Введение
Стремительное развитие информационных технологий (ИТ) в той или иной степени затронуло практически все области научных исследований.
Внедрение метода вычислительного эксперимента в практику теоретических исследований и широкого спектра технологий обработки экспериментальных данных позволило решить принципиально новые задачи, а в ряде случаев привело и к возникновению новых предметных областей, существование которых было невозможно до появления компьютеров и развития ИТ.
Развитие широкого класса современных теоретических и прикладных областей научного исследования, связанных с атмосферой, стало в полной мере возможно только благодаря появлению компьютерного моделирования атмосферных процессов. Примерами наиболее важных областей исследования, в которых компьютерное моделирование атмосферы играет основную роль, являются задачи численного прогноза погоды, изменения климата и вопросы, связанные с загрязнением атмосферы и других компонентов окружающей среды. Необходимость использования ИТ при этом обусловлена целым рядом причин:
· уравнения, описывающие различные процессы в атмосфере, не могут быть решены аналитически без использования численных методов.
· моделирование атмосферных процессов связано с громадным объёмом вычислений, зачастую требующим использования наиболее мощных суперкомпьютеров.
· единственными экспериментальными данными о состоянии атмосферы являются данные многочисленных наблюдений с помощью наземных станций, метеозондов, авиации, различных систем дистанционного зондирования на базе наземных радаров и лидаров и орбитальных спутников; усвоение такого обширного набора данных из различных источников невозможно без использования современных систем обработки, сбора и передачи информации.
· проведение моделирования подразумевает манипулирование значительными объёмами промежуточных данных и эффективный обмен результатами вычислений различных моделей между исследовательскими центрами;
· ряд задач, в особенности в области изучения регионального и глобального климата, геоэкологии и вариационного усвоения данных, связан с необходимостью поддержания огромных архивов данных, постоянный доступ к которым должен обеспечиваться из любой точки планеты;
Современные системы атмосферного моделирования представляют собой досконально проработанные программные комплексы с широкой областью применений. Одной из наиболее универсальных и современных систем атмосферного моделирования является WRF, особенностью которой является также и то, что она представляет собой свободно распространяемое программное обеспечение.
Целью данного реферата является описание программной системы WRF и её применения в задачах моделирования атмосферных процессов.
Глава 1: Атмосфера как объект компьютерного моделирования
Оформление физико-математической теории
На протяжении длительного времени исследования атмосферы носили исключительно качественный характер и основывались только лишь на данных немногочисленных наблюдений и гипотезах. Впоследствии, наблюдения стали носить систематический характер и уже в XIX веке в различных странах основываются первые метеорологические службы. Уже на раннем этапе исследований стало ясно, что в атмосферные процессы носят существенно непериодический характер, что не позволяет напрямую предсказывать погодные условия в будущем с той же лёгкостью, как предсказываются морские приливы [1].
В 1860 году Уильям Феррель опубликовал серию статей, в которых математические методы впервые применялись при рассмотрении движений жидкости на вращающейся Земле. Работы Ферреля послужили стимулом к развитию физико-математической теории атмосферных движений, в настоящее время составляющей основу динамической метеорологии [2].
По-видимому, в 1904 году норвежский исследователь Вильгельм Бьёркнес наиболее полно выразил идею, что изменение состояния атмосферы во времени подчиняется основополагающим законам физики и для его прогнозирования достаточно системы нескольких базовых физических уравнений. В работе «Предсказание погоды как задача механики и физики» впервые явным образом утверждалось, что будущее состояние атмосферы, в принципе, полностью определяется её состоянием в настоящий момент времени (начальными условиями) и граничными условиями, в соответствии с законами физики (и представлениями детерминизма) [1-3].
По мнению Бьёркнеса, состояние атмосферы описывается семью основными переменными: давлением, температурой, плотностью, влажностью и тремя компонентами скорости ветра. Изменение этих переменных с течением времени описывается уже известными уравнениями гидродинамики и термодинамики: уравнением непрерывности для воздуха (следствие закона сохранения вещества), тремя скалярными уравнениями Эйлера движения жидкой среды (на основе законов сохранения трёх компонент импульса и воздействия внешних сил в соответствии со вторым законом Ньютона), уравнением состояния идеального газа, первым началом термодинамики (то есть законом сохранения энергии) и уравнением сохранения воды во всех фазах [2].
В соответствии с этим задача метеорологического прогнозирования сводится к интегрированию системы основных уравнений. В то же время, Бьёркнес не верил в возможность их аналитического решения. Вместо этого он развивал методы графического исчисления, заключавшиеся в применении физических принципов к метеорологическим диаграммам, построенным на основе наблюдений. Хотя некоторые точные решения системы уравнений движения атмосферы действительно могут быть получены и представляют интерес для теоретических исследований, в реальном моделировании атмосферы аналитическое решение уравнений неприменимо.
Общая характеристика
Weather Research and Forecasting (WRF) – одна из наиболее современных и разработанных систем численного прогноза погоды и атмосферного моделирования. В настоящее время WRF позиционируется в качестве единого рабочего инструмента для совместного использования научно-исследовательскими учреждениями и метеослужбами.
Разработка системы WRF является результатом сотрудничества ряда ведомств, исследовательских организаций и университетов в рамках проекта по созданию нового поколения систем мезомасштабного атмосферного моделирования и усвоения данных метеонаблюдений с целью улучшения понимания физических процессов в атмосфере и повышения качества прогнозирования мезомасштабных погодных явлений, а также для скорейшего внедрения новейших научно-исследовательских разработок в сфере атмосферного моделирования в практику оперативного метеорологического прогнозирования [5].
WRF представляет собой чрезвычайно гибкую, открытую к модификациям программную систему, находящуюся в свободном доступе (Public Domain). Высокая степень машинонезависимости программного кода позволяет использовать WRF практически в любом программном окружении для широкого спектра вычислительных платформ, включая наиболее мощные суперкомпьютеры, серверы, рабочие станции, персональные и даже портативные компьютеры.
Наряду с использованием в практике численного прогноза погоды, приложения WRF включают в себя исследования в области усвоения данных метеонаблюдений, разработки схем параметризации физических процессов в атмосфере, моделирования регионального климата, анализа распространения примесей в атмосфере, взаимодействия атмосферы и океана, моделирования идеализированных случаев, представляющих интерес для теоретических исследований. Являясь свободно распространяемым программным обеспечением, WRF используется в научных и практических целях в различных странах мира и продолжает непрерывно развиваться [5].
В разработку WRF внесли свой вклад в целом более 150 организаций в США и за их пределами. Среди основных — подразделение мезомасштабной и микромасштабной метеорологии (MMM Division) NCAR [6], организации Межуниверситетского объединения по атмосферным исследованиям UCAR (University Cooperation for Atmospheric Research), Национальные центры прогнозирования окружающей среды NCEP (National Centers for Environmental Prediction) [7] и Лаборатория исследования систем Земли ESRL (Earth System Research Laboratory) [8] Национальной администрации по океану и атмосфере США (NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration), Метеослужба ВВС (AFWA, Air Force Weather Agency) и Лаборатория по морским исследованиям (NRL, Naval Research Laboratory) Минобороны США, Центр анализа и прогнозирования штормов CAPS (Center for Analysis and Prediction of Storms) при университете штата Оклахома и Федеральное авиационное агентство FAA (Federal Aviation Administration).
Используемые форматы данных
Обмен данными между компонентами системы WRF и запись результатов моделирования в выходные файлы осуществляется интерфейсом ввода-вывода WRF I/O API в выбранном пользователем формате данных. В настоящее время поддерживаются 5 форматов ввода-вывода: двоичный, NetCDF, PHDF5, GRIB1 и GRIB2. Форматом по умолчанию, рекомендуемым для использования во всех задачах моделирования, является NetCDF.
NetCDF (Network Common Data Form) представляет собой формат данных и соответствующий программный интерфейс, предназначенный для работы с научными данными. NetCDF нацелен на предоставление эффективного доступа к относительно небольшим подмножествам массивных наборов данных. Разработка и поддержка NetCDF осуществляется в Unidata, подразделении UCAR [10]. В настоящее время NetCDF применяется в различных областях исследований, однако изначально его разработка была нацелена на использование в задачах наук о Земле, требующих работы с громадными массивами данных. NetCDF представляет собой формат данных с самоописанием: наряду со значениями переменных в файле содержатся и их аттрибуты, такие как описание соответствующей физической величины, единица измерения и другие параметры.
Большинство программных средств, предназначенных для визуализации и обработки результатов моделирования системы WRF, предполагают использование для выходных файлов именно формата NetCDF [9]. В свою очередь, программа ncview представляет собой универсальное средство визуализации содержимого любых файлов в формате NetCDF.
Хотя NetCDF может использоваться в качестве универсального формата хранения массивов данных, достижение оптимального уровня сжатия не является целью его разработки. Для эффективной передачи значительных объёмов метеорологической информации в реальном времени по официальным высокоскоростным каналам связи и хранения архивных метеоданных используется код GRIB (GRIdded Binary), официально утверждённый Всемирной метеорологической организацией (ВМО). GRIB представляет собой формат битового типа, позволяющий достигнуть высокой степени сжатия данных. В настоящее время по-прежнему широко используется формат GRIB Edition 1 (GRIB1), а также активно внедряется его новая версия GRIB Edition 2 (GRIB2).
Структура системы WPS
Система WPS состоит из трёх независимых программ, конечной задачей которых является подготовка входных данных для программы инициализации (real), и ряда вспомогательных утилит (plotgrids, g1print, g2print, rd_intermediate, plotfmt). Взаимодействие между компонентами системы WPS изображено на рисунке 2.5. Каждая из трёх основных программ отвечает за определённую стадию подготовки данных:
· geogrid — определение областей счёта модели и используемых в ней расчётных сеток, интерполяция статических геоданных на узлы заданных сеток.
· ungrib – извлечение полей метеорологических величин из файлов в формате GRIB.
· metgrid – горизонтальная интерполяция метеоданных, извлеченных с помощью ungrib, на узлы расчётных сеток, заданных geogrid.
Рисунок 2.5 — компоненты системы подготовки данных WPS
В качестве настроек используются значения параметров, указанные в общем файле списка имён namelist.wps, состоящем из нескольких записей. Файл включает в себя отдельную запись для каждой из трёх программ WPS и одну общую запись &share, содержащую параметры, используемые более чем одной программой [9, 11].
Кроме того, каждая из трёх программ использует также отдельный табличный *.TBL файл. В нём содержатся дополнительные параметры, в изменении значений которых во многих случаях нет необходимости.
Подготовка входных данных
Рассмотрим пример использования системы WRF для моделирования атмосферных процессов, протекавших в прошлом (август 2005 года) на территории Беларуси, на основе архивных данных.
Статические геоданные глобального покрытия для программы geogrid могут быть взяты с сайта WRF [13]. Геоданные с максимальным разрешением в 30 угловых секунд в архиве geog.tar.gz занимают 354 Мб, после извлечения из архива — более 9,3 Гб.
Поля метеорологических величин, полученные в результате вычислений модели глобальной циркуляции GFS, для текущего момента времени и нескольких предшествующих дней могут скачиваться с сайта NCEP. Данные GFS для временного промежутка 01.08.2005 — 10.08.2005 доступны в архиве NOAA [16] или Архиве исследовательских данных (RDA, Research Data Archive) Лаборатории вычислительных и информационных систем (CISL, Computational and Information Systems Laboratory) NCAR [17].
Данные в исходном виде содержат значения множества переменных для всего земного шара, что существенно увеличивает их объём. На Web-странице архива [16] может быть указан необходимый для конкретной задачи набор переменных и изобарических уровней, а также ограничена географическая область. На основании указанных данных сценарий Perl формирует новый набор данных, доступный для скачивания с сайта в течение некоторого времени.
Набор данных в файлах gfs_3_2005*.grb формата GRIB для региона 20 — 35 градусов восточной долготы, 50 — 60 градусов северной долготы с пространственным разрешением в 1 градус и набора переменных, требуемого для организации моделирования в системе WRF, имеет объём порядка 42 Мб.
Разместим в центре выбранного региона область моделирования с расчётной сеткой 40 на 48 узлов и шагом 18,5 км.
Основные компоненты файла списка имён namelist.wps приведены в листинге 3.1. Параметры сетки и картографической проекции Ламберта, а также путь к каталогу, содержащему файлы статических геоданных (~/geog/) задаются в записи &geogrid, рассматриваемый промежуток времени и интервал между выходными файлами системы WPS в записи &metgrid.
Листинг 3.1 — Файл namelist.wps
&share
wrf_core = 'ARW',
max_dom = 1,
start_date = '2005-08-08_00:00:00'
end_date = '2005-08-11_00:00:00'
interval_seconds = 10800
io_form_geogrid = 2,
/
&geogrid
parent_id = 1,
parent_grid_ratio = 1,
i_parent_start = 1,
j_parent_start = 1,
e_we = 40,
e_sn = 48,
geog_data_res = '30s'
dx = 18500,
dy = 18500,
map_proj = 'lambert',
ref_lat = 53.00,
ref_lon = 27.00,
truelat1 = 53.0,
truelat2 = 57.0,
stand_lon = 27.0,
geog_data_path = '~/geog/'
/
&ungrib
out_format = 'WPS',
prefix = 'FILE',
/
&metgrid
fg_name = 'FILE'
io_form_metgrid = 2,
/
В результате работы программы geogrid.exe будет создан файл geo_em.d01.nc объёмом 790,8 Кб в формате NetCDF.
Перед запуском ungrib.exe предварительно необходимо с помощью сценария link_grib.csh создать символические ссылки GRIBFILE.AAA, GRIBFILE.AAB, … GRIBFILE.ZZZ в рабочем каталоге на файлы в формате GRIB, содержащие исходные метеоданные. На выходе программы ungrib.exe создаются файлы FILE:2005-08-01_00 – FILE:2005-08-10_24 с данными в промежуточном формате.
На выходе программы metgrid.exe файлы met_em.d01.2005-08-01_00:00:00.nc – met_em.d01.2005-08-10_24:00:00.nc содержат данные с интервалом в 3 часа, как указано в namelist.wps (interval_seconds = 10800).
Заключение
В данном реферате рассмотрены основные компоненты программной системы атмосферного моделирования WRF, их структура и функции, а также пример использования системы WRF для моделирования реальных атмосферных процессов.
Также рассмотрены вспомогательные средства подготовки входных данных и визуализации результатов моделирования.
На основании изложенного можно сделать вывод, что современные системы атмосферного моделирования представляют собой досконально проработанное программное обеспечение, доступное для свободного использования в любых исследованиях, связанных с анализом процессов, протекающих в атмосфере.
Существующие архивы данных предоставляют возможность свободного доступа к характеристикам всей поверхности Земли с поразительно высоким разрешением (порядка сотен метров), данным метеонаблюдений и результатам вычислений ведущих моделей атмосферы через глобальную сеть Internet.
Единственным ограничением на проведение серьёзных исследований являются чрезвычайно высокие требования к вычислительным ресурсам. В мировой практике задачи атмосферного моделирования представляют собой одно из главных применений ведущих суперкомпьютерных систем, однако даже их мощности недостаточно для решения многих поставленных задач.
Одним из наиболее перспективных направлений дальнейшего развития является создание сетей распределённых вычислений, таких как проекты на платформе BOINC [18] (например climateprediction.net) и GRID-вычисления.
Введение
Стремительное развитие информационных технологий (ИТ) в той или иной степени затронуло практически все области научных исследований.
Внедрение метода вычислительного эксперимента в практику теоретических исследований и широкого спектра технологий обработки экспериментальных данных позволило решить принципиально новые задачи, а в ряде случаев привело и к возникновению новых предметных областей, существование которых было невозможно до появления компьютеров и развития ИТ.
Развитие широкого класса современных теоретических и прикладных областей научного исследования, связанных с атмосферой, стало в полной мере возможно только благодаря появлению компьютерного моделирования атмосферных процессов. Примерами наиболее важных областей исследования, в которых компьютерное моделирование атмосферы играет основную роль, являются задачи численного прогноза погоды, изменения климата и вопросы, связанные с загрязнением атмосферы и других компонентов окружающей среды. Необходимость использования ИТ при этом обусловлена целым рядом причин:
· уравнения, описывающие различные процессы в атмосфере, не могут быть решены аналитически без использования численных методов.
· моделирование атмосферных процессов связано с громадным объёмом вычислений, зачастую требующим использования наиболее мощных суперкомпьютеров.
· единственными экспериментальными данными о состоянии атмосферы являются данные многочисленных наблюдений с помощью наземных станций, метеозондов, авиации, различных систем дистанционного зондирования на базе наземных радаров и лидаров и орбитальных спутников; усвоение такого обширного набора данных из различных источников невозможно без использования современных систем обработки, сбора и передачи информации.
· проведение моделирования подразумевает манипулирование значительными объёмами промежуточных данных и эффективный обмен результатами вычислений различных моделей между исследовательскими центрами;
· ряд задач, в особенности в области изучения регионального и глобального климата, геоэкологии и вариационного усвоения данных, связан с необходимостью поддержания огромных архивов данных, постоянный доступ к которым должен обеспечиваться из любой точки планеты;
Современные системы атмосферного моделирования представляют собой досконально проработанные программные комплексы с широкой областью применений. Одной из наиболее универсальных и современных систем атмосферного моделирования является WRF, особенностью которой является также и то, что она представляет собой свободно распространяемое программное обеспечение.
Целью данного реферата является описание программной системы WRF и её применения в задачах моделирования атмосферных процессов.
Глава 1: Атмосфера как объект компьютерного моделирования
Оформление физико-математической теории
На протяжении длительного времени исследования атмосферы носили исключительно качественный характер и основывались только лишь на данных немногочисленных наблюдений и гипотезах. Впоследствии, наблюдения стали носить систематический характер и уже в XIX веке в различных странах основываются первые метеорологические службы. Уже на раннем этапе исследований стало ясно, что в атмосферные процессы носят существенно непериодический характер, что не позволяет напрямую предсказывать погодные условия в будущем с той же лёгкостью, как предсказываются морские приливы [1].
В 1860 году Уильям Феррель опубликовал серию статей, в которых математические методы впервые применялись при рассмотрении движений жидкости на вращающейся Земле. Работы Ферреля послужили стимулом к развитию физико-математической теории атмосферных движений, в настоящее время составляющей основу динамической метеорологии [2].
По-видимому, в 1904 году норвежский исследователь Вильгельм Бьёркнес наиболее полно выразил идею, что изменение состояния атмосферы во времени подчиняется основополагающим законам физики и для его прогнозирования достаточно системы нескольких базовых физических уравнений. В работе «Предсказание погоды как задача механики и физики» впервые явным образом утверждалось, что будущее состояние атмосферы, в принципе, полностью определяется её состоянием в настоящий момент времени (начальными условиями) и граничными условиями, в соответствии с законами физики (и представлениями детерминизма) [1-3].
По мнению Бьёркнеса, состояние атмосферы описывается семью основными переменными: давлением, температурой, плотностью, влажностью и тремя компонентами скорости ветра. Изменение этих переменных с течением времени описывается уже известными уравнениями гидродинамики и термодинамики: уравнением непрерывности для воздуха (следствие закона сохранения вещества), тремя скалярными уравнениями Эйлера движения жидкой среды (на основе законов сохранения трёх компонент импульса и воздействия внешних сил в соответствии со вторым законом Ньютона), уравнением состояния идеального газа, первым началом термодинамики (то есть законом сохранения энергии) и уравнением сохранения воды во всех фазах [2].
В соответствии с этим задача метеорологического прогнозирования сводится к интегрированию системы основных уравнений. В то же время, Бьёркнес не верил в возможность их аналитического решения. Вместо этого он развивал методы графического исчисления, заключавшиеся в применении физических принципов к метеорологическим диаграммам, построенным на основе наблюдений. Хотя некоторые точные решения системы уравнений движения атмосферы действительно могут быть получены и представляют интерес для теоретических исследований, в реальном моделировании атмосферы аналитическое решение уравнений неприменимо.
Дата: 2019-12-10, просмотров: 379.
