계산유체역학모형에 근거한미기상 바람환경 영향평가 시스템

2009. 4. 17. 한국환경영향평가학회

김규랑, 구해정, 최영진, 백종진1, 권태헌

국립기상연구소 응용기상연구과

1서울대학교 지구환경과학부

환경영향평가 항목 및 평가 내용

� 항목

� 자연환경(기상 항목 포함) 5개 인자

� 생활환경 11개 인자

� 사회 • 경제환경 7개 인자

� 기상 평가항목 주요평가내용

� 수표면적 증감에 따른 기온, 증발량, 일조시간, 안개일수

등 기상변화 예측 및 대책

� 수림대 제거, 열 방출 등으로 인한 국지기상의 변화 및

대책 * 바람은 주요 평가내용이 아님 *

미기상 바람환경 영향평가의 필요성

� 댐, 공항, 도시개발, 산업단지 조성 등 대규모 사업에

따른 국지기상의 변화 및 도심 고층건물의 신축으로

인한 미기상 변화는 바람길 등 인근 지역주민의

생활여건을 변화시킴

� 건물 및 보행안전 위협, 냉난방 요구도 증가

� 특정 지역내 오염물질의 농축 및 빌딩내 침투 현상

� 연구의 목적 : 객관화된 기상환경영향평가를 위한

기술로 미기상 바람환경 영향평가 시스템 개발

� 기상환경영향평가의 올바른 정착을 위한 방향 제시

기상환경영향평가를 위한 기술

� 환경영향평가의 기상(바람분야)

� 기상관측� 종관기상(인근 기상대 관측자료) 활용

� 직접 관측(부지기상)

� 수치모형 활용� 중규모 기상모형 : MM5, WRF 등

• 대개 1km 이상의 해상도, 오염확산모형의 전구모델

� 계산유체역학모형 : EnviMet, CFD 등• 1~수십m 해상도, 건물신축, 단지계획 등의 평가

계산유체역학모형: CFD_NIMR 소개

� 서울 도심에서의 오염물질 확산

계산유체역학모형 CFD_NIMR 소개

� 지표 온도를 반영한 3차원 바람장

미기상 바람환경영향평가를 위한기술적인 문제점

� 입력자료의 다양성� CAD설계도, GIS지형도 등 다양한 입력자료

� 다양한 기상조건이 고려되어야 함

� 모형의 계산시간� 계산유체역학(CFD), 라지에디모사(LES)모형 등 복잡한

계산식

� 결과물 표출의 어려움� 방대한 결과물의 표출과 해석에 큰 노력이 소요됨

고분해능 지형자료 입력시스템

� 지형/건물 입력자료의 역할

� 개발에 따른 바람 환경 변화의 비교

• 동일 지역의 기존 vs. 개발 후 비교

� 필수 입력자료: 지형/건물 자료

• GIS(지형/건물), CAD(건물, 설계도) 자료 형태 � raster

format으로 변환 필요

� 모형 구동영역 지정 및 수평 해상도 설정

� 고분해능 지형 입력자료 생성 시스템

� CAD기반, ArchiCAD, AutoCAD자료 이용, GIS 표준지형 입력 및 수정, 건물 생성 및 수정 가능

고분해능 지형자료 입력시스템

� ArchiCAD 기반 3차원 지형 및 건물의 자동 생성 및 배치 기능 개발 (수치지도 이용)

1. 수치지형자료 (국토지리정보원)

2. 지형자료 생성

3. 건물 자동 생성 및 배치

고분해능 지형자료 입력시스템

� 3차원 지형 모델링 > 격자간격 설정 > 데이터 출력 > 수치모형(CFD) 입력자료로 사용

[ 저장을 위한 GRID 분할 정보 ]

'ooo프로젝트_01.pln'-12557.767566 -7043.170044 0.000000240 160 1.000000 1.0000000 0 9.1961570 1 9.1943260 2 9.2714290 3 9.401770:79 137 19.802215 BLDG 36.60000099 120 19.865232 BLDG 36.600000 G R:[ 저장 데이터 샘플 - 일부 ]

� CFD 분석용 지형자료 저장을 위한 구동영역 격자 간격 임의 조절 가능

고분해능 지형자료 입력시스템

적용 사례 - 은평구

< 수치 지도 > < 3차원 지형도 > < CFD 모델 결과 (3차원 바람장) >

240 m160 m

� 국토지리정보원 수치지도를 이용해 작성된 3차원 지형정보 및 건물정보로부터 CFD

모델 구동에 필요한 정보를 쉽게 추출하여 저장

� CFD분석의 신속하고 편리한 전처리 작업을 통해 기상영향평가의 효율화

계산유체역학모형의 자동화

� CFD_NIMR 모형 구조에 따른 자동화 필요성

� 모형 프로그램과 pre- & post-processor에서동일하게 수정되어야 하는 변수값의 관리 필요

� 특정지역의 기상영향평가를 위한 모형 수행조건 지정필요

� 모형 구동시간 단축을 위한 병렬화 필요

� 자동화 방법

� Case 마다 source file의 수정이 필요한 부분 파악

� Perl script를 이용하여 입력 방향, 풍속에 따라 소스 파일생성/자동 컴파일

� 슈퍼컴퓨터 포팅을 통한 병렬 구동

모델구동의 자동화

moment.dimparameter

(imax=%%PX%%,jmax=%%PY%%,kmax=%%PZ%%,ktop1=%%KTOP1%%,ktop2=%%KTOP2%%)

make_topog.f90integer, parameter :: imax= %%PX%%,

jmax= %%PY%%, kmax=%%PZ%%real, parameter :: delta_z= %%DELZ%%

make_3dData.f90integer, parameter :: imax= %%PX%%,

jmax= %%PY%%, kmax=%%PZ%%, lm=%%DATFILES%%real, parameter :: delta_z=%%DELZ%%, delta_x=%%DELX%%, delta_y=%%DELY%%

auto_cfd.pl

##---##$PZ = "250"; # kmax$DELZ = "2."; # delta Z (m)##----##$infile = "$SRC_MAKETOPOG";$outfile = "$GRIDDIR/$OUT_MAKETOPOG";open (INFILE, "$infile");open (OUTFILE, ">$outfile");while (<INFILE>) {

my $inline = $_;$inline =~ s/%%PX%%/$PX/g;$inline =~ s/%%PY%%/$PY/g;$inline =~ s/%%PZ%%/$PZ/g;$inline =~ s/%%DELZ%%/$DELZ/g;

##---##print OUTFILE "$inline";

}##---##

슈퍼컴퓨터로의 포팅

auto_cfd.pl##---##

foreach (@winddirection) {

foreach (@windspeed) {

update_source_files();

print "cross-compiling fortran files ";

$ret = system ("cd $WORKDIR; $FTN -o $OUT_MOMENT_F.exe$OUT_MOMENT_F");

## make job file and submit

$outfile = "$WORKDIR/$BASENAME"."_WD$wdir"."_WS$wspd.run";

open (OUTFILE, ">$outfile");

print OUTFILE "#PBS -l mppe=1\n";

print OUTFILE "aprun -n 1 ./$OUT_MOMENT_F.exe >> run\n"; # main model

print OUTFILE "aprun -n 1 ./$OUT_MAKE3D.exe >> run\n"; # post-processor

system ("qsub $WORKDIR/$BASENAME"."_WD$wdir"."_WS$wspd.run");

}

}

##---##

계산유체역학모델의 자동화 결과

� 슈퍼컴퓨터를 통한 자동화된 구동 결과

� 도메인 크기 (X*Y*Z): 96*64*250

� 모델 적분시간: 4200초

� 48가지 입력 바람장 (8방향, 6풍속)

� 12시간 이내에 완료 (기존 방법: 24일 소요)

모형 결과 표출 시스템

� 필요성

� 대량의 모형 결과 자료를 분석

� 정형화된 분석 방법 제공

� 현업에서 사용할 수 있을 정도의 편의성

� 모형 결과물의 표출시스템

� CFD 모델 출력 자료 표출

• 바람장(벡터), 오염물질 농도

• 2차원 평면 분할면, 임의 구간, 임의 지점

� 기본 분석도 및 추가 분석을 위한 자료 추출

CFD 표출시스템<수평바람벡터>

<연직단면>

<연직 바람>

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바람환경 영향평가의 예

� 기상대 주변 환경변화에 따른 영향평가

� 기상대 이전을 위한 이전 후보지 바람 평가

� 도시재개발에 의한 건물/부지환경 변화의 바람환경에대한 평가

� 지면 가열 및 지형에 의한 난류발생 분석

Text전처리전처리 CFD_NIMRCFD_NIMR 후처리후처리

* 초기 및 경계조건- 지표온도(위성자료)- 경계층, 격자 조건

* 지형자료입력 자동화- 수치지도자료

(건물, 지형 높이)

* u, v, w, TKE, T 등* 3차원 자료 vector

Slice- Matlab 그래픽 표출

* 표출시스템 자동화

* 역학 및 난류확산방정식- 열역학 과정 포함

* 자동화(슈퍼컴퓨터)

현재

(~2008)

* 초기 및 경계조건- 건물 표면온도

(열적외선 촬영)기온/습도 관측

- 바람관측자료3차원 바람장연직 바람장

* GIS tool 활용- 입력시스템 개선

* WRF/UM

* 표출시스템 개선이후

(2009~)

* 모델 개선 및 검증- WRF-Urban 접합- 복사 과정- 식생 과정- 토양 온도 과정

* 관측과 비교, 검증- 3차원 바람장, TKE- 연직 바람장 검증

자동화

CFD 기반 국지기상환경영향평가 시스템

자동화

* 의사결정시스템- 표준 비교자료 제공- 기후지도 표출

* 시스템 활용- 관측위치 선정- 바람관측환경 분석- 풍력에너지 분포

요약 및 향후 과제

� 현재의 기술 수준

� 입력자료: 고분해능 GIS, CAD 자료, 지면온도, 건물표면 온도

� 모형: 열적 효과 및 단순 화학반응 오염 물질의 확산

� 출력 및 해석: 2차원적 표출, 정형화된 해석

� 모형 코드의 병렬화, 현업 중규모 모형 접합 및 실시간 예측시스템화 등 진행중(2009)

� 자동화된 바람환경영향평가 : 국내 임의 지역의 복잡지형, 신축건물및 지면가열이 바람에 미치는 영향을 평가

� 향후 과제

� 복잡 건물 주변의 관측자료를 이용한 비교 검증

� 기상환경영향평가를 위한 표준화된 지표 제공

� 복잡한 화학 반응에 따른 오염물질 확산모형 개선