격자
이전의 글에서도 설명했듯이 격자는 기상 예측 시뮬레이션을 모델링 함에 있어 필수적인 요소입니다. 격자를 설정하면 그 내부에서 방정식을 통해 다음을 계산하고 옆의 격자에 끼치는 영향에 대해 값을 전달하면서 시뮬레이션이 진행이 되는데 수치 모델링의 특성상 격자를 나누는 방식에 따라 그 결과가 천차만별로 달라지는 경우가 많다 보니 이런 격자를 나누는 방법은 아주 중요한 과정이라고 할 수 있습니다. 지난 시간에 이어 본 글에서는 수직격자가 어떻게 나뉘는지에 관해 설명하고자 합니다. 수평격자와 다르게 수직격자는 주로 기상모델에서는 대기역학 부분에서 적용이 되며 해양 부분의 경우 하나의 수직격자만을 가진 2D 데이터로 주로 처리하기에 해양 부분에서는 잘 사용되지 않습니다. 지금부터 소개해 드리는 수직격자는 전부 대기 부분에서 만들어지는 것이라고 봐도 무방할 것 같습니다.
고도 격자
고도 격자는 대기를 일정한 높이 단위로 나누어 만든 격자입니다. 땅에서부터 대기의 상층부에 이르기까지 일정한 기준을 정하여 해당 기준에 따라 나눈 격자로 변수를 계산하게 됩니다. 높이의 단위는 작게는 수미터에서 많게는 수 킬로미터에 이르기까지 다양한 방식으로 나눌 수 있는데 먼저 고정 높이 방식에 대해 설명하겠습니다. 고정 높이 방식은 100m 등의 정해진 간격을 기준으로 같은 간격으로 대기층을 나누는 방식인데 이 방식은 매우 간편하고 직관적인 특징을 가지고 있습니다. 원하는 현상이 일어나는 구간에 대해서는 정해진 격자가 있기에 다소 정확한 예측을 할 수 있기도 하지만 지표면에 있는 공기의 밀도가 더 높은 경향을 가지고 있는데 이러한 밀도의 변화를 고려하지 못하는 단점을 가지고 있습니다. 이러한 단점을 보완해 줄 수 있는 것이 상대 고도 격자인데 이는 일반적으로 지표면에서는 작은 격자를 지니고 있다가 상층으로 이동함에 따라 큰 단위의 격자를 가지게 되는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 격자는 지상에서 발생하는 현상은 땅의 마찰력으로 인해 작은 격자를 필요로 한다는 점과 상층부에서는 마찰이 없어 경향성이 중요하다 보니 큰 격자를 필요로 한다는 점을 반영하여 만들어진 것으로 일반적으로 배율의 형태를 띠고 있습니다. 이러한 고도격자는 기준에 따라 해발고도를 기준으로 나뉘기도 하고 지표면으로부터 얼마나 떨어져 있는지를 기준으로 하기도 하는데 각각에 대해 알아보겠습니다. 해발고도를 기준으로 나누게 되면 일종의 절대 좌표계를 활용하게 되는데 지형과 만나는 부분을 처리해 주는 것이 중요하게 작용합니다. 자칫하면 대기가 움직이는 과정에서 지형과 충돌하여 지형 안에서 대기가 순환하는 식으로 계산이 될 수 있습니다. 이 방식은 계산이 간결하고 지형 데이터를 미리 반영하여 격자를 짜지 않기에 짜는 방법도 간단합니다. 가장 직관적이며 중력에 대해 고려하기 쉽다는 장점이 있습니다. 지형을 기준으로 하는 경우에는 격자가 일자로 잘린 느낌은 아니지만 지형 효과를 해발고도를 기준으로 한 것에 비해 더 잘 모사할 수 있습니다. 다만 일정하지 않기 때문에 산간지역이 포함되어 있다면 옆의 격자와 다른 현상을 예측하다 보니 충돌이 일어날 수 있습니다.
기압격자
기압격자는 높이가 아닌 기압을 기준으로 하여 수직 격자를 만드는 방식으로 일정한 높이를 가지지 않기에 다소 직관적이지 않은 모양을 가집니다. 기압 격자는 대기의 수직적인 특성을 잘 나타낼 수 있으며 대기의 밀도를 고려한 모델링입니다. 기압을 기준으로 하였기에 특정 기압에서 나타나는 현상에 대해 잘 모의할 수 있습니다. 하지만 고도에 따른 밀도 변화를 반영하지 않을 수 있습니다. 물론 기압이 낮아질수록 고도가 높아지는 큰 경향성을 따르기는 하지만 고도에 따라 대기의 밀도가 변화하는 중력을 고려할 수 있는 좌표계가 아니다 보니 이런 특성을 완벽하게 반영하지 못할 수 있습니다. 이런 문제를 보완하기 위해서는 격자계 설정 이후 추가적인 설정을 해야 할 수도 있습니다. 그리고 기압은 기상모델에 있어 계산의 대상이기 때문에 계산이 이루어지는 과정에서 다시 격자를 만들어내는 것을 반복하는 것은 계산 비용을 증가시킬 수 있으며 급격한 기압 변화가 나타나는 지역에 대해서는 정확성이 다소 떨어질 수 있는 단점을 가지고 있습니다. 일반적으로는 기압격자와 고도격자를 목적에 따라 다양하게 활용하고 있으며 하나가 다른 것보다 낫다고 말할 수는 없습니다.