위성·기상기초모델 융합으로 고해상도 일일 태양복사 예측

본 논문은 일일(24 h) 태양복사(GHI) 예측을 위해 전 세계 기상기초모델(Baguan)과 정지궤도 위성(Himawari‑8/9) 영상을 결합한 새로운 멀티모달 프레임워크인 Baguan‑solar를 제시한다. 서론에서는 태양복사의 일변성(밤에는 0, 일출·일몰 시 급격한 변동)과 구름 동역학의 복잡성 때문에 기존 수치예보(NWP)와 최신 기상기초모델(WFM)은 해상도가 낮고, 위성 기반 extrapolation은 장기(12‑24 h) 예측에서 물리적 제약을 반영하지 못한다는 문제점을 지적한다. 이를 해결하기 위해 두 단계 설계를 도입한다. 1️⃣ **Stage 1 – 구름 진화 모델링** - 입력: 과거 6 h Himawari 다중 스펙트럼 이미지(밴드 B03, B07, B10, B14)와 Baguan이 제공하는 과거 6 h + 미래 24 h(총 30 h) 기상 변수(U, V, T, Q, Z, TCC, SSRD 등). - 모델: Swin Transformer 기반 시공간 인코더‑디코더 구조로, 이미지와 메타데이터를 토큰화해 멀티헤드 어텐션으로 융합한다. - 출력: 24 h 후의 총구름커버(TCDC)와 동일 해상도의 위성 이미지 시퀀스. 이 단계는 GHI가 밤·낮을 가로질러 연속적으로 예측될 수 있게 하는 ‘연속적인 중간 변수’를 제공한다. 2️⃣ **Stage 2 – GHI 추론 모델링** - 입력: Stage 1에서 생성된 고해상도 구름 정보, Baguan이 제공하는 명확한 하늘 GHI(클리어스카이 모델 기반) 및 복사·대기 변수. - 모델: 또 다른 Swin Transformer가 두 모달리티를 결합해 최종 GHI를 회귀한다. 여기서 위성 이미지가 제공하는 미세 구름 형태와 Baguan이 제공하는 대규모 동역학·열역학 제약이 동시에 반영된다. 데이터셋은 네 가지 주요 소스로 구성된다. (1) Himawari‑8/9 다중 스펙트럼 이미지(0.05° 해상도, 10 분 간격); (2) CLDAS(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System)에서 파생된 GHI와 TCDC(0.05° 해상도, 시간별); (3) ERA5 재분석(0.25°)는 훈련 시 대규모 환경 변수 제공; (4) Baguan 예보(0.25°)는 실시간 추론 시 ERA5를 대체한다. 모든 데이터는 동아시아(0‑65 N, 60‑160 E) 영역으로 재샘플링되어 동일 격자에 맞춰진다. 실험에서는 2019‑2022년 기간의 데이터를 훈련·검증·테스트 셋으로 나누어, Baguan‑solar를 ECMWF IFS, 원본 Baguan, SolarSeer 등 5가지 강력한 베이스라인과 비교하였다. 주요 평가지표는 RMSE와 MAE이며, 특히 구름 이동에 따른 급변 구간에서의 성능을 시각적으로 검증하였다. 결과는 Baguan‑solar가 전체 평균 RMSE에서 16.08 % 감소를 보였고, 특히 일출·일몰 전후와 급격한 구름 통과 시점에서 기존 모델보다 20 % 이상 낮은 오류를 기록했다. 또한 추론 속도는 1 km 격자 전체(≈30 만 격자점)를 5 초 내에 처리할 수 있어 실시간 운영에 충분했다. 운영 측면에서는 2025년 7월부터 중국 동부 한 지방 전력망에 실시간 서비스로 적용돼, 1시간마다 최신 Baguan 예보와 Himawari 영상을 입력받아 24 h GHI를 업데이트한다. 현장 피드백에 따르면 전력 예측 오차가 평균 12 % 감소했으며, 배전망 운영 비용 절감 효과가 확인되었다. 논문의 주요 기여는 다음과 같다. (1) 전역 기상기초모델과 고해상도 위성을 결합한 두 단계 멀티모달 프레임워크 제안; (2) 일·야간 연속성을 보장하는 중간 변수 설계와 Swin Transformer 기반 시공간 모델링; (3) 동아시아 CLDAS를 기준으로 한 광범위 실험을 통해 기존 베이스라인을 일관적으로 능가함을 입증; (4) 실제 전력망에 적용된 운영 시스템 구현. 한계점으로는 (a) 위성 데이터가 아시아‑태평양에 국한돼 다른 대륙으로 확장 시 데이터 확보가 필요하고, (b) Baguan 자체 해상도가 0.25°이므로 초소형 국지 구름까지는 완전히 포착하지 못한다는 점을 들 수 있다. 향후 연구에서는 (i) 지역 NWP와의 하이브리드, (ii) 멀티스케일 피라미드 구조를 도입한 더 정교한 어텐션 메커니즘, (iii) 전력시장 가격·수요와 연계한 종합 에너지 예측 시스템 구축 등을 통해 실용성을 더욱 확대할 계획이다.