초록 ▼

Ⅳ. 연구 결과
○ 기존 사용되는 대기질 예보 모델링 시스템은 수도권에 대해서만 고해상도 도메인을 사용하였으나, 한반도 전역 권역 예보에 대응하도록 한반도 전역에 대해 3km 수평 해상도로 구성하고 연직으로 보다 조밀한 예측 결과를 생산하는 온라인 WRF-Chem 예측 모델링 시스템 구축을 완료하였다.
○ 확장된 도메인에 대한 모델링 시스템 구축에 필요한 배출량 입력을 처리하는 코드 개발 및 그 자동화 과정을 완료하였으며, UM 모델을 기상 초기 및 경계 조건으로 활용하기 위한 프로그램 본 시스템에 맞게 수정하여, 장기간

Ⅳ. 연구 결과
○ 기존 사용되는 대기질 예보 모델링 시스템은 수도권에 대해서만 고해상도 도메인을 사용하였으나, 한반도 전역 권역 예보에 대응하도록 한반도 전역에 대해 3km 수평 해상도로 구성하고 연직으로 보다 조밀한 예측 결과를 생산하는 온라인 WRF-Chem 예측 모델링 시스템 구축을 완료하였다.
○ 확장된 도메인에 대한 모델링 시스템 구축에 필요한 배출량 입력을 처리하는 코드 개발 및 그 자동화 과정을 완료하였으며, UM 모델을 기상 초기 및 경계 조건으로 활용하기 위한 프로그램 본 시스템에 맞게 수정하여, 장기간에 대한 시범 테스트를 완료하였으며, 아울러 수평 및 연직 도메인 확장에 따른 모델 적분시간의 증가에 따라 실제 현업 예보에 활용이 가능하도록 소요시간을 산정하였으며, 이를 위해 모델 계산 간격 조정 및 CPU 사용 개수 변경에 따른 적분 소요시간 등의 민감도 실험을 최종 완료하였으며, 이를 통해 현업 모델링 시스템 구축에 적합한 최적의 환경 조건을 확인하였다.
○ 확장된 도메인에 대해 WRF-Chem 시스템의 예측 정확도가 가장 높은 물리 화학 모수화 옵션을 도출하고자 KORUS-AQ 캠페인 기간(2016년 5월 1일 ~ 6월 12일)에 대해 민감도 실험분석을 수행하였다. 그 결과 현업 예보 방법을 준용하여 한반도를 17개 권역과 백령도로 나누어 등급(좋음: 0 ~ 15μg/m³, 보통: 16 ~ 35μg/m³, 나쁨: 36 ~ 75μg/m³, 매우 나쁨: 76μg/m³ 이상) 예보를 현 시범 구축된 WRF-Chem 기반 모델링 시스템으로 직접 생산하고 그 예측 정확도를 평가하였다.
○ 현 구축된 모델링 시스템에서의 물리 옵션의 경우 대기경계층 모수화는 YSU 옵션, 미세물리과정에 대해서는 Lin 옵션, 적운모수화 과정은 Grell-3D를 적용한 결과가 관측결과와 제일 유사함을 확인하였고, 입자상 화학과정에 대해, MADE/VBS와 MADE/SORGAM 옵션과 각각 액상화학을 포함한 옵션들에 최적의 조합을 선정해 본 결과, 액상화학을 포함하지 않은 MADE/VBS 화학옵션을 사용한 모의실험의 결과가 ‘보통’과 ‘나쁨’예보에 대해 각각 상대적으로 제일 높은 예보 적중률인 62%, 64% 예보적중률을 보였음을 확인하였다. 이상의 옵션으로 최적화된 예보율은 Index of Agreement(IOA)가 전국 모든 권역에서 0.7 이상의 값을 보여 다른 옵션을 사용한 모의실험에 비해 상대적으로 상당히 높은 예보결과를 보였다.그러나, 액상 화학 과정의 포함 여부에 따라 오염물질 농도에 큰 차이를 보였으며, 현재 모델 내 반영 가능한 액상 화학 과정의 불확실성에 대한 학술적 개선이 필요함을 확인하였다.
○ 본 연구에서 개발 중인 대기질과 기상의 상호작용을 반영한 모델링 시스템을 이용하여 에어로졸-기상 피드백을 시범 적용해 본 결과, 대기질-기상을 반영하지 않은 경우와의 차이를 확인해 본 결과 중국에서의 에어로졸 간접 효과로 인한 운량 변화가 한반도 기상 및 오염물질 농도에도 영향을 미칠 수 있음을 확실히 보였다.
○ 대기질 모델 예측 정확도를 향상시키기 위해, 오염물질 농도 결정과 관계된 기상 변수인 대기 경계층 고도와 바람의 대기질 모델의 성능 검증을 위하여 수도권에서의 대기경계층 고도와 지면에너지 수지를 측정하였고 그 자료를 구축하였다. 이를 위해, 연세대학교에 운고계를 설치·운용하여 후방산란 강도를 측정하여 대기경계층 고도를 산출하였으며, 이러한 과정에서 후방산란 강도에서 대기경계층 고도를 추정하는 알고리즘을 개선하였고, 관측된 자료의 특성을 분석하였다.
○ 관측 값을 토대로 산출된 대기경계층 고도 자료 및 도시 직접관측 자료들을 활용하여 대기질 모델의 대기경계층 모수화 옵션 중 Non-local 모수화 방안인 YSU, MRF, ACM와 Local 모수화 방안인 MYJ, QNSE, MYNN에 대해 검증을 수행해 본 결과, YSU, MYJ, MYNN의 3개 대기경계층 모수화 옵션들이 다른 옵션들에 비해 좋은 결과를 보여주었으며, 지표 토지피복자료에 따른 대기질 모델의 지상 바람장 모의 성능을 평가하여 MODIS 지표 피복 자료를 사용한 모델 결과가 USGS 자료를 사용한 경우에 비해 관측 자료와 비교에서 지상 바람 모의 정확도가 개선됨을 확인하였다.
○ 대기질 모델 예측 정확도를 향상시키기 위해 본 연구에서 시도한 또 하나의 방법으로, 정확한 모델 화학 초기조건을 확보하기 위하여 관측 자료를 활용하는 자료동화 기법을 적용하고자 WRF-Chem 예보 모델에 발전된 3차원 변분법 자료동화 시스템을 결합하여 자료동화 시스템을 구축하였고 구축된 시스템의 성능을 시범 도출하였다.
○ 시범 도출한 현 WRF-Chem 기반 자료동화 시스템 결과를 현업에서 대기질 예보에서 사용하고 있는 CMAQ/Cressman 체계와 2017년 4월 한 달의 배경장과 자료동화 분석장을 통해 비교하였으며, 그 결과 전체적인 자료동화 효과는 CMAQ/Cressman에 비해 WRF-Chem/3DVAR가 상대적으로 월등히 높았으며, 그 효과 또한 모델이 고해상도로 갈수록 향상되는 것으로 나타났다.
○ 자료동화 효과에 영향을 미치는 배경오차의 경우 계절 별 배경농도 및 기상 상태가 모두 달랐으며, 그러한 영향이 배경오차 통계에서도 그대로 반영되는 것을 확인할 수 있었으며,황사가 잦은 봄철의 경우 에어로졸의 변동성이 타 계절에 비하여 매우 높아, 배경오차 공분산을 기간에 맞게 사용하지 않을 경우 자료동화의 정확성이 떨어질 수 있음을 확인하였다.
○ 자료동화에서 관측 입력 자료의 민감도의 경우, 위성 AOD 자료보다는 지상 PM 관측 자료의 동화가 PM 예보정확도에 주요한 영향을 끼치는 것을 확인하였으며, 반면 위성 AOD 자료의 동화는 PM₁₀ 예보정확도에는 영향이 미미했지만, PM_2.5에는 0.2 정도의 상관성 향상을 보였다.
○ 또한 GOCI AOD 위성자료동화의 전처리 과정을 새롭게 개발, 적용하게 되면, 자료동화의 효과를 극대화 시킬 수 있음을 확인하였으며, 새롭게 개발된 전처리 과정을 통한 GOCI AOD 위성자료 자료동화는 초미세먼지(PM_2.5)의 고농도 적중률을 상당히 높일 수 있었으며,이를 12시간 예보에 적용하였을 경우 그 정확도는 70% 이상으로 나타났다. 또한, GOCI AOD 관측오차를 고농도 관측치에 대해 줄여주는 방식으로 적용하여 자료동화를 수행해 본 결과 고농도 적중률을 높이는 데 긍정적으로 기여하였으나, 통계적으로 유의한 결과를 도출하기 위해서는 향후 다수의 사례에 적용하여 분석할 필요가 있음을 확인하였다.
○ 배출량 민감도 연구는 WRF-Chem 모델에 국내 연구 기반의 배출 목록인 CREATE를 접목시켜 새 배출량목록을 생산하고, 기존의 EDGAR-HTAP v2와의 민감도 실험과 비교하였을때, 근소하게 개선된 계산 수행 결과를 보였으며, Time window 민감도의 경우, Time window를 3시간에서 1.5시간으로 줄일 경우, 입력되는 MODIS AOD 관측 자료 개수는 절반이하로 감소하고 GOCI AOD의 개수도 약간 감소하였으나, 이러한 차이가 자료동화 최종 성능에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
○ 본 연구에서 여러 자료동화 기법의 민감도 실험을 수행하는 과정에서, 모델 오차를 최대한 줄이고 최대한 빠르고 안정되게 현업 자료동화 환경으로 WRF-Chem 모델이 구동될 수 있도록 수많은 옵션을 재구성하여 최적화시켰으며, 결과적으로 기존의 초기 모델링 시스템 결과에 비해 약 7배의 속도 향상과 더 안정화 된 WRF-Chem 현업 예보가 수행되도록 자료동화와 예보를 반복하는 순환(Cycling) 실험을 수행하였으며, 이를 통해 본 구축되는 모델링 시스템이 현업 예보 활용에 적극 활용되도록 자료동화 전 과정의 최적화을 완료하였다.
○ 향후 보다 향상된 자료동화 기법 개선을 위해, 선진국의 대기질 모델 및 자료동화 기법 운영 노하우 및 기술 교류를 지속적으로 진행하기 위하여 자료동화 국제학술 워크샵을 2019년 1월 14일에 개최하였으며, 국외 자료동화 전문가인 Dan Chen(CMA), Jonathan Guerrette(NCAR)과 국내 자료동화 전문가를 초청하여 국내외 자료동화 기법을 교류하고 연구 네트워크를 구축하였다.

(출처 : 요약문 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 11
• 표목차 ... 13
• 그림목차 ... 16
• I. 서 론 ... 23
• Ⅱ. 연구내용 및 방법 ... 27
• 2.1절 현업 운영을 위한 최적 도메인 설정 및 전처리 자동화 구축 ... 27
• 2.1.1. 세부 도메인 간 경계조건 영향을 고려한 최적화된 현업 도메인 설정 및 배출량 입력 자료 구축 ... 27
• 2.1.2. UM 모델 결과와 WRF-Chem 입력 linking 툴 시험운영 및 현업운용을 위한 자동화 ... 30
• 2.2절 현업용 최적의 기상 물리옵션 및 화학옵션 도출 및 피드백 효과 분석 ... 31
• 2.2.1. 현업 대기질 예보 방식을 준용한 민감도 사례 확대 및 분석 고도화 ... 31
• 2.2.2. WRF-Chem 현업용 최적 기상물리 및 화학옵션 선정 방법 ... 34
• 2.2.3. 미세먼지 농도와 기상 피드백 효과 분석 방법 ... 37
• 2.3절 대기경계층 및 지상 바람장 개선 효과 분석 ... 41
• 2.3.1. 기상물리 옵션별 WRF 기상모델 결과와 관측된 대기경계층 비교분석 ... 41
• 2.3.2. MODIS 토지피복 및 건물효과 고려 등을 적용한 WRF 모델의 지상 바람장 개선 효과 평가 ... 42
• 2.4절 WRF-Chem 모델 및 3DVAR 자료동화 시스템 구축 ... 43
• 2.5절 3DVAR 자료동화 기법 개발을 위한 모델 및 관측 자료의 오차 공분산 산정 ... 45
• 2.6절 선진국의 대기질 모델 및 자료동화 기법 운영 노하우 및 기술 교류를 위한 학술 워크샵 개최 ... 47
• 2.7절 NCAR 위탁연구 내용 및 방법 ... 48
• Ⅲ. 연구결과 및 고찰 ... 51
• 3.1절 현업 운영을 위한 최적 도메인 설정 및 전처리 자동화 구축 ... 51
• 3.1.1. 세부 도메인 간 경계조건 영향을 고려한 최적화된 현업 도메인 설정 및 배출량 입력 자료 구축 ... 51
• 3.1.2. UM 모델 결과와 WRF-Chem linking 툴 시험운영 및 현업운용을 위한 자동화 ... 60
• 3.2절 현업용 최적의 기상 물리옵션 및 화학옵션 도출 및 피드백 효과 분석 ... 65
• 3.2.1. 현업 대기질 예보 방식을 준용한 민감도 사례 확대 및 분석 고도화 ... 65
• 3.2.2. 현업예보 시범운영을 통한 WRF-Chem 현업용 최적 기상물리 및 화학옵션 선정 ... 74
• 3.2.3. 대표패턴을 대상으로 한 미세먼지 농도와 기상 피드백 효과 분석 ... 84
• 3.3절 대기경계층 및 지상 바람장 개선 효과 분석 ... 97
• 3.3.1. 기상 물리 옵션별 WRF 기상 모델 결과와 관측된 대기경계층 비교 분석 ... 97
• 3.3.2. MODIS 토지피복에 따른 WRF 모델의 지상 바람장 개선효과 평가 ... 118
• 3.4절 3DVAR 자료동화 기법 개발을 위한 모델 및 관측 자료의 오차 공분산 산정 ... 129
• 3.4.1. 대기질 모델의 계절별 적분을 통한 배경오차공분산 산정 및 민감도 실험 ... 129
• 3.4.2. WRF-Chem 모델 및 3DVAR 자료동화 시스템 구축 및 자료동화 성능 검증 ... 135
• 3.5절 모델에 동화시키는 위성, 지상, 배출량 자료에 따른 민감도 분석 ... 144
• 3.5.1. 관측 입력자료에 따른 민감도 실험 ... 144
• 3.5.2. CREATE 배출량 자료 생산 및 배출량 민감도 실험 ... 147
• 3.5.3. Time window 민감도 실험 ... 151
• 3.6절 연구 네트워크 국제화 및 자료동화 국제 워크샵 개최 ... 154
• 3.7절 위탁연구 결과 ... 155
• 3.7.1. 대기질 모델의 최적화 및 연구사례 선정 ... 155
• 3.7.2. GOCI AOD의 자료동화 ... 157
• 3.7.3. 서로 다른 관측 자료가 예보에 미치는 영향 ... 165
• 3.7.4. CREATE 배출량 민감도 실험 ... 172
• Ⅳ. 결 론 ... 173
• Ⅴ. 기대성과(활용방안) 또는 향후계획 ... 177
• Ⅵ. 참고문헌 ... 179
• 끝페이지 ... 184