РАЗВЕРНУТЫЙ НАУЧНЫЙ ОТЧЕТ ЗА 1999 ГОД

Информационно-вычислительная интегрированная система
"Оптика атмосферы" доступная в сети Интернет

Основной целью проекта является создание интерактивной ИВС, позволяющей проводить типовые расчеты и предоставлять базовую информацию по разным разделам атмосферной оптики.

В 1999 году было запланировано создать техническую основу для выполнения проекта:

• спроектировать и начать заполнение баз данных по атмосферной химии, аэрозолю, молекулярной спектроскопии и моделей атмосферы, создать интерфейсы для работы с базами данных для администратора БД;

• разработать и создать типовой научный сайт на основе Интернет-технологий, включающий в себя программную поддержку научной графики.

В предметных областях планировалось провести следующие работы:

• В блоке атмосферного аэрозоля:
  разработать базу данных измерений вертикальных профилей коэффициентов рассеяния для видимой области спектра по результатам самолетного зондирования, а также, базу данных измеряемых оптических характеристик аэрозоля (Западная Сибирь) результатами измерений спектральной прозрачности прибрежной атмосферы в диапазоне 0,4 - 12 мкм.

• В блоке атмосферной химии:
  подготовить справочную информацию по основным химическим циклам в стратосфере;
  создать программное обеспечение для построения кинетических уравнений;
  программно реализовать проведение качественного анализа (стационарные состояния, устойчивость, траектории и фазовый портрет) кинетических уравнений.

• В блоке молекулярной спектроскопии:
  спроектировать и реализовать базу данных спектральных линий атмосферных газов;
  интегрировать спектроскопическую информационную систему в общий WWW–интерфейс;
  провести текущие дополнения базы данных параметров спектральных линий.

ИВС "Оптика атмосферы" состоит из четырех виртуальных сайтов:

• атмосферная химия (http://atmos.iao.ru),
• атмосферный аэрозоль,
• модели атмосферы,
• атмосферная спектроскопия (http://spectra.iao.ru) [1].

Разработаны интерфейсные формы для всех сайтов проекта. Создана база данных и www-интерфейс для работы с ней по ссылочной информации (организации, конференции, инструментарий, проекты, ….) для всех сайтов.

В блоке атмосферной химии:

Проведено заполнение базы данных по химическим реакциям в атмосфере. В основу базы данных положены материалы, опубликованные в печати (данные JPL, ASCMU). На рис. 1 представлен интерфейс для администратора БД. Унификация данных из разных источников достигается на уровне виртуальных данных, возникающем на стадии между обращением к БД и проведением вычислений [2].

Рис.1.

Создано программное обеспечение для построения кинетических уравнений [2-6].

Пользователь ИВС "Атмосферная химия" может выбрать из базы данных химические реакции (Рис. 2) и получить комментарий и библиографию к выбранной химической реакции (Рис.3).

Рис.2.

Рис.3.

Основу вычислительного блока ИВС "Атмосферная химия" составляют следующие алгоритмы:

• вывод кинетических уравнений из набора химических реакций выбранных пользователем из БД по химическим реакциям в атмосфере;
• определение интегралов движения;
• определение координат узлов многогранника реакций;
• решение нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений;
• вычисление собственных чисел многомерных матриц.

Эти алгоритмы позволили реализовать основные элементы качественного анализа динамических систем:

• определение стационарных состояний;
• анализ устойчивости этих состояний;
• определение иерархии релаксационных времен;
• построение фазовых портретов.

Примеры научной графики генерируемой ИВС представлены на рис. 4, 5.

Рис.4.

Рис.5.

Справочный блок ИВС содержит руководство пользователя, гипертекстовый материал по основам атмосферной химии и качественному анализу дифференциальных уравнений, ссылочную информацию по организациям занимающимся проблемами атмосферной химии и смежными с ней, проекты, инструментарий, конференции, базы данных, журналы и программное обеспечение.

Спроектирован сайт по спектроскопии атмосферных газов. Проведено заполнение баз спектральных данных на основе HITRAN’98 и GEISA’98 и созданы www-интерфейсные формы для табличного и графического представления данных представления данных (Рис.6.). Систематизированы алгоритмы для расчетов функций пропускания в безоблачной атмосфере на основе БД по спектрам атмосферных молекул.

Рис.6.

В блоке радиационных режимов в атмосфере:

1. Разработана система меню и подготовлены алгоритмы для включения данного раздела в сайт по молекулярной спектроскопии атмосферы.
2. Создана база данных по моделям статистических характеристик атмосферы [2] и интерфейс администратора БД.

В блоке атмосферного аэрозоля:

1. База данных по характеристикам атмосферного аэрозоля (аэрозольная станция), работает в тестовом режиме.
2. База данных по метеоинформации и концентрациям атмосферных газов (ТОР-станция), работает в эмуляционном режиме.
3. База данных по характеристикам атмосферного аэрозоля, полученных в экспедициях, проведенных сотрудниками ИОА СО РАН [1–4].

Подготовлен справочный материал по атмосферному аэрозолю, основанный ма монографиях опубликованными исполнителями гранта.

Дополнительно созданы базы атмосферных параметров (температура, давление, содержание сажи, радиационный фон и т.д. (всего около 50 параметров)) прямого заполнения с экспериментальных установок (аэрозольная и ТОР-станции ИОА СО РАН). Более детальный доступ к этой информации возможен в Интранете ИОА СО РАН (http://aerosol1.iao.ru) [8] (Рис.7).

Рис.7.

Информационная система является многопользовательской и предназначена для работы в сети Интернет. Взаимодействие пользователя и системы производится с помощью стандартного WEB-браузера. Все расчеты выполняются на серверной стороне и не требуют значительных вычислительных ресурсов пользователя. В вычислительном блоке ИВС используются параллельные алгоритмы для решения систем нелинейных уравнений, возникающих при проведении качественного анализа кинетических уравнений. Наряду с параллельными алгоритмами используется распараллеливания на уровне заданий. Примером таких заданий служит построение фазовых портретов, при котором проводится решение одной системы дифференциальных уравнений для разных начальных условий.

С целью увеличения производительности вычислений были проведены работы по кластеризации компьютеров и тестирование алгоритмов использующих методы параллельного программирования [3].

Для распараллеливания на уровне заданий было создано программное обеспечение, включающее в себя:

• Диспетчер;
• Программу-сервер, отвечающую за выполнение обрабатывающих подпрограмм;
• Программу-клиент, вызываемую WEB-сервером с необходимыми параметрами в качестве программы обработки.

Этот пакет программ служит для контроля над узлами кластера, равномерной загрузкой его узлов, и распараллеливания обработки запросов пользователя. Использование такого программного обеспечения придает вычислительному кластеру элемент отказоустойчивости и высокодоступности. Сетевое взаимодействие организовано с помощью механизма сокетов.

На рис. 8. Представлены результаты тестовых вычислений для кластеров разных конфигураций (100Мб коммуникационное оборудование) [3].

Рис.8.

Литература

1. Создана тестовая версия сайта по атмосферной химии (http://atmos.iao.ru).

2. Спроектированы и заполнены базы данных спектральной информации на основе Hitran98 и Geisa98. Создан www-интерфейс для работы с данными в табличном и графическом виде. Доступ к базе данных возможен в Интранете ИОА СО РАН (http://spectra.iao.ru).

3. Созданы базы данных с результатами самолетных измерений характеристик аэрозоля в приземном слое:

• База данных измерений коэффициента рассеяния аэрозоля;
• База данных измерений счетной концентрации аэрозоля;
• База данных по распределению концентрации частиц аэрозоля в зависимости отдиаметра.

4. Созданы базы данных по трем статистическим моделям атмосферы (стандартная модель США, модель ИОА СО РАН, региональные модели Северного полушария).

5. Создано программное обеспечение для прямого заполнения баз данных по метеорологической и аэрозольной информации с экспериментальных установок (ТОР-станция и аэрозольная станция) и их отображения в Интранете ИОА СО РАН.

6. Разработана технология для создания сайтов научного содержания (меню, научная графика и таблицы)

Данные, использованные на сайтах, опубликованы ранее в печати. Система представления информации и алгоритмы, используемые при расчетах, являются оригинальными.

В области атмосферной химии существуют пакеты программ по атмосферной химии (Socrat, ASAD). ИВС "Атмосферная химия" дополняет эти системы в части детального анализа качественного поведения кинетических уравнений.

В области атмосферной спектроскопии применяются несколько баз данных (наиболее известные HITRAN, Geisa), но отсутствует сервис по работе с этими базами данных в сети Интернет. Данные по характеристикам аэрозоля являются уникальными и получены исполнителями проекта.

1. типовой сайт строится средствами Интернет-технологий: CGI-скрипты, PHP, СSS, Java-script;

2. SQL-запросы используются при работе с базами данных (MySQL & InterBase);

3. для проведения качественного анализа кинетических уравнений атмосферной химии применены методы паралельного программирования (проведена параллелизация на уровне заданий и вычислительных алгоритмов);

4. для построения научной графики используется пакет GNUPlot;