«Применение ит в моделировании атмосферных процессов»



БЕЛОРУССКИЙ Муниципальный Институт

Выпускная работа по

«Основам информационных технологий»

Магистранта

кафедры атомной физики и

физической информатики

Бородко Сергея Константиновича


Руководители

доцент, канд. физ.-мат. наук

Красовский Александр Николаевич

старший педагог

Кожич Павел Павлович

МИНСК 2009
Оглавление
Оглавление 3

Перечень обозначений 4

Реферат на тему «Применение ИТ в моделировании атмосферных «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» процессов» 5

Введение 5

Глава : 1 Атмосфера как объект компьютерного моделирования 6

Глава : 2 Система атмосферного моделирования WRF 10

Глава : 3 Вычислительный опыт на базе системы WRF 26

Заключение 31

Перечень источников к реферату 32

Предметный указатель к реферату 34

Веб ресурсы в «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» предметной области 35

Действующий личный веб-сайт 37

Граф научных интересов 38

Тестовые вопросы по «Основам информационных технологий» 40

Презентация магистерской диссертации 41

Перечень литературы к выпускной работе 42

Приложения 43


^ Перечень обозначений
WRF – Weather Research «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» and Forecasting

WPS – WRF Preprocessing System

NCAR – National Center for Atmospheric Research

NCEP – National Centers for Environmental Prediction

ARW – Advanced Research WRF

NMM – Nonhydrostatic Mesoscale Model

NetCDF – Network Common Data Form

GRIB – Gridded Binary

MM5 – Mesoscale Model 5

RIP – Read / Interpolate «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» / Plot

NCL – NCAR Command Language

VAPOR – Visualization and Analysis Platform for Ocean, atmosphere and solar Researchers
^ Реферат на тему «Применение ИТ в моделировании атмосферных процессов» Введение
Быстрое развитие информационных технологий (ИТ) в той либо другой «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» степени затронуло фактически все области исследований.

Внедрение способа вычислительного опыта в практику теоретических исследовательских работ и широкого диапазона технологий обработки экспериментальных данных позволило решить принципно новые задачки, а в ряде всевозможных случаев «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» привело и к появлению новых предметных областей, существование которых было нереально до возникновения компов и развития ИТ.

Развитие широкого класса современных теоретических и прикладных областей научного исследования, связанных с атмосферой, стало полностью «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» может быть только благодаря возникновению компьютерного моделирования атмосферных процессов. Примерами более принципиальных областей исследования, в каких компьютерное моделирование атмосферы играет главную роль, являются задачки численного прогноза погоды, конфигурации климата и вопросы, связанные с загрязнением «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» атмосферы и других компонент среды. Необходимость использования ИТ при всем этом обоснована целым рядом обстоятельств:

Современные системы атмосферного моделирования представляют собой конкретно проработанные программные комплексы с широкой областью применений. Одной из «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» более 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 внедрения «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» в задачках моделирования атмосферных процессов.
^ Глава : 1Атмосфера как объект компьютерного моделирования .1.1Оформление физико-математической теории
В протяжении долгого времени исследования атмосферы носили только высококачественный нрав и основывались только только «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» на данных малочисленных наблюдений и догадках. Потом, наблюдения стали носить периодический нрав и уже в XIX веке в разных странах основываются 1-ые метеорологические службы. Уже на ранешном шаге исследовательских работ стало ясно, что в «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» атмосферные процессы носят значительно непериодический нрав, что не позволяет впрямую предвещать погодные условия в дальнейшем с той же лёгкостью, как предсказываются морские приливы [1].

В 1860 году Уильям Феррель опубликовал серию статей, в каких математические «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» способы в первый раз применялись при рассмотрении движений воды на вращающейся Земле. Работы Ферреля послужили стимулом к развитию физико-математической теории атмосферных движений, в текущее время составляющей базу динамической метеорологии «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» [2].

По-видимому, в 1904 году норвежский исследователь Вильгельм Бьёркнес более много выразил идею, что изменение состояния атмосферы во времени подчиняется основополагающим законам физики и для его прогнозирования довольно системы нескольких базисных физических уравнений. В «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» работе «Предсказание погоды как задачка механики и физики» в первый раз очевидным образом утверждалось, что будущее состояние атмосферы, в принципе, вполне определяется её состоянием в реальный момент времени (исходными критериями) и «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» граничными критериями, в согласовании с законами физики (и представлениями детерминизма) [1-3].

По воззрению Бьёркнеса, состояние атмосферы описывается семью основными переменными: давлением, температурой, плотностью, влажностью и 3-мя компонентами скорости ветра. Изменение этих переменных со временем «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» описывается уже известными уравнениями гидродинамики и термодинамики: уравнением непрерывности для воздуха (следствие закона сохранения вещества), 3-мя скалярными уравнениями Эйлера движения водянистой среды (на базе законов сохранения трёх компонент импульса и «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» воздействия наружных сил в согласовании со вторым законом Ньютона), уравнением состояния безупречного газа, первым началом термодинамики (другими словами законом сохранения энергии) и уравнением сохранения воды во всех фазах [2].

В согласовании с этим задачка метеорологического прогнозирования «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» сводится к интегрированию системы главных уравнений. В то же время, Бьёркнес не веровал в возможность их аналитического решения. Заместо этого он развивал способы графического исчисления, заключавшиеся в применении физических принципов к метеорологическим «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» диаграммам, построенным на базе наблюдений. Хотя некие четкие решения системы уравнений движения атмосферы вправду могут быть получены и представляют энтузиазм для теоретических исследовательских работ, в реальном моделировании атмосферы аналитическое «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» решение уравнений неприменимо.
^ .1.2Моделирование на базе численных способов
В 1922 году Льюис Фрай Ричардсон в монографии «Предсказание погоды при помощи численного процесса» предпринял первую смелую попытку численного решения системы метеорологических уравнений [1-3]. Меж 1913 и 1919 годами он «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» разработал подход к решению уравнений движения атмосферы, заключавшийся в разбиении интересующей пространственной области на прямоугольные параллелепипеды (ячейки сетки) и записи конечно-разностной формы уравнений. По аналогии с тем, как Карл «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» Рунге и Вильгельм Кутта разработали способ численного решения обычных дифференциальных уравнений, Ричардсон развил способ конечных разностей для решения уравнений в личных производных [2].

Вручную производя все нужные вычисления, Ричардсон выполнил всеобъятное численное интегрирование полной «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» системы уравнений на сетке с горизонтальным шагом 200 км и 4-мя изобарическими уровнями (с шагом 200 гПа) над территорией центральной Германии на основании данных наблюдений для 20 мая 1910 года. Приобретенный прогноз, но, не много соответствовал действительности «Применение ит в моделировании атмосферных процессов». Как потом выяснилось, это было обосновано несбалансированностью исходных критерий и численной неустойчивостью, связанной с невыполнением условия Куранта-Фридрихса-Леви, связывающего пространственный шаг дискретизации с шагом интегрирования по времени. Решения системы уравнений движения атмосферы «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» в начальном виде содержит в себе и более резвые процессы — акустические волны, для адекватного моделирования которых временной шаг должен быть очень малым. Нужное количество вычислений было очень велико для «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» проведения исследовательских работ без способности использования компов. Вместе с нехваткой данных наблюдений, это представлялось неодолимым барьеров на пути реализации мечты Ричардсона о том, что когда-либо станет вероятным проводить интегрирование метеорологических уравнений с «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» большей скоростью, ежели погодные процессы протекают в действительности [1]. В течение нескольких десятилетий никто не осмеливался продолжить исследования в области численного прогноза погоды, а монография Ричардсона 1922 года подвергалась критике.

Ситуация коренным образом поменялась с «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» возникновением первых компов. В 1946 году в рамках проекта по созданию первого цифрового электрического компьютера ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) Джон фон Нейман предложил сделать одним из его главных применений решение «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» задачки численного прогноза погоды [2]. Даже невзирая на внедрение компьютера, начальная задачка Ричардсона была значительно облегчена: за ранее в 1948-49 годах Чарни и Эллиасен несколько изменили систему уравнений, исключив из её решений акустические волны и введя «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» ряд дополнительных приближений. Таким макаром, была разработана 1-ая компьютерная модель атмосферы и на основании разработок 1948-49 годов Чарни, Фьёртофт и фон Нейман выполнили в 1950 1-ый удачный численный прогноз погоды [4]. Вычисления проводились в рамках «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» баротропной (содержащий по вертикали только один слой сетки) модели. Прогнозы 1950 года покрывали местность Северной Америки двумерной расчётной сетью, состоявшей из 270 узлов с шагом 700 км. Временной шаг составлял три часа. Хотя «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» результаты прогноза и были далеки от безупречных, все же, они оправдывали продолжение исследовательских работ [1].

Уже в 1951 году Чарни на основании всестороннего исследования пришёл к выводу, что внедрение в численном моделировании полной системы уравнений движения «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» атмосферы в принципе может быть и, более того, позволит добиться более близких к реальности результатов [1]. Таким макаром, нужное количество приближений определяется только доступными вычислительными ресурсами. Исключительно в 1960-х модели, основанные на полной «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» системе уравнений в формулировке Бьёркнеса и Ричардсона, пришли на замену баротропному и бароклинному приближению. Компьютерные модели атмосферы безпрерывно развивались, и с ростом доступной вычислительной мощности становилось вероятным использовать наименьшее количество упрощений «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» при формулировке системы уравнений.
^ .1.3Развитие компьютерных моделей атмосферы
Компьютерная модель атмосферы в широком смысле представляет собой программное представление динамических, физических, хим и радиационных процессов в атмосфере. Вместе с дифференциальными уравнениями, такое «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» представление содержит в себе также параметрические и эмпирические уравнения. Для широкого класса процессов величина применяемого в определенных вычислениях шага сетки не позволяет им правильно воспроизводиться в процессе моделирования. В таком случае для «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» их настоящего представления употребляются так именуемые «параметризации».

С развитием технологии атмосферного моделирования, круг воспроизводимых явлений и вероятных приложений компьютерных моделей атмосферы повсевременно растёт. С момента зарождения компьютерного моделирования атмосферы в 1948 году, компьютерные модели применялись «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» в исследовательских работах погодных явлений, климата и вопросов, связанных с загрязнением атмосферы и среды в целом. Вначале метеорологические атмосферные модели использовались для прогнозирования погоды и конфигураций климата, в то время «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» как в исследовательских работах в области химии и фотохимии атмосферы применялись собственные специальные компьютерные модели. И только в текущее время разработаны более общие программные системы, включающие в себя как динамическую метеорологию, так и «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» атмосферную химию и дозволяющие моделировать широкий диапазон атмосферных явлений [2].

Цель разработки компьютерной модели атмосферы заключается с одной стороны в исследовательских работах с применением моделирования в направлении улучшении осознания физических, хим, динамических и радиационных «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» процессов, а с другой стороны в улучшении свойства моделирования для практического использования данной компьютерной модели в прогнозировании погоды и конфигураций климата и в других сферах.

Компьютерные модели атмосферы разрабатывались исследовательскими «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» центрами, институтами и метеослужбами разных государств. Атмосферные модели обычно подразделяют на классы в согласовании с пространственным масштабом моделируемых явлений. Посреди применяемых на практике для прогнозирования моделей, обычно, выделяют модели глобальной циркуляции «Применение ит в моделировании атмосферных процессов», региональные и мезомасштабные модели.

В моделях глобальной циркуляции атмосферы рассматриваются процессы планетарного масштаба, и ставится цель адекватного проигрывания глобальной циркуляции воздушных масс с внедрением данных всех вероятных метеонаблюдений, включая прямые наблюдения (при помощи «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» наземных станций, самолётов, метеозондов) и данные дистанционного зондирования (со спутников, наземных радаров и лидаров). Примерами современных моделей глобальной циркуляции являются Global Forecast System (GFS), разработанная в США, Unified Model (UM) метеослужбы Англии, GME службы «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» погоды Германии и др.

Региональные модели атмосферы нацелены на моделирование атмосферных процессов в неком ограниченном регионе, при всем этом условия на границах региона моделирования определяются на основании результатов вычислений некой «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» модели глобальной циркуляции для такого же промежутка времени. Так как область моделирования значительно меньше, чем в глобальных моделях, возникает возможность использовать наименьший шаг сетки и включить в рассмотрение более широкий круг процессов. Если «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» доступные вычислительные ресурсы позволяют проводить моделирование с шагом сетки порядка нескольких км, то такая модель обычно именуется мезомасштабной, так как способна правильно воспроизводить мезомасштабные атмосферные процессы. Примерами мезомасштабных моделей являются NAM (North American «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» Mesoscale), Eta, RUC (Rapid Update Cycle), ARPS (Advanced Regional Prediction System), RAMS (Regional Atmospheric Modeling System), разработанные в США, LM (Lokal Model) службы погоды Германии, ALADIN (европейский проект на базе разработок метеослужбы «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» Франции).

Система MM5 (Mesoscale Model 5), итог разработок института штата Пенсильвания и Государственного центра атмосферных исследовательских работ (NCAR – National Center for Atmospheric Research) США, в течение пары лет была обширно «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» всераспространена в разных странах и использовалась в научных целях и практике метеорологического прогнозирования. Такая популярность обоснована сначала тем, что MM5 является моделью свободного использования, другими словами, доступна для скачки и представляет собой «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» свободно распространяемое программное обеспечение.

В текущее время на базе моделей MM5, Eta и ряда других разработана новая универсальная система атмосферного моделирования WRF, нацеленная на внедрение как в исследовательских целях, так и для метеорологического «Применение ит в моделировании атмосферных процессов» прогнозирования. Подобно MM5, система WRF распространяется свободно и обширно употребляется в научных центрах и метеослужбах разных государств.


primenenie-it-v-modelirovanii-atmosfernih-processov.html
primenenie-karbida-kremniya.html
primenenie-kompyutera-v-turisticheskoj-deyatelnosti-referat.html