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본 연구에서 고려한 앙상블 멤버는 앙상블 기법에 따라 Table 1에 보인바와 같이 다중모델과 다중물리로 구분하였다. 이용된 모델은 총 4 종의 기상 및 해양모델이고, 이는 다시 대상영역과 생산기관에 따라 6 종으로 세분화된다. 모든 모델의 실험 자료는 비용대비 실용성을 고려하여 주문제작하거나 무료로 수집이 가능하다. 이들 수치기상예측모델과 해양예측모델은 현업에서 신뢰성이 검증된 모델들을 확보하였으며 기상예측모델은 WRF-NMM^[10](이후 KIER1), WRF-ARW^[11](이후 KIER2, 3) 그리고 UM-RDAPS^[12](이후 KMA-UM)를 선택하였고, 해양예측 모델은 KMA-WW3^[13]와 JMA-WW3^[14]를 선택하였다. 다중물리 앙상블기법은 풍력터빈 높이의 풍속의 변화에 영향을 크게 끼치는 대기경계층과 지표모델을 각 2 개씩 조합하였다. 대기경계층기법은 Mellor–Yamada-Janjic^[15]과 Yonsei University^[16] 기법을 선택하였고 지표모델은 Noah^[17]과 Rapid Update Cycle^[18] 기법을 선택하였다.

기존의 앙상블예측시스템^[4]에서 이용된 KIER1과 KIER2 외에 본 연구에서 새롭게 고려한 KIER3은 해상도가 1km 간격으로 상세하게 구성한 대신 동일한 계산 시간동안 자료를 생산하기 위해서 도메인은 실증단지를 포함하고 KIER1과 동일하게 구성하되 4배 줄인 영역을 대상으로 한다. UM-RDAPS는 자료의 생산목적이 한반도 전역의 일기예측이므로 서남해상 실증단지를 모두 포함하나 해석영역의 수평해상도가 12km 간격으로 성근 격자계로 구성된다. 그리고 KMA-WW3와 JMA-WW3 역시 생산 목적이 한반도와 일본 해역 전역이므로 실증단지를 모두 포함하고 각각 8km와 5km의 해상도를 지닌다. 다중물리모델의 대상영역은 모두 KIER3과 동일하다(Fig. 1).

Fig. 1. 
Analysis domains (UM, KMA, JMA: outer box, KIER1: inner solid line box, KIER2: inner dashed line box, KIER3: inner smallest solid line box, HeMOSU-1: cross hair with circle) and the track of typhoons (Bolaven: left gray line, Tenbin: middle gray line, Sanba: right gray line with time stamps, respectively)

모델자료는 48시간 예보자료를 동일하게 분석에 활용하였으며 예측모델의 성능을 검증하기 위한 자료는 Fig. 1에서 영역 중심(북위 35도 27분, 동경 126도 07분)에 위치한 해상기상탑 자료를 이용하였다.^[19] 한국전력연구원에서 설치한 해상기상탑 해모수 1호(이후 HeMOSU-1) 풍속자료는 2012년 이후 10분 간격으로 측정된 자료를 이용하였다.

앙상블예측시스템의 예측 성능을 검증하기 위해서 이용한 자료는 풍력발전기 운영정지풍속인 25m/s(Fig. 2 점선) 보다 센 바람이 연속적으로 불었던 태풍 볼라벤, 뎬빈, 그리고 산바 케이스를 선택하였다. 2012년 제15호 태풍 볼라벤은 8월 26일부터 29일까지 서남해상 풍력발전 실증단지를 가까이 통과하여 직접적인 영향을 끼친 초대형 태풍이고, 연이어 8월 28일부터 31일까지 제 14호 태풍 덴빈, 9월 15일부터 18일까지 산바가 우리나라를 통과하면서 실증단지에 간접적인 영향을 끼쳤다.

Fig. 2. 
Chollian satellite images of (a) Typhoon Bolaven (28 August, 2012), (b) Typhoon Tenbin (30 August 2012), (c) Typhoon Sanba (17 September, 2012) by Korea Meteorological Administration

풍력터빈 허브높이를 대표하여 100m의 측정풍속과 모델에서 모의된 풍속을 분석하였다. HeMOSU-1 측정높이와 6종의 기상 및 해양모델에서 모의된 풍속의 분석 연직높이들이 다양하기 때문에 연직내삽하여 동일높이에서 풍속을 계산하였고, 특히 해양모델은 해수면 하층바람만 존재하므로 기상모델들(KIER1, KIER2)의 앙상블 대기상태 즉 마찰속도와 안정도로 모닌-오브코브 길이(Monin-Obukhov length)를 적용시켜 연직풍속 프로파일^[20,21]에서 산출된 변화량으로 보정하여 추정하였다.

앙상블 멤버의 민감도 및 멤버 조합의 최적화, 그리고 최종 앙상블예측시스템의 정확도를 분석하기 위해서 제곱근 오차(RMSE), 상관계수(CORR) 및 일치도(IOA)를 산출하였고, 앙상블 불확도를 계산하기 위해서 스프레드(SPRD)를 산출하여 정량적으로 평가하였다.

위 식에서 N은 예보로 산출된 값의 개수이며, 제곱근 오차는 0에 가까울수록, 상관계수와 일치도는 1에 가까울수록 모델의 예측 풍속이 관측풍속과 유사함을 의미한다. M은 예보모델의 개수이며, 스프레드는 작을수록 좋으나 보수적 확률예보의 가이던스를 마련할 때에는 스프레드가 클수록 불확실성을 최대한 고려할 수 있는 안정적인 시스템을 의미한다.

본 연구에서는 다중모델, 다중물리 그리고 하이브리드 기반의 앙상블기법을 모두 비교하였다. Fig. 3은 다중모델, 다중물리, 그리고 하이브리드 앙상블에 대한 태풍사례별 제곱근오차(RMSE)와 스프레드(SPRD)를 나타낸다. 태풍 볼라벤에서는 제곱근오차가 다중모델, 다중물리모델, 그리고 하이브리드 앙상블에서 각각 1.19, 1.61 그리고 0.99m/s이었고, 스프레드가 각각 1.71, 0.18 그리고 1.96m/s이었다. 태풍 덴빈은 제곱근오차가 다중모델, 다중물리 그리고 하이브리드 앙상블에서 각각 2.65, 6.56 그리고 4.60m/s이었고, 스프레드가 각각 3.66, 0.79 그리고 3.91m/s이었다. 태풍 산바는 제곱근 오차가 다중모델, 다중물리모델, 그리고 하이브리드 앙상블에서 각각 1.29, 3.38 그리고 2.22m/s이었고, 스프레드가 각각 1.01, 0.48 그리고 1.31m/s이었다. 모든 태풍 사례에서 평균적으로 다중모델, 다중물리 그리고 하이브리드 앙상블의 제곱근 오차가 각각 1.71, 3.85 그리고 2.60m/s이었고, 스프레드가 각각 2.12, 0.48 그리고 2.39m/s이었다.

Fig. 3. 
Root mean square error (RMSE) and ensemble spread (SPRD) from multi-models, multi-physics and hybrid models for Typhoon Bolaven, Tenbin, Sanba and all cases, respectively. Balck and gray box represent RMSE and SPRD, respectively

다중모델과 다중물리 앙상블의 풍속오차에 대한 원인을 자세히 분석하기 위해서 3차원 구조분석이 가능한 대표 기상수치모델 즉 다중모델에서 KIER1, 다중물리모델에서 KIER3.4에서 모의된 태풍의 상하층 구조를 Fig. 4와 같이 비교분석하였다. 태풍의 북상에 따른 태풍의 순환과 바람의 수평분포를 비교하기 위해서 2012년 8월 26일 18 UTC 27km(Fig. 2a, e), 8월 27일 00 UTC 9km(Fig. 2b, f)의 절대와도와 2012년 8월 27일 00 UTC 3km(Fig. 2c, g), 8월 27일 06 UTC 1km(Fig. 2d, h)의 바람장을 나타낸다. 500hPa 와도 분포(Fig.2a-Fig. 2b, e-f)에서 100×10^-5(1/s)정도의 최대 와도가 동일하게 나타났으며 원형구조의 태풍은 유사하게 모의하였다. 하지만 다중모델에서 태풍중심에서 반경 50km 구간내에서 약 20 ×10^-5(1/s)정도 절대와도가 컸다. 따라서 태풍 발달 정도에 따라 강도의 차이가 다소 크게 나타났다. 이런 특징은 Fig. 2c와 Fig. 2g의 풍속분포에 반영되어 20m/s 이하의 약풍대인 태풍의 눈으로 추정되는 반원이 잘 나타났으나 태풍의 발달과 진행이 빨랐던 다중모델에서 좀 더 온전한 태풍의 눈이 나타났다. 북쪽으로 진행하는 태풍 볼라벤의 북동쪽 반원에 뚜렷한 강풍대가 북위 34도 30분까지 위치하고 북위 36도까지 30m/s 이상의 강한 바람이 불었다(Fig. 2d). 하지만 태풍 북상과 와도의 차이로 다중물리모델의 경우, 북위 34도 20분까지 강풍대가 나타났고, 35도 30분까지 30m/s 이상의 강한 바람이 부는 것으로 나타났다(Fig. 2h).

Fig. 4. 
Horizontal distribution of absolute vorticity (500 hPa, units: 1/s) and winds (10 m AGL, units: m/s) in (a-d) multi-models and (e-h) multi-physics. (a,e) 27 km, (b,f) 9 km, (c,g) 9 km, (d, h) 3 km

다중모델의 앙상블 멤버별 민감도를 분석하여 정확도에 대한 예측성능이 안정적인 멤버로 최적화하였다. 2012년 8월 26일부터 2012년 9월 19일까지 기간 중에서 태풍이 직접적으로 영향을 끼치는 분석기간을 고려하여 다중모델 KIER1, KIER2, KIER3, KMA-UM, WW3 그리고 JMA-WW3의 총 6개 멤버를 예보시간별 제곱근오차(막대) 및 상관계수(실선)에 대한 정량적 수치를 비교하였다(Fig. 5). 앙상블멤버 조합을 위한 예측성능의 기준은 기존 단순앙상블예측시스템에 근접한 3m/s 이하의 제곱근오차 그리고 상관계수 0.65 이상을 적용하였다. 검은색의 막대와 실선은 24시간 예보(이후 D+1)를 가리키고, 회색 막대와 실선은 24시간 이후부터 48시간 예보(이후 D+2)를 가리킨다. 태풍 볼라벤의 경우 KIER3에서 D+2 예보오차가 4.73으로 임계치 3m/s를 초과하였고, 태풍 덴빈의 경우 KIER3, KMA-UM 모두 D+2 예보 오차가 크고 상관계수가 0.8이하였다. 태풍 산반에서는 KIER3, KMA-UM, 그리고 JMA-WW3에서 상관계수가 0.42, 0.02 그리고 0.44로 임계치 0.65이하였다. 따라서 모든 태풍 사례에 대해 예보오차가 3m/s 이하이고, 상관계수가 0.65이상인 모델은 KIER1, KIER2, 그리고 KMA-WW3였다.

Fig. 5. 
Root-mean-square error (RMSE) and correlation coefficient (CORR) for forecast day +1 (D+1) and forecast day +2 (D+2) among ensemble members in Multi-models. (a-c) represent for Typhoon Bolaven, Tenbin, and Sanba in 2012, respectively

다중모델에서 태풍내습에 대한 앙상블멤버의 최적화를 통해 최종 선택된 KIER1, KIER2 그리고 KMA-WW3의 앙상블평균과 기존 KIER1과 KIER2의 앙상블평균에 대한 예측성을 산포도로 비교하였다(Fig. 6). KMA-WW3의 예보시간에 맞추어 3시간 간격의 평균풍속을 측정 풍속과 비교한 결과, 실제 상관계수와 일치도가 각각 +1.4%, +2.1% 개선되었다. 기존 시스템과 신규 시스템의 차이가 되는 KMA- WW3에서 모의된 터빈높이에서의 바람은 동일 대기 조건하에서 추정에 활용된 초기 10m 풍속과 KMA-RDAPS를 파랑모델에 의해 재해석된 풍속의 변동성이 잘 모의된데 있는 것으로 보인다.

Fig. 6. 
Relationship of observed and simulated wind speed with 6 hourly intervals during all typhoon cases from 26 August to 18 September, 2012