KR100974958B1 - 태풍－파랑－해양 접합 시스템과 이를 이용한 태풍 예측 방법 - Google Patents

태풍－파랑－해양 접합 시스템과 이를 이용한 태풍 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하는 방법과 접합된 모델을 이용하여 태풍-파랑-해양 상호작용을 고려한 태풍 예측 방법에 관한 것이다. 본 발명은 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하고, 모델 요소를 교환하여 태풍-파랑-해양 상호작용을 고려하여 태풍의 최대풍속과 태풍바람의 공간적인 분포를 예측할 수 있는 태풍-파랑-해양 접합 시스템과 이를 이용한 태풍 예측 방법을 제공할 수 있다.
태풍, 파랑, 해양, 접합, 모델, 예측, 운동모멘텀, 응력상수

Description

태풍－파랑－해양 접합 시스템과 이를 이용한 태풍 예측 방법{HURRICANE-WAVE-OCEAN MODEL COUPLING SYSTEM AND HURRICANE PREDICTION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하는 방법과 접합된 모델을 이용하여 태풍-파랑-해양 상호작용을 고려한 태풍 예측 방법에 관한 것이다.
태풍은 가장 위험한 자연재해 중에 하나이다. 매년 태풍에 의해 많은 인명 및 재산 피해가 발생한다. 정확도 높은 태풍 예측 기술은 이러한 피해를 줄이는 데 기여할 수 있다.
최근 향상된 수치모델과 관측기술로 인하여 태풍의 진로예측 기술은 크게 진보하였지만 상대적으로 태풍의 강도와 구조를 예측하는 기술은 크게 발전하지 못하였다. 특히, 태풍의 강도예측 기술을 향상시키기 위하여 태풍모델과 해양모델을 접합하는 기술이 개발되어 태풍의 중심기압 예측기술이 크게 향상되었지만 여전히 태풍의 최대풍속을 예측하는 기술은 크게 발전하지 못하고 있다. 따라서 모델로부터 계산된 태풍의 중심기압과 최대풍속과의 관계에서 최대풍속이 관측값에 비해 과소 평가되는 경향이 있다. 이것의 원인은 모델의 불충분한 격자해상도 때문일 수 있지만 그보다 태풍모델의 표층과 해양-대기 경계층에서의 잘못된 계산과정에서 기인한다.
태풍과 같은 강한 바람에서는 해표면의 운동량 교환은 바다상태에 의존하여 표현되어야 한다. 그러나 현재의 태풍모델의 경계층 모수화 방법은 약한 바람에서 관측된 응력상수의 경향을 바탕으로 만들어진 고전적인 벌크(bulk) 방법을 사용하고 있다. 이 방법은 해양의 파랑은 모두 완전히 발달한 것으로 암시적으로 가정한다. 이것의 결과로 풍속이 증가하면 바람응력 상수의 값도 선형적으로 증가한다.
최근 이론, 실험실, 그리고 관측에 의한 연구에서 태풍과 같은 강한 바람에서는 바람응력 상수가 풍속이 증가함에 따라 더 이상 증가하지 않거나 심지어 감소하는 경향을 나타내었다. 이 결과와 고전적인 벌크방법과의 불일치성은 태풍환경에서 해양의 파랑은 완전히 발달하지 않는다는 것으로 설명된다. 실제 해양의 파랑은 지역적인 바람에 의해 결정되지 않기 때문에 해양의 파랑을 고려하여 해표면의 운동량을 보다 정확히 추정하기 위해서는 해양모델과 태풍모델은 파랑모델과 접합되어야 한다.
태풍 시기에는 강한 바람으로 인하여 높은 파도와 강한 해류가 발생하여 해양의 표층수온은 크게 변화한다. 표층수온의 변화는 태풍의 강도에 직접적인 영향을 주고 이것은 태풍 바람의 변화를 일으켜 다시 해양과 파랑에 영향을 준다. 태풍 시기에 강한 해류의 발생은 파랑의 예측에 영향을 주고 파랑의 변화는 바람응력 상수를 변화시켜 궁극적으로 표층수온과 태풍의 바람에 영향을 준다. 이렇게 태풍, 파랑, 해양은 서로 상호작용을 일으키기 때문에 태풍모델, 해양모델, 파랑모델은 이들 간의 상호작용을 고려할 수 있도록 서로 접합되어야 한다.
지금까지 해양 또는 대기모델을 파랑모델과 접합하여 파랑에 의존적인 운동량 플럭스를 추정한 많은 연구가 있었다. 그러나 이들 연구는 강한 풍속에서 매우 급격한 응력상수의 증가를 보여 최근의 관측된 결과와 상반된다. 또한 태풍모델, 해양모델, 파랑모델이 파랑경계층 모델에 의해 세 가지 모델이 결합된 태풍-파랑-해양 접합 모델은 아직까지 개발되지 못하였다.
본 발명의 목적은 정확도 높은 바람응력상수를 산출하여 궁극적으로 태풍-파랑-해양 상호작용이 고려된 태풍-파랑-해양 접합 시스템과 이를 이용한 태풍 예측 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태풍 모델 모듈과, 해양 모델 모듈과, 파랑 모델 모듈과, 상기 태풍 모델 모듈과 상기 해양 모델 모듈 및 상기 파랑 모델 모듈을 결합시키며 파랑에 의존하는 운동량 모멘텀을 계산하는 파랑경계층 모델 모듈과, 상기 태풍 모델 모듈과 상기 해양 모델 모듈 및 상기 파랑 모델 모듈의 요소를 공통된 모델 시간 간격 동안 서로 교환시키는 모델 요소 교환 모듈, 및 상기 파랑경계층 모델 모듈을 이용하여 바람응력을 계산하는 바람응력 계산 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍-파랑-해양 접합 시스템을 제공한다. 상기 태풍 모델 모듈은 수직적으로 42개 층, 수평적으로 경위도 시그마 좌표계를 채택하여 원시 방정식을 계산하고, 상기 파랑 모델 모듈은 개선된 파랑 전파와 성장 및 소멸 모수화 방법을 채택하고 바람입력항과 파랑간 비선형 상호작용 및 백파와 해저마찰에 의한 소산을 고려하여 스펙트럼 액션 방정식을 계산하며, 상기 해양 모델 모듈은 자유해수면과 시그마 좌표계 및 열염분 역학을 고려한 3차원 모델로 난류모델과 1/6도 수평 해상도의 이중 모델 도메인을 채택하고 개선된 해양 초기화 방법을 사용한다. 상기 파랑경계층 모델 모듈은 상기 파랑경계층 모델 모듈은 상기 파랑 모 델 모듈로부터 피크 주파수대의 스펙트럼을 받고 고주파수대의 스펙트럼은 평형스펙트럼을 이용한다. 상기 모델 요소 교환 모듈은 상기 태풍 모델 모듈과 상기 해양 모델 모듈 및 상기 해양 모델 모듈의 해수면 온도와 파랑 스펙트럼과 해류와 해수면 높이와 바람과 온도 및 바람응력을 일정 시간마다 서로 교환시킨다. 상기 바람응력 계산 모듈은 스펙트럼의 피크에서는 상기 파랑 모델 모듈을 이용하고 고주파수에서의 스펙트럼은 평형 스펙트럼을 이용하여 바람응력을 계산하며, 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 정하여, 상기 초기 표면 점성응력 벡터를 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하며, 파랑경계층 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절을 통해 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하여 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교한다. 상기 바람응력 계산 모듈은 상기 10m 높이의 풍속과 풍향이 상기 태풍 모델 초기 입력 바람과 일치하지 않을 경우, 상기 초기 표면 점성응력 벡터를 수정하여 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하여 상기 태풍 모델 초기 입력 바람과 일치할 때까지 비교한다.
또한, 본 발명은 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하는 단계와, 상기 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델의 요소를 교환하는 단계와, 상기 파랑경계층 모델을 이용하여 바람응력을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍 예측 방법을 제공한다. 상기 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하는 단계는, 상기 해양 모델이 운동량과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 일정하게 하는 단계와, 상기 태풍 모델이 해수면 온도와 표면 거칠기 길이를 일정하게 하는 단계와, 상기 파랑 모델 이 바람응력과 표층 해류 및 해수면 높이를 일정하게 하는 단계와, 상기 태풍 모델에서 계산된 표층 바람과 대기하층 수온을 상기 파랑경계층 모델에 전달하는 단계와, 상기 파랑경계층 모델에서 계산된 응력상수를 태풍 모델에 전달함과 동시에, 계산된 운동량 모멘텀과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 상기 해양 모델에 전달하는 단계, 및 상기 해양 모델에서 계산된 해수면 온도와 해류 및 해수면 높이를 상기 파랑 모델에 전달하는 단계를 포함한다. 상기 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델의 요소를 교환하는 단계는, 상기 태풍 모델과 상기 파랑 모델 및 상기 해양 모델 간에 해수면 온도와, 파랑 스펙트럼과, 해류와, 해수면 높이와, 바람과, 온도, 및 바람응력을 공통된 시간간격 동안 서로 교환하는 단계를 포함한다. 상기 파랑경계층 모델을 이용하여 바람응력을 계산하는 단계는, 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 설정하는 단계와, 상기 초기 표면 점성응력 벡터를 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하고 파랑경계층의 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절하여 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하는 단계, 및 상기 10m 높이의 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계를 포함한다. 상기 10m 높이의 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계는, 상기 10m 높이의 풍속과 풍향이 태풍 모델 초기 입력 바람과 오차 범위 내에서 일치하지 않을 경우, 상기 초기 표면 점성응력 벡터를 수정하는 단계와, 상기 수정된 초기 표면 점성응력 벡터를 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하고 파랑경계층의 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절하여 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하는 단계, 및 상기 10m 높이의 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템 및 이를 이용한 태풍 예측 방법은 상기 파랑 모델의 계산시간과 메모리의 단축을 위해 태풍의 진로를 따라서 강풍 영역에서만 고해상도의 모델 격자가 활성화되고 나머지 지역은 해빙지역으로 처리하는 이동 둥지격자처리 방법을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템 및 이를 이용한 태풍 예측 방법은 상기 해양 모델의 도메인을 두 개의 지역으로 나누어 태풍이 가까이 접근하는 도메인에 대해서만 격자가 활성화되어 해양 예측을 수행할 수 있다.
본 발명은 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하고, 모델 요소를 교환하여 태풍-파랑-해양 상호작용을 고려하여 태풍의 최대풍속과 태풍바람의 공간적인 분포를 예측할 수 있는 태풍-파랑-해양 접합 시스템과 이를 이용한 태풍 예측 방법을 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 요소 교환 과정을 나타낸 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델의 계산 영역을 나타낸 도면이다. 이때, 도 2에서 w는 바람, z는 거칠기 길이, STR은 바람응력, AT는 대기온도, SST는 해수면 온도, CUR은 표층해류, ELE는 해수면 높이이다.
본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 태풍 모델 모듈(100)과, 해양 모델 모듈(200)과, 파랑 모델 모듈(300)과, 파랑경계층 모델 모듈(400)과, 모델 요소 교환 모듈, 및 바람응력 계산 모듈을 포함한다.
태풍 모델 모듈(100)은 수직적으로 42개 층, 수평적으로 경위도 시그마 좌표계를 채택하여 원시 방정식을 푸는 태풍 모델을 포함한다. 이러한 대풍 모델 모듈은 태풍의 중심을 상세히 모의할 수 있도록 개발되었으며, 제일 안쪽의 둥지 격자의 해상도가 1/12도인 이동 둥지 격자 시스템과, 최신 난류계산방법 및 일주기와 구름효과를 고려한 태양복사 계산방법을 사용한다.
해양 모델 모듈(200)은 자유해수면, 시그마 좌표계, 완전한 열염분 역학을 고려한 3차원 모델로 최신 난류모델과 1/6도 수평 해상도의 이중 모델 도메인을 채택하고 개선된 해양 초기화 방법을 사용한다.
파랑 모델 모듈(300)은 개선된 파랑 전파와 성장 및 소멸 모수화 방법을 채택하고 바람입력항과 파랑간 비선형 상호작용 및 백파와 해저마찰에 의한 소산을 고려하여 스펙트럼 액션 방정식을 푸는 파랑 모델을 포함한다. 이러한 파랑 모델 모듈의 파랑 모델이 분해할 수 있는 스펙트럼의 주파수대는 0.285Hz에서 1.1726Hz 범위이고 각도는 15도이다. 특히, 파랑 모델은 태풍과 같은 시공간적으로 바람이 변화하는 환경에서 성능이 좋은 것으로 평가되며, 해양 모델과 접합할 수 있는 기능이 있다. 또한, 파랑 모델은 계산시간과 메모리의 단축을 위하여 태풍의 진로를 따라서 강풍 영역에서만 고해상도의 모델격자가 활성화되고 나머지 지역에서는 해빙지역(ice mask)으로 처리하는 이동 둥지격자 처리방법을 이용하는 것이 바람직하다.
상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델은 일정한 영역범위와 격자해상도 및 특성을 가질 수 있다. 이러한 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델에 대한 정보를 표 1과 도 3에 나타내었다.
표 1은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템에 사용된 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델에 대한 영역 범위와 격자 해상도 및 각 모델의 특성을 나타낸 것이다.
<표 1>
모델 모델영역 이름 영역범위 격자해상도 특성
태풍모델
(GFDL)		 C (Coarse) 75o×75o 1/2o relocatable
M (Medium) 11o×11o 1/6o movable
F (Fine) 5o×5o 1/12o movable
해양모델
(POM)		 OW (Western ocean) 48.5o×37.6o 1/6o fixed
OE (Eastern ocean) 30o×37.6o 1/6o fixed
파랑모델
(WW3)		 WL (Large) 24o×15o 1/12o relocatable
WS (Small) 6o×6o 1/12o movable
파랑경계층 모델 모듈(400)은 태풍 모델, 파랑 모델, 해양 모델을 결합시키 는 역할을 하며 파랑에 의존하는 운동량 모멘텀(momentum)을 계산한다. 파랑경계층 모델에서는 파랑 모델로부터 피크 주파수대의 스펙트럼을 받고 고주파수대의 스펙트럼은 평형스펙트럼을 이용하여 구한다. 이와 같이 구해진 전 주파수대에서의 스펙트럼 자료를 이용하여 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 정하여 이것을 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구한다. 이후, 파랑경계층의 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절을 수행하며, 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하고 구해진 값을 태풍 모델의 초기 입력 바람과 비교한다. 이때, 구해진 10m 높이의 풍속과 풍향이 태풍 모델의 초기 입력 바람과 같지 않을 경우, 임의로 정해진 초기 표면 점성응력 벡터 대신 수정된 표면 점성응력 벡터를 다시 대입하여 10m 높이의 풍속과 풍향이 태풍 모델의 초기 입력 바람과 적정 오차 내에서 일치할 때까지 상기 과정을 반복 수행한다.
모델 요소 교환 모듈은 태풍 모델 모듈과 해양 모델 모듈 및 파랑 모델 모듈의 모델 요소를 교환시키기 위한 것으로서, 태풍 모델 모듈의 태풍 모델과 해양 모델 모듈의 해양 모델 및 파랑 모델 모듈의 파랑 모델의 해수면 온도와 파랑 스펙트럼과 해류와 해수면 높이와 바람과 온도 및 바람응력을 교환시킨다. 이때, 모델의 요소 교환은 공통된 모델 시간 간격동안, 즉, 일정한 시간 간격마다 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 예를 들어, 도 2와 같이, 모델의 요소 교환을 위한 공통된 모델 시간 간격을 12분으로 설정하고, 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델은 12분마다 바람과, 거칠기 길이와, 바람응력과, 대기온도와, 해수면 온도와, 표층 해류 및 해수면 높이에 대한 정보를 교환할 수 있다.
바람응력 계산 모듈은 태풍의 바람응력을 계산하기 위한 것으로서, 이를 위해 파랑경계층 모델 모듈을 이용할 수 있다.
스펙트럼의 피크에서는 파랑예측 모델로부터, 고주파수에서의 스펙트럼은 평형스펙트럼을 이용할 수 있다. 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 정하여 이것을 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하며, 파랑경계층 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절을 통해 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하고 이 값을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 과정을 통해 신뢰도 높은 바람응력을 구할 수 있다. 물론, 10m 높이의 풍속과 풍향이 태풍 모델 초기 입력 바람과 일치하지 않거나, 적정 오차 범위를 벗어날 경우, 수정된 표면 점성응력 벡터를 임의의 초기 표면 점성응력 벡터 대신 대입하고 이것을 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하는 등의 상기 방법을 적정 오차 범위 내에서 일치할 때까지 반복할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템은 태풍-파랑-해양 상호작용을 고려하여 태풍의 최대풍속과 태풍바람의 공간적인 분포를 예측할 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 태풍 예측 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 후술할 내용 중 전술된 본 발명에 따른 태풍 예측 시스템의 설명과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 태풍 예측 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 태풍 예측 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 모델을 접합하는 단계(S1)와, 모델의 요소를 교환하는 단계(S2)와, 바람응력을 계산하는 단계(S3)를 포함한다.
모델을 접합하는 단계(S1)는 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 접합한다. 이는 파랑경계층 모델을 이용하여 수행할 수 있으며, 파랑경계층 모델은 파랑에 의존하는 운동량 모멘텀을 계산한다.
운동량과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 일정하게 하는 단계(S1-1)와, 해수면 온도와 표면 거칠기 길이를 일정하게 하는 단계(S1-2)와, 바람 응력과 표층 해류 및 해수면 높이를 일정하게 하는 단계(S1-3)와, 표층 바람과 대기하층 수온을 파랑경계층 모델에 전달하는 단계(S1-4)와, 응력상수를 태풍 모델에 전달하는 단계(S1-5)와, 운동량 모멘텀과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 해양 모델에 전달하는 단계(S1-6), 및 해수면 온도와 해류 및 해수면 높이를 파랑 모델이 전달하는 단계(S1-7)를 포함한다.
운동량과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 일정하게 하는 단계(S1-1)는 첫 시간 격자의 계산과정 동안 해양모델은 운동량과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 일정하게 한다.
해수면 온도와 표면 거칠기 길이를 일정하게 하는 단계(S1-2)는 첫 시간 격자 의 계산과정 동안 태풍 모델은 해수면 온도와 표면 거칠기 길이를 일정하게 한다.
바람 응력과 표층 해류 및 해수면 높이를 일정하게 하는 단계(S1-3)는 첫 시간 격자의 계산과정 동안 파랑 모델은 바람응력과 표층해류 및 해수면 높이를 일정하게 한다.
표층 바람과 대기하층 수온을 파랑경계층 모델에 전달하는 단계(S1-4)는 두 번째 시간격자의 계산과정 동안 태풍 모델에서 계산된 표층바람과 대기하층 수온을 파랑경계층 모델에 전달한다.
응력상수를 태풍 모델에 전달하는 단계(S1-5)는 두 번째 시간격자의 계산과정 동안 파랑경계층 모델로부터 계산된 응력상수를 태풍 모델에 전달한다.
운동량 모멘텀과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 해양 모델에 전달하는 단계(S1-6)는 응력상수를 태풍 모델에 전달하는 단계를 진행함과 동시에 계산된 운동량 모멘텀과 난류 운동 에너지 및 열 플럭스를 해양 모델에 전달한다.
해수면 온도와 해류 및 해수면 높이를 파랑 모델이 전달하는 단계(S1-7)는 해양 모델에서 계산된 해수면온도와 해류 및 해수면 높이를 파랑 모델로 전달한다.
모델의 요소를 교환하는 단계(S2)는 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델 간에 해수면 온도와, 파랑 스펙트럼과, 해류와, 해수면 높이와, 바람과, 온도, 및 바람응력을 공통된 모델 시간간격 동안 서로 교환한다. 이를 통해 본 발명은 태풍의 최대풍속과 태풍바람의 공간적인 분포를 예측할 때 태풍-파랑-해양 상호작용을 고 려할 수 있다.
바람응력을 계산하는 단계(S3)는 바람응력을 계산하기 위해 파랑경계층 모델을 이용하여 스펙트럼의 피크에서는 파랑 모델로부터, 고주파수에서의 스펙트럼은 평형 스펙트럼을 이용한다. 이러한 바람응력을 계산하는 단계는 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 설정하는 단계(S3-1)와, 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하는 단계(S3-2)와, 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절을 하는 단계(S3-3)와, 풍속과 풍향을 구하는 단계(S3-4)와, 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계(S3-5)를 포함한다.
초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 설정하는 단계(S3-1)는 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하기 위해 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 설정한다.
파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하는 단계(S3-2)는 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 설정하는 단계에서 설정된 초기 표면 점성응력 벡터를 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구한다.
수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절을 하는 단계(S3-3)는 파랑경계층의 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도를 조절한다.
풍속과 풍향을 구하는 단계(S3-4)는 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하고 이 값 을 태풍 모델의 초기 입력 바람과 비교한다.
풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계(S3-5)는 풍속과 풍향을 구하는 단계에서 구해진 10m 높이의 풍속과 풍향을 태풍 모델의 초기 입력 바람과 비교한다. 이때, 풍속과 풍향을 구하는 단계에서 구해진 10m 높이의 풍속과 풍향이 태풍 모델의 초기 입력 바람과 태풍 모델의 초기 입력 바람과 동일하지 않거나 오차가 클 경우, 수정된 표면 점성응력 벡터를 다시 대입하는 단계(S3-6)와, 적정 오차 내에서 일치할 때까지 반복 수행하는 단계(S3-7)를 더 포함한다.
수정된 표면 점성응력 벡터를 다시 대입하는 단계(S3-6)는 초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 설정하는 단계(S3-1)에서 임의로 설정된 초기 표면 점성응력 벡터 대신 수정된 표면 점성응력 벡터를 대입한다.
적정 오차 내에서 일치할 때까지 반복 수행하는 단계(S3-7)는 수정된 표면 점성응력 벡터를 대입하는 단계이후 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하는 단계(S3-2)와, 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절을 하는 단계(S3-3)와, 풍속과 풍향을 구하는 단계(S3-4)와, 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계(S3-5)를 10m 풍속과 풍향이 태풍 모델 초기 입력 바람과 적정 오차 내에서 일치할 때까지 반복한다.
한편, 본 발명에 따른 태풍 예측 방법은 파랑 모델의 계산시간과 메모리의 단축을 위하여 태풍의 진로를 따라서 강풍 영역에서만 고해상도의 모델 격자가 활성화되고 나머지 지역에서는 해빙지역(ice mask)으로 처리하는 이동 둥지격자 처리방법을 이용할 수 있다. 또한, 해양 모델의 도메인을 두 개의 지역으로 나누어 태풍이 가까이 접근하는 도메인에 대해서만 격자가 활성화되어 해양 예측을 수행하여 모델 계산시간을 줄일 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 태풍 예측 방법은 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하고, 모델 요소를 교환하여 태풍-파랑-해양 상호작용을 고려하여 태풍의 최대풍속과 태풍바람의 공간적인 분포를 예측할 수 있다.
다음은 상술한 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템과 이를 이용한 태풍 예측 방법을 실제 적용한 사례를 이용하여 기존의 모델과 비교하여 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델의 계산 영역을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍 진로를 다른 모델의 예측 결과 및 관측값과 비교한 도면이다. 또한, 도 7은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍의 최대풍속을 다른 모델의 예측 결과 및 관측값과 비교한 도면이다. 이때, 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 허리케인 이사벨(Isabel)의 진로와 최대 풍속 및 중심 기압을 다른 모델의 예측 결과 및 관측값과 비교한 것이다. 여기서 허리케인 이사벨에 대한 실험은 2003년 9월 12일 6시를 초기시간으로 하여 72시간 예측한 결과를 나타낸 것으로, 본 발명의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)을 태풍-해양 접합 모델(CHOM), 모수화를 사용한 태풍-해양 접합 모델(CHOM_Z0MOD), 그리고 관측값과 비교하고 있다.
표 2는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 정확도를 비교하기 위해 사용된 모델을 나타낸 것이다.
<표 2>
모델이름 모델설명 파랑모델 접합여부 해양모델 접합여부
태풍-해양 접합모델
(CHOM)		 GFDL/URI Coupled Hurricane-Ocean Model No Yes
CHOM모수화를 사용한 태풍-해양 접합모델 (CHOM_Z0MOD) GFDL/URI Coupled Hurricane-Ocean Model with z0 Modification No, but with z0 Modification Yes
태풍-파랑-해양 접합모델
(CHWOM)		 Fully Coupled Hurricane-Wave-Ocean Model Yes Yes
표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM), 즉, 태풍-파랑-해양 접합 시스템은 완전 결합된 태풍-파랑-해양 모델(Fully Coupled Hurricane-Wave-Ocean Model)로서, 파랑 모델 및 해양 모델과 접합이 가능하다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 모델은 태풍의 진로와 중심 기압을 예측하는 데에는 효과가 적지만, 도 6에 도시된 바와 같이, 태풍의 최대 풍속을 예측하는 데에는 큰 효과가 있음을 알 수 있다. 이때, 태풍의 최대 풍속 예측 기술의 향상은 접합 모델에서 파랑에 의존하는 거칠기 길이와 응력 상수를 사용하면서 향상되었다.
도 8은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍의 중심 기압을 다른 모델의 예측 결과 및 관측값과 비교한 도면이다. 이때, 도 8은 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)과 태풍-해양 접합 모델(CHOM) 및 모수화를 사용한 태풍-해양 접합 모델(CHOM_Z0MOD)의 허리케인 이사벨 시기동안 풍속에 따른 거칠기 길이(왼쪽, (a))와 응력 상수(오른쪽, (b))를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHOM)이 최신 관측결과 및 연구결과와 가장 잘 일치함을 알 수 있다. 또한, 이에 따라 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 모델에 의해 태풍 바람의 공간적인 분포를 재현하는 기술의 향상이 가장 크다.
도 9는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 거칠기 길이(왼쪽)와 응력상수(오른쪽)를 다른 모델의 예측 결과 및 관측값에 바탕을 둔 모수화 식과 비교한 도면이다. 이때, 도 9는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍의 공간적인 분포를 다른 모델의 예측 결과 및 관측값(HRD 바람)과 비교한 것으로서, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템이 관측값(d)에서 나타나는 북동 방향의 최대풍속 위치를 가장 잘 재현하고 있다. 반면, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템과 비교하기 위하여 사용된 다른 두 모델(태풍-해양 접합 모델(CHOM, (a)) 및 모수화를 사용한 태풍-해양 접합 모델(CHOM_Z0MOD), (b))은 최대풍속의 위치가 북쪽 또는 북서쪽에 위치하고 있어 관측값과 다른 분포를 보인다.
표 3은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)과 태풍-해양 접합 모델(CHOM) 및 CHOM 모수화를 사용한 태풍-해양 접합 모델(CHOM_Z0MOD)에서 예측된 태풍의 최대풍속반경과 최대풍속각도 및 50-kt 풍속 반경에 대한 오차를 비교한 것이다.
<표 3>
모델이름 최대풍속 반경
[km]		 최대풍속 위치 각도
[o]		 50-kt 풍속 반경
[km]
태풍-해양 접합모델
(CHOM)		 14.5 65.3 28.9
CHOM모수화를 사용한 태풍-해양 접합모델 (CHOM_Z0MOD) 12.4 63.1 26.6
태풍-파랑-해양 접합모델
(CHWOM)		 11.1 39.6 23.4
표 3과 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)과 태풍-해양 접합 모델(CHOM) 및 CHOM 모수화를 사용한 태풍-해양 접합 모델(CHOM_Z0MOD)에서 예측된 태풍의 최대풍속반경과 최대풍속각도 및 50-kt 풍속 반경에 대한 오차에서 본 발명에 따른 태풍-파랑 해양 접합 모델(CHWOM)이 가장 예측 능력이 뛰어난 것을 알 수 있다. 특히, 태풍의 최대풍속의 반경과 50-kt 풍속의 반경을 예측하는 기술보다 최대풍속이 나타나는 방향을 예측하는 기술이 가장 향상된 것으로 나타났다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 요소 교환 과정을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델의 계산 영역을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 태풍 예측 방법의 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍 진로를 다른 모델의 예측 결과 및 관측값과 비교한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍의 최대풍속을 다른 모델의 예측 결과 및 관측값과 비교한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍의 중심 기압을 다른 모델의 예측 결과 및 관측값과 비교한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 거칠기 길이(왼쪽)와 응력상수(오른쪽)를 다른 모델의 예측 결과 및 관측값에 바탕을 둔 모수화 식과 비교한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍의 공간적인 분포를 다른 모델의 예측 결과 및 관측값(HRD 바람)과 비교한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 태풍-파랑-해양 접합 시스템의 태풍-파랑-해양 접합 모델(CHWOM)로부터 예측된 태풍의 최대풍속반경과 최대풍속각도 및 50-kt 반경을 관측값과 비교하여 구한 오차를 다른 모델의 결과와 비교한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 태풍 모델 모듈 200: 해양 모델 모듈
300: 파랑 모델 모듈 400: 파랑경계층 모델 모듈

Claims (13)

  1. 태풍 모델 모듈과,
    해양 모델 모듈과,
    파랑 모델 모듈과,
    상기 태풍 모델 모듈과 상기 해양 모델 모듈 및 상기 파랑 모델 모듈을 결합시키며 파랑에 의존하는 운동량 모멘텀을 계산하는 파랑경계층 모델 모듈과,
    상기 태풍 모델 모듈과 상기 해양 모델 모듈 및 상기 파랑 모델 모듈의 해수면 온도와 파랑 스펙트럼과 해류와 해수면 높이와 바람과 온도 및 바람응력을 공통된 모델 시간 간격 동안 서로 교환시키는 모델 요소 교환 모듈, 및
    상기 파랑경계층 모델 모듈을 이용하여 바람응력을 계산하는 바람응력 계산 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍-파랑-해양 접합 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 파랑경계층 모델 모듈은 상기 파랑 모델 모듈로부터 피크 주파수대의 스펙트럼을 받고 고주파수대의 스펙트럼은 평형스펙트럼을 이용하는 것을 특징으로 하는 태풍-파랑-해양 접합 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 바람응력 계산 모듈은 스펙트럼의 피크에서는 상기 파랑 모델 모듈을 이용하고 고주파수에서의 스펙트럼은 평형 스펙트럼을 이용하여 바람응력을 계산하며,
    초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 정하여, 상기 초기 표면 점성응력 벡터를 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하며, 파랑경계층 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절을 통해 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하여 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 것을 특징으로 하는 태풍-파랑-해양 접합 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 바람응력 계산 모듈은 상기 10m 높이의 풍속과 풍향이 상기 태풍 모델 초기 입력 바람과 일치하지 않을 경우, 상기 초기 표면 점성응력 벡터를 수정하여 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하여 상기 태풍 모델 초기 입력 바람과 일치할 때까지 비교하는 것을 특징으로 하는 태풍-파랑-해양 접합 시스템.
  7. 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델을 파랑경계층 모델을 이용하여 접합하는 단계와,
    상기 태풍 모델과 파랑 모델 및 해양 모델간의 해수면 온도와, 파랑 스펙트럼과, 해류와, 해수면 높이와, 바람과, 온도, 및 바람응력을 공통된 시간 간격 동안 서로 교환하는 단계와,
    상기 파랑경계층 모델을 이용하여 바람응력을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍 예측 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 파랑경계층 모델을 이용하여 바람응력을 계산하는 단계는,
    초기 표면 점성응력 벡터를 임의로 설정하는 단계와,
    상기 초기 표면 점성응력 벡터를 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하고 파랑경계층의 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절하여 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하는 단계, 및
    상기 10m 높이의 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍 예측 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 10m 높이의 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계는,
    상기 10m 높이의 풍속과 풍향이 태풍 모델 초기 입력 바람과 오차 범위 내에서 일치하지 않을 경우,
    상기 초기 표면 점성응력 벡터를 수정하는 단계와,
    상기 수정된 초기 표면 점성응력 벡터를 시작으로 파랑이 생성하는 응력벡터와 총 바람응력을 구하고 파랑경계층의 상부까지 수직 평균 바람장을 구하고 안정도 조절하여 10m 높이의 풍속과 풍향을 구하는 단계, 및
    상기 10m 높이의 풍속과 풍향을 태풍 모델 초기 입력 바람과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태풍 예측 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 태풍 예측 방법은,
    상기 파랑 모델의 계산시간과 메모리의 단축을 위해 태풍의 진로를 따라서 강풍 영역에서만 고해상도의 모델 격자가 활성화되고 나머지 지역은 해빙지역으로 처리하는 이동 둥지격자처리 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 태풍 예측 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 태풍 예측 방법은,
    상기 해양 모델의 도메인을 두 개의 지역으로 나누어 태풍이 가까이 접근하는 도메인에 대해서만 격자가 활성화되어 해양 예측을 수행하는 것을 특징으로 하는 태풍 예측 방법.
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