국지 바람 예측에 미치는 아격자규모 지형 항력 모수화의 영향 :Impacts of a sub-grid orography drag parameterization on local wind predictions

오준서

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자료유형: 학위논문

저자정보: 오준서 (공주대학교, 공주대학교 일반대학원)

지도교수: 이상현

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

국지 바람 예측에 미치는 아격자규모 지형 항력 모수화의 영향

오준서 대기과학과 2020.01 학위논문

2019

현실적인 아격자 규모의 지형 항력 모수화 적용을 통한 국지 바람 예측 성능 향상

오준서 , 이두일 , 이상현 한국기상학회 학술대회 논문집 2019.10 학술대회자료

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대기질은 기상 조건에 따라 크게 영향을 받으며, 대기 화학 모형의 입력 자료로 사용되는 기상장은 대기질 예측 정확도와 신뢰도를 결정하는 중요한 요소이다. 따라서 입력 기상장에 대한 정확한 수치 모의가 필수적이며 모의된 기상장을 정량적으로 평가하는 것 또한 중요하다. 본 연구에서는 수도권 영역을 대상으로 Weather Research and Forecasting(WRF) 모형을 이용하여 1 km격자 해상도로 2016년 일 년 기간 기상장 모의를 수행하고, 측정 자료를 이용하여 지표와 상층 대기의 모의 성능을 검증하였다. 일 년 기간 기상장 모의를 위하여 WRF의 물리 옵션과 입력 자료에 따른 민감도 실험 (기상장 초기/경계 조건 입력 자료, 지면 피복 자료, FDDA 분석장 너징 기법, 둥지 격자 방안, 도시 모수화 모형)을 수행하고 풍속과 풍향, 기온, 비습 변수의 모의 성능을 분석하였다. 모의 기상장은 측정과 대체로 잘 일치하였으며, 이는 민감도 실험을 통해 최적화된 모형 설정 연구를 선행하였기 때문으로 보여진다. 지표부터 대기 경계층 높이까지는 모형이 풍속을 과대 모의하는 경향이 나타났으며 대기 경계층보다 상층에서는 오히려 과소 모의하는 특징이 나타났다. 지표 풍속의 계통 오차 비율은 약 20-50%로 나타났다. 이를 개선하기 위하여 WRF 모형 내에서 새로운 아격자규모 지형 항력 모수화를 접목하여 국지 바람의 예측 성능을 평가하였다. 새롭게 적용한 아격자규모 지형 항력 모수화 방안을 분석하기 위해 기존 항력 옵션을 포함해 3가지 민감도 실험을 구성하였고, WRF version 3.9.1 모형을 이용하여 한반도 영역에 대해 2016년 일 년 기간 수치 모의하였다. 아격자규모 지형 항력 모수화가 영향을 미치는 고도는 주간의 대기 경계층 높이가 최대로 발달하는 약 1500 m로 나타났다. 지표 풍속의 평균 편의 오차가 기준 실험에서는 연평균 1.5 m/s으로 풍속이 과대 모의되고 있으나 본 연구에서 적용한 아격자규모 지형 항력 모수화 실험에서는 0.3 m/s으로 감소하여 풍속 과대 모의 경향이 크게 완화되었다. 본 연구 결과는 모의 기상장을 입력 정보로 사용하는 대기질 모의 시 활용될 수 있으며 모의 성능이 향상된 국지 기상장은 대기질 모의 결과의 신뢰도 향상에 기여할 것으로 판단된다.

Air quality is strongly subject to meteorology, and the meteorological uncertainty is one of the major uncertainties in air quality simulations. Thus, accurate simulation and faithful evaluation of the input meteorology are prerequisite. In this study, we made a year-long meteorological simulation in 2016 over the Seoul metropolitan area using the Weather Research and Forecasting (WRF) model with a high spatial resolution of 1 km, and evaluated the performance faithfully against surface and upper meteorological measurements to identify uncertainties in the simulated meteorology. The WRF model was optimally configured for the year-long simulation based on a series of sensitivity simulations (initial/boundary meteorological conditions, land use mapping data, reanalysis grid nudging method, domain nesting method, urban canopy model) with implementing high resolution topographic height and landuse data. The evaluation results of wind speed, wind directional components, air temperature, and specific humidity are presented. Overall, the model’s performance in simulating the meteorological variables is reasonable comparing well against the measurements due probably to the efforts of the model’s configuration optimization. However, it is also identified that the model tends to overestimate wind speeds near the ground and below the atmospheric boundary layer (ABL) height (~850 hPa) but underestimate them above the ABL. Further statistical analysis shows that the meteorological biases are systematic in portion of approximately 20-50%, which means those are correctable. The evaluation results suggest the surface layer momentum exchange processes and the ABL entrainment processes to be investigated for further improvement of the model performance. In order to reduce the systematic error of wind speed, this study tried to improve local wind predictions by newly implemented sub-grid scale parameterization in WRF model. In order to evaluate the new ingredient and existing option, a series of the WRF simulations has been conducted for one year period in 2016 over the Korean peninsula with a horizontal grid resolution of 3 km. The simulation results show that the height affected by sub-grid scale orography drag parametrizations is approximately 1500 m (~850 hPa) that is similar to the maximum development of ABL height during the daytime. The results of surface wind showed that the new parameterization improved significantly the model performance by showing the mean bias error of 0.3 m/s compared to approximately 1.5 m/s in the reference simulation and 1.2 m/s in the simulation made with an existing option. The results of this study suggest that the new implemented parameterization will be useful in predicting local wind and associated air quality.

I. 서론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목적 5
II. 수도권 지역 상세 국지 기상장 모의 성능 평가 6
1. 연구 방법 6
1) 수치 모형 및 실험 설계 6
2) 측정 자료와 검증 방법 12
2. 연구 결과 15
1) 민감도 실험 결과 15
2) 장기간 모의 기상장 검증 결과 21
III. 아격자규모 지형 항력 모수화의 적용과 영향 분석 32
1. 연구 방법 32
1) 아격자규모 지형 항력 모수화 32
2) 실험 설계 33
3) 측정 자료와 검증 방법 35
2. 연구 결과 38
1) 아격자규모 지형 항력 모수화 영향 38
2) 대기 경계층 풍속 검증 41
3) 재순환 인자 50
IV. 요약 및 결론 53
참고문헌 57
ABSTRACT 68

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