WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Касьянов С.Ю., Никитин О.П. Компьютерный атлас лагранжевых течений в поверхностном слое мирового океана

Научная статья

 

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1768


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf


КОМПЬЮТЕРНЫЙ АТЛАС ЛАГРАНЖЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МИРОВОГО ОКЕАНА

Касьянов С.Ю., Никитин О.П. (Nikitin@sirena3.ru)

Государственный океанографический институт Росгидромета

1. Введение

В настоящее время одним из перспективных направлений работ в области современных гидрометеорологических информационных систем является создание электронных (компьютерных) атласов-справочников. Такой атлас-справочник в простом варианте конструктивно состоит из следующих частей: массива данных по какому-либо одному или нескольким гидрометеорологическим элементам, программы поиска (перебором) и выборки данных из массива, а также программ расчета и визуализации различных характеристик, основанных на рассматриваемых элементах. Более сложные варианты используются в случаях, когда из-за большого объема данных, записанных в виде массива на твердом носителе, работа с ними посредством программы выборки оказывается неэффективной. Тогда можно попытаться структурировать массив для ускорения процесса поиска и выборки, сжать его, представив в бинарном виде. Одновременно следует увеличить (если требуется) оперативную память компьютера так, чтобы вся работа с массивом происходила в ней без обращения к твердому диску. Для работы с очень большими массивами данных используются различные системы управления базами данных, в том числе реляционные (РСУБД), совместно с клиентскими программами и разработанными графическими интерфейсами пользователя. В качестве альтернативы РСУБД можно попробовать использовать интерфейсы типа netCDF [3], с помощью которых осуществляется прямой индексированный доступ к необходимым записям данных без предварительного просмотра предшествующих записей.

По компактности, объемам предоставляемых сведений и по разнообразию их представления электронные атласы-справочники намного превосходят бумажные. В отличие от последних они могут достаточно оперативно обновляться (совершенствоваться, корректироваться, уточняться и расширяться) с каждой новой, выкладываемой на Интернет-сайте электронной версией атласа за счет пополнения базовых массивов новыми данными и за счет модификации программ расчета и визуализации. Электронная форма атласа-справочника позволяет не только хранить подготовленную ранее информацию, но и по заданным параметрам оперативно (в режиме on-line) рассчитывать необходимую характеристику, карту или график, обеспечивая их необходимую детализацию или, напротив, генерализацию. В электронном атласе-справочнике типа описанного ниже можно задать любой промежуток времени из интервала, охватываемого наблюдениями, и любой район из пространства, где производились наблюдения. Уже это обстоятельство принципиально отличает электронный атлас-справочник от бумажного, поскольку число карт и графиков, которое при этом можно получить, настолько велико, что всех их практически невозможно распечатать.

С помощью удобных, размещенных на персональном компьютере электронных атласов-справочников можно быстро войти в курс дела, получить наглядное представление о пространственно-временной изменчивости разнообразных гидрометеорологических   параметров   в   интересующем   районе.   Представляется,   что


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1769


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf


подобные электронные атласы-справочники призваны стать необходимым инструментом в деятельности не только каждого ученого-гидрометеоролога, специализирующегося на обработке и анализе данных наблюдений, но и более широкого круга специалистов, связанных с работами в океане и атмосфере.

В настоящей статье дано описание разработанного авторами компьютерного атласа-справочника фактических течений в поверхностном слое Мирового океана, основанного на данных о траекториях отслеживавшихся со спутников дрейфующих поверхностных буйков.

2. Препарирование массива дрифтерных данных

Дрейфующие с поверхностными течениями и отслеживаемые со спутников океанографические буйки с парусом-драгой на глубине 15 м (лагранжевые дрифтеры) предоставляют большие возможности для изучения циркуляции в поверхностном слое Мирового океана. В статье [1] на рис.4 приведена карта освещенности Мирового океана дрифтерными наблюдениями, на которой изображены траектории всех буйков, дрейфовавших в океане в период с 1979 по 1998 г. В этой же статье приведены основные параметры собранного авторами глобального массива данных дрифтерных наблюдений за указанный период, перечислены выявленные ими в процессе массового контроля качества типы ошибок, содержавшихся в исходных данных. Без учета метаданных собранный массив записей дрифтерных наблюдений, представленных в описанном в [1] формате, имеет объем 540 Mb. Массив содержит записи, полученные с 4238 дрифтеров. Большинство дрифтеров было оснащено датчиком температуры, поэтому в массиве содержатся также данные о температуре воды в поверхностном слое.

Для эффективной работы компьютерного атласа лагранжевых течений в поверхностном слое Мирового океана существенно, чтобы поиск и выборка данных из глобального массива дрифтерных данных по заданным пространственно-временным диапазонам происходили бы за приемлемое время. Собранный объем дрифтерных данных весьма велик и время ответа при поиске простым перебором записей может составлять десятки минут даже на быстродействующем компьютере класса Пентиум III. Для облегчения поиска и выборки нужных данных было произведено переформатирование и структурирование глобального массива дрифтерных данных.

Переформатирование было произведено с целью компактного размещения больших объемов дрифтерных данных на жестком диске и обеспечения их быстрой передачи с дискового носителя в оперативную память ПК. Оно заключалось в том, что из записей дрифтерных данных были убраны поля, неиспользуемые программным комплексом атласа-справочника (например, в записях был оставлен номер дрифтера по классификации ARGOS и удален номер дрифтера по классификации ВМО) и, кроме того, все данные были пересчитаны в бинарный вид. После исключения неиспользуемых полей объем массива дрифтерных данных в символьном формате составил 452 Mb, а в числовом уменьшился до 212 Mb.

Структурирование состояло в следующем. Карта Мира была разделена на десятиградусные квадраты - квадраты Марсдена, которые были перенумерованы. Весь собранный глобальный исторический массив дрифтерных данных был также разделен на файлы, номер каждого из которых и содержащиеся в нем данные соответствуют определенному квадрату Марсдена. При задании на карте Мира какого-либо района океана вначале происходит выбор файлов с номерами, соответствующими номерам квадратов Марсдена, покрывающих заданный район. Затем в выбранных файлах происходит отбор данных по координатам заданного района и затем отбор данных,


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1770


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf


относящихся к одному и тому же номеру дрифтера.

Альтернативный способ ускорения поиска нужных данных в массиве состоит в образовании в параллель к неформатному файлу массива неформатного файла указателей с информацией о диапазонах изменения координат для каждого номера дрифтера. При обработке дрифтерных данных параллельно считываются оба файла. Первой считывается и анализируется запись из файла указателей. Если, судя по информации указателей, запись из файла массива содержит нужные данные, то она целиком считывается в рабочий массив в оперативной памяти и обрабатывается. В противном случае запись из файла с массивом данных пропускается.

Переформатирование с одновременным наращиванием оперативной памяти ПК, а также структурированное хранение данных в файловой системе позволяет в несколько раз увеличить скорость процесса обработки дрифтерных данных и на ПК класса не ниже Пентиум III обеспечивает приемлемое время ответа без использования универсальных баз данных.

3. Структура компьютерного атласа лагранжевых течений в поверхностном слое Мирового океана

В совокупности с собранным историческим массивом данных глобальных дрифтерных наблюдений программный комплекс атласа-справочника позволяет оперативно рассчитать, изобразить и вывести в графический файл статистические характеристики, карты и графики скоростей поверхностных течений в любом районе Мирового океана.

Программный комплекс написан на алгоритмическом языке Фортран с использованием компилятора и среды разработки Compaq Visual Fortran версий 6.0, 6.1, 6.1а, 6.5, как проект QwickWin, и предназначен для работы в средах операционных систем Windows NT, 95 и старше. Программный комплекс обеспечивает дружественный интерфейс пользователя, управление при помощи двухуровневого меню и функциональных кнопок, активируемых мышью и/или клавиатурой, отображение на экране монитора необходимых подсказок на русском языке, достаточных для работы с атласом-справочником без дополнительной документации.

После запуска программного комплекса атласа-справочника и прохождения заставки на экране монитора появляется изображение карты Мирового океана, построенной по массиву данных ЕТОР05 с нанесенной на карту координатной сеткой - Рис 1. Заставка представляет собой карту освещенности Мирового океана дрифтерными наблюдениями наподобие карты, приведенной в статье [1] на рис.4.

Двумерный массив высот и глубин места относительно уровня моря ЕТОР05 с пятиминутной дискретностью имеется в открытом доступе на ряде сайтов в Интернете и представляет собой отображение рельефа верхней границы литосферы. Соответствие между RGB цветом и высотой (или глубиной) места относительно уровня моря может быть изменено пользователем путем редакции соответствующих строк в файле PICPAR.

На рис. 1 в верхней части экрана расположена навигационная панель, предоставляющая пользовательское двухуровневое меню, посредством которого выбираются нужные действия. Меню первого уровня состоит из четырех изображенных на навигационной панели пунктов: «Запись/выход», «Выбор подмассива», «Поле» и «Траектория». Каждый из них при нажатии манипулятором предоставляет ниспадающий список с пунктами меню второго уровня - подпунктами.

В настоящее время пункт «Запись/выход» состоит из следующих, не требующих комментария, подпунктов:


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1771


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf


  1. Убрать полосы прокрутки
  2. Полный экран
  3. Запись изображения в файл (bmp)
  4. Выход

Предполагается добавить сюда подпункт - Изменение фона рисунка.

j^Q Запись/Выход     Выбор подмассива                                                                                                                                                                                                                                      _ \&\__ |

|                     |Отметьте мышью на карте северо-восточный угол области ...

Рис.1.   Отображение   на  экране   монитора   карты  Мирового   океана,   построенной   по двумерному массиву данных ЕТОР05.

Согласно первому подпункту «Выбор области с помощью мыши» в пункте «Выбор подмассива» пользователь атласа-справочника имеет возможность пометить на карте курсором манипулятора двумя точками левый нижний и правый верхний углы прямоугольной области (см. Рис 1). Другой подпункт «Выбор области по заданным координатам» предоставляет возможность через появляющееся диалоговое окно менее быстрого, но более точного выбора области с заданием координат ее границ с точностью до минуты. Третий и четвертый подпункты дают возможность пользователю через диалоговые окна производить выбор интервалов времени как раздельно по годам и месяцам, что удобно для осреднения дрифтерных данных, так и по заданным датам с точностью до дней и часов. Рисунки с изображениями некоторых диалоговых окон приведены в [2].

Пункт «Поле» в навигационной панели состоит из семи подпунктов:


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1772


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf


  1. Совокупность траекторий с раскраской скоростных участков траектории
  2. Отображение движения дрифтеров
  3. Поле  векторов   скорости  осредненных  течений  и  статистические  характеристики скоростей течений
  4. Поле кинетической энергии поверхностных течений
  5. Поле температуры воды на поверхности
  6. Выбор траектории по номеру дрифтера
  7. Выбор траектории курсором манипулятора

При выборе подпункта 1 происходит выборка данных из глобального массива по заданным пространственно-временным интервалам и отображение заданной области в увеличенном масштабе с нанесенной в этой области совокупностью траекторий. Пользователь имеет возможность выделить цветом скоростные участки траекторий, указав в диалоге пороговое значение скорости. Те участки траекторий, на которых скорость дрифтера превышала пороговое значение, будут изображены красным цветом -см., например, Рис.2.

Рис.2. Совокупность траекторий всех лагранжевых буйков, дрейфовавших в районе Гольфстрима в период с 1979 по 1998 г. Участки траекторий, на которых скорость дрифтера превышала 1 м/с, изображены красным цветом.


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1773


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf


При выборе подпункта 2 происходит последовательная (в хронологическом порядке) замедленная разрисовка (анимация) траекторий дрифтеров в заданной области пропорционально фактической скорости дрифтеров в периоды измерений.

На рис.3 показан экран в опции "Поле векторов скорости осредненных течений и статистические характеристики скоростей течений". При перемещении мышью светящейся точки от одного узла сетки (являющегося центром квадрата, размер которого можно задавать) к другому на дополнительной панели ("Статистические характеристики скоростей течений") в показанных окнах панели появляются соответствующие цифровые значения статистических характеристик.

Укажите мышью квадрат сетки на карте ...

Рис.3 Статистические характеристики и поле векторов скорости осредненных течений в северо-западной части Атлантического океана.

Программой Атласа вычисляются следующие статистические характеристики: средние и экстремальные значения, а также дисперсии компонент скорости течения на параллель и меридиан - "Среднее U", "Umin", "Umax", "Дисперсия U", "Среднее V", "Vmin", "Vmax", Дисперсия V". Кроме того, подсчитывается коварнация между U и V, а также определяется число дрифтерных наблюдений в квадрате сетки, по которому происходило осреднение.

Согласно подпунктам 4 и 5 пункта «Поле» программный комплекс Атласа позволяет изобразить в заданной области поля кинетической энергии течений и температуры воды в поверхностном слое. На рис. 4 приведен пример визуализации поля кинетической энергии


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1774                      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf

течений.

Рис. 4. Поле кинетической энергии (Ек) течений в северо-западной части Атлантического океана. В верхней части карты расположены горизонтальная цветовая шкала и деления с оцифровкой от минимального до максимального значения Ек.

Существует серьезная проблема достоверного машинного проведения изолиний по заданным в узлах регулярной сетки значениям. Если эти значения повышенно знакопеременны, как, например, для полей температуры в приполярных областях океанов, то существующие графические программы могут приводить к значительным искажениям изолиний, причем структура визуализированного поля может качественно отличаться от действительной. Поэтому при разрисовке изолиний приходится воспроизводить на экране дисплея также и цифровые значения в узлах регулярной сетки и, изменяя параметры программы, перебирать помногу вариантов, подбирая нужное соответствие изолиний с цифровыми значениями. Данная проблема для описываемого Атласа была решена просто путем отказа от проведения изолиний в пользу построения цветных карт, где каждому диапазону значений температуры, а также Ек соответствует свой цветовой оттенок.

Для перехода в пункт «Траектория» следует посредством подпункта 6 пункта «Поле» выбрать траекторию по номеру дрифтера из списка в выплывающем диалоговом окне. Альтернативный выбор индивидуальной траектории осуществляется посредством подпункта 7 курсором манипулятора на сводной карте траекторий, после чего траектория


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1775                       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf

будет нарисована отдельно.  Далее  в  пункте  "Траектория"  можно пометить один  из следующих подпунктов:

  1. Графики компонент скорости вдоль траектории
  2. График модуля скорости вдоль траектории
  3. Последовательность векторов скорости вдоль траектории
  4. График температуры вдоль траектории
  5. Числовые значения вдоль траектории
  6. Раскраска скоростных участков траектории

Примеры графиков компонент и модуля скорости, а также последовательности векторов скорости вдоль траектории приведены в [2].

На рис.5 дано изображение экрана в опции "Числовые значения вдоль траектории". При перемещении мышью светящейся точки вдоль траектории дрифтера на дополнительной панели ("Числовые значения вдоль траектории") в показанных окнах появляются координаты точки, соответствующая дата, время, а также значения компонент, модуля скорости течения и температуры воды. В последнем поле панели указан номер дрифтера.

Рис.5. Пример отображения на экране индивидуальной траектории дрифтера N 9730659 и числовых значений скорости течения и температуры воды для точки с координатами 280.23° в.д. и 27.78° с.ш. в 18-00 22.4.1999 г.


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1776


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/154.pdf


Для отслеживания числовых значений вдоль траектории и отображения статистических характеристик поля скорости в квадратах сетки применен введенный в последние версии Visual Fortran безмодальный диалог (DLGMODELESS) совместно с блокирующей функцией WAITONMOUSEEVENT, реагирующей на передвижения мыши. При этом перемещение следящей метки организовано путем вставки ее образа в режиме $GXOR. При оформлении графических окон частично использованы (в основном для рисования осей координат и надписей, а также задания границ изменения математических переменных) подпрограммы из пакета научной графики SciGraph.

4. Заключение

Разработанный атлас-справочник по сути основан на коллекции дрифтерных траекторий, которые отслеживают фактические поверхностные течения в периоды измерений, давая их наглядное представление. По встроенному массиву данных о путях и скорости перемещения дрифтеров программный комплекс атласа-справочника предоставляет в интерактивном режиме графическую и цифровую информацию о течениях в поверхностном слое любого района Мирового океана.

Следует подчеркнуть, что дрифтерные данные дают возможность изучения поверхностных океанских течений с разрешением их синоптической, а также более мелкомасштабной инерционной составляющих, которые относятся к наиболее энергонесущим. Существующие бумажные атласы карт течений Мирового океана основаны как на приближенных расчетных методах, так и на неточных осредненных данных о сносе судов, дающих в совокупности весьма искаженную безвихревую картину океанских течений. Использование современного вида наблюдений - с дрейфующих буев -и современного подхода к представлению данных в виде электронного атласа выводит исследования океанских течений на качественно иной уровень и позволяет перейти от изображения далеких от реальности средних течений к изображению фактически наблюдаемых завихренных течений.

Вместе с представленными в бинарном виде файлами с данными дрифтерных наблюдений (за 1979 - 1998 гг.) и данными о рельефе дна объем программного комплекса Атласа на жестком диске составляет 227 Mb. При работе на персональном компьютере типа ШМ PC желательно использовать компьютер с процессором от 500 MHz и выше и оперативной памятью не менее 256 Mb.

Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Код проекта #99-07-90160.

Литература

1.   Касьянов С.Ю., Музыка Г.В. и Никитин О.П. "О дрифтерных наблюдениях за

поверхностными течениями Мирового океана" // электронный журнал "Исследовано в

России", 50, стр. 676-685, 2000 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2000/050.pdf.

    • Nikitin О.P., Kasyanov S.Y., Muzyka G.V. World Ocean Surface Currents Visualization Software // Proceedings of the 3rd International Workshop on Computer Science and Information Technologies CSIT'2001, Ufa, Russia, 2001, v.2, p. 32-41.
    • Rew, R. K. and G. P. Davis, "Unidata's netCDF Interface for Data Access: Status and Plans," Thirteenth International Conference on Interactive Information and Processing Systems for Meteorology, Oceanography, and Hydrology, Anaheim, California, American Meteorology Society, February 1997.
     



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.