지구과학 - Tecplot 시각화가 체사피크 만 탄소 순환 이해에 도움을 줌

생태계 모델링이 중요한 역할을 함

메릴랜드대학교 환경과학센터(UMCES)는 메릴랜드의 자연 자원을 더 잘 관리하고 체사피크 만(Chesapeake Bay)의 복원을 위한 연구를 이끌고 있습니다. Blake Clark는 UMCES에서 박사 학위를 받았으며, 이 연구소는 메릴랜드 주 동부의 Horn Point에 위치하고 있습니다. 이곳에서 생태계 모델링은 수질, 해양학, 해초, 습지, 조개류 복원 등을 다루는 연구에서 중요한 역할을 합니다.

Blake는 현재 Goddard 우주비행센터의 해양 생태학 연구소에서 박사후 연구원으로 연구를 진행하고 있습니다.

“오염 다이어트”로 깨끗한 물 복원

2010년, 미국 환경보호청(EPA)은 체사피크 만의 총 최대 일일 부하(TMDL)를 설정했습니다. 이는 체사피크 만과 그 하천, 시냇물, 강들의 깨끗한 물을 복원하기 위한 역사적이고 포괄적인 "오염 다이어트"입니다. 이 모델은 오염 한계를 설정하는 데 필수적이었으며, 전체 질소, 인, 침전물의 배출 감소 목표를 2025년까지 달성하기 위한 조치들이 효과적이고 완전하게 이행될 수 있도록 지속적으로 중요한 역할을 하고 있습니다. 모델을 기후 변화의 영향을 반영하도록 조정하는 것은 지난 몇 년간 모델러들이 직면한 주요 도전 과제 중 하나였습니다.

최첨단 모델링 작업

Blake의 연구는 메릴랜드 주 Anne Arundel County에 위치한 West River의 지류인 Rhode River에서 진행되었습니다. 이 연구는 체사피크 만에서 발생하는 최첨단 모델링 작업을 대표하는 사례입니다. 그는 강과 시냇물 시스템에서 질소와 인 수준에 기여하는 용해된 유기물(dissolved organic matter)을 조사했습니다. 용해된 유기물은 일부가 CO₂로 전환되기 때문에 지구의 기후 조절에도 중요한 역할을 할 수 있습니다. Blake와 그의 연구팀은 현장 관찰과 모델링 도구를 사용하여 Rhode River에서 용해된 유기물의 운명과 수송을 기록하고, 조간대 습지를 하구 유기물 예산에 명시적으로 포함시키기 위한 작업을 진전시켰습니다.

이 연구는 생태계가 미래의 압력에 어떻게 반응할 수 있는지, 그리고 이러한 생태계가 제공하는 서비스가 변화하는 기후에서 어떻게 달라질 수 있는지에 대한 통찰을 제공합니다. 연구는 NASA의 지구 및 우주 과학 연구 기회(ROSES) 프로그램에서 자금을 지원받았습니다.

삼차원 모델

Blake와 그의 연구팀은 Rhode River 하구의 3D 모델을 생성하여 조간대 습지의 수리역학(hydrodynamics)을 실질적으로 표현했습니다. 모델에서 중요한 부분은 습지에서 생성된 유기물과 퇴적물에서의 뿌리 부패, 그리고 그것이 물속으로 확산되는 과정을 포함한 용해된 유기물의 유속(flux)을 보여주는 것입니다. 이 유속을 문서화하는 것은 다양한 입력과 반응이 일일 또는 계절적인 더 긴 기간 동안 상대적으로 어떤 중요성을 가지는지 이해하는 데 중요하며, 시스템 내에서 탄소와 질소의 이동을 이해하는 데 도움이 됩니다.

Blake는 Rhode River 용해된 유기물 모델을 위한 단면 분석을 만들기 위해 다음과 같은 단계를 수행했습니다:

1. 모델에 수문학 및 수질 정보 로딩

2. 곡선 단면을 그린 후 단면에서 데이터를 추출

3. 단면에서 속도 데이터를 회전시켜 확산(diffusive) 및 수평 이동(advective) 유속 계산

4. 단면을 통해 유속을 집계하고 시간 시리즈로 결과 도출

생태계 모델에서 버그 수정

Blake는 Tecplot 360에 내장된 FVCOM 로더를 활용했습니다. 초기에는 큰 텍스트 출력 문제를 해결하기 위해 netCDF 출력을 사용했으며, 이를 통해 데이터의 시간적 빈도를 더 세밀하게 저장할 수 있었고, 조수 동역학(tidal dynamics)에 대한 더 상세한 그림을 얻을 수 있었습니다.

Blake에 따르면, Tecplot 360의 FVCOM 로더 추가 기능 덕분에 그는 데이터를 번역 없이 직접 로딩할 수 있었고, 3D 데이터와 시간에 따른 변화를 모두 시각적으로 확인할 수 있었습니다. 3D 데이터를 상호작용하고 시간에 따라 애니메이션을 생성할 수 있는 기능은 그가 모델에서 버그를 발견하고 수정하는 데 큰 도움이 되었습니다. "정적인 이미지와 2D 플롯은 이러한 불일치 영역을 찾기 어렵습니다."라고 그는 말했습니다.

3D 장면에서 단면 보기

Blake는 **기하학 도구(geometry tool)**를 사용하여 단면의 위치를 상호작용적으로 그린 후, 단면을 따라 200개의 데이터를 추출했습니다. 그런 다음 PyTecplot (Tecplot의 Python API)을 사용하여 단면을 따라 거리를 계산하고, 단면과 평면이 일치하는 데이터를 추출했습니다. Blake에 따르면, Tecplot 360은 PyTecplot을 통해 수직 단면을 쉽게 만들 수 있게 해주었으며, 그것을 3D 장면에서 볼 수 있는 기능도 제공하여 데이터의 맥락을 더 잘 이해할 수 있었습니다.

그는 두 세트의 벡터를 단면에 회전시킨 후, 유속, 확산, 그리고 유기물 운반의 총량을 시간에 따라 계산하여 다양한 유속을 시각화했습니다.

지구를 위한 중요한 문제 해결

Blake는 "저는 지구 과학자 커뮤니티의 일원이 되어 우리 지구가 직면한 중요한 문제들을 해결하고 싶습니다."라고 말합니다. 그는 Horn Point 연구소의 동료들과 함께 체사피크 만 복원을 촉진하기 위한 복잡하고 독특한 3D 생지화학 모델링 기술을 개발하고 있으며, Tecplot의 최첨단 도구들이 그들의 성공에 중요한 역할을 하고 있다고 믿고 있습니다.

Tecplot 360은 인기 있는 FVCOM 로더와 지리 참조된 이미지를 삽입할 수 있는 기능을 제공합니다. 이를 통해 사용자는 데이터를 맥락에 맞게 시각화할 수 있습니다. Tecplot 360은 Google Earth나 Bing Maps의 지리 참조 이미지를 자동으로 위치시키고 크기를 조정할 수 있습니다.