북서태평양 태풍상륙모델을 이용한 통계-역학적 태풍강도예측모델 성능개선

Abstract

The STIPS2015 model, which is an operational statistical typhoon intensity prediction model in the Korea Meteorological Administration, tends to overestimate the intensity for landfall periods. To resolve this problem, this study developed typhoon landfall models for four regions (Philippines, Taiwan, Korea & Japan, and South China Sea) considering the geographical characteristics of the western North Pacific and combined with STIPS2015 model. The combined model, which is named L-STIPS in this study, is developed using regression functions for each predicted time based on initial intensity (V0) and landmass ratio (L) for the training period 2004-2013 instead of using a function of time after landfall. The results for the training period (2004-2013) show that typhoon intensity prediction of the L-STIPS model was improved by 8% compared to the STIPS2015 model in terms of the mean absolute error (MAE). For the realtime prediction experiments for landfall periods in 2014 and 2015, the L-STIPS model was improved by 20% in MAE, particularly for 60-hour lead time, along with the reduction of bias.

본 연구에서는 태풍의 활동구역이 넓은 북서태평양에 대해 특화된 태풍상륙모 델을 개발하여 기상청에서 현업모델로 사용 중인 STIPS2015모델에 결합하여 그 성능을 조사하였다. 먼저 2014-2015년 기간 동안 현업에서 사용되고 있는 STIPS2015모델의 태풍강도 예측결과를 다양한 현업기관의 수치역학모델들의 예 측결과와 비교하였다. 분석결과, 두 해 모두 STIPS2015모델이 다른 역학모델들 보다 대부분의 예측시간에서 낮은 편차와 평균절대오차를 보였다. 그러나 태풍의 개별 예측결과를 자세히 분석해보면 태풍이 상륙하는 시점에 일부 태풍에서 강 도를 과대 모의하는 경향이 나타났다. 이러한 과대모의 경향을 개선하기 위해 본 연구에서는 북서태평양의 지형적 특성을 고려하여 총 4개 지역(필리핀, 대만, 한 반도/일본, 남중국해)에 대한 태풍상륙모델을 개발하고, STIPS2015모델에 결합하 였다(이하, L-STIPS). 개발된 모델은 태풍 강도변화를 시간의 함수로 사용하는 기존의 방법과는 달 리 태풍이 육지에 접근한 시기의 초기강도(V_o)와 태풍중심으로부터 정의된 반경 에 포함된 육지비율(L)을 이용하여 각 예측시간마다 따로 강도변화를 추정하는 방법을 사용하였다. 태풍상륙모델의 실행시점(상륙 6시간 전)과 각 회귀식에 사용된 상수 값은 훈련기간(2004∼2013) 동안 상륙한 태풍의 최적경로 자료를 이용하여 결정하였다. 회귀식에 사용된 태풍 반경 내 육지포함 비율은 선행연구에서 사용한 태풍 반경인 110 km를 사용하여 산출하였다. 태풍상륙모델은 STIPS2015 모델이 수행되는 동안 예측진로의 태풍중심이 상륙하기 6시간부터 수행된다. 만약 태풍상륙모델이 수행 중에 태풍의 중심이 다시 해양으로 진입하면 태풍상륙 모델은 종료되고 다시 STIPS2015모델이 수행된다. 또한 태풍상륙모델이 실행되고 있는 동안에도 만약 태풍 강도가 17 m/s 이하로 예측될 경우 태풍이 소멸하였다고 판단하여 모델은 더 이상 수행되지 않는다. 이러한 방법으로 훈련기간에 대해 L-STIPS모델의 성능을 조사한 결과, 상륙한 태풍이 많은 STIPS2015모델의 2, 4, 7, 8번 군집에서 L-STIPS모델이 기존의 현업 STIPS2015모델보다 평균절대오차에서 평균 약 7∼15%의 성능향상을 보였으며, 전체 태풍에 대한 분석에서도 평균절대오차에서 최대 8%정도의 성능향상이 나타났다. 2014년 23개 태풍과 2015년 27개 태풍에 대해 실제 예측성능을 조사한 결과에서도 L-STIPS모델을 이용한 결과가 전반적으로 향상된 태풍 강도예측을 나타내었다. 성능이 개선된 태풍 사례에 대해 자세히 분석해 본 결과, 태풍이 상륙하기 전 과대모의를 하고 있는 경우에 L-STIPS모델이 강도를 감소시키는 효과가 있는 것으로 나타났다. 그러나 이와 반대로 태풍이 육지에 도달되기 전에 강도를 과소 모의하고 있는 경우에는 도리어 L-STIPS모델이 강도를 더 감소시켜 오차가 증가되었다. 예측실험기간동안의 연도별 편차와 평균절대오차 분석 결과, 편차는 예측시간에 따라 2014년과 2015년에 각각 최대 30%와 17%의 성능개선이 확인되었으나 평균절대오차에서는 큰 성능의 개선이 나타나지 않았다. 평균절대오차가 큰 차이가 보이지 않은 이유는 예측시간별로 상륙한 태풍의 개수가 적기 때문으로 사료된다. 이를 자세히 확인하기위해 예측실험기간동안의 예측시간별로 상륙한 태풍에 대해서만 분석을 실시한 결과, 편차에서는 STIPS2015모델이 과대모의하고 있는 경우를 L-STIPS모델이 많이 감소 시켜주었으며, 평균절대오차에서 60시간 이후의 장기예측에서 최대 20%정도의 성능향상을 나타냈다. 현재 현업에 사용되는 STIPS2015모델은 태풍이 상륙하는 경우를 포함한 전체 이동경로에 대해 군집분류를 실시하고 이를 바탕으로 군집별 모델을 만들어 사용하고 있기 때문에 군집별로 이미 육지의 영향이 간접적으로 고려될 수 있다. 따라서 향후에는 태풍이 해양에 위치하는 경우에 대해서만(즉 상륙 시기를 제외하고) STIPS모델을 개발하고 이를 태풍상륙모델과 결합한다면 더 좋은 결과를 낼 수 있을 것으로 사료된다.