High Resolution North Western Pacific Prediction System

KIOST (Korea Institute of Ocean Science and Technology) has developed the North Western Pacific Ocean Prediction System (NWP_OPS) as an application of the GFDL MOM5 (Modular Ocean Model Version 5) in a limited area model. The open boundary conditions for the NWP_OPS have been taken from the KIOST global climate reanalysis (Kim et al., 2015). The Data Assimilation System of the KIOST (DASK Kim et al., 2015) has been applied to assimilate the satellite-borne Sea Surface Temperature (SST) and Sea Surface Height Anomaly (SSHA), and ocean and salinity profiles taken from various sources. The DASK has been developed based on the Ensemble Optimal Interpolation (EnOI). In the case where the computational resource is limited, the Ensemble Optimal Interpolation may provide an operational and cost-effective alternative to the Ensemble Kalman Filter (EnKF Oke et al., 2007). In fact, the EnOI estimates the background error covariance by using a stationary ensemble instead of ensemble model runs such as in the EnKF (Evensen, 2003).conditions for the NWP_OPS have been taken from the KIOST global climate reanalysis (Kim et al., 2015). The Data Assimilation System of the KIOST (DASK Kim et al., 2015) has been applied to assimilate the satellite-borne Sea Surface Temperature (SST) and Sea Surface Height Anomaly (SSHA), and ocean and salinity profiles taken from various sources. The DASK has been developed based on the Ensemble Optimal Interpolation (EnOI). In the case where the computational resource is limited, the Ensemble Optimal Interpolation may provide an operational and cost-effective alternative to the Ensemble Kalman Filter (EnKF Oke et al., 2007). In fact, the EnOI estimates the background error covariance by using a stationary ensemble instead of ensemble model runs such as in the EnKF (Evensen, 2003).1

Introduction and validation for the KIOST real-time ocean prediction system (OPEM)

OPEM에 대한 모의 성능을 검증하기 위해 HYCOM 및 OPEM의 재분석 자료에 대하여 비교 분석을 수행하였다. 분석 기간은 총 2년 (201606 - 201805)이다. 프로파일 검증에 활용된 자료는 국립수산과학원 한국해양자료센터 (Korea Oceanographic Data Center, KODC) 정선해양 관측자료를 사용하였다. 동해, 남해, 서해 및 동중국해 등 총 4개 해역에서의 모의 검증을 수행하였다. 수온은 동해에서 HYCOM 및 OPEM의 모의 결과가 유사하였다. 하지만 전반적으로 수심이 얕은 해역(서해, 남해, 동중국해)에서의 수온 모의 결과는 OPEM이 HYCOM에 비해 관측에 더 잘 부합하였다. 염분은 OPEM이 HYCOM에 비해 표층에서 오차가 크게 나타난다. 이는 하천에서 유입되는 담수의 영향이 강하게 반영되어 나타난 결과로 추정된다. 수심별 수온 및 염분의 공간 분포에 대한 검증은 Met Office EN4 (Ver 4.2.1) g10 월평균 자료를 활용하였다. 전반적으로 수온 및 염분의 평균장 분포는 HYCOM에 비해 OPEM이 관측과 유사하였다. 이처럼 수심별 수온·염분의 공간 패턴 및 한반도 주변 해역에서의 수온에 대한 모의 성능 등 OPEM이 HYCOM에 비해 부분적으로 뛰어난 부분도 있다. 하지만, OPEM은 HYCOM에 비해 표층 부근에서의 염분의 모의 성능이 떨어지는 등 향후 개선 과제가 남아 있다.DC) 정선해양 관측자료를 사용하였다. 동해, 남해, 서해 및 동중국해 등 총 4개 해역에서의 모의 검증을 수행하였다. 수온은 동해에서 HYCOM 및 OPEM의 모의 결과가 유사하였다. 하지만 전반적으로 수심이 얕은 해역(서해, 남해, 동중국해)에서의 수온 모의 결과는 OPEM이 HYCOM에 비해 관측에 더 잘 부합하였다. 염분은 OPEM이 HYCOM에 비해 표층에서 오차가 크게 나타난다. 이는 하천에서 유입되는 담수의 영향이 강하게 반영되어 나타난 결과로 추정된다. 수심별 수온 및 염분의 공간 분포에 대한 검증은 Met Office EN4 (Ver 4.2.1) g10 월평균 자료를 활용하였다. 전반적으로 수온 및 염분의 평균장 분포는 HYCOM에 비해 OPEM이 관측과 유사하였다. 이처럼 수심별 수온·염분의 공간 패턴 및 한반도 주변 해역에서의 수온에 대한 모의 성능 등 OPEM이 HYCOM에 비해 부분적으로 뛰어난 부분도 있다. 하지만, OPEM은 HYCOM에 비해 표층 부근에서의 염분의 모의 성능이 떨어지는 등 향후 개선 과제가 남아 있다.2

Sensitivity Experiment of Climate Performance on the roles of Ocean Bio-Geo-Chemistry Process

지구온난화와 기후변화에 의한 이상 기상 현상이 빈번해지고 있으며 이에 대처하기 위해 선진국을 중심으로 기후예측 시스템을 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내에서도 기후변화에 대한 관심이 높고 기후변화에 따른 자연재해 저감 및 적응 방안을 도출하기 위한 연구가 진행되고 있다. 기후변화에 효과적으로 대처하기 위해서는 장기 기후예측 시스템의 개발이 필요하다. 장기 기후예측 시스템의 중요한 도구로서 지구시스템을 모의하기 위하여 GAIA 지구시스템 모델을 개발해 오고 있다. 본 연구에서는 해양의 생지화학 과정을 모의하기 위해 TOPAZ (Tracer in the Ocean with Allometric Zooplankton, Dunne et al., 2010)와 BLING (Biogeochemistry with Light Iroon Nutrients and Gasses, Galbraith et al., 2010) 모듈을 적용하여 각각의 모형에 대한 전지구 기후시스템에 대한 민감도 실험을 수행하였다. 각 모듈의 생지화학 과정에 대한 모의 성능을 진단하기 위하여 인산염과 클로로필의 모의 결과를 World Ocean Atlas의 관측값과 비교하였다. TOPAZ와 BLING 두 모형 모두 고위도 지역에서 인산염의 농도가 저평가된 경향이 있다. 그러나 전반적으로 TOPAZ는 고위도 지역을 제외하고 모든 지역에서 인산염의 농도가 고평가된 경향을 뚜렷 보이지만 BLING은 TOPAZ에 비해 기후평균적으로 관측에 가까운 분포를 나타낸다. 일반적으로 전지구적인 영양염 분포 및 클로로필 농도에서 BLING 이 다소 좋은 성능을 나타내는 것으로 평가되었다. 기후모의 성능을 진단하기 위하여 엘니뇨 지수(NINO3.4)에 대한 해수면 온도와 강수량의 회귀분석 결과를 비교 분석하였다. 해수면 온도에 대한 회귀분석 결과 BLING은 적도 방안을 도출하기 위한 연구가 진행되고 있다. 기후변화에 효과적으로 대처하기 위해서는 장기 기후예측 시스템의 개발이 필요하다. 장기 기후예측 시스템의 중요한 도구로서 지구시스템을 모의하기 위하여 GAIA 지구시스템 모델을 개발해 오고 있다. 본 연구에서는 해양의 생지화학 과정을 모의하기 위해 TOPAZ (Tracer in the Ocean with Allometric Zooplankton, Dunne et al., 2010)와 BLING (Biogeochemistry with Light Iroon Nutrients and Gasses, Galbraith et al., 2010) 모듈을 적용하여 각각의 모형에 대한 전지구 기후시스템에 대한 민감도 실험을 수행하였다. 각 모듈의 생지화학 과정에 대한 모의 성능을 진단하기 위하여 인산염과 클로로필의 모의 결과를 World Ocean Atlas의 관측값과 비교하였다. TOPAZ와 BLING 두 모형 모두 고위도 지역에서 인산염의 농도가 저평가된 경향이 있다. 그러나 전반적으로 TOPAZ는 고위도 지역을 제외하고 모든 지역에서 인산염의 농도가 고평가된 경향을 뚜렷 보이지만 BLING은 TOPAZ에 비해 기후평균적으로 관측에 가까운 분포를 나타낸다. 일반적으로 전지구적인 영양염 분포 및 클로로필 농도에서 BLING 이 다소 좋은 성능을 나타내는 것으로 평가되었다. 기후모의 성능을 진단하기 위하여 엘니뇨 지수(NINO3.4)에 대한 해수면 온도와 강수량의 회귀분석 결과를 비교 분석하였다. 해수면 온도에 대한 회귀분석 결과 BLING은 적도2

고해상도 북서태평양 해양순환 예측 시스템 개발

KIOST에서는 북서태평양 지역해양순환 모델에 EnOI 해양자료동화를 적용하여 해양순환 예측 시스템 개발을 수행하고 있다. 수치모델은 계산 영역에서 1/24°의 해상도를 갖으며 수직적으로 51개층으로 구성되었다. 초기장은 WOA2009의 수온 및 염분 자료를 이용하였고, 개방경계조건은 KIOST 전지구 기후재분석자료와 MyOcean 자료를 사용하였다. ECMWF 및 RiVDIS 담수유출 관측자료 또한 반영되었다. 수온, 염분, SSHA에 대해 자료동화를 수행하였고, 자료동화 입력자료는 NODC의 World Ocean Database로부터 수집된 수온과 염분 프로파일, AVISO 해면고도자료, ARGO 프로파일, 그리고 OISST (NOAA) 해면수온 자료를 사용했다.본 연구로부터 얻어진 북서태평양 재분석 자료는 해면수온과 수온 및 염분 프로파일을 관측에 가깝게 모의하고 있다. 특히 관측 자료가 많지 않은 동해나 동중국해에서 현실에 가까운수온과 염분 프로파일이 생산된 것은 수치모델의 오류가 크게 저감된 것을 나타낸다. 수치모델의 해상도를 크게 향상시킨 것과 현실적인 담수유출 자료를 입력한 것이 성능을 향상시키는데 기여한 것으로 보인다.용하였고, 개방경계조건은 KIOST 전지구 기후재분석자료와 MyOcean 자료를 사용하였다. ECMWF 및 RiVDIS 담수유출 관측자료 또한 반영되었다. 수온, 염분, SSHA에 대해 자료동화를 수행하였고, 자료동화 입력자료는 NODC의 World Ocean Database로부터 수집된 수온과 염분 프로파일, AVISO 해면고도자료, ARGO 프로파일, 그리고 OISST (NOAA) 해면수온 자료를 사용했다.본 연구로부터 얻어진 북서태평양 재분석 자료는 해면수온과 수온 및 염분 프로파일을 관측에 가깝게 모의하고 있다. 특히 관측 자료가 많지 않은 동해나 동중국해에서 현실에 가까운수온과 염분 프로파일이 생산된 것은 수치모델의 오류가 크게 저감된 것을 나타낸다. 수치모델의 해상도를 크게 향상시킨 것과 현실적인 담수유출 자료를 입력한 것이 성능을 향상시키는데 기여한 것으로 보인다.2

APPARATUS FOR PREDICTING OF OCEAN AND METHOD THEREOF

본 명세서는 실시간 북서태평양 해양 예측 시스템 (KOOS-OPEM)을 개시한다. 상기 시스템은 태풍, 저염수, 고수온, 냉수대 등 북서태평양 및 한반도 주변 해역에서 발생하는 해양 현상의 발달과 소멸을 탐지하고, 이에 대한 예측자료 제공을 통해 방재 등 목적으로 활용하는데 그 목적이 있다. 상기 시스템의 전처리 시 스템은 해양순환모델 및 자료동화모듈의 수행에 필요한 입력자료를 재가공하는데 있다. 입력자료의 종류 는 해수면에 인접한 대기변수인 해면경계조건, 측면 경계부에서 유입 및 유출되는 해양변수인개방경계조 건, 위성 및 해양 관측자료 등 있다. 자료동화시스템은 실제 해양을 모사한 3차원 해양 초기조건을 생성하 는 것이 목적이며 Ensemble Optimal Interpolation 기법을 적용한 자료동화모듈 및 해양순환모델로 구성 되며 실시간 관측자료의 시간적 부재로 인한 문제점을 극복하기 위해서 2단계로 나누어 순차적으로 수행 된다. 예측시스템은 전처리 시스템 및 자료동화시스템에서 공급받은 입력자료를 바탕으로 북서태평양 해역 의 고해상도 3차원 해양 순환 자료를 최대 10일까지 생성한다. 해양순환모델의 측면 경계부에서 외부로 유 출되는 파동이 내부로 반사되는 문제를 해결하기 위해서, 해양의 U, V 변수의 순압속도에 대한 2차원 방사 조건 (2 Dimensional Radiation Boundary Condition)을 충족시켜서 해결한 개방경계모듈 해양순환모델 내부의 전체 질량 및부피 보존을 위해서 순압속도를 보정하는 개방경계모듈 일련의 과정을 실행하는 자 동화 프로그램 수치모형 실행에 필요한 격자자료 일체, 해저지형자료 등 해양순환모델을 포함할 수 있 다

On the Persistence of Warm Eddies in the East Sea

HYCOM 재분석 자료를 이용하여 동해에서 2003년과 2014년에 장기간 지속되었던 두 개의 난수성 에디를 선정하여 각각 WE03과 WE14로 명명하고 비교 분석하였다. 두 난수성 에디가 형성되는 시기는 동한난류가 평년에 비해 북상하는 것으로 나타났으며, 이들 난수성 에디는 동한난류와 아한대전선의 상호작용을 통해 상대적으로 수심이 얕은 한국대지 해역에서 생성되었다. 겨울철 연직 혼합에 의해서 난수성 에디의 중심부는 수심 150 m까지 13°C , 34.1 psu 가량의 균질한 특성을 보였다. WE03이 생성된 후 이듬해인 2004년에 대한해협 서수도를 통해 동해로 유입되는 해수의 양이 평년에 비해 많았으나 WE14가 생성된 후 이듬해인 2015년에는 대한해협 서수도를 통해 동해로 유입되는 해수의 양이 평년에 비해 많지 않았다. 이에서 대마난류가 난수성 에디에 열과 염을 공급하지만, 난수성 에디의 장기 지속에는 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 두 난수성 에디는 울릉도 부근에서 1년 6개월 이상 유지되었는데, 두 에디의 이동경로에 있어 특별한 공통점은 보이지 않았다. 울릉분지 부근에서는 동한난류의 사행 등으로 크고 작은 에디가 계속 생성된다. 장기간 존속하는 난수성 에디는 특별한 외적 요인에 의해서 생성되는 것이 아니라, 동한난류 또는 동한난류가 사행하는 과정에서 생성된 에디와의 상호작용을 통해 생성된 것으로 보인다. 동한난류가 평년에 비해 북상했던 시기에 장기간 지속된 난수성 에디가 항상 발생하지는 않았다는 점이 위와 같은 결론을 뒷받침한다. In this study, comparative analysis is performed on the long-term persisted warm eddies that were generated in 2003 (WE03) and in 2014 (WE14) over the East Sea using the HYCOM reanalysis data. The overshooting of the East Korea Warm Current (EKWC) was appeared during the formation period of those warm eddies. The warm eddies were produced in the shallow Korea Plateau region through the interaction of the EKWC and the sub-polar front. In the interior of the both warm eddies, a homogeneous water mass of about 13°C and 34.1 psu were generated over the upper 150 m depth by the winter mixing. In 2004, the next year of the generation of the WE03, the amount of the inflow through the western channel of the Korea Strait was larger, while the inflow was lesser than its climatology during 2015 corresponding to the development period of the WE14. The above results suggest that the heat and salt are supplied in the warm eddies through the Tsushima Warm Current (TWC), however the amount of the inflow through the Korea Strait has negligible impact on the long-term persistency of the warm eddies. Both of the warm eddies were maintained more than 18 months near Ulleung island, while they have no common feature on the pathways. In the vicinity of the Ulleung basin, large and small eddies are continuously created due to the meandering of the EKWC. The long-term persisted warm eddies in the Ulleung Island seem to be the results of the interaction between the pre-existed eddies located south of the sub-polar front and fresh eddies induced by the meanderings of the EKWC. The conclusion is also in line with the fact that the long-term persisted warm eddies were not always created when the overshooting of the EKWC was appeared.22Nkc

Comparison of the ocean analysis data in the East China Sea and Northwestern Pacific during summer season in 2017-2019

These days many ocean forecast and analysis dataset are produced while in-situ observations are not enough to cover the northwestern pacific, especially typhoon intensification area. These ocean forecast and analysis dataset are useful for monitoring and analyzing the environment of typhoon intensification and cooling by typhoon passage in the ocean. In this study, in order to evaluate the accuracy of reanalysis data in the East China sea and North Western Pacific during summer season, Ocean Predictability Experiment for Marine Environment (OPEM) and Global Ocean Physics Reanalysis (GLORYS12V1)data are compared with shipboard measurement. During summer in 2017-2019, using the R/V Isabu, three field surveywere carried out total 155 CTD stations. The statistics such as standard deviation, correlation and root-mean-square-errors(RMSEs) are calculated. As a results, OPEM has smaller RMSEs and larger correlation in temperature and salinity in East China Sea while GLORYS12V1 shows better performance in northwestern pacific even with many typhoon passages.2

2021년 여름철 해양열파에 의한 동한난류 강화 현상

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Optimizing a low-resolution Global Ocean Circulation Model Using MOM6

이 연구는 저해상도 전지구 해양순환모델의 성능을 평가하고 개선 방안을 모색하기 위해 다양한 민감도 실험을 수행하였다. GFDL(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)에서 개발한 해양순환모델인 MOM6(Modular Ocean Model Version 6)를 사용하였다 특히, ePBL(energetics based planetary boundary layer) 혼합층 방안의 적용, 조석 처방, 그리고 하이브리드 수직격자체계의 도입이 모델의 표층 수온과 염분 모의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 연구 결과, ePBL 혼합층 방안은 적도 태평양에서의 혼합층 두께의 과대 모의와 고온 편향을 완화하는 데 효과적이었으며, 조석 처방은 황해와 동해에서 해양 구조를 개선하는데 일부 기여하였다. 또한, 하이브리드 수직격자체계는 수온 및 염분의 수직 구조를 보다 정확하게 모의할 수 있게 하여 모델의 성능을 개선하였다. 이 연구는 해양순환모델의 정확성을 높이기 위한 구체적인 방안을 제시하고 있으며, 전지구적인 해양 및 기후 모델링의 성능 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.22Nkc

KIOST-지구시스템 모형 고도화와 기후예측 연구 기획

기후변화는 인류가 당면한 중요 문제 중 하나이다. KIOST에서는 타 기관과 협력하여 KIOST-ESM을 개발하여 IPCC 6차 보고서 작성을 위한 기후모델 상호비교 프로그램인 CMIP6에 기후변화 예측 자료를 제공한 바 있다. KIOST-ESM을 이용하여 기후변화시나리오별 기후변화 예측자료를 생산하고, 이를 바탕으로 해양열파의 변화와 한반도의 온난화 경향 등을 파악하였다. 그러나 KIOST-ESM를 이용하여 한반도가 속한 중위도의 기후를 구체적으로 전망하고 예측하는 데는 해상도 등 한계가 있다. 정확한 한반도 기후전망 및 예측을 위해서는 모형의 해상도와 역학과정을 고도화 할 필요가 있으며, 한반도 기후에 민감하게 영향을 미치는 지역에 대한 기후관측망의 확충이 요구된다. 우리나라의 탄소중립을 평가하기 위해서는 KIOST-ESM의 탄소플럭스 과정을 고도화하고 검증할 필요가 있다. 따라서, 이 과제는 KIOST-ESM을 고도화하여 중위도 기후모의 성능, 탄소플럭스 모의 성능을 향상시 키고 검증하기 위한 전략을 수립하였다. 또한 한반도 기후예측 성능을 향상시키기 위하여 아열대 서태평양을 포함한 한반도 기후에 민감한 영역에 대한 기후관측망 확충 전략도 수립하였다. 본 기획과제에서는 성분모형별 연구전략을 수립하여 지구시스템 모형의 고도화 방안을 수립하고, 한반도 기후예측 성능 향상을 위한 전략을 수립하였다. 현 KIOST_ESM은 대기와 해양 모두 순환 등 물리적 상태를 중심으로 개발되었기 때문에, 모형의 성능과 활용성을 높이기 위해서는 해양생지화학과정과 대기 화학 분야도 포함하였다. 지구시스템모형을 이용한 기후예측 전략과 이를 활용하여 국제사회에 기여하고,기후변화 예측과 적응에 필요한 과학적 자료 제공 방안도 수립하였다. 이 연구기획은 우리원의 고유 미션과 성과목표 1 ‘해양기후변화 감시와 예측’와 부합한다. 이러한 전략을 통해 확보된 기술력은 기후변화 적응을 위한 국가적인 인프라 구축과 탄소중립을 위한 국가적인 역량을 확보하는데 기여할 것이다. 이는 인류가 당면한 중요 문제를 다룸에 있어 우리나라의 국제적인 위상을 높이는데 기여할 것이다.한국해양과학기술