최근 지구온난화로 인한 기후 변화로 기상재해가 증가하고 있는 추세이다. 지난 10년(2006~2015년)간 152명의 인명 피해, 약 3조 5천억 원의 재산 피해를 입었고 이를 복구하기 위해 약 7조 3천억 원의 자금이 소요된 것으로 조사되었다. 또한 기존의 기상재해뿐만 아니라 폭염, 미세먼지 등 새로운 기상재해의 중요성이 대두되고 있다.
기상재해가 증가하고 새로운 유형이 나타남에 따라 기상 분석을 위한 다양한 연구들이 수행되었으나 대부분의 연구가 예측 모델의 향상을 위한 연구나 주변 환경과의 관계에 의한 영향 연구 등으로 이루어져 있다. 따라서 본 연구에서는 기상 분석을 위한 새로운 방법으로 기상 및 대기환경 정보를 3차원 적으로 표출하기 위한 최적화 기법을 연구하고 이를 적용한 프로그램을 개발하고자 하였다. 연구에 앞서 3차원 표출과 관련한 선행 연구들과 상용 프로그램들을 조사, 분석하여 몇 가지 아쉬운 점들을 발견하였다. 먼저 다수의 프로그램들이 전 지구 규모나 대륙 규모의 표출에만 특화되어 있어 국지규모의 표출이 어려웠고, 표출 방식이 벡터와 등치선 등 2차원 표출에 국한되어 있었다. 그밖에도 비주얼 면에서 수준이 미흡한 점이나 프로그램 자체가 무겁고 복잡하다는 점들을 발견할 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 선행 연구들의 아쉬운 점들을 보완하여 Meteorological and Atmospheric Environment Information Visualization Engine(이하 MAIVE) 프로그램을 개발하고자 하였다. MAIVE는 다양한 파일 포맷을 지원하며 30m 해상도의 수치표고모델을 이용하여 고해상도의 3차원 지형을 구현하였다. 지형은 고도에 따른 색을 입히는 기본 스킨과 바다와 육지를 구별해주는 마스크 스킨, 해안선을 그려주는 윤곽선 스킨을 적용할 수 있도록 하였다. 그리고 기존의 바람 벡터장과 등치선뿐만 아니라 바람장을 따라 흐르는 스트림 벡터, 스트림 라인과 3차원 볼륨 렌더링 등 새로운 표현 방식과 최신 3차원 표출 기술을 적용하였다. 추가로 바람장 벡터의 경우 해상도의 변경과 벡터의 크기, 3차원 데이터의 경우 고도별 표출이 가능하도록 하였으며 스트림 벡터와 스트림 라인의 경우 화면에 한 번에 나타내는 정도를 조절할 수 있도록 하였다. 마지막으로 시간의 흐름에 따른 기상 요소 및 대기질 정보의 변화를 보기 위해 애니메이션 기능을 넣고, 그 시간을 조절할 수 있도록 하였으며 최소값과 최대값을 설정할 수 있도록 하여 사용자가 원하는 범위를 표출할 수 있도록 하였다.
기상 및 대기환경 정보의 3차원 표출의 최적화 기법이 잘 적용되었는지 확인하기 위해 중규모 태풍 사례, 국지규모 해륙풍 사례, 대기질 사례의 세 가지 사례를 구현하고 살펴보았다. 태풍 사례의 경우 태풍의 중심을 따라 움직이는 바람의 흐름과 기온, 강수량의 변화를 쉽게 파악할 수 있었고, 구름을 3차원 볼륨 렌더링으로 표출하여 태풍의 발달과 소멸 과정을 간략하게나마 확인할 수 있었다. 해륙풍 사례의 경우 시간의 흐름에 따라 해풍에서 육풍으로 전환되는 것과 바다와 육지의 기온 변화에 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 대기질 사례의 경우 예보 자료와 CMAQ 모델링 결과의 차이를 비교해 볼 수 있었고, 2차원 표출인 예보 자료와 달리 3차원 볼륨 렌더링을 통해 대기오염물질의 연직 분포를 살펴볼 수 있었다.
세 가지 사례를 구현하여 살펴본 결과 수치모델링의 결과를 잘 반영하는 것을 확인할 수 있었고, 새로운 표출 기법을 통해 다른 관점에서 기상 및 대기환경 정보를 관찰할 수 있었다. 앞으로 본 연구에서 개발한 MAIVE 원형 프로그램을 계속 연구, 발전시켜나간다면 기상뿐만 아니라 수문, 항공 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

keywords : 3차원 표출, 국지규모, 기상, 대기환경, MAIVE

Recently, weather disaster have been increasing due to climate change caused by global warming. In the last 10 years(2006-2015), 152 lives were lost and about 3.5 trillion won worth of property damage and about 7.3 trillion won was spent to repair it was reported. In addition, the importance of new weather disasters such as heat waves and fine dust as well as existing weather disasters is emerging.
Various studies have been conducted for weather analysis as weather disaster have increased and new types have emerged, but most studies are made up of studies for improving predictive models or effects from relationships with the surrounding environment. Therefore, this study is to study the optimization technique to 3D expression meteorological and atmospheric environment information and to develop a program for a new method for meteorological analysis that applies it. Before to the study, some of the regrets were found by researching and analyzing prior studies and commercial programs related to 3D expression. First, a number of programs were specific to the expression of the global or continental scale, and the method of expression was limited to the presentation of 2D : vector and contour map. In addition, we could find that the visual level was insufficient or that the program itself was heavy and complicated.
Therefore, the Meteorological and Atmospheric Environment Information Visualization Engine (MAIVE) program was developed in this study to compensate for this regret. MAIVE supports various file formats and implements high-resolution 3D terrain using a 30m resolution Digital Elevation Model. The terrain allowed the application of basic skin to color the height, mask skin to distinguish the sea from the land, and contour skin to draw the contour. And, new expression methods and latest 3D expression techniques such as existing wind vector fields and Contour Map as well as stream vector, stream line flowing along the wind field and 3D volume rendering were applied. In addition, for wind field vectors, it was allowed to change the resolution, the size of the vectors, and the display of 3D wind data by altitude were changed to an option, and for stream vectors and stream lines, the level to which they appear on the screen at once was adjustable. Finally, animation functions were added and time could be adjusted to see changes in meteorological and atmospheric environment information over time. For Contour Map, the minimum and maximum values can be set so that users can see the desired range better.
In order to ensure that the optimization techniques of 3D expression of meteorological and atmospheric environment information were well applied, three cases were implemented and examined: the case of medium-sized typhoon, the case of local land-sea breeze and the case of air quality. In the case of a typhoon, changes in wind flow, temperature, and precipitation moving along the center of the typhoon were easily identified, and the development and extinction of the typhoon could be seen roughly by expressing clouds in a 3D volume rendering. In the case of land-sea breeze, we could see a shift from sea-to-land to land-to-sea winds over time, and we could see a difference in temperature between sea and land temperature. In the case of air quality cases, we could compare the difference between forecast data and CMAQ modelling results, and, unlike forecast data, which is a 2D expression, we could look at the vertical distribution of air pollutants through 3D volume rendering.
The implementation of the three examples showed that the results of numerical modelling were well reflected, and new expression techniques enabled us to observe meteorological and atmospheric environment information from different perspectives. It is judged that the MAIVE prototype program developed in this study can be used in a variety of fields, including hydrologic and aviation, as well as weather.

keywords : 3D Visualization, Local scale, Meteorological,
Atmospheric environment, MAIVE