이어도 주변 해양자료를 활용한 FVCOM 모델 적용 및 OI 자료동화의 최적 매개변수 산정 연구

국문 초록 (Abstract)

해양학적 관념으로 바라보는 자료동화(Data Assimilation)란 해양예보(Prediction)를 하기위해 필요한 초기장(Initial Condition)을 만드는 기법이다. OI란 관측값(Observation)와 모델값(Model data)의 오차 공분산(Error covariance)이 최소자승법(Least Square Method)을 통해 최소가 될 때의 weight를 산정하여 추정치를 계산하는 방법이다. OI는 통계학적 자료동화기법이기에 관측자료의 양에 따라서 추정치 계산의 영향을 받으며 모델 영역(Model Domain)내에서 자료동화 영역을 제한할 수 있다. 또한 OI는 ensemble based method가 아닌 variation method로 상대적으로 요구되는 계산 자원이 적다. 자료동화의 목표인 최적해를 산정하는데 있어 현실적으로 너무 많은 계산 자원을 요구하기 때문에 연구목적에 적합한 자료동화 기법을 선택하는 것은 중요하다. 특히 위성자료에서 구할 수 없는 수층별 유속자료를 활용한 자료동화 응용연구가 필요한 시점이다. 결론적으로 본 연구의 목표는 이어도와 주변 남해안 관측 부이에서 관측된 수층별 유속자료를 비구조격자 해양수치모델인 FVCOM과 Optimal Interpolation으로 적용하여 향후 해양자료동화 연구를 통한 해양예보의 가능성을 제시하도록 한다.
해양관측자료의 실용성과 해양수치모델의 정확성을 보고자 이어도를 중심으로 비구조격자 해양수치모델(Unstructured grid ocean numerical model)인 FVCOM을 적용하고 이어도 정점과 주변 남해의 3정점에서 관측된 수층별 유속자료를 자료동화하였다. FVCOM은 유한차분모델의 이산법과 유한요소모델의 기하학적 장점을 활용한 유한체적법을 기반으로 한 해양수치모델로 이를 바탕으로 한국 주변 해역의 조석 모델을 구축하였다. 복잡하고 불규칙한 지형적 특성을 가진 한국 주 연안일대를 비구조격자로 보완하였고 수심자료는 한국해양연구원에서 제공받은 한국 주변해역 30초 격자수심(KorBathy30s)을 사용하였으며 경계조건은 NAO99를 이용하였다. 조석 모델의 검증은 국립해양조사원의 조위검조소의 관측자료를 바탕으로 진행했다.
실제해역에 자료동화를 적용하기에 앞서 관측정점에서 계산된 모델값과 관측값에 대한 Weight를 산정하기 위해 먼저 parameter test를 진행하였다. Parameter test에서 구한 Scaling factor와 correlation radius를 통해 모델영역에서 관측값와 모델값의 weight를 산정하였다. 산정된 Weight를 바탕으로 해양예보를 위한 best state를 제시하기 위해 구성한 이어도 중심의 비구조격자 해양수치모델을 바탕으로 OI를 이용하여 empirical correlation을 산정하였다. 자료동화에 사용된 관측자료는 이어도와 주변 남해안의 총 4개의 ADCP와 RDCP 수층별 유속자료이며 관측간격은 6분 혹은 10분 간격이다. 관측기간은 2006년부터 2009년 사이이며 최소 33일 최대 45일까지의 연속 관측자료를 사용했다. 유속자료를 사전에 구성된 해양수치모델에 적용하기 위해서는 먼저 관측정점별로 관측기간과 관측시간간격이 다르기 때문에 모든 정점별 유속자료를 조화분해하였다. 추출된 해양수치모델내의 자료동화 입력자료로 변환한 다음 모델동기화를 하였다. 해양수치모델의 자료동화연계는 많은 시간과 비용 즉, 컴퓨터 자원을 요구하기 때문에 이를 최소화하기 위해 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터의 타키온 2차 시스템을 활용하였다. 하나의 모델 실험을 할 때, CPU 360~380 개를 사용하여 약 2일(48시간)정도 소요하도록 구성하였다.
본 연구를 통해 이어도와 한국 주변 연안일대 지형적 특성을 고려한 비구조격자 해양수치모델을 적용하고 기존 수층 유속 관측자료와의 자료동화(OI) 연계를 통한 해양과학분야의 자료동화 실용성과 해양수치모델의 정확성을 제시한다. 이를 통해 향후 해양예보시스템 구축과 해양관측 지점 선정을 위한 연구기가반의 기틀을 마련한 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 연구 배경 및 목적 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 지역 3
• 1.3 연구 목표 5
• 제 2장 수층별 유속자료 분석 6
• 2.1 관측개요 6
• 2.2 자료 분석 개요 8
• 2.2.1 관측지점별 원시자료 8
• 2.2.1 자료 분석을 위한 전처리 8
• 2.3 자료 분석 수행 11
• 2.3.1 조화분해 개요 11
• 2.3.1 조화분해 결과 11
• 제 3장 비구조격자 해양수치모델 구축 19
• 3.1 수치 모델 개요 19
• 3.1.1 지배방정식 21
• 3.1.2 비구조격자 해양수치모델 27
• 3.2 초기 모델 구성 29
• 3.2.1 모델 영역 및 수심 29
• 3.2.2 경계 조건 및 실험 조건 31
• 3.3 초기 모델 결과 32
• 3.3.1 모델 검증 32
• 3.3.2 모델 결과 33
• 제 4장 자료동화기법(OI) 소개 36
• 4.1 자료동화 개요 36
• 4.2 최적내삽법(OI) 소개 38
• 제 5장 비구조격자해양수치모델 및 자료동화기법 적용 43
• 5.1 FVCOM 내 최적내삽법 적용 기법 43
• 5.2 자료동화 전처리 43
• 5.3 Taylor diagram 44
• 제 6장 자료동화 성능 실험 및 결과 45
• 6.1 실험 목적 45
• 6.2 실험 방법 45
• 6.3 실험 결과 46
• 제 7장 결론 및 향후 계획 69
• 참고문헌 70