РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
ТИХООКЕАНСКИЙ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ИМ. В. И. ИЛЬИЧЕВА
ЕДИНАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБСТАНОВКЕ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ
(ЕСИМО)
Протокол опытной эксплуатации №_1_
Дата 4 сентября 2007 г.
ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СТРУКТУР ДЛЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ МОРЕЙ
Часть 2. Интегральная квазигеострофическая модель
Общее описание технологии, версия 1.0.0 от 01.01.2001
Владивосток 2007
СОДЕРЖАНИЕ
1 Введение | 3 |
1.1 Цель | 3 |
1.2 Обзор документа | 3 |
1.3 Основные определения | 4 |
1.4 Порядок ведения и использования | 4 |
1.5 Нормативные ссылки | 5 |
2 Назначение | 6 |
2.1 Вид деятельности технологии | 6 |
2.2 Перечень объектов автоматизации | 6 |
2.2.1 Задание параметров задачи | 6 |
2.2.2 Численная модель | 7 |
2.2.3 Программные средства технологии | 7 |
2.2.3.1 Коммерческие программные продукты | 7 |
2.2.3.2 Специально разработанные программные продукты | 7 |
2.3 Перечень функций, реализуемых технологией | 7 |
3 Описание технологии | 8 |
3.1 Алгоритмические решения | 8 |
3.2 Общая схема функционирования технологии | 8 |
3.3 Программы, реализующие технологию | 9 |
4 Описание применения | 13 |
4.1 Технологический процесс АРМ | 13 |
4.2 Условия применения | 15 |
5 Документация технологии | 16 |
6 Руководство пользователя | 17 |
Список использованных источников | 18 |
Лист изменений | 19 |
1 Введение
1.1 Цель
Целью документа является описание самостоятельной составной части информационной технологии АРМ диагностики и моделирования процессов и термодинамических структур для дальневосточных морей на основе принятых стандартов Единой системы информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО).
Документ содержит общие сведения о построении технологии АРМ «Интегральная квазигеострофическая модель», ее составляющих, методах и средствах функционирования и предназначен для разработчиков и пользователей технологий ЕСИМО.
Разработка документа выполнена в лаборатории 1/1 физической океанологии ТОИ ДВО РАН (*****@) в соответствии с действующими положениями и руководящим нормативным документом [1].
1.2 Обзор документа
Настоящий документ состоит из следующих разделов:
Раздел 1 «Введение»
Раздел 2 «Назначение» – описывается вид деятельности, для которой предназначена технология; дается перечень объектов, задействованных в технологии, и приводится перечень функций, реализуемых технологией.
Раздел 3 «Описание технологии» включает описание общей схемы функционирования технологии, дается общая структура технологии и назначение ее отдельных составляющих; приводятся сведения о технологии в целом и ее составляющих в части методического (математического), программного, информационного и организационного обеспечения технологии.
Раздел 4 «Описание применения» включает общее описание технологического процесса обработки данных; порядок и регламент выполнения основных работ технологии, а также программно-технические характеристики (состав и характеристики операционных систем и другого общего программного обеспечения, минимально необходимый набор вычислительных средств и иного оборудования для бесперебойной работы технологии, условия организационного характера и др.)
Раздел 5 “Документация технологии” содержит перечень и краткую характеристику разработанной и предъявляемой к испытаниям документации.
Раздел 6 Руководство пользователя
1.3 Основные определения
1.3.1 Информационная технология получения расчетно-модельных интегральных термодинамических характеристик вод северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морей - совокупность методов, производственных и программно-технологических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающая производство численных расчетов и вывод полученных значений с привлечением ручных операций и с применением методов и средств вычислительной техники и систем связи.
1.3.2 Компонент технологии – часть технологии, рассматриваемая как единое целое, выполняющая законченную функцию и применяемая самостоятельно.
1.3.3 Программно-технический комплекс – это совокупность средств вычислительной техники, программного обеспечения и средств производства расчетов и оформления полученных результатов. Комплекс – это основная часть компонент технологии, причем сам компонент может состоять из одной или нескольких комплексов.
1.3.4 Информационная база данных технологии - это совокупность упорядоченной информации, используемой при функционировании информационной технологии.
1.3.5 Массив информации (данных) – это систематизированная совокупность однородных по структуре данных, логическая единица информационной базы данных. Массив информации может быть представлен в виде базы данных СУБД/ГИС или наборов данных в виде системы файлов данных.
1.3.6 Рабочая документация на информационную технологию - комплекс взаимоувязанных документов, в котором полностью описаны все решения по созданию и функционированию технологии.
1.3.7 Эксплуатационная документация на информационную технологию - часть рабочей документации, предназначенная для использования при реализации технологии, определяющая правила действия при ее функционировании, проверке и обеспечении ее работоспособности.
1.4 Порядок ведения и использования
Разработка и сопровождение технологии осуществляется в лаборатории 1/1 физической океанологии ТОИ ДВО РАН. В рамках сопровождения технологии проводится консультационное обслуживание. Использование технологии не должно противоречить положениям Закона РФ об интеллектуальной собственности [2].
Для технологии устанавливается следующая схема назначения версий:
1. Первая цифра изменяется в случае кардинальных изменений.
2. Вторая цифра изменяется в случае существенных изменений.
3. Третья - в случае уточнений, исправления ошибок, незначительных поправок.
Текущая версия - 1.0.0. Помимо версионности всей технологии вводится версионность каждой компоненты технологии. Это связано с тем, что изменения в пределах компонент могут быть внесены, но не затрагивать технологию в целом.
1.5 Нормативные ссылки
ГОСТ 19.001-77 ЕСПД. Общие положения.
ГОСТ 19.101-77 ЕСПД. Виды программ и программных документов (переиздан в ноябре 1987 г. с изменениями).
ГОСТ 19.103-77 ЕСПД. Обозначение программ и программных документов.
ГОСТ 19.105-78 ЕСПД. Общие требования к программным документам.
ГОСТ 19.401-78 ЕСПД. Текст программы. Требования к содержанию и оформлению.
ГОСТ 19.402-78 ЕСПД. Описание программы.
ГОСТ 19.504-79 ЕСПД. Руководство программиста.
ГОСТ 19.781-90. Обеспечение систем обработки информации программное.
ГОСТ 34.201-89 Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем.
РД 50-34_698-90 Методические указания. Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы.
Системный проект Единой системы информации об обстановке в Мировом океане. Утвержден заказчиком подпрограммы ЕСИМО Росгидрометом (январь, 2001 года).
2 Назначение
Технология АРМ «Интегральная квазигеострофическая модель» разработана в рамках шестого проекта ЕСИМО «Развить технологии интеграции и комплексного информационного обеспечения морской деятельности, включая взаимодействие ЕСИМО с национальными и зарубежными информационными системами».
Технология АРМ предназначена для производства диагностических расчетов полей нескольких переменных – толщины квазиоднородного слоя, функций тока до глубины 200 м, интегральных функций тока от поверхности до дна, зональных и меридиональных составляющих скорости течений в режиме мониторинга акваторий северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морей.
2.1 Вид деятельности технологии
Технология АРМ «Интегральная квазигеострофическая модель» должна поддерживать весь цикл: от подготовки информационной базы и моделирования до оформления полученных результатов расчетов в согласованном виде выходной продукции. Информационная база АРМ моделирования и мониторинга включает всю информацию, необходимую для расчетов интегральной циркуляции вод: ежемесячные данные по температуре и солености воды на поверхности морей на заданной сетке, реальные поля атмосферного давления, соответствующие тому типу атмосферных процессов, который являлся преобладающим для каждого месяца, функцию стратификации в характерной точке моря (вертикальный профиль плотности на самой глубокой станции).
2.2 Перечень объектов автоматизации
К объектам автоматизации технологии относятся задание параметров задачи, ее начальных и граничных условий, численная модель, адаптированная к условиям акваторий северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морей, а также используемые программные средства, специально разработанные для нужд технологии.
2.2.1 Задание параметров задачи
Параметры задачи объединяются в следующие группы:
- Управляющие параметры.
- Параметры, определяющие граничные условия (рельеф дна и береговой линии, условия на открытой границе.
- Параметры, определяющие начальные условия (параметры для уравнений расчета вспомогательных векторно-скалярных характеристик, вертикальный профиль базовой плотности, поля значений температуры и солености на поверхности, поле атмосферного давления).
Маска сетки специфицирует внутреннюю (расчетную) область, в том числе приграничные узлы у закрытой и открытой границы, границу и районы суши.
2.2.2 Численная модель
Квазигеострофическая модель, реализована в информационно-мониторинговой подсистеме (ИМП), модернизирована и адаптирована для всей северо-западной части Тихого океана.
Диагностические поля, выводимые при интегрировании уравнений модели, включают основные переменные – толщину квазиоднородного слоя, функции тока до глубины 200 м, интегральные функции тока от поверхности до дна, горизонтальные скорости течений.
2.2.3 Программные средства технологии
2.2.3.1 Коммерческие программные продукты
Коммерческие программные продукты, используемые в технологии АРМ «Интегральная квазигеострофическая модель» (помимо операционной системы) включают в себя:
- операционную систему Windows со стандартными приложениями;
- комплект приложений Microsoft Office;
- программный пакет Golden Software Surfer
2.2.3.2 Специально разработанные программные продукты
Программный комплекс, реализующий применяемую модель, выполнен на языке программирования Турбо – Паскаль 7.0 без использования операторов, специфичных для каких-либо операционных систем или сред разработки, и может применяться на ПК с операционной системой DOS или MS Windows-98 и выше.
2.3 Перечень функций, реализуемых технологией
Основные виды функциональной деятельности в рамках технологии:
1. Подготовка информационной базы.
2. Производство расчетов термодинамических характеристик.
3. Визуализация полученных результатов и контроль их качества.
4. Оформление полученных результатов в согласованном виде выходной продукции.
5. Архивация исходных данных и полученных результатов расчетов.
6. Размещение результатов в Интернете.
Результаты применения технологии формируются в виде информационного блока мониторинга динамических процессов на акватории Японского моря в задержанном режиме и размещаются в разделе сайта http://*****/climate/monitor/ в виде автономного приложения.
3. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
3.1 Алгоритмические решения
Одной из важных задач рассматриваемой технологии является определение пространственного распределения течений и полей температуры, солености, плотности в режиме мониторинга и прогноза для различных морских и океанических регионов, в том числе и в многосвязных областях, имеющих жидкие границы. Решение этой задачи возможно с использованием математической модели, основанной на принципах автомодельности второго рода и учитывающей пространственное распределение плотности воды, атмосферное воздействие, рельеф дна, очертания береговой линии и водообмен через проливы. Васильевым (ГОИН) [3] на основе работ , , квазигеострофическая модель, реализована в информационно-мониторинговой подсистеме (ИМП), модернизирована и адаптирована для дальневосточных морей и всей северо-западной части Тихого океана. В качестве функции, обладающей естественной автомодельностью (подобие вертикального распределения), используется изменение плотности морской воды по глубине. Для расчетов используется сетка с переменным шагом и стандартные горизонты по вертикали. Скорости течения определяются по явным формулам после решения задачи относительно функции тока. Характеристики динамического воздействия атмосферы на поверхность моря рассчитываются на основе полуэмпирических соотношений. Расходы в проливах задаются по известным оценкам. Реализация модели осуществляется с помощью метода минимальных невязок.
3.2 Общая схема функционирования технологии
АРМ состоит из нескольких функциональных блоков: блока подготовки и накопления необходимой для расчетов информации; блока пpедназначенного для pасчета полей ветpа и его тангенциального напpяжения, коэффициента обмена количеством движения на повеpхности моpя, глубины поверхностного одноpодного слоя моpя, веpтикальной составляющей скоpости течения на глубине одноpодного слоя моpя, теплосодеpжания одноpодного слоя и теплопеpеноса в нем, вектоpно - скаляных хаpактеpистик полей (завихpенность, якобиан, опеpатоp Лапласа, гpадиенты), где синтезиpуется инфоpмация по теpмогидpодинамическим хаpактеpистикам повеpхностного одноpодного слоя; блока для pасчета изменчивости основных физических полей по веpтикальной кооpдинате в узлах pасчетной сетки, подготовки интегpальной инфоpмации внутpи и на гpанице области и pасчета интегpальной функции тока, где рассчитываются поля зональных и меpидиональных составляющих скоpости течения по глубине и функции тока по отдельным составляющим. В результате адаптации модели к региональным условиям Берингова, Охотского морей и всей северо-западной части Тихого океана подготовлены блоки первоначальной загрузки и архивы исходной информации, основанный на новой версии интегрированной БД ТОИ (данные по температуре и солености на поверхности в 1/4º квадратах). В архивы исходной информации вошли: поля температуры и солености воды на поверхности океана, систематизированные данные по атмосферной циркуляции, вертикальные профили плотности морской воды для различных сезонов года.
3.3 Программы, реализующие технологию
Программа MONI предназначена для расчета полей ветра и его тангенциального напряжения, коэффициента обмена количеством движения на поверхности моря, глубины однородного слоя моря, вертикальной составляющей скорости течения на глубине однородного слоя и теплопереноса в нем, векторно-скалярных характеристик полей (завихренность, якобиан, оператор Лапласа, градиентов).
Все эти поля рассчитываются по полуэмпирическим соотношениям и служат для определения начальных или граничных условий для решения термодинамических задач. Минимальным количеством входных полей для решения этой задачи являются поля атмосферного давления, температуры и солености поверхности моря. Пpогpамма MONI синтезиpует инфоpмацию по теpмогидpодинамическим хаpактеpистикам повеpхностного одноpодного слоя.
Программа TOCHKA предназначена для расчета основных физических полей региона по вертикальной координате в узлах расчетной сетки и подготовки интегральной информации внутри и на границе области для следующей программы POLE, служащей для расчета функций тока.
Программа TOCHKA синтезирует информацию 13 полей на формате области и 2 поля зональных и меридиональных составляющих скорости по вертикальной оси.
Программа POLE предназначена для решения 4-х мерных задач термодинамики моря методами релаксации, расщепления и прогонки. Производятся вычисления функции тока в однородном слое моря, функции тока до глубины 200 м и интегральная функция тока (от поверхности до дна), а также вертикальная структура полей течения, температуры, солёности и плотности. Входной информацией для расчетов являются вектора, получаемые в программе TOCHKA.
Блок-схема программного комплекса, реализующего АРМ моделирования, представлена на рисунках 1 и 2:
Рис. 1. Программа MONI [3].
Рис. 2. Программа TOCHKA [3].
4 Описание применения
4.1 Технологический процесс АРМ
Весь технологический процесс АРМ «Интегральная квазигеострофическая модель» представляется в программе в виде цепочки выполняемых в интерактивном режиме функций технологии:
4.2 Условия применения
Обязательными условиями применения технологии АРМ «Интегральная квазигеострофическая модель» являются:
- наличие действующих составляющих технологии;
- наличие необходимых информационных ресурсов:
- соответствие поставленной пользователем задачи функциональности технологии.
5 Документация технологии
Подготовлены три документа содержащие описание самостоятельных составных частей «Технологии диагностики и моделирования процессов и термодинамических структур для дальневосточных морей».
Эти документы содержат общие сведения о построении технологий, ее составляющих, методах и средствах функционирования и краткое руководство пользователю. Они предназначены для использования в ТОИ ДВО РАН, являющимся организацией - поставщиком данных и информации в ЕСИМО.
6 РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
Программный комплекс, реализующий применяемую модель, выполнен на языке программирования Турбо – Паскаль 7.0 без использования операторов, специфичных для каких-либо операционных систем или сред разработки, и может применяться как на ПК с операционной системой DOS или MS Windows-98 и выше. Каких-либо средств распараллеливания в применяемой версии не предусмотрено. Загрузочный модуль для ПК под управлением Windows выполнен в виде приложения DOS и в среде Windows может выполняться в так называемом «окне DOS».
Входные и выходные данные специфицированы в описании информационной базы разделе 2. Рекомендуется выполнение загрузочного модуля из того директория (папки), где находятся файлы с входными параметрами, маска сетки и массив глубин моря. В эту же папку выводятся диагностические поля.
СПИСОК ИСПОЛЬЗованных ИСТОЧНИКОВ
1. Документация на информационные технологии ЕСИМО. Требования к содержанию и оформлению. – Обнинск: ГУ «ВНИИГМИ-МЦД». – 2006. – 35 с
2. Закон РФ «Об интеллектуальной собственности»
3. Васильев прикладной экологии океана. Владивосток; ДВО АН СССР, 19с.
Лист изменений
№ п/п | Дата внесения изменений | Номер раздела, пункта, в который вносится изменение | Номер страницы, на которой вносится изменение | Содержание внесенного изменения | Подпись | Должность, Ф. И.О. |
