Hindcast of Tropical Cyclone Using Nonhydrostatic Meteorological Numerical Model

Abstract

중규모 기상 현상인 태풍에 의한 폭풍해일 및 고파랑으로 인해 발생하는 연안 재해의 예방을 위해서는 태풍의 정보가 필수적이다. 폭풍해일 및 고파랑을 계산하기 위해 필요한 태풍의 압력장과 풍속장은 파라미터 모델을 이용하여 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 파라미터 모델은 바람과 지형 간의 상호 작용을 고려할 수 없다는 단점이 있다. 본 연구에서는 과거 태풍의 기상장을 재현하는 효율적인 기법을 개발하였다. 이를 위해 비정수압 중규모 기상모델인 WRF-ARW 모델을 이용하였다. 일반적으로 중규모 기상현상을 수치 모의하기 위해서는 전지구 재분석 기상자료를 입력 자료로 활용하여 역학적 규모 축소(Dynamic Downscaling)를 하는 방법이 주로 이용되고 있다. 이 방법은 공간 및 시간 해상도가 낮은 전지구 재분석 자료에서는 고려할 수 없는 기상 현상들을 재현하기 위해 전지구 재분석 자료를 이용하여 고해상도 수치모의를 통해 중규모 및 소규모 기상현상을 재현하는 기법이다. 본 연구에서도 이와 마찬가지로 역학적 규모 축소 기법을 사용하지만 일반적인 방법을 그대로 이용하지는 않는다. 그 이유는 기상 입력 자료로 활용되는 전지구 재분석 기상자료를 이용하여 일반적인 방법으로 역학적 규모 축소 기법을 적용할 경우 재분석한 해상풍 기상장이 배경장을 내삽한 결과와 크게 다르지 않기 때문이다. 태풍의 발달과 소멸을 포함한 태풍의 영향을 모의하기 위해서는 보거싱이나 역학적 초기화와 같은 특수한 기법을 사용하여야 한다. 본 연구에서는 태풍의 초기 조건과 발달을 모의하기 위하여 태풍 보거싱 기법을 사용하였다. 본 연구에서 태풍 해상풍 재현을 위해 개발한 기법의 전체적인 흐름은 다음과 같다. 첫 번째로 전처리 과정에서 RSMC Best Track의 태풍 강도 자료를 활용하여 인위적인 태풍 데이터를 생성하고 이를 이용하여 태풍 보거싱을 하였으며, 두 번째로는 태풍 보거싱한 전처리 자료가 간접적으로 WRF-ARW 적분과정에 영향을 미치도록 Grid Nudging 기법을 이용하였다는 점이다. 마지막으로는 계산된 결과를 이용하여 다시 전처리와 WRF-ARW 적분 과정을 반복하는 반복 기법이다. 계산되어 나온 결과가 인위적으로 보거싱 된 입력 자료를 기반으로 계산이 수행되었기 때문에 물리적으로 타당하지 않은 계산 결과가 도출되거나 태풍의 강도가 제대로 발현되지 않는 경우가 있다. 이를 개선하기 위하여 계산된 결과를 이용하여 Grid Nudging과 함께 반복 계산을 수행하였다. 반복 계산은 태풍의 강도가 RSMC Best Track에 나타난 최소 기압 및 최대 풍속과 유사할 때까지 수행되며 완성된 태풍 기상장은 태풍 파랑 계산에 이용된다. 태풍 파랑 산정을 위한 수심자료는 약최고저조위 기준으로 작성한 후 4대 분조를 고려하여 약최고고조위 기준으로 변경하여 이용하였다. 태풍 파랑 검증을 위한 태풍으로는 0314 매미, 1215 볼라벤, 1216 산바를 선정하였으며 계산된 파랑과 여러 관측 지점에서 관측된 파랑과 비교를 수행하였다. 비교 결과 계산 결과와 관측치가 상당히 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 1958년에서 2017년 사이(60년)에 발생한 태풍 중 한반도에 영향을 미칠 수 있는 태풍에 대해 기상장과 파랑장의 재분석을 수행하였다. 이와 같은 장기간의 태풍 재분석을 통해 기후 변화로 인한 태풍의 변화 추이를 이해하는 데 도움이 될 수 있으며 또한 한반도 주변 해안의 설계 파고를 추정하는 데 도움이 될 수 있다.; For the prevention of coastal inundations, the information of storm surges and waves induced by Tropical Cyclone (TC) is indispensable. The wind fields induced by TCs can be easily calculated by using so-called parameter models. The parameter models are easy and highly applicable. However, it cannot take into account the interaction between the wind and the topographical terrain. In this study the development of an efficient technique to hindcast the wind fields for the past TC events. The WRF-ARW model is employed. The vortex components of wind field are first removed from the global data, and an artificial TC vortex corresponding to the best-track data is obtained using the bogussing scheme implemented in the WRF-ARW model and is prescribed along with the TC track. The WRF-ARW run is conducted with the grid nudging activated. In general, the wind field obtained in this way is much weaker than that of a real TC intensity. Thus, an efficient technique is developed to obtain the improved wind field. Newly developed method is using an iterative process. For computing each iteration, two different bogussing schemes are applied according to the number of iteration step. To do this, the calculated wind field obtained from the first WRF-ARW run is employed as an input for the succeeding WRF-ARW run. For the first iteration, the analytical bogussing scheme is applied to several variables (e.g., temperature, mean sea level pressure, wind velocity, relative humidity, water vapor, and geopotential height) in a vortex form. After the first iteration, the result is post-processed to use as the input date of the next iteration. And then, the post-processed atmospheric field is separated by dividing environmental and vortex fields of TC. The divided vortex is split again into the axisymmetric part and the asymmetric part. The vortex axisymmetric part is adjusted corresponding to the RSMC Best Track intensity. Finally, the improved axisymmetric part and the asymmetric part are merged and relocated with respect to TC center of the RSMC Best Track data. The iteration is repeated until a satisfactory result is obtained. The calculated wind field is used for the computation of ocean surface waves. The bathymetry for wave simulation is adjusted by considering the approximate highest high water level using four primary harmonic constituents of tide. The calculated wave fields are compared with the data measured at several buoy stations. Good agreement is achieved for TC 0314 Maemi, TC 1215 Bolaven, and TC 1216 Sanba. The improved wind fields can serve as a useful tool to simulate the coastal inundations for the design of coastal defense works. In this study, the reanalyses of meteorological and wave fields were conducted for the TCs from 1958 to 2017 (60 years) which could have a significant effect on the Korean Peninsula. These can be helpful for understanding trends of TC influenced by climate change and estimating design wave heights for the coast of the Korean Peninsula.