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Korea Institute of Ocean Science & Technology

해양수치모델링과 지능정보기술을 활용한 해양예측 정확도 향상 연구

  • 조회 : 379
  • 등록일 : 2021-10-05
해양수치모델링과 지능정보기술을 활용한
해양예측 정확도 향상 연구


사진 1. KIOST 해양재난·재해연구센터 KOOS 연구진

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

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)

1) 해양수산부와 한국해양과학기술진흥원의 지원 하에 한국해양과학기술원이 2009년부터 연구에 착수한 KOOS는 해양과학기지, 해양관측 부이, 연안관측탑 등 90여 개 관측소에서 실시간 정보를 수집하고 예측정보를 제공함으로써 연안재해, 해양오염사고, 안전항해 지원 등 안전하고 경제적인 해상활동을 돕는다. 1단계 연구(2009∼2012년)에서는 파랑, 조석, 조류, 폭풍해일 등의 예측체계를 구축해 안전한 해양활동환경을 강화했다. 해양오염 확산 방지 및 해양과 연안의 순환예측체계를 구축해 오일 유출 대비와 신속한 인명 수색 환경을 조성했다. 이를 고도화시킨 2단계 연구(2013∼2017년)에서는 ‘기상 파랑 해일 예측모델’과 ‘유류유출이동확산 및 수색구조예측을 위한 표류예측시스템’을 개발해 국립해양조사원, 해군 해양정보단, 해양경찰청 등 공공기관에 보급·운영하고 있다.

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

사진 2. 해양재난·재해연구센터 권재일 책임연구원

“정확도가 보장되지 않은 예측결과를 어떻게 사용할 수 있을까요? 예측정확도를 향상시키는 것은 안정적으로 예측정보를 생산하는 것만큼이나 중요한 일입니다. 특히, 이러한 예측정확도가 효력을 발휘할 때는 평상시보다는 재난·재해 상황일 것입니다. 과거 세월호 침몰사고, 돌고래호 사고 등을 통해 정확한 예측결과 제공의 필요성을 절감하였습니다. 또한 지구 반대편 해역에서 발생한 스텔라데이지호 침몰사고 후 실종된 우리 국민의 수색에 보다 적극적으로 대응하기 위해서 전지구 예측모델의 필요성을 느끼게 되었습니다. 이에 동 연구2) 를 바탕으로 신뢰도 높은 해양예측정보를 적시에 생산·제공하는 한편, 독자적인 해양예측기술 확보를 통해 국가경쟁력 제고와 기술 독립성을 확보하여, 최종적으로는 우리나라의 해양예측시스템을 선진국 수준으로 향상시키고자 합니다.”


2) 본 연구에서의 해양예측시스템은 전지구 해양기상예측시스템, 전지구 해양순환예측시스템, 자료정보시스템, 지역해 해양기상예측시스템, 북서태평양 해양순환예측시스템, 연안정밀예측시스템, 비정형격자 해양예측시스템, 대기-해양-파랑 결합예측시스템, 인공지능 기반 해양예측시스템, 사용자 활용시스템, 예측정확도 평가시스템을 포함

 

 

 

 

 

 

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.

“해양에서 재난·재해 상황은 대부분 돌발적으로 발생하기 때문에 과거에는 필요한 정보(해양의 현황 자료와 예측 자료)를 얻는 것이 매우 어려웠습니다. 그런데, KOOS(Korea Operational Oceanographic System)의 ‘Operational’이 일기예보처럼 24시간 항시 운용되고 있는 상태를 의미하거든요. 늘 준비가 되어 있어야 특별한 상황이 발생했을 때 빨리 대응할 수 있죠. 그러나 제공되는 관측점에만 의존해서는 때때로 정확한 평가나 예측이 어렵기 때문에, 수시로 현장관측을 병행하고 있습니다. 수색·구조나 유류유출 사고에 대응할 때는 표층에서의 정보가 가장 중요하기 때문에 표층 유속의 관측을 위해 GPS가 부착된 표층뜰개를 다양한 타입으로 제작하여 주기적으로 중요한 해역에서 관측을 수행하고 있습니다.”

- 해양재난·재해연구센터 권재일 책임연구원 -

사진 3. 실험에 활용한 다양한 형태의 표층뜰개

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)

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.

3) 제주해협 선박 수심수온염분기록계(CTD) 관측(열염전선), 고주파 레이다(HF-Radar) 상시관측(제주해협 및 제주남부 해역 해수유동장), 제주∼이어도∼동중국해 부근 연구조사선과 수중무인탐사체(wave glider) 활용 관측(저염수), 동해 남부 연안역(부산∼포항)의 연구조사선 CTD 관측(냉수대), 동해 울진 부이(실시간 관측), 조도 앞 유속 관측 등을 수행
4) 모델의 예측결과를 관측자료로 조정하여 최적의 수치모델 초기조건을 생산하는 과정
5) 수치예보모델이 갖고 있는 초기장의 불확실성과 예측성의 한계를 극복하기 위하여 초기조건, 경계조건, 물리과정 등을 다르게 수행한 다수의 예측 결과를 분석하여 종합적으로 예측하는 방법

사진 4. KOOS의 컴퓨팅 자원과 시스템 관리

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(?300 m) 결과(좌), KOOS를 활용한 비정형 상세격자(10∼300 m) 결과(우)

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

사진 5. 해양재난·재해연구센터 최진용 선임연구원

“해양예측시스템은 수온이나 염분, 유속 등을 예측하는 것에 국한되지 않고 결정적으로 해양재난 발생 시, 해경에서 조난당한 선박이나 실종자가 어디로 흘러갈 것인가를 계산 및 수색·구조하는 활동에 사용됩니다. 그러나 기존 300m 간격의 정형 격자 기반 해양예측시스템은 해안선이 복잡한 우리나라의 해역에서 정확도에 한계가 있었습니다. 따라서 기존 300m 간격의 격자를 비정형 격자로 최소 10m까지 계산이 가능한 해양예측시스템을 구축, 현재 1일 1회, 3일 생산하던 예측자료의 기간이 7일로 늘어날 것입니다. 이는 전 세계적인 선진국의 해양예측 기술 수준과 비교할 때 해상도가 상당히 좋은 편이며, 우리나라 연안 해역별(서남해, 동남해, 동해) 특성을 반영한 최적화된 시스템이라는 측면에서 상당히 만족스럽습니다.”

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

사진 6. 해양재난·재해연구센터 허기영 책임연구원

“기상청 등 다양한 기관에서 직접 관측한 자료와 예측자료들을 제공해 주기도 하지만, KOOS에 그대로 사용하기에는 한계가 있습니다. 또한 현재의 운영시스템이 우리나라 주변(북서태평양 영역)으로 한정되어 있다 보니, 전지구 영역의 예측자료가 필요할 경우 주로 외국에서 해양과 기상모델 자료를 받아 사용했거든요. 그래서 현 연구단계부터 우리가 외국으로부터 독립해 보자, 전지구 시스템을 개발해 예측자료를 자체적으로 생산해 보자는 취지로 전지구 기상 및 해양예측모델을 도입해 개발하고 있습니다.”

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

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.

“KOOS가 수행하고 있는 일련의 연구들은 하나의 목표인 예측정확도 향상을 위해 진행되고 있으며, 기존 1, 2단계 과제를 통해 수립된 시스템의 예측정확도는 78.8% 수준이었습니다. 물론 시스템이 어느 정도 안정화가 되면 정확도 1%를 높이는 것이 더 어려워지는데, 작년(2020년) 기준 예측정확도는 82% 수준이며, 과제의 최종년차인 내년에는 85% 달성이 가능하다고 판단됩니다. 여기서의 85%라는 수치는 예측항목을 100일간 예측하였을 때 85일은 원하는 오차범위를 만족한다는 의미인데요. 이러한 평가는 원하는 오차범위의 기준에 따라 유동적일 수 있습니다. 우리는 기존의 예측시스템과 동일하게 오차범위를 엄격하게 적용한 평가시스템을 통해 정확도가 향상된 정도를 일관적으로 판단하고 있습니다.”

- 해양재난·재해연구센터 권재일 책임연구원 -

그림 4. KOOS의 표출시스템

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)

또한 ㈜한국조선해양, ㈜현대중공업, ㈜동녘, ㈜해강, ㈜유에스티21 등 민간 기업에도 기술이 이전되어 활용되고 있다.

 

6) GODAE(Global Ocean Data Assimilation Experiment) OceanPredict 활동을 통해 주기적으로 National report에 KOOS OPEM과 Coastal KOOS 정보를 업데이트하고 있고, IV-TT member 활동, NEAR-GOOS(North-East Asian Regional-Global Ocean Observing System)의 OFS(Operational ocean Forecasting Systems) Working Group에도 지속적으로 활동 중이다.
7) 10년 이상 운영되어 온 정방격자 기반의 해양예측시스템은 이미 안정화되어 국립해양조사원에 이관, 일부 대국민 서비스가 진행 중이다. 5년째 운영 중인 300m 해상도를 가지는 연안 고해상도 예측시스템의 경우, 실수요기관인 해양수산부, 해양경찰청의 요청으로 현재 행정망을 통해 국립해양조사원과 해양경찰에서 수색구조를 위한 시스템으로 유용하게 활용 중이다.

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

8) 연안역의 정밀한 해양환경 예측, 조기대응·대비 지원으로 해양산업 활동에 경제적인 손실을 막을 수 있으며, 국방 분야에서도 수온 및 해류 등에 따라 다르게 운용되는 음향탐지기 사용에 적용, 현대전의 승패를 좌우할 수 있는 전장의 환경 예측 및 안정적인 함정의 운용에 매우 유용하게 활용될 수 있다.

 

8) 통상적 피해액의 수 %만 줄여도 수천만~수백억 원 이상의 인명·재산피해를 경감할 수 있다.

사진 8. 2차년도 유관기관 협의회 개최 (2019년 1월)

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.

“KOOS는 ‘2015년 국가연구개발 우수성과 100선’에 선정된 바 있는데, 이처럼 KOOS의 연구 성과가 높이 평가받는 이유는 기술이전을 통해 현장에서 유용하게 활용되고 있기 때문일 것입니다. 따라서 연구사업이 종료되는 차년도에는, 그동안 연구되었던 모든 시스템들을 안정적으로 운영하는 것을 목표로 정확도 향상뿐만 아니라, 시범운영 가능성 여부를 판단하고, 실수요자들인 유관기관과의 교류를 통해 사용자 중심의 시스템이 완성될 수 있도록 노력할 것입니다. 본 과제가 내년에 마무리를 지어야 한다는 것이 믿기지 않을 만큼 시간이 빨리 지나갔지만, 현재의 부족함은 우리의 연구 열정을 불어넣는 좋은 계기가 될 것이며, 앞으로 우리나라의 KOOS가 재난재해는 물론, 산업과 국민 일상에서도 잘 활용될 수 있도록 최선을 다하겠습니다.”

- 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.

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최종수정일 :
2021-07-19