[논문]줄리아 언어를 이용한 고성능 해양모델의 개발

권민선; 김종구

doi:10.7850/jkso.2019.24.2.187

줄리아 언어를 이용한 고성능 해양모델의 개발
Development of a High Performance Ocean Model using Julia Language 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.24 no.2, 2019년, pp.187 - 207

초록
AI-Helper

고성능 해양모델을 개발하기 위하여 적시 컴파일(Just-In-Time) 언어인 줄리아 언어를 사용하였고, 운동량 방정식의 해를 구하기 위해 연속완화법으로 푸아송 방정식을 푸는 코드를 작성하였다. 다음으로, 줄리아 계산 코드를 시험하기 위하여 두 가지의 모델을 구축하였다. 첫 번째로, 일정한 유량의 생성/소멸(source/sink) 조건을 시험하기 위해 단순한 수로 형태를 모델링하였고, 두 번째로, 조석 외력(tidal forcing) 및 전향력(Coriolis force), 난류확산계수로 인한 효과 등을 시험하기 위해 황해(Yellow Sea)를 단순화하여 모델링하였다. 모델은 두 가지 시나리오 안에서 총 8개의 실험안으로 테스트되었다. 테스트 결과, 시나리오 1에서 3가지 실험안의 수심 평균된 유속은 이론 값에 완벽하게 수렴하였고, 해저마찰로 인한 수직적 유속 구배를 잘 보여주었다. 또한 시나리오 2에서는 황해의 무조점과 우리나라 서해 중부와 남부 연안의 조석 특성을 잘 재현하였고, 전향력과 수직 난류확산계수에 따른 결과의 차이를 잘 보여주었다. 따라서, 줄리아 언어를 이용한 해양모델을 개발하는 데에 성공하였다고 판단되며, 이는 해양모델이 고전적인 컴파일 언어에서 적시 컴파일 언어로 성공적으로 넘어가는 단계에 오게 됐다는 것을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to develop a high performance ocean model, we used Julia, a Just-In-Time compile language, and to obtain the solution of the momentum equation, we made the code to solve the Poisson equation by the Successive Over-Relaxation method. And then we made two models to test Julia calculation codes. First, a simple channel form is modeled to test constant source/sink conditions. Second, the simplified Yellow Sea was modeled to test tidal forcing, Coriolis forces, and the effect of vertical eddy diffusivity coefficients. The model has been tested with a total of eight cases in the two scenarios. As a result of the test, the depth-averaged current speed of the three cases in Scenario 1 converged perfectly to the theoretical value, and that showed well a vertical flow velocity gradient due to the bottom friction. Also, the result of Scenario 2 represented well the amphidromic points of Yellow Sea and the tidal characteristics of mid-western and southwestern coast of Korea. Therefore, it is considered that the ocean model using Julia language has developed successfully, this suggests that the ocean model has come to the stage of successful transition from a classical compile language to a Just-In-Time compile language.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Julia model files and contents
그림 Fig. 1. Grid design for model scenario 1. (a) is horizontal water depth colormap, (b) is vertical water depth colormap from the south to the north in the center line.
표 Table 2. The raw and adjusted harmonic constants for open boundary forcing
그림 Fig. 2. Open boundary forcing cells in scenario 1 with constant flow forcing at two points of each source (+) and sink (-).
표 Table 3. The model test cases in two scenarios, the simple channel and Yellow Sea
그림 Fig. 3. Open boundary forcing cells in scenario 2 with tidal forcing at south and east boundaries, and comparison points between observations and computations.
그림 Fig. 4. The results of scenario 1. (a) is the surface current vector of Case 1 after 24 hours, (b) is the time series of current speed at point A of each test case.
그림 Fig. 5. The vertical current vectors of three test cases in the center line after 24 hours, (a) is Case 1(r=0), (b) is Case 2(r=0.1), (c) is Case 3(r=0.2).
그림 Fig. 6. The time series of current speed at point A in each test case, (a) is the current speed at the surface layer, (b) is the current speed at the bottom layer.
그림 Fig. 7. The tidal co-amplitude and co-phase chart for the 4 major tidal constituents of Case 1. (a) is M₂, (b) is S₂, (c) is K₁, and (d) is O₁.
그림 Fig. 8. The tidal co-amplitude and co-phase chart for the M₂ tidal constituent of each case. (a) is Case 2(f = 1 × 10^-4, (b) is Case 3(f = 0), (c) Case 4(A_z ≦ 0.001), and (d) is Case 5(A_z ≦ 0.01).
표 Table 4. The root mean square error for the amplitude and the phase of the 4 major tidal constituents in each case
그림 Fig. 9. The tidal co-amplitude and co-phase chart for the K₁ tidal constituent of each case. (a) is Case 2(f = 1 × 10^-4, (b) is Case 33(f = 0), (c) Case 4(A_z 0.001), and (d) is Case 5(A_z ≦ 0.01).
그림 Fig. 10. The comparison of amplitude and phase of M₂, K₁ constituent for each case. (a) is M₂ amplitude, (b) is K₁ amplitude, (c) is M₂ phase, and (d) is K₁ phase.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	줄리아 언어란 무엇인가?	고성능 해양모델을 개발하기 위하여 적시 컴파일(Just-In-Time) 언어인 줄리아 언어를 사용하였고, 운동량 방정식의 해를 구하기 위해 연속완화법으로 푸아송 방정식을 푸는 코드를 작성하였다. 다음으로, 줄리아 계산 코드를 시험하기 위하여 두 가지의 모델을 구축하였다.
	인터프리터(interpreter) 언어나 적시 컴파일언어를 사용하는 이유는 무엇인가?	하지만, 전문 연구자들 중 일부는 속도가 느리더라도 이를 감내해가며 인터프리터(interpreter) 언어나 적시 컴파일(Just-In-Time compile, Aycock, 2003) 언어로써 연구를 수행하기도 한다. 이러한 언어를 즐겨 쓰는 이유는 여러 가지가 있겠지만, 가장 큰 이유는 편리함일 것이다. 예컨대, 해양학자들이 연구를 위해 해양모델링을 하려고 한다면, 대부분 컴파일 언어인 포트란으로 이루어진 모델들을 사용하게 되는데, 전처리(pre-processing)나 후처리(post-processing)에는 인터프리터 언어인 매트랩(Matlab, MathWorks, 2018)이나 파이썬(Python, Python Software Foundation, 2018) 등을 사용한다는 것이다.
	기존의 해양 모델에 쓰인 언어의 문제점은 무엇인가?	예컨대, 해양학자들이 연구를 위해 해양모델링을 하려고 한다면, 대부분 컴파일 언어인 포트란으로 이루어진 모델들을 사용하게 되는데, 전처리(pre-processing)나 후처리(post-processing)에는 인터프리터 언어인 매트랩(Matlab, MathWorks, 2018)이나 파이썬(Python, Python Software Foundation, 2018) 등을 사용한다는 것이다. 기존의 해양 모델들은 매우 복잡하여 소스코드를 수정하고 컴파일하기가 쉽지 않고, 또 EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code, Hamrick, 1992)와 같은 몇몇 모델들은 같은 포트란 언어로 작성되었다 하더라도 인텔(intel) 컴파일러 등 상용의 특정 컴파일러에서만 작동하기도 한다. 또한, 이러한 모델들은 복잡한 전처리 및 후처리 과정이 별도로 필요하며, 모델링을 위한 일련의 과정을 위하여 두 가지 이상의 언어와 툴을 별도로 익히거나 값 비싼 라이선스를 구입해야만 하는 경우도 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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