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문제 정의
- 따라서 EFDC 모델은 다양한 요소를 한 프로그램에서 모의할 수 있다는 장점은 있으나 계산과정에서 불필요한 메모리 할당과 조건문을 수행함으로 인하여 계산효율이 떨어지는 단점이 있을 수 있다. 본 연구에서는 해수유동과 퇴적물 이동을 계산하고자 하는 경우에 필요한 해수유동과 퇴적물 이동 모듈외의 요소가 해수유동 모의시간에 미치는 영향을 살펴보고자 해수유동과 퇴적물 이동의 계산에 불필요한 수질요소 모듈 등을 모델에서 제거하는 방법으로 모형을 간략화하고 계산시간을 비교하였다. EFDC 프로그램의 리스트에서 수질과 관련되는 subroutine과 dimension 및 common 문에서 수질과 관련되는 메모리를 제거하였으며, 복잡한 조건문 들을 정리하였다.
- 수정된 EFDC 모형(EFDC-E)을 사용하여 목포해역에서 조류에 대하여 2차원과 3차원으로 모의하고, 계산에 소요되는 시간과 모의결과를 수정되기 전의 EFDC 모형을 이용한 모의결과와 상호 비교하였다. 비교 과정에서 2차원 모의결과와 3차원 모의결과의 차이점에 대한 분석과 각 모형의 목포해역 조류 비대칭에 대한 재현성에 대해서 검토하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 비선형성분을 무시하는 방법과 비선형성분을 포함하는 방법을 모두 사용하여 모의하고, 두 모의결과를 관측자료(조위 및 조류)와 비교하였다. 평균대조기 모의를 위하여 개방경계조건으로 M2 분조와 S2 분조의 진폭을 합한 조석파가 M2 분조의 위상으로 전파하는 파(선형조석파)로 단순화하여 모의 하였으며, 비선형 조석성분을 포함하기 위하여 M4 분조와 MS4 분조의 진폭을 합한 조석이 M4 분조의 위상으로 전파하는 파(비선형조석파)가 M2+S2분조와 함께 전파한다고 가정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 해수유동과 퇴적물 이동을 계산하고자 하는 경우에 필요한 해수유동과 퇴적물 이동 모듈외의 요소가 해수유동 모의시간에 미치는 영향을 살펴보고자 해수유동과 퇴적물 이동의 계산에 불필요한 수질요소 모듈 등을 모델에서 제거하는 방법으로 모형을 간략화하고 계산시간을 비교하였다. EFDC 프로그램의 리스트에서 수질과 관련되는 subroutine과 dimension 및 common 문에서 수질과 관련되는 메모리를 제거하였으며, 복잡한 조건문 들을 정리하였다. 점착성과 비점착성 퇴적물의 이동에 관련된 내용은 포함하였으며, 수질요소 모의과정을 제거한 프로그램의 계산성능에 대해서 평가하였다.
- EFDC-E 모형을 사용하여 3차원 조류를 모의하고, 2차원 모의결과 및 관측자료와 비교하였다. 모의에 사용한 조석조건은 2차원 모의와 동일하며, 연직방향으로는 10개 층으로 균등하게 분할하였다.
- EFDC-E 모형을 사용하여 목포해역의 2차원 조류를 모의하고, 수정되기 전 EFDC 모형의 모의결과와 비교하였다. 모의를 위해 수평방향 격자크기 200 m, 격자수 175×230으로 구성하였으며, 수심자료는 수치해도를 활용하였다(Fig.
- 2006년 8월 9일부터 30일간 조위와 조류를 EFDC-E 모형을 사용하여 모의하고, 관측자료와 비교하였다. 개방경계에서는 정확한 모의가 가능하도록 비선형 조석성분을 포함하는 7개 분조의 합성조석을 가지고 조위를 예측하였으며. 모의결과는 목포항 검조소의 실제 조위관측 결과와 비교하였다.
- 2차원 모의와 같이 개방경계에서 7개 분조의 합성조석을 부여하였으며, 연직방향으로는 10개 층을 분할하였다. 모의한 결과 중에서 수면하 5 m에 가까운 유속자료를 관측유속과 비교하였다. 모의결과는 전반적으로 2차원 모의와 비슷하였으며(Fig.
- 2에서 실선은 2개 분조, 4개 분조, 7개 분조를 합성하여 2006년 8월의 조위변화를 예측한 결과로 관측결과(●)와 비교한 결과를 보면, 정확한 예측을 위해서는 비선형 조석성분을 포함해야 함을 알 수 있다. 본 연구에서는 비선형성분을 무시하는 방법과 비선형성분을 포함하는 방법을 모두 사용하여 모의하고, 두 모의결과를 관측자료(조위 및 조류)와 비교하였다. 평균대조기 모의를 위하여 개방경계조건으로 M2 분조와 S2 분조의 진폭을 합한 조석파가 M2 분조의 위상으로 전파하는 파(선형조석파)로 단순화하여 모의 하였으며, 비선형 조석성분을 포함하기 위하여 M4 분조와 MS4 분조의 진폭을 합한 조석이 M4 분조의 위상으로 전파하는 파(비선형조석파)가 M2+S2분조와 함께 전파한다고 가정하였다.
- 최근에는 해수유동은 EFDC 모형을 사용하고, 수질모의는 다른 모형을 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다(서동일 등[2009]). 본 연구에서는 수질모의가 특별히 필요한 경우를 제외하고는 수질모델링은 수리학적 문제의 연구에서 거의 사용되지 않는 다는 점과 다른 수질모형을 활용하는 경우가 많다는 점을 감안하여 수질 모델링 부분을 모형에서 분리하였다. EFDC 모형의 해수유동 계산과정을 살펴보면, 정수압을 가정한 3차원 운동방정식과 연속방정식, 연직확산계수를 계산하기 위한 2-방정식 난류방정식을 유한차분법으로 수치해석한다(Tetra Tech, Inc[2007b], Hamrick[1992]).
- 수정된 모형 EFDC-E 3차원 모형의 계산 소요시간에서 개선효과를 알아보기 위하여, 평균대조기 기간에 대해 3일간을 비교검증시와 동일한 격자크기와 계산시간간격 4초를 사용하여 EFDC 모형과 EFDC-E 모형을 동시에 적용하고, 모의에 걸리는 계산시간을 비교하였다. 3일간 모의에 EFDC 모형은 4.
- 수정된 모형 EFDC-E 모형의 프로그램 단순화로 인한 계산 소요시간 개선효과를 알아보기 위하여, 평균대조기 기간에 대해 3일간을 동일한 격자와 동일한 계산시간간격 8초를 사용하여 모의하고, 모의에 걸리는 계산시간을 비교하였다. 3일간의 모의에 EFDC 모형은 23.
- EFDC 프로그램의 리스트에서 수질과 관련되는 subroutine과 dimension 및 common 문에서 수질과 관련되는 메모리를 제거하였으며, 복잡한 조건문 들을 정리하였다. 점착성과 비점착성 퇴적물의 이동에 관련된 내용은 포함하였으며, 수질요소 모의과정을 제거한 프로그램의 계산성능에 대해서 평가하였다. 수정된 EFDC 모형(EFDC-E)을 사용하여 목포해역에서 조류에 대하여 2차원과 3차원으로 모의하고, 계산에 소요되는 시간과 모의결과를 수정되기 전의 EFDC 모형을 이용한 모의결과와 상호 비교하였다.
대상 데이터
- 2006년 8월 9일부터 30일간 조위와 조류를 모의하였다. 2차원 모의와 같이 개방경계에서 7개 분조의 합성조석을 부여하였으며, 연직방향으로는 10개 층을 분할하였다.
- 2006년 8월 9일부터 30일간 조위와 조류를 모의하였다. 2차원 모의와 같이 개방경계에서 7개 분조의 합성조석을 부여하였으며, 연직방향으로는 10개 층을 분할하였다. 모의한 결과 중에서 수면하 5 m에 가까운 유속자료를 관측유속과 비교하였다.
- 목포항에서 조위 모의결과를 조화분석하여 얻은 조화상수와 동일기간의 조위 관측결과를 조화분석하여 얻은 조위 조화상수를 비교해 보면, 전반적으로 잘 일치하였다(Table 2). 또한 Fig. 4의 표기된 2개 정점에서 2006년 8월의 1개월간 수면하 5 m에서 관측된 조류 관측자료와 비교하였다. 관측결과와 비교해 보면(Fig.
- 모의를 위해 수평방향 격자크기 200 m, 격자수 175×230으로 구성하였으며, 수심자료는 수치해도를 활용하였다(Fig. 1).
데이터처리
- 2006년 8월 9일부터 30일간 조위와 조류를 EFDC-E 모형을 사용하여 모의하고, 관측자료와 비교하였다. 개방경계에서는 정확한 모의가 가능하도록 비선형 조석성분을 포함하는 7개 분조의 합성조석을 가지고 조위를 예측하였으며.
- 개방경계에서는 정확한 모의가 가능하도록 비선형 조석성분을 포함하는 7개 분조의 합성조석을 가지고 조위를 예측하였으며. 모의결과는 목포항 검조소의 실제 조위관측 결과와 비교하였다. EFDC 모형과 EFDC-E 모형의 조위 모의결과가 일조부등과 낙조기간이 창조기간보다 짧은 조석 비대칭성을 보이는 목포항의 복잡한 조위를 Fig.
- 8GHz와 RAM 2GB이다. 비교모의에 사용한 EFDC 모형은 EFDC EPA GVC VERSION 1.01이며, 이를 수정한 모델 EFDC-E와 비교하였다. 이와 같은 방법으로 프로그램을 단순화하면, 동일한 계산결과를 얻고도 EFDC 모형의 계산시간을 상당히 줄일 수 있어서 수정된 모형 EFDC-E는 제한된 계산시간으로 모의하지 못하던 다양한 해수유동 현상에 널리 사용될 수 있을 것이다.
- 점착성과 비점착성 퇴적물의 이동에 관련된 내용은 포함하였으며, 수질요소 모의과정을 제거한 프로그램의 계산성능에 대해서 평가하였다. 수정된 EFDC 모형(EFDC-E)을 사용하여 목포해역에서 조류에 대하여 2차원과 3차원으로 모의하고, 계산에 소요되는 시간과 모의결과를 수정되기 전의 EFDC 모형을 이용한 모의결과와 상호 비교하였다. 비교 과정에서 2차원 모의결과와 3차원 모의결과의 차이점에 대한 분석과 각 모형의 목포해역 조류 비대칭에 대한 재현성에 대해서 검토하였다.
이론/모형
- 난류방정식은 난류운동에너지와 난류길이에 대한 확산방정식(Mellor and Yamada[ 1982])을 성층화 모의에 안정하도록 개선한 Galperin et al.[1988]의 방법을 사용한다. EFDC 모형은 POM모형을 기본으로하여 퇴적물 이동 모의와 수질 모의 등과 같은 다양한 모의기능을 추가하여 발전시킨 모형이다(Tetra Tech, Inc[2007c], Tetra Tech, Inc[2007d]).
- 계산시간의 단축을 위하여 내부모드와 외부모드를 분리해서 계산하는 모드분리 방법을 사용하고 있다. 외부모드 모의에서는 수위변화를 계산하기 위하여 2차원 천수방정식을 공액경사법(Conjugate Gradient Method)를 사용하여 음해법으로 해석한다. 연직 분포를 구하기 위한 내부모드는 연직방향에 대해서 음해법으로 해석한다.
- 연직 분포를 구하기 위한 내부모드는 연직방향에 대해서 음해법으로 해석한다. 확산방정식은 수평적으로는 시간에 대해 3단계를 사용하는 Leap-frog 방법을, 연직방향으로는 음해법을 사용하여 해석한다. 물질 수송방정식의 수치해석방법은 모드분리를 사용하지 않는 것을 제외하고는 해수유동 모의과정과 유사하다.
성능/효과
- 수정된 모형 EFDC-E 모형의 프로그램 단순화로 인한 계산 소요시간 개선효과를 알아보기 위하여, 평균대조기 기간에 대해 3일간을 동일한 격자와 동일한 계산시간간격 8초를 사용하여 모의하고, 모의에 걸리는 계산시간을 비교하였다. 3일간의 모의에 EFDC 모형은 23.3분이 소요되었으나 프로그램에 필요 없는 부분을 제거하여 효율화한 EFDC-E 모형은 8.0분(EFDC 모형을 실행하기 위해 걸린 시간의 34.5%)이 소요되었다(Table 1). 따라서 EFDC 모형에서 사용되는 복잡한 프로그램의 구성과 불필요한 메모리와 조건문 등으로 인해서 계산에 많은 시간이 소요되는 것을 확인할 수 있었으며, 이 부분을 효율화하면 계산시간을 1/3로 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.
- EFDC 모형의 해수유동과 퇴적물 이동 계산과정에서 불필요한 메모리와 조건문, 수질모델 모듈 등을 제거하여 효율화한 모형 EFDC-E를 사용하여 목포해역에서 조석에 의한 해수유동을 모의하고 비교한 결과, 간략화과정을 통해서 개선된 EFDC-E 모형은 EFDC 모형보다 2차원과 3차원 조류모의에서 약 3배 빠르게 계산하는 것을 확인할 수 있었다. 모형의 정확성과 안정성을 확인하기 위하여 모의결과를 관측자료와 비교한 결과, 평균대조기 조위와 조류 모의결과는 대체로 관측자료와 유사한 모습을 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 목포해역의 비선형 조석특성을 정확하게 모의하기 위해서는 개방조건으로 비선형 조석으로 포함해야 함을 확인할 수 있었다.
- 대조기 조류에 대한 3차원 모의결과를 종합해 보면, 계산시간을 효율화한 EFDC-E 모형은 낙조류에 대한 계산유속/관측유속의 비가 1.01로 매우 양호한 계산결과를 보였으며, 창조류의 비는 0.91로 대체로 양호한 결과를 얻었다. EFDC 모형을 이용한 모의결과도 낙조류의 비가 0.
- 5%)이 소요되었다(Table 1). 따라서 EFDC 모형에서 사용되는 복잡한 프로그램의 구성과 불필요한 메모리와 조건문 등으로 인해서 계산에 많은 시간이 소요되는 것을 확인할 수 있었으며, 이 부분을 효율화하면 계산시간을 1/3로 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다. 해수유동 계산에 사용한 개인용컴퓨터(PC)의 주요사양은 Intel Core I7 CPU 2.
- 3%)이 소요되었다(Table 4). 따라서 EFDC 모형은 복잡한 프로그램의 구성과 불필요한 메모리와 조건문 등으로 인해서 계산에 많은 시간이 소요되는 확인할 수 있었으며, 이 부분을 효율화하면 계산시간을 3배 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같이 3차원 모의에서도 동일한 계산결과를 얻고도 EFDC 모형의 계산시간을 상당히 줄일 수 있음이 확인됨에 따라 수정된 모형 EFDC-E는 제한된 계산시간으로 모의하지 못하던 다양한 해수유동 현상의 모의에 널리 사용될 수 있을 것이다.
- 6). 따라서 EFDC 모형의 해수유동 모듈의 수정과정에서 야기된 큰 문제점이 없음을 확인할 수 있었다. 두 모형 모두 주로 유속이 크게 나타나는 유출입수로 부근의 정점에서 관측 조류속도와 차이를 보였다.
- 모형의 정확성과 안정성을 확인하기 위하여 모의결과를 관측자료와 비교한 결과, 평균대조기 조위와 조류 모의결과는 대체로 관측자료와 유사한 모습을 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 목포해역의 비선형 조석특성을 정확하게 모의하기 위해서는 개방조건으로 비선형 조석으로 포함해야 함을 확인할 수 있었다. 또한 2차원 모의결과는 수심평균유속을 계산하여, 상층에서 관측한 조류를 정확하게 재현하지 못 하였으나 3차원 모형을 적용한 조류 모의결과는 2차원 모의보다 관측유속과 보다 잘 일치하는 모습을 보였다. 또한 2006년 8월의 1개월간 조위와 조류를 예측한 결과, 정확한 조위와 조류를 예측하기 위해서는 주요 4개분조의 합성조석만으로는 불충분하며, N2 분조와 2개의 비선형 조석(M4와 MS4)을 포함해야 함을 알 수 있었다.
- 모의한 결과 중에서 수면하 5 m에 가까운 유속자료를 관측유속과 비교하였다. 모의결과는 전반적으로 2차원 모의와 비슷하였으며(Fig. 15와 16), 정점 B에서 창조시 23%의 오차를 보였던 조류 계산결과가 9.9%의 오차로 크게 개선된 모습을 보였다. 이는 2차원 모의시는 수심평균 유속과 비교하였으나 3차원 모의에서는 관측수심인 수면하 5 m와 가까운 격자점에서 유속 모의결과와 비교하였기 때문으로 사료된다.
- EFDC 모형의 해수유동과 퇴적물 이동 계산과정에서 불필요한 메모리와 조건문, 수질모델 모듈 등을 제거하여 효율화한 모형 EFDC-E를 사용하여 목포해역에서 조석에 의한 해수유동을 모의하고 비교한 결과, 간략화과정을 통해서 개선된 EFDC-E 모형은 EFDC 모형보다 2차원과 3차원 조류모의에서 약 3배 빠르게 계산하는 것을 확인할 수 있었다. 모형의 정확성과 안정성을 확인하기 위하여 모의결과를 관측자료와 비교한 결과, 평균대조기 조위와 조류 모의결과는 대체로 관측자료와 유사한 모습을 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 목포해역의 비선형 조석특성을 정확하게 모의하기 위해서는 개방조건으로 비선형 조석으로 포함해야 함을 확인할 수 있었다. 또한 2차원 모의결과는 수심평균유속을 계산하여, 상층에서 관측한 조류를 정확하게 재현하지 못 하였으나 3차원 모형을 적용한 조류 모의결과는 2차원 모의보다 관측유속과 보다 잘 일치하는 모습을 보였다.
- 9에서와 같이 잘 재현하였다. 목포항에서 조위 모의결과를 조화분석하여 얻은 조화상수와 동일기간의 조위 관측결과를 조화분석하여 얻은 조위 조화상수를 비교해 보면, 전반적으로 잘 일치하였다(Table 2). 또한 Fig.
- 또한 2006년 8월의 1개월간 조위와 조류를 예측한 결과, 정확한 조위와 조류를 예측하기 위해서는 주요 4개분조의 합성조석만으로는 불충분하며, N2 분조와 2개의 비선형 조석(M4와 MS4)을 포함해야 함을 알 수 있었다. 본 연구에서 수립한 EFDC-E 모형은 기존 모형(EFDC) 보다 계산시간을 3배로 개선하고도 동일한 정확도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 개선된 모형은 앞으로 계산시간이 많이 걸리는 해수유동 현상을 계산하는데 기존 모형보다 효과적으로 사용될 수 있을 것이다.
- 또한 관측시에 창조류와 낙조류의 방향이 상이하여 계류된 유속계가 조류에 따라 이동하여 서로 상이한 위치에서 관측되어 나타날 수도 있다. 이상과 같은 결과로부터 EFDCE 모형이 전반적으로 조위와 2차원 조류 잘 모의하고 있어 EFDC 모형에 비하여 계산시간이 크게 개선되면서도 모형의 계산과정에서 오류가 없음을 확인할 수 있었다.
- 10과 11), 두 모형의 모의결과는 모두 관측유속와 크기와 방향성에서 전반적으로 잘 일치하고 있다. 정점 A에서 창조류 평균유속은 관측치는 52.88 cm/sec, EFDC-E 모형을 이용한 계산치는 54.67 cm/sec로 모의결과는 관측치와 약 3.4%의 오차를 보였으나 낙조류는 2.1% 오차를 보였다. 정점 B에서 모의결과는 창조류 평균유속은 43.
- 12에서와 같이 EFDC-E 모형의 3차원 모의결과도 2차원 모의와 마찬가지로 목포항에서 관측 조위를 잘 재현하는 모습을 보였다. 평균대조기 조류크기는 전반적으로 2차원 모의결과 보다 관측결과에 보다 접근하는 모습을 보였다(Fig. 13). EFDC 모형의 모의결과와 EFDC-E 모형의 모의결과는 거의 동일하였다(Fig.
후속연구
- 본 연구에서 수립한 EFDC-E 모형은 기존 모형(EFDC) 보다 계산시간을 3배로 개선하고도 동일한 정확도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 개선된 모형은 앞으로 계산시간이 많이 걸리는 해수유동 현상을 계산하는데 기존 모형보다 효과적으로 사용될 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서 검토되지 못한 EFDC 모형의 온도, 염분, 퇴적물 등의 이송-확산 모형에 대한 계산효율화에 대한 검토도 필요할 것이다.
- 개선된 모형은 앞으로 계산시간이 많이 걸리는 해수유동 현상을 계산하는데 기존 모형보다 효과적으로 사용될 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서 검토되지 못한 EFDC 모형의 온도, 염분, 퇴적물 등의 이송-확산 모형에 대한 계산효율화에 대한 검토도 필요할 것이다.
- 01이며, 이를 수정한 모델 EFDC-E와 비교하였다. 이와 같은 방법으로 프로그램을 단순화하면, 동일한 계산결과를 얻고도 EFDC 모형의 계산시간을 상당히 줄일 수 있어서 수정된 모형 EFDC-E는 제한된 계산시간으로 모의하지 못하던 다양한 해수유동 현상에 널리 사용될 수 있을 것이다. 현재는 해수유동 모듈만 간략화한 상황이며, 수온, 염분, 퇴적물 이동 등의 모듈에 대해서도 계산시간을 효율화는 작업을 진행할 필요가 있다.
- 따라서 EFDC 모형은 복잡한 프로그램의 구성과 불필요한 메모리와 조건문 등으로 인해서 계산에 많은 시간이 소요되는 확인할 수 있었으며, 이 부분을 효율화하면 계산시간을 3배 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같이 3차원 모의에서도 동일한 계산결과를 얻고도 EFDC 모형의 계산시간을 상당히 줄일 수 있음이 확인됨에 따라 수정된 모형 EFDC-E는 제한된 계산시간으로 모의하지 못하던 다양한 해수유동 현상의 모의에 널리 사용될 수 있을 것이다. 수온, 염분, 퇴적물 이동 등의 모듈에 대해서도 계산시간을 효율화는 작업을 진행할 필요가 있다.
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