Все научные статьи
Касьянов С.Ю., Никитин О.П. Компьютерный атлас лагранжевых течений в поверхностном слое мирового океана
Научная статья
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1768
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 гидрометеорологическихаа параметроваа ваа интересующемаа районе.аа Представляется,аа что
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1769
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
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
Предполагается добавить сюда подпункт - Изменение фона рисунка.
j^Q Запись/Выхода Выбор подмассиваа _ \&\__ |
|аа |Отметьте мышью на карте северо-восточный угол области ...
Рис.1.аа Отображениеаа наа экранеаа монитор картыа Мировогоаа океана,аа построеннойаа 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
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
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 |
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 1775а
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
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.аа 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. Все научные статьи