Строительные исследования
страница - 0
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
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,
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 ETOPO5 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 ETOPO5 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:
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2]