Vizualizace oceánské cirkulace

Vizualizace oceánské cirkulace pomocí programu ParaView

Studentský fakultní grant 2022

Vedoucí: RNDr. Libor Šachl, Ph.D. (sachl@karel.troja.mff.cuni.cz)

Řešitel: Hronek Martin (hronek@karel.troja.mff.cuni.cz)

Shrnutí projektu

V první časti projektu se student seznámil s teoretickými základy pro popis oceánského proudění a s matematickým popisem oceánské cirkulace pomocí evolučních parciálních diferenciálních rovnic. Tyto rovnice jsou odvozeny na základě mechaniky kontinua a dále pro potřeby numerických modelů doplněny parametrizací fyzikálních dějů mimo rozlišovací schopnost daných modelů. Pro účely projektu byl použit oceánský model LSOMG (Libor Šachl Ocean Model for Geophysics) vyvinutý na katedře geofyziky MFF UK. Jedná se o globální 3-D baroklinní oceánský model (OGCM), využívající Boussinesqovu, hydrostatickou a shallow ocean aproximaci, který je schopný simulovat větrem i slapy buzenou cirkulaci.

Ve druhé časti projektu se student naučil ovládat program ParaView, který byl následně použit k vizualizaci fyzikálně relevantních veličin v zemských oceánech. K tomuto účelu jsme vytvořili skript pro zpracování výstupů z LSOMG modelu a dat z General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO; bathymetrie oceánského dna a topografie zemského povrchu) a World Ocean Atlas (WOA2013; teploty a salinity). Skript převádí ASCII data na legacy VTK data, což je jeden z datových formátů podporovaných programem ParaView. Pro data v nízkém (1° nebo hrubším) rozlišení postačil ASCII VTK formát, ale pro vizualizaci dat ve vysokém (0.25°) rozlišení a především pro tvorbu videí jsme přešli k binárnímu VTK formátu. Zmíněný skript rovněž provádí transformaci souřadného systému dat ze zmíněných modelů a to ze sférických do kartézských souřadnic. Dále bylo u vektorových veličin nutné zředit diskretizaci a nastavit limit pro maximální hodnoty k docílení přehlednější vizualizace bez rušivých elementů. ParaView poté ze vstupních dat vygenerovalo 3-D objekty, se kterými jsme dále pracovali a vytvářeli obrázky a videa.

Ve většině vizualizací jsme se zaměřili na slapové proudění, protože jsme měli k dispozici výstupy z LSOMG modelu ve vysokém rozlišení. Výpočet větrem buzené cirkulace je časově náročnější a rozlišení těchto simulací v LSOMG modelu je momentálně 1°. Vizualizovali jsme jak skalární veličiny (elevace hladiny, bathymetrie, topografie, teplota, salinita), tak vektorové veličiny (vertikálně zintegrované rychlosti) různými způsoby, které program ParaView umožňuje. Například jsme otestovali a upravili dostupné barevné palety pro různé veličiny, k elevacím hladiny jsme vytvořili kontury a vertikálně zintegrované rychlosti jsme zobrazili jako šipky. Pro hladkost animací jsme aplikovali filtr „Temporal Interpolator“, který přispěl k hladkosti přechodů v animaci. Použili jsme funkci „kamera“, která umožňuje oblet Země kolem zvolené osy, popřípadě následovat cestu, kterou jí uživatel zadá. Tímto způsobem jsme vytvořili animace s rotací Země a přeletem kamery nad Středoatlantským hřbetem a nad dalšími zajímavými místy na Zemi. Taktéž jsme vytvořili videa, jež obsahují několik navzájem nezávislých animací. Tímto způsobem byla zobrazena elevace v průběhu devíti dnů, kde časový vývoje během každého dne byl zobrazen v samostatném okně. ParaView dále umožňuje nastavení viditelnosti jednotlivých prvků v čase, což bylo použito pro animace, kde se střídaly jednotlivé veličiny.

Videa

Fotka: Vzpomínání na společné radostné chvíle tři roky po projektu.

Martin Hronek

Libor Šachl