K for temperature and g kg-1 for specific humidity. From (20)
표 Analysis increment of atmospheric variables valid 3 September 2005 at 0600 UTC, for: (a) wind at 850 hPa, (b) temperature at 850 hPa, (c) specific humidity at 850 hPa, (d) wind at 200 hPa, (e) temperature at 200 hPa, and (f) specific humidity at 200 hPa. The units are: m s-1 for wind, K for temperature and g kg-1 for specific humidity
표 OMI AOD observations after quality control (a and c), and the corresponding ATM forecast fields projected onto the OMI observation space (i.e., h(x); b and d), valid on 0600 UTC 12 May 2011 (a and b) and 0600 UTC 13 May 2011 (c and d). Bold letters in (c) indicate geographical places that are mentioned frequently. From (21)
표 Degrees of Freedom for Signal difference between AOD+ATM and ATM experiments, in assimilation of AOD and atmospheric observations valid 12 May 2011 at 0600 UTC: at 250 hPa (left panel) and at 700 hPa (right panel). The units are non-dimensional
표 Analysis increments (xa - xf) of DUST_3 GOCART variable (2.4 μm) in response to meteorological only observations (ATM - upper panel), and to meteorological and AOD observations (AOD+ATM – bottom panel). The units are ug/kg-dry air. The lines (A-A’ and B-B’) on the 700 hPa maps represent the axes of vertical cross sections. From (21)
표 Analysis increment (xa - xf) of (a) Dust 3 (in ug/kg-dry air), (b) temperature (in C), (c) water vapor mixing ratio (in ug/kg), and (d) horizontal wind (in m/s) at 850 hPa in AOD+ATM, valid at 0600 UTC on 12 May 2011. From (21)
표 Forecast error standard deviation of DUST_3 GOCART variable (2.4 μm) in ATM experiment (left panel), and AOD+ATM experiment (right panel). The units are ug/kg-dry air. The AOD+ATM experiment results in 40% reduction of uncertainty
표 The AOD innovations in the OMI observation space valid at 0600 UTC on 13 May 2011: (a) (y-h(x))ATM and (b) ly-h(x)lATM-ly-h(x)ATM+AOD Here y is OMI AOD observations and h(x) is the forecast interpolated to the OMI observation space. From (21)
표 The AOD innovations in the GOCI observation space, lyGOCI-h(x)lATM-lyGOCI-h(x)lATM+AOD valid at 0600 UTC on 13 May 2011. Here y is GOCI AOD observations and h(x) is the forecast interpolated to the GOCI observation space. From (21)
표 DFS in response to GEMS radiance assimilation (dimensionless units). Positive values mark areas with strongest positive impact of GEMS radiances on the analysis
표 Analysis increments of O3 (left panel), NO2 (middle panel) and SO2 (right panel) at 700 hPa, in response to GEMS radiance assimilation (ppmv), valid 1200 UTC 3 SEP 2005
표 Innovation vectors for radiance (at 320 nm), valid 1200 UTC 3 SEP 2005 (Wm-2sr-1cm-1):guess innovation (left panel) and analysis innovation (right panel). The largest reduction of innovation coincides with the DFS verification ()
표 Summary of experiments using real chemistry observations, real aerosol observations, and synthetic radiance observations
표 중국 남방과기대 초청 강연 포스터
표 중국 중산대학 대기과학학부 초청 세미나 공고

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