국가 초고성능 컴퓨팅을 활용한 테스트베드 구축

Abstract

이 보고서는 한국과학기술정보연구원 (KISTI)이 2010년 7월15일부터 12월15일까지 총 150일간, 2억 6천 9백만원의 예산으로 수행한 “국가 초고성능 컴퓨팅을 활용한 테스트베드 구축” 사업의 결과물이다. 이 사업은 장기적으로는 향후 국립해양조사원이 필요로 하는 해양과 기상 예측모델이 연계된 국지 정밀예측시스템을 슈퍼컴퓨터를 기반으로 구축▪운영하는 데에 기여하는 것을 목적으로 하고, 올해 사업의 단기 목적은 중기적으로 구축할 테스트베드의 구조를 설계하고, 설계된 내용의 일부를 데모시스템으로 구현하는 것이다. 사업의 목적을 달성하기 위해 사업의 내용을 네 가지로 구성하고 수행하였다. 네 가지 세부 사업의 내용은 보고서의 2장 ~ 5장에 제시하였다. 2장에서는 공군기상전대의 협조를 받아 국방업무 지원을 위해서 삼군(해군/공군/육군)의 연안작전 및 원양작전을 지원하는 데 필요한 사항을 조사·분석하고, 재해·재난 대응 해양예보 분야에서 가장 중요한 태풍에 동반된 파랑·폭풍해일 대응 시나리오를 개발하였다. 시나리오 개발을 위해서, 서해접적해역에 피해를 준 사례 중에서 2010년 8월 29일에 발생한 태풍 곤파스를 선택하고, 연안 및 원양 작전지원과 재해·재난 대응을 위한 해양예보 시나리오를 개발하였다. 3장에서는 벤치마크 해양예보시스템을 선정하기 위해, 국내외 대표 현업기관 및 전문기관의 해양 예보 및 예측 시스템을 조사·비교하였는데, 현업기관으로서는 우리나라 기상청과 미국해양대기청(NOAA), 전문기관으로서는 일본, 영국, 프랑스, 호주의 파랑·폭풍해일 예보시스템 또는 운영 기관을 조사·분석하였다. 벤치마크 해양예보시스템은, 군 작전에서 중요한 의사결정에 필요한 기간 중 하나인 3일을 예보기간으로 선택하였다. 정확한 해양예보를 위해서는 기상예보가 중요하므로, 우리나라 공군기상전대에서 기상예측모델로 사용하고 있는 WRF 모델을 해양예보시스템의 기상예측모델로 벤치마킹하였다. 72시간 기상예측을 위해 향후 공군기상전대에서 현업에 이용하기로 되어 있는 WRF Version 3.3을 기반으로 하고 해양예측 성분이 포함되어 있어서 태풍 예측에 탁월한 것으로 알려진 AHW(Advanced Research Huricane WRF)를 선택하고, 파랑예측모델로는 우리나라 기상청에서도 사용하고 있는 WW3를 선택하였으며, 해일예측모델은 서해와 같이 복잡한 해양예측에 유리한 것으로 알려진 FVCOM과 SWAN이 결합된 모델 시스템을 선택하였다. 테스트베드를 구성하기 위해, 선진 해양예측시스템과 정보통신기술을 기반으로 하는 자료분배시스템, 자료생산시스템, 자료표출시스템을 시범 개발하였다. 4장에서는 자료분배 시스템과 자료생산 시스템에 대해서 논하고 있다. 자료분배 시스템은, 해양-대기 관측 또는 예측 자료를 얻기 위해 쉽고 편리하게 검색하고 자료를 획득 (다운로드 및 FTP 전송) 해양-대기 메타데이터 카탈로그 시스템과 웹 포털시스템을 개발하였다. 메타데이터는 국제표준기구(ISO) 및 세계기상기구(WMO)의 표준 메타데이터를 기반으로 생성하였으며, 다른 카탈로그 시스템과 교환 및 원격 접근이 가능하다. 자료생산 시스템은 KISTI 슈퍼컴퓨터에 대한 특별한 지식이 없어도 사용자가 해양-대기 수치모델을 효율적으로 운영할 수 있도록 수치모델링 웹 포털 시스템을 개발하였다. 이 사업에서는 해양수치모델에 필요한 기상자료를 직접 생산할 수 있도록 WRF 웹포털 시스템을 시범적으로 개발하였는데, 이 시스템은 전처리, 모델 수행, 후처리 과정을 모두 포함하고 있다. 또한, 모델 수행에 필요한 물리과정 및 옵션선택이 가능하고, 각 단계별 진행과정과 로그를 사용자가 웹페이지를 통해 확인할 수 있도록 구성하였고, 모델 수행이 완료되면 원시결과를 다운로드할 수 있도록 하여 자료표출시스템을 이용하여 사용자의 필요에 따라 다양한 자료처리가 가능하도록 하였다. 5장에서는 수치모델링 전후처리기술을 자료동화와 자료표출기술로 구분하여 개발한 내용에 대해 논하고 있다. 수치모델링 전처리기술 개발과 관련하여, 국방 작전기상 모델인 WRF를 이용하여 미공군 레이더와 기상청/공군 윈드프로파일러 자료동화 기술을 개발하였다. 모델 예측성 개선 및 높은 시공간 해상도의 관측자료를 이용한 수치모델의 초기장 개선을 위해, 원격탐사 자료인 레이더와 윈드프로파일러의 자료를 초기 디코딩하고 자료동화에 이용할 수 있도록 처리한 후 자료동화의 입력 포맷으로 맞추는 일련의 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램의 정합성에 대해서는 실제 중규모 기상 수치모델에 초기자료를 입력하여 수행하여 검증하였다. 수치모델링 후처리기술은 자료표출시스템과 연계하여 개발되었다. 해양-대기모델의 예측결과(10km 해상도)를 고해상도(분해능) 지형 위에서 고속으로 3D 표출이 가능한 소프트웨어를 개발하였는데, 이 소프트웨어는 수치모델과 컴퓨팅 환경에 대한 사전지식 없이도 쉽게 사용 가능하고, 기존의 과학적 가시화 기술과는 다르게 해양모델(WW3)과 대기모델(WRF)의 결과를 3D 지형 위에서 사진처럼 가시화할 수 있다.