|
Исполнители: Белан Борис Денисович Панченко Михаил Васильевич Родимова Ольга Борисовна Бабиков Юрий Леонидович Фазлиев Александр Зарипович | Отчет за 1999 год |
Ключевые слова: информационно-вычислительные системы, базы данных, Internet, информационно-поисковые системы коллективного пользования, электронные публикации
Проект направлен на создание информационно-вычислительной системы по оптическим свойствам атмосферы и организацию доступа к ней по сети Интернет. ИВС состоит из баз данных и моделей, использующих эти базы вкачестве исходных данных для прогностических и экстраполяционных вычислений. В базах данных(оптические и микрофизические свойства атмосферного аэрозоля, газовый состав, спектроскопия атмосферных и загрязняющих атмосферу газов, спектральная прозрачность атмосферы варидных и прибрежных зонах, коэффициенты химических реакций, региональные и глобальные стандартные модели атмосферы, аннотации научных публикаций по теме) использованы: накопленный в Институте оптики экспериментальный материал, выполненные ранее расчеты икомпиляции из доступных источников. Прогностические и экстраполяционные вычисления выполняются в рамках разработанных в ИОА параметрической аэрозольной модели атмосферы, фотохимической модели атмосферы, радиационной модели.
Основные цели и ожидаемые результаты проекта
Создание, на основе накопленного в Институте оптики атмосферы экспериментального материала, выполненных ранее расчетов и компиляции из доступных источников, баз данных по оптическим свойствам атмосферы (оптические и микрофизические свойства атмосферного аэрозоля, газовый состав, спектроскопия атмосферных и загрязняющих атмосферу газов, спектральная прозрачность атмосферы в аридных и прибрежных зонах, коэффициенты химических реакций, региональные и глобальные стандартные модели атмосферы, аннотации научных публикаций по теме) и организация сетевого и телекомуникационного доступа к ним. Завершение разработки, подготовка оболочек и организация сетевого и WWW доступа к использующим эти базы в качестве исходных данных программам для прогностических и экстраполяционных вычислений в рамках разработанных в ИОА параметрической аэрозольной модели атмосферы, фотохимической модели атмосферы, радиационной модели.
Организация свободного доступа по WWW к интерфейсным формам для запросов пользователей к созданным базам данных и к программам для прогностических и экстраполяционных вычислений и исполнение этих запросов системой позволит пользователю оперативно получать информацию об оптических свойствах атмосферы, в частности, определять ослабление в оптического излучения в аэрозольной и газовой атмосфере в заданом спектральном интервале, метеоусловиях, находить высотный ход концентраций аэрозолей и присутствующих в атмосфере газов по спектральным наблюдениям, определять климатоформирующие радиационные потоки в атмосфере и влияниние на них малых газовых составляющих атмосферы как естественного, так и антропогенного происхождения.
Актуальность проекта
В настоящее время все крупные центры атмосферных исследований имеют доступные через интернет информационные системы, в которых размещается сведения о тех или иных свойствах атмосферы, соответствующих экспериментальных данных и другой сопутствующей информации. Однако, вычислительные блоки, превращающие ИС в информационно-вычислительную систему, позволяющую пользователю проводить прогностическое или интерполяционное моделирование в рамках решаемой задачи, являются внутренним продуктом центров и редко доступны внешнему пользователю.
Разрабатываемая система состоит из нескольких блоков (микрофизика, химия и оптика аэрозоля, спектроскопия атмосферы, химия и фотохимия атмосферы, радиационные потоки в атмосфере) каждый из которых имеет структуру: база данных, вычислительная модель, справочная информация по предметной области и использованию ИВС. Все блоки объединены единым WWW-интерфейсом. Доступ к базам данных организован традиционными средствами реляционных баз данных. ИВС реализуется на. Операционная система - Extreme Linux.
Базисный слой включает в себя базы накопленных экспериментальных и расчетных данных, разработанные в ИОА и стандартные региональные и глобальные модели атмосферы. Источниками экспериментальных данных являются выполненные при фиксации метеообстановки наземные и самолетные измерения микрофизических характеристик аэрозоля, вертикального профиля коэффициентов рассеяния в видимой области спектра, химического состава аэрозолей проводимые в мониторинговом режиме в Западной Сибири. База данных фундаментальных спектроскопических характеристик селективного поглощения молекул построена на основе обработки экспериментальных спектров высокого разрешения. В настоящее время суммарный объем экспериментальных данных по аэрозолю и спектральные данные составляет 200Мбайт. Предполагаемая динамика пополнения 10 МБайт в год. Источники пополнения баз данных: наземные станции в Томске и экспедиционный материал, теоретические расчеты и обмен информацией.
Существенной частью ИВС являются включенные в вычислительный слой разработанные в ИОА модели и оригинальные вычислительные прогностические и экстраполяционные схемы позволяющие проводить вычисления на основе созданных баз данных. В вычислительном слое используются численные методы параллельного программирования для решения жестких систем дифференциальных уравнений и систем алгебраических уравнений, традиционный line-by-line метод и оригинальный метод рядов экспонент для расчета радиационных потоков, процедуры качественного анализа кинетики химических реакций и схемы параметризации для определения оптических свойств аэрозольной атмосферы. Предполагается кластеризация персональных компьютеров для ускорения численных расчетов. Результаты расчетов могут доставляться клиентам по электронной почте в виде пакета HTML-файлов для работы off-line. Практически все алгоритмы вычислительной части апробированы и реализованы на языках С и Фортран.
Внешний слой представляет собой интерфейс, реализованный средствами HTML и СGI, обеспечивающий доступ (ODBC) к базам данных и работающий с имеющимися вычислительными моделями. Интерфейсные статические гипертекстовые страницы будут включать сопровождающий справочный материал, типовые для каждой из предметных областей модели, библиографию, иные архивные данные. Специальные формы для формирования запросов пользователя к базе данных и моделям с выбором формата представления результатов (табличный, графический, аналитический) выполняются средствами CGI.
Оригинальной частью ИВС является содержание в базисном слое баз накопленных экспериментальных данных, моделей, разработанных в ИОА, и включение в вычислительный слой разработанных вычислительных прогностических и экстраполяционных схем.
Современное состояние имеющихся ИВТР в данной области науки
Аналоги предлагаемой системы среди функционирующих систем неизвестны. В качестве близких по целям среди систем, находящихся в стадии разработки, можно назвать системы, над которыми ведутся работы выполняемые в рамках связанных с оптикой атмосферы разделов программы по изучению глобальных изменений климата в США (www.gcdis.usgcrp.gov/).
В задачах глобального изменения климата ИВС развиваются в НАСА и центре атмосферных исследований (Боулдер) США, а также в Англии в рамках программы UGAMP (Общеуниверситетская программа по глобальному атмосферному моделированию). Коммерческие продукты DASAL и CRAMS [1], позволяют в интерактивном режиме строить системы кинетических уравнений для циклов химических реакций и проводить их качественный анализ. Существует ряд программ по разным аспектам химической кинетики в качестве примера можно привести программу Политехнического института Нью-Йорка [2]. Среди свободнораспространяемых программ (в исходных кодах) по атмосферной химии можно выделить программу ASAD (продукт UGAMP), ориентированную на получение систем кинетических уравнений атмосферной химии на основе подхода семейств. Недостатками существующих продуктов является их сосредоточение на реализации выделенного алгоритма и практически полное отсутствие информационной и справочной части. Охват предметной области существующими ИС по атмосферной химии далеко не полон - нет устоявшихся баз данных по радиационным характеристикам фотохимических реакций, в стадии разработки находятся кинетические модели включаюшие органические вещества что принципиально при тропосферных расчетах, не завершено исследование качественного поведения систем кинетических.
Современное состояние ИВС по спектроскопии атмосферы определяется базами данных фундаментальный спектроскопических параметров GEISA и HITRAN. Однако, появление новых технических средств мониторинга газового состава атмосферы (IMG интерферометр на платформе японского спутника, новые лидары ) показало, что их уровня недостаточно для извлечения достоверной информации из результатов измерений. Поэтому разработка оптимальных алгоритмов, систем управления и доступа к данным является задачей первостепенной важности для обеспечения мониторинга атмосферы. Тот же уровень баз спектральных данных требуется и для тестирования приближенных климатических моделей.
Являющийся основой создаваемой ИВС экспериментальный материал не имеет аналогов в мире. Материал самолетных наблюдений является уникальным, поскольку ни по длительности и регулярности измерений в конкретном регионе, ни по широте охвата различных географических пунктов не располагает ни одна научно-исследовательская группа в мире. Измерения спектральной аэрозольной толщи и аэрозольных характеристик в приземном слое атмосферы по длительности и регулярности наблюдений аналогичны результатам ИФА РАН, но по комплексности и числу измеряемых параметров намного превосходят известные аналоги. Регулярные измерения спектральной прозрачности для горизонтальных трасс в широком спектральном диапазоне в настоящее время проводятся только в ИОА СО РАН.
_________________