ROMS 로 태풍 솔릭(Soulik) 시기의 해양순환 모의해 보기

작성 : 김동훈 (http://www.dhkim.info, 인하대학교)
& 문일주 (제주대학교)
2019년 7월 25일

소 개

ROMS (Regional Ocean Modeling System) 모델(모형)의 설치 및 실험에 관한 상세한 내용은 “Installing and Running ROMS for First Time Users“에 잘 설명되어 있으므로 영어에 친숙하신 분이라면 here를 참고하세요.

여기에서는 태풍 솔릭(Soulik) 시기의 해양순환 모의를 설명하며, 최근 버전인 ROMS-3.6 r964 (2019년 5월 1일 배포)을 사용합니다. 절의 제목 앞에 숫자가 붙어 있는 부분은 사용자가 직접 실행해야 하는 부분을 의미합니다.

소프트웨어 요구사항

  • Intel Fortran Compiler
  • MPI library (openmpi 또는 mpich, mvapich 등)
  • python 관련 : pyroms 모듈, jupyter notebook 또는 lab

0. 환경 설정

/usr/bin/env bash   # Bash Shell 사용
export ROMS=${HOME}/models/ROMS
export ROMSsrc=${ROMS}/Sources/ROMS
export PROJ=${ROMS}/Projects/Soulik

1. 모델 및 자료 가져오기

ROMS를 사용하려면 ROMS 포털에 등록되어 있어야 합니다. 등록은 여기 또는 여기에서 하면 됩니다. 등록한 아이디와 암호는 모델을 svn으로 가져올때 사용됩니다.

mkdir -p $ROMSsrc; cd $ROMSsrc
# 모델 소스코드만 받는 경우
svn checkout --username ??? https://www.myroms.org/svn/src/trunk trunk
# Test cases와 plot 관련 자료
svn checkout --username ??? https://www.myroms.org/svn/src/test test
svn checkout --username ??? https://www.myroms.org/svn/src/matlab matlab
svn checkout --username ??? https://www.myroms.org/svn/src/plot plot

# ROMS 관련 모든 자료를 한번에 받을 경우 (약 2.3G): 
#    참고) ROMS/tags 디렉토리에 이전 버전(v2.0 ~ v3.6)들이 포함되어 있음
svn checkout --username ??? https://www.myroms.org/svn/src .

# revision number 확인
svn info

2. 프로젝트 디렉토리 만들고 컴파일 하기

mkdir -p $PROJ; cd $PROJ

# build 스크립트는 bash와 sh의 두가지를 지원하고 있으며 여기에서는 bash 기준으로 설명합니다.
cp ${ROMSsrc}/trunk/ROMS/Bin/build_roms.bash .

# build_roms.bash의 사용자 정의
vi ./build_roms.bash
> export   ROMS_APPLICATION=SOULIK # 모두 대문자로 쓰며, 컴파일 시 소문자인 soulik.h 를 참조하게 됨
> export        MY_ROOT_DIR=${ROMSsrc}
> export        USE_NETCDF4=on     # netcdf의 버전에 따라 선택하세요.

Note) USE_NETCDF4 를 on 하였을 경우는 컴파일 시에 NETCDF 라이브러리의 위치를 묻는 “nf-config” 명령을 사용하게 되는데, 이 명령이 없거나 실행 시에 문제가 있다면 ${ROMSsrc}/trunk/Compilers/Linux-ifort.mk (시스템에 따라 파일이 다를 수 있음) 을 편집하여 “nf-config” 를 “nc-config” 로 바꾸어 줍니다. 또한, nc-config 의 명령이 제대로 실행되는지도 확인해야 합니다.
참고로, nf-config 는 Fortran 용 실행화일이며, nc-config 는 C 용 실행화일입니다. 보통은 Fortran과 C 용 라이브러리가 동일 디렉토리에 설치되므로 아무거나 써도 상관이 없습니다.

2-1. Header 파일 만들기

ROMS의 컴파일 시 사용할 header 파일을 다음과 같이 작성합니다. 파일 이름은 $PROJ 디렉토리에 사용한 이름과 같은 soulik.h 로 저장합니다. 파일 이름은 모두 소문자이어야 합니다.
각 옵션들에 대한 자세한 설명은 ROMS의 Wiki 페이지에 있는 여기 를 참고하세요.

cd $PROJ
cat > soulik.h << END
/*
** Options for NWP Test.
** Application flag: NWP
*/

/* Physics + numerics */
#define UV_ADV           /* 이류항 계산 */
#define UV_QDRAG         /* Quadratic bottom friction */
#define UV_COR           /* 코리올리 힘 계산 */
#define UV_VIS2          /* Harmonic horizontal mixing */

#define TS_U3HADVECTION  /* 3rd-order upstream horiz. advection */
#define TS_DIF2          /* Harmonic horizontal mixing for tracers */
#define SALINITY         /* 염분 계산 */

#define DJ_GRADPS        /* Splines density Jacobian (Shchepetkin, 2000) */
#define MIX_S_UV         /* mixing along constant S-surfaces */
#define MIX_GEO_TS       /* mixing along geopotential (constant Z) surfaces */

#define SOLVE3D          /* 3D 원시방정식 계산 */
#define CURVGRID         /* Curvilinear coordinates grid */

#define SPLINES_VDIFF
#define SPLINES_VVISC
#define NONLIN_EOS       /* 비선형 상태방정식 사용 */
/*#define WET_DRY*/      /* Wetting and Drying 옵션 */

/* Grid and Initial */
#define MASKING          /* land/sea masking */

/* Forcing */
/*#define BULK_FLUXES*/  /* Bulk fluxes 계산 */
#define ATM_PRESS        /* 해수면 위에 대기압 적용 */
#define ANA_BTFLUX       /* analytical bottom temperature flux 사용 */
#define ANA_BSFLUX       /* analytical bottom salinity flux 사용 */
#define ANA_BPFLUX       /* analytical bottom passive tracers fluxes 사용 */
#define LONGWAVE_OUT     /* outgoing longwave radiation */
#define EMINUSP          /* E-P 계산 */
#define SOLAR_SOURCE     /*solar radiation source term*/
#undef QCORRECTION       /*net heat flux correction */
#undef SCORRECTION       /*freshwater flux correction*/
#undef SRELAXATION       /*salinity relaxation as a freshwater flux*/
#undef DIURNAL_SRFLUX    /*mdulate input shortwave with diurnal cycle*/

/* Turbulence closure */
#define GLS_MIXING       /* Generic Length-Scale mixing */
#undef  MY25_MIXING      /* Mellor/Yamada Level-2.5 closure */
#undef  LMD_MIXING       /* Large et al. (1994) K-profile vertical parameterization */
/*#define LIMIT_VDIFF*/
/*#define LIMIT_VVISC*/

#if defined GLS_MIXING || defined MY25_MIXING
# define KANTHA_CLAYSON  /* Kantha and Clayson stability function */
# define N2S2_HORAVG     /* Horizontal smoothing of buoyancy/shear */
# define RI_SPLINES      
# define CRAIG_BANNER    /* Craig and Banner wave breaking surface flux */
# define CHARNOK         /* Charnok surface roughness from wind stress */
#endif
#ifdef LMD_MIXING
# define LMD_RIMIX       /* Add diffusivity due to shear instability */
# define LMD_CONVEC      /* Add convective mixing due to shear instability */
# undef LMD_DDMIX        /* Add double-diffusive mixing */
# define LMD_SKPP        /* Surface boundary layer KPP mixing */
# undef LMD_BKPP         /* Bottom boundary layer KPP mixing */
# define LMD_NONLOCAL    /* Nonlocal transport */
#endif

#undef SSH_TIDES         /* Imposing tidal elevation */
#undef UV_TIDES          /* Imposing tidal currents */
#undef RAMP_TIDES        /* Ramping (over one day) tidal forcing */

/* Output */
#define AVERAGES         /* 시간 평균된 결과로 저장 */
#define AVERAGES_FLUXES  /* 시간 평균된 flux로 저장 */
#undef DIAGNOSTICS_UV    /* Writing out momentum diagnostics */
#undef DIAGNOSTICS_TS    /* Writing out tracer diagnostics */

END

2-2. 컴파일 하기

프로젝트의 header 파일을 만들었으면, ROMS 모델을 컴파일 합니다. 다음과 같이 컴파일하고 표출되는 메세지에 error 가 없는지 유심히 살펴 봅니다. 최종적으로 “romsM” 이 제대로 생성되었는지 확인합니다.

cd $PROJ
\rm -f Build_roms romsM
./build_roms.bash      # 1개의 processor를 사용하여 컴파일
./build_roms.bash -j 8 # 시스템이 멀티코아를 가지고 있을 경우 최대 8개의 코아를 사용하여 컴파일
ls -l romsM

3. 격자 및 입력자료 만들기

사용자의 연구 상황에 따라서 격자 및 입력자료를 만드는 방법이 다를 수 있으며, 여기에서는 pyroms를 이용하는 방법을 설명하도록 하겠습니다.

여기에서는 제시된 스크립트들은 pyroms의 예제들을 참조하여 저자가 직접 만든 것입니다.

3-1. pyroms 및 jupyter 설치하기

pyroms는 설치하기가 쉽지않은 모듈이지만, 성공적으로 설치할 경우 편리성이 매우 높은 도구입니다.
설치과정 대한 자세한 설명은 지면이 길어지므로 pyroms 설치하기 를 참고하여 설치하시기 바랍니다.

pyroms을 사용하여 격자 및 입력자료를 만드는 과정은 복잡하고 이해하기 힘들기 때문에 설명을 쉽게 하기 위하여 jupyter notebook 또는 jupyter lab을 사용하도록 하였습니다. Jupyter와 관련된 설치 및 사용법은 여기의 설명 범위에서 벗어나므로 인터넷 검색을 통하면 설치 및 사용법 익히시기 바랍니다. 또한, anaconda를 설치하였다면 jupyter가 이미 설치되어 있어서 바로 사용할 수 있습니다.

jupyter 가 아닌 python 으로 직접 실행하실 경우는 다음의 명령으로 *.ipynb 화일을 *.py 로 변환하여 사용하시기 바랍니다.

conda install jupyter # jupyter가 설치되어 있지 않은 경우
jupyter jupyter nbconvert --to script myFile.ipynb
# myFile.py 가 생성됨.

3-2. Grid 만들기

ROMS의 영역 격자를 만드는 방법은 모델의 역사 만큼이나 다양하게 존재합니다. 대표적으로 다음과 같은 것들이 있으니 참고하세요.

  • Gridgen: http:code.google.com/p/gridgen-c, or https://github.com/sakov/gridgen-c
    • pyroms, pygridgen, octant
  • Easygrid: https://www.myroms.org/wiki/easygrid
  • Gridbuilder: http://austides.com/downloads
  • COAWST Tools: wrf2roms_mw.m, create_roms_xygrid.m
  • … …
  1. Jupyter notebook의 형식으로 작성된 다음의 링크를 따라서 격자를 만듭니다.
    makeGrid4Soulik
  2. 생성된 “Soulik_grd_v2.nc” 를 $PROJ 디렉토리에 복사합니다.

3-3. 초기장(I.C.) 만들기

  1. HYCOM 자료 중에서 격자 크기에 맞는 영역의 해당 시작 날짜의 자료를 가져 옵니다.
    getHYCOM4SoulikIC
  2. HYCOM 자료를 ROMS의 초기장으로 만듭니다.
    makeIC4Soulik
  3. 생성된 “ROMS4Soulik_ic_2018-08-21T00:00:00Z.nc4”를 $PROJ 디렉토리에 복사합니다.

3-4. 측면경계장(L.B.C.) 만들기

  1. HYCOM 자료 중에서 격자의 측면에 맞는 영역에 대해 모델의 전체 계산 시간에 해당하는 시계열 자료를 가져 옵니다.
    getHYCOM4SoulikLBCs
  2. HYCOM 격자와 ROMS 격자의 내삽 가중치 비율을 계산합니다.
    makeRemapWeights
  3. HYCOM 자료를 ROMS의 측면경계장으로 만듭니다.
    makeLBC4Soulik
  4. 생성된 “ROMS4Soulik_bc.nc”를 $PROJ 디렉토리에 복사합니다.

3-5. 대기경계장(S.B.C, 표층외력) 만들기

  1. GFS 로 부터 모델의 전체 계산 시간에 해당하는 전지구 시계열 자료를 가져 옵니다.
    getGFS4SoulikSBC

  2. GFS 자료를 ROMS의 대기경계장으로 만듭니다.
    makeSBC4Soulik

  3. 생성된 “roms_gfs_0p25_sbc_Soulik.nc”를 $PROJ 디렉토리에 복사합니다.

4. ROMS 모의하기

4-1. input file 만들기

ocean.in 파일은 ${ROMSsrc}/test 디렉토리에 있는 각 종 예제 자료들을 참조하여 만든 후 다음 내용을 수정합니다.
예제 자료들에 있는 ocean.in 파일의 후반 부에는 각 변수들에 대한 자세한 사항이 있으니 참고하세요.

cd $PROJ
cat ocean.in << END
... ...
    TITLE = Typhoon Soulik
 MyAppCPP = SOULIK
  VARNAME = ${ROMSsrc}/trunk/ROMS/External/varinfo.dat
       Lm == 430     ! Number of I-direction INTERIOR RHO-points
       Mm == 320     ! Number of J-direction INTERIOR RHO-points
        N == 30      ! Number of vertical levels
   NtileI == 6       ! I-direction 병렬 분할 갯수
   NtileJ == 6       ! J-direction 병렬 분할 갯수
   NTIMES == 1440    ! 총 모의 계산 스텝. ex) NTIMES * DT = 총 모의 시간
       DT == 240.0d0 ! BaroClinic(3D) 계산 시간 간격 (단위: seconds)
  NDTFAST == 20      ! BaroClinic/BaroTropic time steps
  GRDNAME == ./Soulik_grd_v2.nc                         ! 격자 파일
  ININAME == ./ROMS4Soulik_ic_2018-08-21T00:00:00Z.nc4  ! 초기장 파일
  BRYNAME == ./ROMS4Soulik_bc.nc                        ! 측면 경계장 파일
  NFFILES == 1                                          ! 표층 경계장 파일의 갯수
  FRCNAME == ./roms_gfs_0p25_sbc_Soulik.nc              ! 표층 경계장 파일
... ...
END

4-2. 모의하기

모델의 실행은 사용자의 시스템에 따라 다를 수 있으므로, 여기에서는 1개 노드에 36개 이상의 코어를 가지고 있는 시스템을 가정하여 다음과 같이 실행합니다.

mpirun -np 36 ./romsM ocean.in >& out.log

결과 파일로 ocean_avg.nc, ocean_his_????.nc, ocean_rst.nc 등이 제대로 생성되었는지 확인합니다.

5. ROMS 결과 분석하기

ROMS의 결과 분석은 다양한 방법이 있으며 과학적 지식이 필요한 부분이므로 추후에 다른 지면을 사용하여 설명하도록 하겠습니다.

=== END ===

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