KR102641241B1 - 전지구 대기 모델에서 대기-해양 상호작용을 고려한 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법에 관한 것으로, a) 대기 모델에서 전지구 대기 모델에서 해양 자료를 읽어 들이는 단계와, b) 전지구 대기 모델의 해양 혼합층 물리과정에서 대기-해양 상호작용을 계산하는 단계와, c) 해양 혼합층 물리과정에서 계산된 대기-해양 상호작용을 대기 모델로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전지구 대기 모델에서 대기-해양 상호작용을 고려한 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법{The development of ocean mixed layer model for air-sea interaction processes in Atmospheric General Circulation Model}

본 발명은 전지구 대기 모델에서 대기-해양 상호작용을 고려한 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 상층 해양 내부 에너지 변화를 고려한 물리과정 모델링 방법에 관한 것이다.

대기-해양 상호작용은 대기-해양 커플 모델 시스템을 통해서 고려 될 수 있다. 그러나 대기-해양 커플 모델 시스템은 대기 모델 시스템보다는 많은 컴퓨팅 자원이 요구되며, 결합 시스템 내의 균형을 맞춰주기 위한 스핀 업(spin-up)기간이 필요하다.

또한, 대기-해양 상호작용이 하루에 한번 일주기(daily)로 대기-해양간의 영향이 고려되어 일주기 이내의 상세한 대기-해양 상호작용을 파악하기에 시간 주기가 크다.

그리고 대기-해양 커플 모델 시스템으로 생산된 결과는 대기-해양 상호 작용 뿐만 아니라 해양 내부의 역학 과정까지 함께 포함 되어 있어 대기-해양 상호 작용만 독립적으로 분석하기에 한계를 가진다.

또한, 기존의 대기 모델에서는 대기와 해양의 경계조건인 해수면 온도를 재분석 자료 등을 이용하여 경계조건으로 입력된 자료를 활용하였다.

공개특허 10-2020-0059085(2020년 5월 28일 공개, 해양 표층 표류부이 관측 수온자료와 인공위성 적외영상자료를 활용한 해양 표층 해수면온도 산출 방법)에는 정확한 해양 표층의 해수면 온도를 검출하는 방법이 기재되어 있다.

이러한 방법으로 검출된 해양 표층의 해수면 온도는 전지구 모델에 적용되어 대기와 해양의 경게조건으로 사용되었다.

또한, 대기에 해양의 열용량이 강제력으로 주어지며 그 반응은 매우 작거나 느리고 해양의 열용량은 무한하게 크지만 해수면온도는 대기의 변화에 영향을 받아 반응 하지 않는 가정을 한다.

그러나 이러한 방법은 대기-해양 상호작용 과정이 포함되지 않는다.

종래의 단점을 보완하기 위하여 대기모델에서는 바닥 경계조건을 좀 더 상세히 표현해 주기 위하여, 대기 하층의 바람세기에 따라 해수면 온도가 경험식으로 계산되도록 하는 단층 해양 혼합층 모델이 제안되었다.

그러나 이 방법은 해수 표면의 플럭스에 의한 효과보다 바람에 의한 효과가 커 해수면을 냉각 시키는 효과가 주도적으로 나타났으며, 기존 전지구 대기 모델에서는 과거 재분석 자료의 해수면 온도를 읽어들여 대기 모델에 전달되도록 구성되어 해수면 온도가 대기에 주는 영향만 고려할 수 있게 구성되어 있다.

즉, 해수면과 대기의 에너지 교환에 따라 다시 해수면과 해수면 하부의 해양 상층부간에도 에너지 교환이 이루어져, 해수면의 온도가 변화되지만 이러한 해양 내의 에너지 교환에 대한 적절한 모델을 구현할 수 없는 문제점이 있었다.

대기-해양 상호작용은 대기와 해양사이의 에너지 교환과정을 의미한다.

해양은 대기보다 열용량이 크기 때문에 해수면 온도를 통해 해수면에 접한 하층 대기의 온도를 직접적으로 가열 시키거나 냉각시킬 수 있다.

또한, 대기는 해양 표층에 바람이나 플럭스를 통해 해수면 온도 변화에 영향을 주고, 해양 혼합층을 발달시킨다.

해양 표면의 강한 응력(wind stress)은 해양 혼합층의 깊이를 발달시키고, 해수의 용승을 유도 하게 되고, 해수면 온도의 냉각을 이끌어 낼 수 있고, 대기로 부터의 강수는 해수면 온도를 냉각 시키는 요인이 될 수 있다.

따라서 대기와 해양의 경계 조건에 해당하는 해수면 온도는 대기-해양 상호작용으로 인해 변화 하게 된다.

특히, 대기 모델에서 해수면 온도는 계절적 몬순 순환과 강수 예측에 영향을 주기 때문에 대기-해양 상호작용 과정이 포함된 해수면 온도의 모의는 중요한 요인으로 작용한다. 예로서, 열대 태평양과 인도양은 대기-해양 상호작용을 통해 동아시아 여름철 강수 변화에 원격상관(tele-connection)을 통해 작용한다. 따라서 각 해역이 동아시아 여름철 강수 변화에 어떻게 영향을 주는지 파악하기 위해서는 대기-해양 상호작용이 어떻게 반응하는지 파악하는 것이 중요하다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 해양 상층부의 열교환 과정을 고려한 대기와 해양 간의 상호 작용을 모델링하여, 전지구 대기 모델에 적용할 수 있는 전지구 대기 모델에서의 대기-해양 상호작용을 고려한 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 대기-해양 상호작용을 고려한 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법은, a) 대기 모델에서 전지구 대기 모델에서 해양 자료를 읽어 들이는 단계와, b) 전지구 대기 모델의 해양 혼합층 물리과정에서 대기-해양 상호작용을 계산하는 단계와, c) 해양 혼합층 물리과정에서 계산된 대기-해양 상호작용을 대기 모델로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 b) 단계는, 해양 상층부를 깊이에 따라 32개의 분할 영역으로 분할하고, b-1) 현재 해양의 내부 혼합계수를 계산하는 단계와, b-2) 해수면의 열, 운동 플럭스를 계산하는 단계와, b-3) 표층 플럭스에 의해 해수가 혼합되는 범위를 계산하는 단계와, b-4) 상기 b-3) 단계에서 구해진 혼합 범위 내에서 해양 혼합계수를 계산하는 단계와, b-5) 상기 b-4)에서 산출된 해양 혼합계수를 반영하여 상기 32개의 분할된 층 중 최상층의 온도를 해수면 온도로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 해양 자료는, 수온, 염분 및 해류를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 b-3) 단계에서 해수가 혼합되는 범위는, 리차드슨 수를 이용하여 계산하여 산출되며, 분할된 영역의 깊이로 얻어질 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 b-4) 단계의 혼합계수는, 혼합 범위와 비국지 수송을 이용하여 산출될 수 있다.

본 발명 종래의 대기-해양 커플 모델에 비하여 컴퓨팅 시스템 효율을 높일 수 있으며, 대기-해양 상호작용을 일주기보다 짧은 간격으로 고려하여 산출할 수 있어 특정 시간대별로 기후의 정확한 예측이 가능한 효과가 있다.

또한, 스핀 업에 필요한 시간을 단축하여, 시스템 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 모델링 개념을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모델링 방법의 순서도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

특히 본 발명은 전지구 대기 모델에 적용되는 대기-해양 상호작용을 고려한 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법에 관한 것으로, 이러한 방법은 적어도 프로세서, 데이터 저장 수단, 디스플레이를 포함하는 컴퓨팅 장치에서 수행되는 것이며, 특별한 설명이 없더라도 본 발명을 구성하는 각 단계의 수행 주체는 프로세서가 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 모델링 개념을 설명하기 위한 설명도이다.

도 1을 참조하면, 대기 모델에서는 하층플럭스(현열, 잠열), 태양 복사(장,단파), 강수, 지표 바람(동-서바람, 남-북바람)을 해양으로 전달한다.

대기에서 해양으로 전달 받은 대기 변수는, 해양 표층의 열, 운동 플럭스의 형태로 에너지가 전달된다.

표층 열, 운동 플럭스는 해수온도, 염분, 해류에 영향을 주고, 해양의 연직 혼합을 유도하게 되어 표층의 해수와 혼합층 모델 하부의 해수가 혼합이 되게 된다.

이러한 과정을 통해 해수의 온도, 염분, 해류 등이 변화하게 되고 해양 최상층에 해당하는 해수면 온도 역시 변화하게 된다.

변화된 해수면 온도는 다시 대기 모델로 전달되어 대기 하층의 물리과정 계산에 사용된다.

이러한 계산 과정은 대기 모델이 적분(예측)되는 간격 마다 계산된다.

대기모델에서 해양 모델로 전달되는 대기 변수는 현열, 잠열, 하향장파복사, 상향장파복사, 하향단파복사, 강수, 지표면 바람(동-서 바람, 남-북 바람) 총 8개이며, 해양 혼합층 물리과정에 사용되는 해양 변수는 해양 온도, 염분, 동-서 방향 해류, 남-북 방향 해류 총 4개이다.

해양 혼합층 모델에서 대기 모델로 전달되는 변수는, 해수면 온도이며 이는 최상층 해양 온도가 해수면 온도를 갈음한다.

해양 혼합층 모델은 해수면으로부터 수심 500m까지를 아우르는 깊이로 22개의 다층으로 구성한다.

이와 같이 본 발명은 대기 모델이 해양 혼합층에 미치는 영향을 고려하고, 그 영향에 의해 변화된 해양 혼합층 모델이 다시 대기 모델에 영향을 주는 순환적 개념을 도입하여 해양 혼합층 물리과정을 계산하는 모델을 구현할 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모델링 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면 본 발명 모델링 방법은, 전지구 대기 모델에서 해양 자료를 읽어 들이는 단계(S10)와, 전지구 대기 모델의 해양 혼합층 물리과정에서 대기-해양 상호작용을 계산하는 단계(S20)와, 해양 혼합층 물리과정에서 계산된 대기-해양 상호작용을 대기 모델로 전달하는 단계(S30) 및 계산 된 결과물을 파일로 작성하는 단계(S40)를 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 전지구 대기 모델에서 대기-해양 상호작용을 고려한 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법의 구체적인 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, S10단계에서는, 전지구 대기 모델에서 해양 자료를 읽어들인다.

이때의 해양 자료는 수온, 염분, 해류를 포함한다.

해양 자료의 수온은 해수면의 온도인 것으로 한다.

그 다음, S20단계에서는, 전지구 대기 모델의 해양 혼합층 물리과정에서 대기-해양의 상호작용을 계산한다.

이를 위하여, 본 발명은 해양을 해수면에서 약 500m 수심에 해당하는 상층 해양을 대상으로 하며, 상층 해양을 깊이에 따라 총 23개의 층으로 나눈다.

해양 혼합층 물리과정은 대기와 해양 경계에 해당하는 해수면을 통해 에너지를 교환하고, 그 과정을 통해 해양 내부의 혼합을 계산하여 해양 내부의 변화가 다시 해수면으로 에너지가 전달되도록 하는 과정을 계산한다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, S21단계와 같이 현재 해양의 내부 혼합계수를 계산한다.

현재 해수의 혼합정도를 진단하기 위해, 리차드슨 수를 활용하여 아래의 수학식 1로 구해질 수 있다.

이때 계산된 혼합계수는 배경 값(background value)으로 설정된다.

그 다음, S22단계와 같이, 해양 표면인 해수면의 열, 운동 플럭스를 계산한다.

즉, 대기에서 해양으로 전달되어 오는 플럭스 값을 활용하여 표층 온도 플럭스, 표층 염분 플럭스, 표층 부력 플럭스, 표층 동-서속도 플럭스, 표층 남-북 속도 플럭스, 태양복사 플럭스를 계산한다.

아래의 수학식 2는 열플럭스의 산출식이며, 수학식 3은 운동 플럭스의 산출식이다.

이때, 계산된 결과 값은 다음 단계의 계산에서 사용된다.

그 다음, S23단계와 같이, 표층 플럭스에 의해 해수가 혼합되는 범위를 계산한다.

해수면을 통해 전달되는 에너지가 해양 내부로 전달되어 해양이 혼합되는 범위를 계산하는데, 이때의 범위를 해양 경계층 이라고 하며, 이 깊이를 해양 경계층 깊이라고 한다.

해양 경계층 깊이는 리차드슨 수를 이용하여 계산되며, 임계값은 0.7로 설정되나 임의로 변경할 수 있는 값이다.

해양이 혼합되는 범위는 아래의 수학식 4로 계산될 수 있다.

계산된 혼합 범위는 다음 단계의 계산에 활용된다.

그 다음, S24단계와 같이, 상기 S23단계에서 산출된 해수가 혼합되는 해양 혼합층 깊이 내에서, 해양 혼합계수를 계산한다.

앞서 S22단계에서 산출된 해수면의 열, 운동 플럭스는 해수면 강제력으로 작용하고, 해수면 강제력에 따른 해양 경계층 내의 혼합계수와 비국지 수송을 이용하여 혼합계수를 계산한다.

혼합계수는 아래의 수학식 5를 통해 산출될 수 있다.

그 다음, S25단계에서는 최종적으로 계산된 혼합계수를 반영하여 S10단계에서 읽어들인 해양 정보를 업데이트 해준다.

즉, 수온, 염분, 해류(동-서방향, 남-북방향)를 갱신하며, 32개의 분할된 층 중 최상층의 온도를 해수면 온도로 설정한다.

이러한 과정은 대기 모델이 적분되는 간격마다 수행된다.

그 다음, S30단계와 같이 상기 S20단계를 통해 갱신된 해양 정보를 대기 모델에 입력한다.

대기 모델에 입력된 해수면 온도 정보는 대기 모델의 강수, 해수면 온도에 주는 영향, 현열, 잠열, 장/단파 복사, 대기 하층 바람을 포함하는 대기 모델의 결과 요소에 영향을 주게 된다.

그 다음, S40단계와 같이 대기 모델의 결과 요소를 파일로 작성하여 저장수단에 저장한다.

이와 같은 과정을 통해 본 발명은 기존의 한 개의 층(single-layer)으로 구성 되어 있던 해양 혼합층 모델을 상층 해양을 포함하는 다층(multi-layer)으로 확장하여, 해수면에서 대기와 해양 사이의 열과 운동량 플럭스 교환과정, 강수로 인한 해수면의 플럭스 변화, 해양 경계층 및 해양 내부의 연직 혼합과정을 포함하는 모델을 제공함으로써, 실제 대기-해양의 상호 작용에 의한 영향을 모델링할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 프로세서에서 수행되는 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법으로서,
   a) 대기 모델에서 전지구 대기 모델에서 해양 자료를 읽어 들이는 단계;
   b) 전지구 대기 모델의 해양 혼합층 물리과정에서 대기-해양 상호작용을 계산하는 단계; 및
   c) 해양 혼합층 물리과정에서 계산된 대기-해양 상호작용을 대기 모델로 전달하는 단계를 포함하되,
   상기 b) 단계는,
   해양 상층부를 깊이에 따라 32개의 분할 영역으로 분할하고,
   b-1) 현재 해양의 내부 혼합계수를 계산하는 단계;
   b-2) 해수면의 열, 운동 플럭스를 계산하는 단계;
   b-3) 표층 플럭스에 의해 해수가 혼합되는 범위를 계산하는 단계;
   b-4) 상기 b-3) 단계에서 구해진 혼합 범위 내에서 해양 혼합계수를 계산하는 단계; 및
   b-5) 상기 b-4)에서 산출된 해양 혼합계수를 반영하여 상기 32개의 분할된 층 중 최상층의 온도를 해수면 온도로 설정하는 단계를 포함하는 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 해양 자료는,
   수온, 염분 및 해류를 포함하는 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 b-3) 단계에서 해수가 혼합되는 범위는,
   리차드슨 수를 이용하여 계산하여 산출되며,
   분할된 영역의 깊이로 얻어지는 것을 특징으로 하는 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 b-4) 단계의 혼합계수는,
   혼합 범위와 비국지 수송을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 해양 혼합층 물리과정 모델링 방법.