GFS(Global Forecast System) 모델

GFS의 850hPa영역의 96시간 예보 사례

• NOAA의 GFS 소개글 : https://www.ncei.noaa.gov/products/weather-climate-models/global-forecast

설명

GFS모델은 지구 예보 시스템(Global Forecast System)의 약자로 미국 해양대기청(NOAA)산하에 있는 국립 환경 예측 센터(NCEP)에서 개발한 수치예보 모델을 의미합니다.

이 시스템은 대기, 해양, 육지(토양), 해빙(海氷)과 관련한 개별 모델을 결합하여 기상 조건을 예측, 묘사하는 시스템으로 미국 기상청(NWS)의 예보자료를 생성하는 주요자료를 만드는 모델입니다.

성능과 버전

GFS모델은 하루 4회 예보값을 출력하며, 각각 00z, 06z, 12z, 18z을 기준으로 예보값을 산출합니다. 예보 범위는 최대 384시간(16일)까지 범위이며, 수평해상도는 13km, 수식방향은 지표면부터 중간권에 해당하는 약 80km상공까지의 범위를 127개층으로 분할하고 있습니다. 참고로 이 수평해상도의 이름을 따서 GFS13이라고 부르기도 하는데 그냥 둘이 같은 것이라고 보시면 됩니다.

예보 범위는 최대 384시간 범위까지인데, 예보 시점 기준으로 +120시간까지는 1시간 간격의 예측값을, +120~240시간 범위는 3시간 간격의 예측값을 출력하며, 이후 +240~384시간 범위는 12시간 간격의 예측값을 출력하는 방식으로 운영중입니다.

GFS모델 기반의 앙상블 예측 모델로 GEFS(Global Ensenble Forecast System)가 있으며, 이 모델은 25km의 수평해상도 에 서로 다른 초기값(멤버)을 가지는 31개 예측값을 운영하는 시스템입니다.

이외에 이 GEFS모델은  캐나다 기상청(CMC)의 GEM의 앙상블 모델인 GEPS와 결합하여 북미 앙상블 예측 시스템인 NAEFS(North American Ensemble Forecast System의 약자)를 구성하기도 합니다.

정확도

2012년 허리케인 샌디의 예상 경로 차트와 실제 이동 경로(검정선)

2015년 이전까지 GFS모델의 정확도는 다른 글로벌 모델 대비 그다지 높은 순위가 아니었다고 합니다. GFS모델의 대표적인 예보 실패 사례로 2012년 북대서양 구역에서 발생하였던 허리케인 샌디(18L Sandy)가 있는데요, 이 당시 ECMWF모델이 168시간 예보(7일)에서 미국 북동부에 상륙할 것을 정확하게 예측해낸 데 비해 GFS모델은 같은 시점 예보에서 북대서양 한가운데로 빠져나갈것으로 예보하면서 완전히 빗나간 오보를 냈던 사건이 있습니다.

168시간 예보면 일반적인 열대저기압 예보의 한계치로 보는 120시간 너머니까 그러려니 할 수도 있는데 문제는 이후 3일 동안 대서양으로 빠져나가는 경로를  시속적으로 유지하면서 96~120시간 예보까지 빗나가 버렸었다고 합니다. 당시 사례를 찾아봤더니 시간이 지날 수록 허리케인이 점점 미국 해안선으로 다가오는 모델로 수정되어서 예보관들이 멘붕이 왔었다고 하는 내용도 있었습니다.

이 사건 이후 원인 분석을 한 결과 미국 기상청 내의 전산자원 한계가 주요 원인으로 지목되었고, 이에 대응하여 미국 기상청에서는 기존 776테라플롭스짜리 슈퍼컴퓨터의 성능을 5.78페타플롭스 성능으로 약 7.5배 향상시켰으며, 2017년 7월 19일자 실행부터는 완전히 업그레이드된 모델로 교체하는 등의 작업을 거쳤습니다. 이후 2018년에는 다시 슈퍼컴퓨터의 성능을 8.4패타플롭스로 증가시켰으며, 2021년에는 연직레벨을 기존의 64개층에서 127개 층으로 높이는 등의 정밀도를 향상시키고, 예보범위도 기존의 240시간(10일)에서 384시간(16일) 범위까지 확대하고, 앙상블 예측의 멤버도 기존 21개 초기값에서 31개 초기값으로 확대하는 등의 작업을 거쳐 성능을 대폭 끌어올렸습니다.(이쯤되면 이름만 같은거지 완전히 다른 모델 수준입니다) 

특히 열대저기압과 관련한 부분에 있어서 집중적인 성능 개선이 이루어졌으며, 이 결과 2021년 북대서양 허리케인 시즌 당시 열대저기압 경로 예측 부문에서 ECMWF를 약간 앞서는 수준의 성능을 보여주었으며, 2022년에도 ECMWF의 IFS모델과 같은 수준의 정확도를 보여주면서 상당히 정확도를 끌어올린 것을 확인할 수 있었습니다. 다만 허리케인의 강도 예측에 있어서는 다소 부정확한 경우가 많아. 강도 예측용으로는 사용하기 좀 어려운 측면이 있었습니다.(열대저기압 강도 문제 예측의 부정확성은 ECMWF도 마찬가지입니다)

최대 예보 범위는 384시간이지만 유의미한 정확도를 가지는 범위는 240시간 안쪽 범위이므로 10일 이내 범위의 예보값으로 유의미하게 사용할 수 있다고 할 수 있습니다.

따라서 2015년 이전에 GFS모델을 참조한다고 하면 도시락을 싸들고 말려야 하는 수준으로 정확도가 낮았으나 2021년부터는 ECMWF와 함께 전세계에서 가장 정확한 수준의 지구 단위 수치 예측 모델이라고 보아도 무방한 수준까지 성능이 향상되어 있습니다.(2022년 11호 태풍 힌남노 베스트 트랙 기준으로 보면 발생 초기부터 120시간 기준에서 GFS의 예측이 가장 정확했었습니다.)

저작권

다른 미국 정부 저작물과 마찬가지로 GFS의 데이터에는 별도의 저작권이 없으며, 수많은 인터넷 도메인 등에서 무료로 사용하는 것이 가능합니다. 이런 이유로 이 모델은 수많은 민간 기상 회사들의 기상 예측의 기초를 제공하는 역할을 하고 있습니다.