HiRO-ACEv2: 낮은 비용으로 3km 해상도에서 극한 기후 시뮬레이션

저희는 High Resolution Output Ai2 Climate Emulator (HiRO-ACE) 시스템의 최신 업데이트 버전인 HiRO-ACEv2를 소개합니다. HiROv2는 매우 희귀한 비, 바람, 압력 현상까지도 높은 정확도로 재현할 수 있으며, 전체 시스템은 폭풍 및 기타 소규모 기후를 명시적으로 시뮬레이션하는 고해상도 전지구 대기 모델인 X-SHiELD 대비 약 1/300의 비용으로 글로벌 3km 기후 데이터를 생성할 수 있습니다.

HiRO-ACE는 2026년에 처음 소개되었으며, 두 부분으로 구성됩니다. ACE는 더 거친 100km 해상도에서 작동하는 AI 모델이고, HiRO는 이 거친 출력을 정밀한 3km 디테일로 선명하게 만드는(sharpening) 역할을 합니다. HiRO-ACEv2의 가장 큰 변화는 새로운 다운스케일링 모델인 HiROv2입니다. 이는 이제 단순히 강우량뿐만 아니라 여러 고해상도 필드를 한 번에 예측할 수 있어 훨씬 더 넓은 범위의 극한 기후를 포착할 수 있게 되었고, 또한 극한 현상을 예측하는 능력이 향상되었습니다.

HiRO-ACEv2의 주요 초점은 극한 현상을 잘 시뮬레이션하는 것이었습니다. HiROv2 훈련 방식에 대한 변경 사항은 가장 강렬한 비, 바람, 압력 값을 재현하는 능력을 개선했습니다. 거칠게 처리된 X-SHiELD 데이터를 받으면, 단 100만 개의 데이터 포인트 중 한 번 발생할 정도로 희귀한 현상에 대해서도 목표 시뮬레이션의 고해상도 통계와 3% 이내로 일치합니다. 또한, HiROv2는 훈련 과정에서 본 적이 없는 폭풍을 포함하여 열대성 사이클론의 총 에너지까지 정확하게 추정하며, 현실적인 눈(eye)과 비띠를 가진 허리케인을 생성하지만, 눈 주변의 바람과 압력은 X-SHiELD보다 다소 불균형한 상태로 남아 있습니다. 게다가 HiROv2는 산비탈을 따라 흐르는 강풍까지도 사실적으로 생성합니다.

저희는 또한 이 시스템을 위해 업데이트된 버전의 ACE도 훈련했습니다. 10년간의 시뮬레이션 동안, ACE가 생성한 허리케인, 평균 기후 패턴, 그리고 비, 바람, 압력의 전반적인 분포 모두 X-SHiELD와 잘 일치합니다. 이는 ACE의 거친 시뮬레이션이 장기적인 고해상도 기후 데이터를 생산하기 위한 견고한 기반임을 알려줍니다.

HiROv2와 ACE를 결합하여, 우리는 전 세계적인 3km 데이터의 1년 치를 생성했습니다. 이 통계는 HiRO가 실제 X-SHiELD 데이터를 사용한 것이 아니라 자체적으로 실행된 시뮬레이션 ACE에서 작동했음에도 불구하고 X-SHiELD의 통계와 매우 유사합니다. 10년간의 구동을 통해, HiRO-ACEv2 허리케인의 에너지는 동일 기간 동안 X-SHiELD와 비교할 만하며, 해당 구동에서 얻은 스냅샷들은 X-SHiELD에 있는 것과 유사한 다양한 다른 극한 사건들을 보여줍니다.

10년 HiRO-ACEv2 시뮬레이션 중 생성된 북대서양의 강력한 허리케인 예시.

전반적으로, HiRO-ACEv2는 연구원들에게 10년 이상에 걸친 극한 사건을 위한 고해상도 강우량, 바람, 기압 데이터의 여러 버전을 생성할 수 있는 유연하고 저렴한 방법을 제공합니다. 이를 이용해 전 세계적인 고해상도 데이터를 생산하는 비용은 X-SHiELD를 구동하는 것보다 약 300분의 1 수준입니다. 만약 단일 지역만 필요하다면, 그 면적 크기에 따라 100배 이상의 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 또한 우리는 현재 HiROv2의 간소화된 버전을 개발하고 있으며, 이는 속도를 10배 이상 더 빠르게 만들 수 있을 것입니다.

아직 앞으로 해야 할 작업들이 남아있습니다: HiRO가 X-SHiELD로부터 학습했기 때문에, ACE와는 X-SHiELD에 맞게 조정된 버전으로만 작동합니다. 즉, 아직 따뜻한 미래나 ERA5 같은 데이터셋의 역사적 기록과 같은 다른 기후에 대한 고해상도 데이터를 생성할 수는 없습니다. 다음으로는 시스템이 다양한 기후를 처리할 수 있도록, 4°C 더 따뜻한 세계를 시뮬레이션하는 데이터셋을 포함하여 새로운 X-SHiELD 데이터셋으로 학습시키는 것을 계획하고 있습니다. 또한 해빙층 예측과 같이 더욱 많은 사용을 가능하게 하는 지표인 근접 표면 온도와 눈 및 얼음 같은 출력물도 추가할 계획입니다.

ACE 데이터 시각화기에서 바하 칼리포니아 상공의 10m 풍속을 시뮬레이션한 것: 메인 지도에는 100km 해상도의 ACE2가, 삽입된 부분에는 3km 해상도의 HiRO-ACEv2가 표시되어 있습니다.

ACE 데이터 시각화기에서 북동 태평양 상공의 시뮬레이션 폭풍. 메인 지도는 100km 해상도의 10m 풍속을 보여주며, 3km HiRO-ACEv2 삽입 부분은 폭풍 내부의 더 세밀한 구조를 보여줍니다.

HiRO가 어떤 결과를 내는지 추론(inference)을 실행할 필요 없이 쉽게 볼 수 있도록, HiROv1과 HiROv2의 강수량, 바람, 해면 기압 출력을 X-SHiELD와 나란히 보여주는 웹 데모를 구축했습니다. 이 데모는 기술 보고서에 포함된 정량적 비교를 보완하며, 출력 결과가 어떻게 보이는지 빠르게 시각적으로 확인하고 사용자가 관심 지역(region of interest)을 확대하여 성능을 판단할 수 있게 합니다.

더 심층적인 분석을 위해 모델은 다운로드 가능하며, 튜토리얼 노트북에서 실행 방법을 안내합니다.