Blog - Improving weather and climate forecasting
날씨 및 기후 예보 개선 – 특정 분야 전문 과학자와 고성능 컴퓨팅 전문가 간의 협업이 중요한 이유
날씨와 기후 예보는 생명을 구하고 재산과 자연환경 보호에 도움이 되는 필수적인 수단입니다. 실제로 폭풍, 홍수 및 극한 기온과 같은 기상 이변은 전 세계 지역사회에 큰 영향을 미치며, 이로 인해 막대한 재정적 비용도 필요하게 됩니다. 유럽 환경청(European Environment Agency)은 2010년부터 2017년 사이 EEA 회원국에 평균 약 130억 유로의 연간 손실이 있었다고 보고했습니다. 지구 시스템 과학자와 고성능 컴퓨팅(HPC) 전문가 간의 긴밀한 협력은 이러한 재난을 예방하고, 불확실한 미래 기후에 대해 더 잘 대비할 수 있도록 의사 결정을 위한 정확하고 신뢰할 수 있는 예측 기능을 달성하도록 정보를 제공하는 것이 핵심입니다.
HPC가 날씨 및 기후 수치 시뮬레이션에 중요한 이유
날씨에 대한 지식은 항상 인간사에서 중요했기 때문에, 날씨 예보는 구름 패턴에 대한 관찰부터 현재의 수치 예보 및 기후모델에 이르기까지 매우 오랜 역사를 가지고 있습니다. 이러한 기후모델은 특히 대기, 해양, 해빙, 육지 얼음 및 식생 등의 주변상황을전세계적인 지구시스템의 역학관계와 함께 시뮬레이션할 때 엄청난 양의 계산능력을 필요로 하며, 방대한 양의 결과데이터를 생성합니다. 또한 예측의 정확성과 신뢰성을 높이기 위해서는 시뮬레이션의 해상도를 반드시 킬로미터 단위까지 높여야 하는데, 이렇게 하면 더 많은 물리적 현상을 반드시 고려해야 하므로 기후모델이 더 복잡해진다는 영향이 있습니다. 이 때문에 기후모델링은 컴퓨팅 능력 및 데이터 취급 요건의 측면에서 가장 까다로운 슈퍼컴퓨팅 작업 중의 하나입니다.
당면과제
성공적인 날씨 및 기후 예측을 진행하는 동안 끊임없이 컴퓨팅 문제에 직면합니다. 이 때문에 지구 시스템 모델과 전용 HPC 시스템의 통합 운용시스템 설계가 필요합니다. 통합 설계를 구현하면 현행 모델의 실행상황을 프로파일링하고, 분석하여 최적화할 수 있으며, 향후 새로운 수학적 방법에 의한 수치 알고리즘 개발을을 적용할 수 있어 차세대 슈퍼컴퓨터에서 효율적으로 사용하는 방법에 대해서도 예측할 수 있습니다. 이것이 특정 분야 전문 과학자와 성능 중심의 HPC 전문가 간의 협업이 중요한 이유입니다.
미래를 향해 발전하고 있는 유럽
날씨 및 기후 정보 서비스 단체는 이러한 당면과제를 충족하기 위해 잘 조직되고 구성되어 있습니다. EU에는 엑사스케일로 날씨와 기후를 예보하기 위한 토대를 마련 중인 흥미로운 협력 프로젝트가 존재합니다.
EU의 Horizon 2020 프로그램으로부터 자금을 지원받는 유럽 기상·기후 시뮬레이션 센터(Center of Excellence in Simulation of Weather and Climate in Europe, ESiWACE)는 기상·기후 모델링 워크플로우의 모든 측면을 개선하기 위해 기후 모델링 그룹, HPC 센터 및 HPC 업계 파트너들을 연결시켜 주고 있습니다.
예를 들어, ESiWACE는 모델링 팀에 HPC 개발 서비스를 제공하고 기술 전문가들 간의 협업을 촉진하고 있습니다.
Collaboration fosters the exchange of expertise, enabling researchers and industry to be more productive and paving the way to scientific excellence.
ESCAPE 프로젝트[Energy-Efficient Scalable Algorithms for Weather and Climate Prediction at Exascale(엑사스케일로 기상·기후를 예보하기 위한 에너지 효율적인 확장 가능 알고리즘)의 약어]는 유럽에서 운영 중인 기상·기후 수치 예보 시스템에 적합한 세계적 수준의 대규모 컴퓨팅 기능을 개발하는 것을 목표로 합니다.
이 프로젝트의 다음 단계인 Destination Earth(DestinE)가 실행되면 테스트 시나리오 개발을 포함한 지구 “디지털 트윈”을 모델링하여 자연 환경과 인간 활동의 모니터링 및 시뮬레이션이 가능할 것으로 예상됩니다.
협업이 핵심
협업은 전문지식의 상호교류를 촉진하기에, 연구진과 업계는 이러한 협업을 통하여 생산성을 높일 수 있고 과학적 탁월성을 위한 토대를 마련할 수 있습니다.
협업 프로젝트의 결과는 좋을 것으로 예상됩니다. 이러한 협업의 좋은 예로는 ESCAPE, ESiWACE 컨소시엄에서 발표한 협업이 있으며, 최근에는 ESiWACE HPC 서비스 이니셔티브에서 발표한 협업이 있습니다. Atos의 전문가들은 DKRZ 및 프랑스 기상청(Météo-France)을 포함한 여타의 기관과 적극적으로 협력하고 있습니다. 이 두 기관 모두 Atos로부터 새로운 시스템을 인도받아 이 분야에 대한 역량을 집중적으로 강화했습니다. DKRZ에 설치된 Mistral의 차세대 제품과 프랑스 기상청에 설치된 Beaufix/Prolix의 Taranis/Belenos는 두 센터의 슈퍼컴퓨팅 기능을 5배 향상시켰습니다. 또 다른 예는 Atos와 ECMWF가 최근 설립한 날씨·기후모델링센터(Center of Excellence in Weather & Climate Modeling)에서 찾을 수 있습니다.
이 예들은 전문가가 함께 협력할 때 결과가 특출난 가치를 발휘할 수 있다는 것을 보여줍니다. 즉, 연구원과 업계는 상호 협력을 통하여 생산성을 높이고 궁극적으로 과학적 우수성을 강화할 수 있다는 것입니다.
작성: Erwan Raffin(