해양수치모델링과 지능정보기술을 활용한
해양예측 정확도 향상 연구

사진 1. KIOST 해양재난·재해연구센터 KOOS 연구진

매일 일기예보를 접하듯 TV나 인터넷, 스마트폰 등을 통해 해양정보를 받아볼 수 있다면 어떨까? 어민들이 보다 안전하고 효과적인 어업을 할 수 있고, 진일보한 해양정보를 통해 해양 레저를 즐기는 사람들이 더욱 안전하게 활동할 수 있을 것이다. 또한 제주도 연안 해역의 수산업에 큰 피해를 입히는 양쯔강 저염수, 태안 앞바다의 유류 오염 사고, 세월호 사고와 같은 심각한 해양 재난사고 발생 시에도 유관기관에 정확한 해양예측 정보를 제공할 수 있다면 보다 효과적인 대응이 이루어질 것이다. 이번 호에서는 2009년부터 운용해양예보시스템(이하 KOOS)의 기반을 구축해 온 KIOST가 올해 3단계(2018~2022) 사업을 통해 해양예측시스템의 예측정확도를 높이기 위한 다방면의 연구를 수행하는 현장을 소개한다.

그림 1. 해양예측시스템(KOOS) 인포그래픽

2009년부터 KOOS 구축에 착수
예측정확도 향상을 목표로 3단계 사업 진행

매년 ·막대한 피해를 유발하는 태풍, 해일, 풍랑 등 자연재해나 유류유출 등 재난상황에 대한 대응뿐만 아니라, 선박의 조난이나 침몰 사고 발생 시 선박이나 실종자를 수색·구조하는 일의 중요성은 새삼 강조할 필요가 없다. 이렇듯 다양한 해양재난 발생 시 신속하고 효과적인 대응을 위해서는 항시 주변 해양을 관측하고 예보하는 해양예측시스템이 선제적으로 구축되어야 한다. 우리나라는 2007년 대규모 환경 재앙을 일으켰던 충남 태안의 허베이스피리트호 해양유류오염사고를 계기로 체계적인 해양예측시스템 구축의 필요성을 인식하였고, KIOST가 2009년부터 동 연구에 착수하여 1, 2단계 사업을 통해 시스템의 구축 및 고도화를 수행한 바 있다.¹⁾

물론 이전부터 각 요소별 예측 기술(바람, 조석, 파랑 등)의 개발은 상당 부문 진전되어 있었다. 그러나 대형 유류유출 사고나 해난사고 발생 시, 이를 통합적으로 연계하는 예측시스템의 부재로 전문가마다 상이한 예측자료를 발표하여 구조 현장에서 혼선이 빚어지기도 했다. 따라서 동 사업의 1, 2단계 연구에서는 그간 개별 요소 예측으로 국한되었던 단점을 극복하기 위해 하나의 시스템으로 연계하고 통합하는 연구가 진행되었다. 이후 개발된 해양예측시스템의 예측정확도를 더욱 향상시키는 것을 목표로 3단계 사업인 ‘해양수치모델링과 지능정보기술을 활용한 해양예측 정확도 향상 연구’ 과제를 통해 해상에서의 바람, 유속, 해수면 높이, 수온, 염분, 파랑 등의 요소에 대한 다각도의 연구가 진행되고 있다.

사진 2. 해양재난·재해연구센터 권재일 책임연구원

본 연구는 1) 우리나라 주변 해역에 적합한 해양예측시스템의 구축, 2) 정확도 향상에 필요한 요소기술 개발과 적용, 그리고 3) 다양한 사용자의 필요에 맞게 활용도가 높은 제공하는 것을 최종 목표로 하고 있다. 3단계 사업 기간은 5년으로, 1~3차년 연구를 통해 전 연안 300m 해상도 해양예측시스템을 보완할 수 있는 ‘비정형 해양예측시스템’ 및 ‘전지구 기상 및 해양예측시스템’ 수립이 완료되었고, 4차년도인 올해에는 기존에 구축된 예측시스템을 포함하여 새롭게 수립된 시스템의 고도화를 위한 연구에 매진하고 있다.

신뢰도 높은 관측자료 확보를 위해
국내·외 유관기관과 긴밀한 협조체계 구축

해양예측정확도를 높이기 위해서는 우선적으로 신뢰도 높은 관측자료의 확보가 중요하다. 이에 KIOST 해양재난·재해연구센터 연구진들은 유관기관(국립해양조사원, 국립수산과학원, 기상청, 해양환경공단 등)의 정기 관측자료(정점 및 정선)와 위성 관측자료(천리안 2B 등 국내·외 자료), Argo와 GFS 등 국제적으로 공개된 자료를 수집함은 물론, 직접 현장관측을 수행하여 확보한 자료를 바탕으로 입력자료의 검·보정과 예측정확도 평가에 활용하고 있다.

- 해양재난·재해연구센터 권재일 책임연구원 -

사진 3. 실험에 활용한 다양한 형태의 표층뜰개

그림 2. 2년간 투하된 표층뜰개 궤적. 투하지점은 국립수산과학원 정선관측 317라인 중 5개 정점
(White : 2월, Yellow : 5월, Green : 8월, Red : 11월)

해양현상 검증 연구, 최신 컴퓨팅 자원 및 자료동화,
앙상블 예측기법 도입으로 신속하고 안정적인 예측자료 생산

또한 해양현상 검증 연구를 위한 관측³⁾ 및 태풍 내습 전후 해양환경 관측(황해 및 남해를 포함하는 4개 측선 동시 관측)을 위한 준비와 더불어, 외해 경계조건의 검증을 위한 자료확보를 위해 국립수산과학원과 협업으로 동 기관의 정선관측 시 317라인(우리나라 최남단 관측라인)에 2020년부터 매년 4회 표층뜰개를 5개 정점에 투하하며 자료를 수집하는 공동 활용연구를 수행하고 있다. 이러한 관측자료들은 적합성 검사 등의 선별과정을 거쳐 수치모델에 적용되는데, 올해부터 도입된 최신의 자료동화⁴⁾ 및 앙상블 예측⁵⁾ 기법을 통해 정확도를 높이고 있으며, 최신 컴퓨팅 자원을 도입하여 계산속도를 향상시켜, 더욱 안정적으로 해양 및 해양기상 예측자료를 생산하고 있다.

사진 4. KOOS의 컴퓨팅 자원과 시스템 관리

비정형 격자 기반 해양예측시스템 및
전지구 기상 및 해양예측시스템의 고도화 추진

1~3차년 연구를 통해 완료된 전 연안 300m 고해상도 해양예측시스템을 보완할 수 있는 ‘비정형 격자 기반 해양예측시스템’ 및 ‘전지구 기상 및 해양예측시스템’의 진일보한 성과도 두드러진다. 먼저 섬이 많고 복잡한 해안선을 가진 우리나라 해역의 특성을 반영하여 기존의 정형(사각형) 격자가 아닌, 비정형(삼각형) 격자를 기반으로 한 해양예측시스템을 통해 정교하고 정확도 높은 예측자료를 생산하고 있으며, 수색구조 등 필요 시 해경을 비롯한 국가기관에 제공하고 있다.

그림 3. 부산항 비정형 예측 예 : KOOS 최소격자(결과(좌),
KOOS를 활용한 비정형 상세격자(10∼300 m) 결과(우)

사진 5. 해양재난·재해연구센터 최진용 선임연구원

더불어 전지구에서 연안까지 연계되는 새로운 시스템 구축을 통해 KOOS의 예측 범위를 지구 전체로 확대하기 위한 준비에도 박차를 가하고 있다. 바로 지난 3년간 구축한 전지구-지역해(북서태평양)-연안정밀(우리나라 주변해역) 자료들을 하나의 해양순환시스템으로 연결·융합하는 독자적인 해양예측시스템이다.

사진 6. 해양재난·재해연구센터 허기영 책임연구원

이는 외국기술 및 자료의 종속에서 탈피하여 진정한 의미의 기술독립이 이루어질 수 있다는 의미이며, 이를 통해 스텔라데이지호 침몰사고처럼 우리 영해가 아닌 외해에서 발생하는 해양사고나 해양쓰레기, 후쿠시마 오염수 방류와 같이 전지구적 해양환경에 영향을 미칠 수 있는 국제적 이슈 발생 시, 보다 능동적인 대응이 가능할 전망이다.

사진 7. KOOS 표출시스템의 북서태평양 해류예측 결과를 보며 회의를 진행하는 해양재난·재해연구센터 연구진들

과제의 최종년차인 2022년
예측정확도 85% 달성 목표

신뢰도 높은 관측자료의 확보가 이루어지면, 이후에는 합리적이고 과학적인 근거에 따라 평가하고 이를 바탕으로 지속적인 수치모델의 성능을 개선하는 노력이 필요하다. 따라서 수집된 예측결과들은 평가시스템을 통해 1주일 단위로 검증 및 평가되며, 이러한 결과는 주별, 월별, 연별 등 다양한 기간 단위로 평가되어 각 예측모델 연구진들에게 제공된다. KOOS의 예측시스템은 이러한 철저한 평가과정과 피드백 과정을 통해 더욱 신뢰할 수 있는 예측결과를 생산하게 될 것이다.

- 해양재난·재해연구센터 권재일 책임연구원 -

그림 4. KOOS의 표출시스템

유관기관 협의체 구성 및
적극적인 기술이전 지원

본 연구의 결과물인 예측시스템의 가장 이상적인 활용은 유관기관이 널리 사용하는 것이다. 즉 사용자 중심의 예측자료를 생산해야 하는데, 이를 위해 KIOST 연구진들은 산학연의 전문가들로 구성된 유관기관 협의체와 정기적인 회의를 통해 각 기관에 필요한 사항들에 관한 논의를 진행하고 있다. 특히 각 기관의 특성에 따라 자체적으로 관측 및 예측을 수행하기도 하는데, 보다 광범위한 KIOST의 예측시스템이 각각의 시스템에 경계조건 또는 입력조건으로도 활용될 수 있도록 적극 협력하고 국제 네트워크⁶⁾ 활동도 활발히 진행하고 있다. 나아가 KIOST는 동 시스템을 직접 운용하고자 하는 기관에 기술이전을 지원하고 있는데, 그 예로 KOOS의 주요 예측시스템이 국립해양조사원으로 기술이전되어 독립적으로 운영 중이고, 국립수산과학원, 해군 등에 매일 예측결과를 제공하고 있다⁷⁾

동 사업이 성공적으로 완료되면 다양한 부문에서 긍정적인 파급효과를 불러올 것으로 기대된다. 앞서 언급한 것처럼 본 연구를 통해 구축한 예측시스템의 결과는 산학연 등 실수요자(해양기후 및 환경 관련 연구자)들에게 제공되어 연구비 절감효과와 융합연구 기반 구축에 기여할 것이다. 또한, 유류유출 등 해양오염사고 발생 시 연안방재 및 이동·확산 예측 지원, 해난사고 시 수색·구조 지원뿐만 아니라 인접국 또는 외양에서의 대형 해양재난·재해 발생 시 효율적이고 선제적인 대응력 확보를 통해 피해를 저감할 수 있다

사진 8. 2차년도 유관기관 협의회 개최 (2019년 1월)

사용자 중심의 시스템 구축 및 서비스 제공
우리 사회의 좀 더 밝은 면에 보탬이 되기를 희망

그러나 권재일 책임연구원은 본 연구의 성과가 해양재난·재해와 같은 어두운 면뿐만 아니라 우리 사회의 좀 더 밝은 면에 보탬이 되기를 희망한다고 말했다. 예를 들어 항만공사의 일정, 선박의 운항 여부 및 최적 항로 결정, 수산·양식 업계를 위한 단기 수온변동 예측, 저염수와 유해조류의 유입 가능성 등과 일반 국민의 요트, 해수욕, 낚시 등의 레저 분야에도 적극 활용되었으면 하는 바람이다. 그는 앞으로 본 과제를 수행하면서 KOOS의 예측정확도가 얼마나 향상되었으며, 그 이유는 무엇인지, 여전히 예측이 부진한 원인은 무엇인지 등을 잘 정리해 볼 것이라고 말했다.

- 해양재난·재해연구센터 권재일 책임연구원 -

동 사업이 성공적으로 마무리되어 전지구부터 연안 정밀에 이르기까지 다양한 영역에서의 기상 및 해양예측정보 생산뿐만 아니라, 국가 현안문제의 효율적 대응, 해양 신(新)산업을 위한 지원체계의 선진화 등 모든 국민이 실제 생활에서 체감할 수 있는 신뢰도 높은 해양예보시스템으로 세계적인 명성을 얻길 바란다.

* 본 기사는 코로나 방역수칙을 지켜 안전하게 촬영하였습니다.