2020년 기상청 전지구예보모델 검증결과

【 2021. 4. 22. / 수치모델링센터 수치모델개발과 】

※ 다음은 ‘수치예보시스템의 검증(2020년)’ 보고서의 내용 일부를 발췌한 것입니다. 자세한 내용을 원하시는 경우 위의 보고서를 참고하시기 바랍니다.

□ 전지구예보시스템의 검증 영역 (WMO 기준)

검증 영역	위도	경도	비고
북반구	20°N - 90°N	0° - 360°
남반구	20°S - 90°N	0° - 360°
적도	20°S - 20°N	0° - 360°
아시아	25°N - 65°N	60°E - 145°E
북미	25°N - 60°N	50°W - 145°W
유럽/북아프리카	25°N - 70°N	10°W - 28°E
호주/뉴질랜드	10°S - 55°S	90°E - 180°E
북극	90°N - 60°N	0° - 360°
남극	90°S - 60°S	0° - 360°
한반도	한반도 ASOS 관측지점(75개)		대상: 강수검증 ’19년 7월 이후 지점 수 변경(76→75)

□ 전지구예보시스템의 검증 변경사항

검증 대상	이른 분석(예측장)	2001년 1월 ~ 2005년 11월
	늦은 분석(예측장)	2005년 12월 ~ 2006년 4월
	이른 분석(예측장)	2006년 5월 ~ 현재
모델 격자 (분해능)	T213L30 (~60km)	2001년 1월 ~ 2005년 11월
	T426L40 (~40km)	2005년 12월 ~ 2010년 5월 14일
	N320L50 (UM vn.6.6) (~40km)	2010년 5월 15일 ~ 2011년 5월 22일
	N512L70 (UM vn.7.7) (~25km)	2011년 5월 23일 ~ 2012년 5월
	N512L70 (UM vn.7.9) (~25km)	2012년 6월 ~ 2016년 6월 28일
	N768L70 (UM vn8.5) (~17km)	2016년 6월 29일 ~ 2018년 6월 6일
	N1280L70 (UM vn10.,8) (~10km)	2018년 6월 7일 ~ 현재
	NE360NP3 (KIM v3.5) (~12km)	2020년 4월 28일 ~ 2020년 6월 24일
	NE360NP3 (KIM v3.5a) (~12km)	2020년 6월 25일 ~ 2020년 10월 28일
	NE360NP3 (KIM v3.6) (~12km)	2020년 10월 29일 ~ 2021년 4월 19일
	NE360NP3 (KIM v3.6a) (~12km)	2021년 4월 20일 ~ 현재
검증 격자 (분해능 및 내삽방법)	1.125° x 1.125°, bi-linear	2001년 1월 ~ 2005년 11월
	0.5625° x 0.5625°, bi-linear	2005년 12월 ~ 2006년 7월
	2.5° x 2.5°, bi-linear	2006년 8월 ~ 2014년 12월
	1.5° x 1.5°, area weight	2015년 1월 ~ 현재

□ 전지구예보시스템의 검증 변수

변수명	고도
해면기압	해면*
지위고도	850hPa, 500hPa**, 250hPa, 100hPa***
기온	850hPa, 500hPa**, 250hPa, 100hPa
바람	925hPa, 850hPa, 700hPa, 500hPa**, 250hPa, 100hPa
상대습도	850hPa, 700hPa***
- 참고 * 분석검증에서만 수행 ** 적도지역에서는 제외 *** 권고 검증기상변수

□ 전지구예보시스템(GDAPS) 검증 결과

그림 1. 전지구예보시스템의 북반구 영역 예측시간에 따른 2019년과 2020년의 RMSE 비교와 변화율. (a)해면기압, (b)500hPa 지위고도, (c)850hPa 기온, (d)250hPa 풍속

(a)	(b)
(c)	(d)

그림 2. GDAPS 북반구 850hPa 기온의 예측시간별 ACC 연변화(분석검증)

그림 3. GDAPS 북반구 500hPa 지위고도의 예측시간별 RMSE 연변화(분석검증)

그림 4. GDAPS 북반구 500hPa 지위고도의 5일 예측 forecast bust의 연별 및 월별 분포.
2011년 이후 분석검증 (2011년은 5~12월 기간임)

그림 5. GDAPS 북반구 500hPa 지위고도 7일 예측 ACC의 구간별 누적 분포.
2011년 이후 분석검증 (2011년은 5~12월 기간임)

□ 예보시스템(전지구, 국지)별 강수 예측성능 비교

그림 6. 예보시스템(GDAPS, LDAPS)별 2020년 강수검증(파란색은 GDAPS, 초록색은 LDAPS)
(a) 강수량 0.1mm/12hr에 대한 CSI, (b) 강수량 0.1mm/12hr에 대한 Bias,
(c) 강수량 25.0mm/12hr에 대한 CSI, (d) 강수량 25.0mm/12hr에 대한 Bias

(a)		(b)
(c)	(d)

<검증방법>

기온, 고도, 풍속, 습도 등과 같이 그 값이 실수 공간에서 연속적인 변수를 연속변수형이라고 합니다. 연속변수형 예보에 대한 검증지수는 RMSE (Root Mean Squared Error)와 AC (Anomaly Correlation Coefficient) 등이 있습니다.

(1) 평균제곱근오차(Root Mean Square Error(RMSE))
예보값과 관측값의 차이를 제곱근하여 평균을 취한 값이다. 0에서 무한대까지 값을 가지며 완벽한 경우는 0의 값을 가진다. 평균제곱근오차는 편차(Deviation)에 대한 방향성을 지시하지 않는다.

(2) 이상상관(ACC, Anomaly Correlation Coefficient)
표본 평균 값 대신에 기후 평균값, C를 사용하여 예보와 관측 차이의 일치와 위상 차이를 측정한다. 이상상관은 수치예보모델의 결과를 검증하는 데 자주 사용된다. 값은 -1에서 1 사이이며 만점은 1이다. 상관 계수와 같이 예보 평균오차에 덜 민감하며 일치성의 척도로서 좋은 도구의 하나이다.

양분예보는 강수 예보처럼 “현상에 대한 사건이 일어날 것인가?”에 대해 “예 혹은 아니요”로 표현할 수 있는 것을 말합니다. 양분예보의 검증지수는 예보와 관측에 대한 “예”와 “아니요”로 구성된 4개의 조합으로 표현됩니다.
․ 맞힘(H, Hit): 사건이 발생할 것으로 예측, 실제로 발생
․ 놓침(M, Miss): 사건이 발생하지 않을 것으로 예측, 실제로 발생
․ 거짓 알림(F, False alarm): 사건이 발생할 것으로 예측, 실제로 발생하지 않음
․ 부의 정확(C, Correct negative): 사건이 발생하지 않을 것으로 예측, 실제로 발생하지 않음

(1) 치우침(Bias Score)
평균적인 예보와 평균적인 관측간의 일치 정도를 나타내는 것이다. 범주형 예보에 대한 평균오차의 척도는 사건 예보 총수를 관측된 사건의 총수로 나눈 것이다. 값의 범위는 0에서 무한대까지이며 완벽한 예보는 1의 값을 갖는다. 1 보다 작은 값은 예보 시스템이 과소예보 경향, 1 보다 큰 경우에는 과대 예보 경향을 보인다고 말한다.

(2) 성공임계지수(CSI, Critical Success Index)
성공임계지수 혹은 Threat Score로도 불리며 정확히 예측하였던 사건 수를 예보든 관측이든 간에 사건 발생과 관련된 총수를 합하여 나눈 것이다. 값은 0에서 1의 값을 가지며, 1은 완벽한 예보를 의미한다. CSI는 사건이 발생하지 않는다고 예보하였고 실제 발생하지 않은 경우의 수(Correct negatives)에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서 사건의 빈도수에 따라 좌우되는 경향이 있다. 또한, CSI는 무강수에 대한 정확한 예측(H)값을 고려하지 않기 때문에 강수일수가 적은 경우 정확도(Accuracy, ACC)를 의미하게 된다.

연속변수형 예보에 대한 검증지수		양분예보에 대한 검증지수
RMSE	[eqn: "RMSE"`= sqrt {{1} over {N} sum _{i=1} ^{N} (F _{i} -O _{i} ) ^{2}} `]	Bias	[eqn: Bias~score= {H`+`F} over {H`+`M}]
AC	[eqn: AC`=` {sum _{} ^{} (F`-C)(O-C)} over {sqrt {sum _{} ^{} (F-C) ^{2}} sqrt {sum _{} ^{} (O-C) ^{2}}}]	CSI	[eqn: TS`=`CSI`=` {H} over {H+M+F}]