Проект 4.5.2.10. Разработка виртуальной информационно-аналитической среды для фундаментальных и прикладных исследований в области экологии и рационального природопользования
(№ Гос. рег. 01.2007 07873).

 Научный руководитель: академик Ю.И.Шокин

1. В настоящее время актуальной проблемой является описание пространственно-временного распределения метеорологических полей по данным измерений на основе  математической модели атмосферы. Одним из популярных подходов к решению этой задачи является применение фильтра Калмана. Практическая реализация алгоритма, основанного на фильтре Калмана, в полной постановке для современных численных моделей атмосферы невозможна из-за высокой размерности возникающих при этом систем уравнений и нелинейности прогнозируемых процессов. Исследована применимость в этой задаче π-алгоритма на примере простого одномерного уравнения адвекции.

2. Разработана методика восстановления значений концентрации газовых составляющих на примере СО₂ в узлах сетки заданного региона по данным о лесных пожарах и метеорологическим данным международного архива «Реанализ». Концентрации СО₂ оцениваются с помощью построения обратных траекторий. Восстановление значений концентрации вдоль траекторий осуществляется с помощью процедуры усвоения данных, при этом используются данные с 10 по 20 августа 2002 года. Это соответствует пику пожарной активности на территории Республики Саха (Якутия), что подтверждают данные, полученные со спутника NOAA.

Рис. 2.20. Картосхема распределения по-жаров за пожарный сезон 2002 года

Рис. 2.21. Пожары и зоны задымления Республики Саха (Якутия), по данным съемки NOAA/AVHR от 14.08.2002 г.

Рис. 2.22. Результаты расчетов распространения примеси и ее концентрации для региона 70° - 172,5° в.д. и 63,5° – 80° с.ш. в узлах сетки 2,5° × 2,5°

3. Для создания современной системы усвоения данных большое значение имеет правильное задание статистики ошибок прогноза. Это особенно важно в приземном слое атмосферы. В этом направлении получены следующие результаты:

• Установлена модель WRF (Weather Research and Forecast, NCAR USA). Проведен расчет 6-часовых прогнозов по этой модели по летним данным в формате GFS за 2006 г.

• Предложена методика оценки ковариаций ошибок 6-часового прогноза поля температуры в приземном слое в зависимости от степени устойчивости атмосферы. Для оценки горизонтальных корреляций в алгоритме используются градации расстояний между точками наблюдений. Ошибки прогноза оцениваются по вектору «невязок» – разности между наблюдениями и прогнозом. «Невязки» вычисляются по данным о температуре SINOP  (наземные станции) и TEMP (аэрологические наблюдения), а также 6-часовым прогнозам поля температуры по модели WRF.

• Разработан программный код для оценки вертикальных ковариаций ошибок прогноза в приземном слое атмосферы. Вертикальная ковариационная матрица определяется по «невязкам»,  вычисленным по данным за июнь-август 2006 г. Матрица вычислялась на p-уровнях от 1000 до 700 мбар с шагом 25 мбар. Рассматривались 2 случая – «устойчивой» (“stab”) и «неустойчивой» (“unstab”) стратификации.

Рис. 2.23. Вертикальные ковариации ошибок прогноза поля температуры в приземном слое атмосферы (в зависимости от устойчивости). По оси абсцисс отложена разность (1000 мбар – р), где р – давление

Рис. 2. 24. Поле прогноза температуры (K) для региона Сибири по модели WRF (коническая проекция). Черными точками обозначены наземные станции, желтыми – аэрологические

4. Разработана численная модель загрязнения приземного слоя атмосферы ракетным топливом, которое может вытекать из баков падающей ракетной ступени на всех этапах ее падения, начиная с момента отделения от ракеты-носителя на больших высотах. В модели рассматривается динамика падения в атмосфере испаряющихся капель топлива, а также временная эволюция образующегося при этом облака паров. Эволюция определяется ветровым сносом, атмосферной турбулентной диффузией и поглощением паров на подстилающей поверхности. В численной модели используются подвижные адаптивные трехмерные сетки, позволяющие более эффективно учесть локализованный характер источников паров и реальный рельеф земной поверхности в районе падения ступени. Результаты предварительных расчетов подтверждают, что выброс остатков топлива из бака ракетной ступени на больших высотах (когда ступень имеет еще достаточно большую скорость) решает проблему устранения экологических рисков, связанных с возможностью загрязнения земной поверхности остатками ракетного топлива.

5. Предложена методика разделения формаций лесной растительности с близкими спектрально-яркостными характеристиками по данным съемки со спутника Landsat 7 ETM+.

6. Разработан и исследован вычислительно эффективный непараметрический алгоритм классификации данных дистанционного зондирования, основанный на выделении информативных признаков для изолированных групп близких классов и использовании этих признаков при построении дерева решений.

7. Создана вычислительная технология определения цунами-риска, включающая этапы подготовки исходных массивов батиметрической информации; определения основных расчетных областей, точек установки расчетных мареографов, а также совокупности модельных «реальных» землетрясений. Определены совокупности математических моделей, адекватно воспроизводящих этапы генерации волны цунами сейсмическим источником и трансформацию этой волны при ее распространении по акватории. Создана система вычислительных и общесистемных алгоритмов для серийного расчета начальных возмущений свободной поверхности, подготовлены модифицированные версии вычислительных алгоритмов для расчета трансформации волн цунами от области источника возмущения вплоть до линии берега. Созданы система управляющих алгоритмов для проведения серийных расчетов; система управления данными, а также достаточно простой и гибкий интерфейс доступа к информации. Выполнен большой объем производственных расчетов.

Рис. 2.25(а). Схемы расположения модельных «реальных» очагов цунами различной магнитуды.

Рис. 2.25(б). Схема акватории, прилегающей к п-ву Камчатка

8. Разработаны алгоритмы извлечения характеристик отражения подстилающей поверхности Земли (альбедо) из данных космических наблюдений и организован доступ к этим данным с использованием MapServer Open Source. Для выполнения задачи выбран GeoServer, поддерживающий спецификации Web Map Service, Web Feature Service, Styled Layer Descriptor. Для работы с веб-картой выбрано приложение Google Maps, позволяющее отображать ГИС-данные на фоне космических снимков, предоставляемых компанией Google (http://space.kinetics.nsc.ru/albedo).

Рис. 2.26. Извлечение альбедо из спутниковых снимков TERRA/MODIS

9. Запущен в эксплуатацию ГИС-портал СО РАН (http://gis.sbras.ru), разработанный на базе свободно распространяемого ПО «WordPress». Он содержит информацию о работах в области геоинформатики, проводимых в СО РАН. В настоящее время происходит информационное наполнение портала. Портал включает Форум на основе закупленного ПО «vBulletin».

10. Разработана технология интеграции ресурсов из распределенных разнородных каталогов. В ее основу положены расширяемая модель данных интеграционного каталога и унификация процедур загрузки и извлечения данных из разнородных источников. В отличие от существующих решений (ISO-23950, LDAP), применена так называемая «ссылочная интеграция», когда объектами интеграционной функции являются не данные, содержащиеся в ресурсах, а сами ресурсы. При этом содержание ресурсов обрабатывается исключительно для извлечения связей с другими ресурсами. Результатом такой интеграции является система, концептуально напоминающая современные веб-порталы. Предоставляя интегрированный доступ к разнообразным ресурсам, она не содержит никаких сведений о них, за исключением параметров доступа и базовых метаданных.

В результате сформирован и опубликован интегрированный каталог аннотированных ссылок на внешние ресурсы, а также связей между ними. Для публикации каталога разработан специализированный пользовательский веб-интерфейс, представляющий собой единую точку доступа как к интегрированному каталогу, так и ко внешним ресурсам. Таким образом, комбинирование технологий извлечения, анализа, хранения и публикации данных позволило сформировать единую информационную (виртуальную) среду, в рамках которой предложены решения следующих задач:

• унифицированный поиск ресурсов, относящихся к разнородным каталогам;

• установление связей между ресурсами из разнородных каталогов;

• ссылочная интеграция сведений о предметном объекте в одной точке;

• организация взаимодействия каталогов с целью обмена и репликации данных.

СОДЕРЖАНИЕ