Информационно-вычислительная система для коллективного исследования проблем атмосферного пограничного слоя с использованием вычислительного кластера
Об электронном образовательном ресурсе
Электронный образовательный ресурс «Информационно-вычислительная система для коллективного исследования проблем атмосферного пограничного слоя с использованием вычислительного кластера» разработан коллективом Томского государственного университета в рамках инновационной образовательной программы ТГУ, осуществляемой по Национальному проекту «Образование» и включающей разработку комплекта учебно-методических материалов в сетевой и локальной версиях для программ дополнительного образования и повышения квалификации специалистов образовательных учреждений. Электронный образовательный ресурс может рассматриваться как учебно-методический материал для проведения виртуального лабораторного практикума по метеорологии и, вместе с тем, как один из компонентов учебно-методических комплексов, направленных на изучение методов математического моделирования и суперкомпьютерной вычислительной техники для решения задач науки и техники. Обучение с использованием предлагаемого электронного образовательного ресурса рассчитано на 40 часов практических занятий с преподавателем как очно, так и с использованием технологий дистанционного обучения.
Цели и задачи ЭОР
Основная цель ЭОР заключается в обеспечении подготовки специалистов, владеющих современными методами исследования и прогноза погоды с использованием суперкомпьютерной вычислительной техники.
Основными объектами изучения являются:
– прилегающий к поверхности Земли слой атмосферы и его взаимодействие с земной поверхностью;
– модели и методы компьютерного моделирования погодных условий над выбранной территорией.
Электронный лабораторный практикум базируется на теоретических знаниях и практических навыках, полученных после усвоения следующих дисциплин:
- общая физика, в том числе физика атмосферы;
- высшая математика;
- информатика;
- динамическая метеорология;
- численные методы решения задач геофизической гидродинамики;
- численные методы анализа и прогноза погоды;
- геоинформационные системы и технологии;
- синоптическая метеорология;
- климатология.
В результате обучения слушатели должны получить представление:
– о современных подходах и математических моделях для исследования мезомасштабных метеорологических процессов, численных методах и структуре суперкомпьютерной вычислительной техники, необходимой для осуществления оперативного прогноза погоды;
– об основных моделируемых метеорологических элементах и способах их графического представления;
– об основных приемах модельного диагноза опасных погодных ситуаций и явлений;
– о проведении анализа метеорологических явлений с использованием карт, полученных в результате компьютерного моделирования.
Изучив курс, слушатели должны выработать навыки:
– использования современных мезомасштабных метеорологических моделей для исследования и прогноза погоды;
– по анализу, оценке обстановки и принятию решения по результатам компьютерного моделирования.
Структура комплекта учебно-методических материалов
1. Электронное учебное пособие, включающее:
– теоретический материал;
– руководство для пользователей;
– комплект виртуальных лабораторных работ и задания для самоконтроля.
Сведения об авторах электронного образовательного ресурса
Старченко Александр Васильевич – заведующий кафедрой вычислительной математики и компьютерного моделирования ТГУ, д.ф.-м.н., профессор.
Барашкова Надежда Константиновна – доцент кафедры метеорологии и климатологии ТГУ, к.г.н., доцент.
Беликов Дмитрий Анатольевич – ассистент кафедры вычислительной математики и компьютерного моделирования ТГУ, к.ф.-м.н.
Вражнов Денис Александрович – младший научный сотрудник лаборатории высокопроизводительных вычислений ТГУ.
Кижнер Любовь Ильинична – доцент кафедры метеорологии и климатологии ТГУ, к.г.н., доцент.
Лаврентьев Николай Александрович – младший научный сотрудник Института атмосферной оптики СО РАН.
Обязательный теоретический минимум знаний, необходимый для выполнения лабораторного практикума.
Введение
1. Термодинамика атмосферы
1.1 Первое начало термодинамики, условие квазистатичности. Уравнение Майера. Адиабатический процесс, уравнение Пуассона.
1.2 Сухоадиабатический градиент. Понятие о политропическом процессе. Потенциальная температура. Устойчивость атмосферы.
1.3 Влажноадиабатический процесс и первое начало термодинамики для него. Влажноадиабатический градиент. Уровень конденсации, понятие о псевдоадиабатическом процессе. Псевдоэквивалентная и псевдопотенциальная температура. Понятие о консервативности характеристик.
2. Уравнения гидротермодинамики атмосферы и общие вопросы
2.1 Гипотеза сплошности. Уравнение неразрывности. Понятие о крупномасштабном движении
2.2 Уравнения движения свободной атмосферы в локальной декартовой системе координат. Уравнение баланса любой субстанции. Система уравнений гидротермодинамики атмосферы как идеальной жидкости и проблемы ее замыкания. Турбулентность в атмосфере, число Рейнольдса. Градиентное число Ричардсона. Уравнения движения турбулентной атмосферы.
3. Пограничный слой атмосферы и мезометеорологические процессы
3.1 Планетарный пограничный слой (ППС) и нижний приземный подслой атмосферы, слой Экмана. Уравнения движения атмосферы в ППС. Вертикальное распределение ветра с высотой в пограничном слое.
3.2 Общая характеристика и классификация мезометеорологических процессов. Система уравнений гидротермодинамики для мезомасштабных процессов. Трансформация воздуха под влиянием подстилающей поверхности. Теория суточного хода метеорологических элементов в пограничном слое.
4. Приземный слой атмосферы и его взаимодействие с подстилающей поверхностью
4.1 Основные понятия о турбулентности. Путь смешения, напряжение турбулентного трения, динамическая скорость, коэффициенты турбулентной диффузии и обмена, их соотношения с молекулярными.
4.2 Вертикальное распределение метеорологических элементов в приземном слое атмосферы. Потоки тепла, влаги и количества движения. Их представление в виде функций осредненных параметров и пульсаций.
4.3 Расчет потоков количества движения, тепла, влаги в приземном слое. Тепловой баланс деятельной поверхности, теплообмен ее с атмосферой. Потоки тепла, в почву и водную толщу. Соотношение различных видов теплообмена. Формирование вертикальных профилей температуры в пограничном слое атмосферы с учетом притока радиационного, явного и скрытого тепла, на различных уровнях.
5. Технологии параллельных вычислений
Назначение и области применения высокопроизводительной вычислительной техники. Современная классификация суперкомпьютеров. TOP-500. Обоснование перспективности наращивания мощности ВВС. Закон Гроша. Закон Мура. Вычислительный кластер Томского государственного университета, его характеристики.
Архитектура высокопроизводительных ЭВМ. Классификация Флинна. Элементы архитектуры параллельных компьютеров. Конвейерная обработка данных. Связь между элементами параллельных вычислительных систем. Топология ВС. Масштабируемость.
Последовательная и параллельная модели программирования. Параллелизм данных, параллелизм задач. Основные понятия и способы измерения параллелизма. Закон Амдала.
Обзор численных методов решения задач метеорологии и способах их параллельной реализации на суперкомпьютерах.
Содержание электронного образовательного ресурса
1.1 Мезомасштабная модель пятого поколения MM5
1.2 Модель для исследования и прогноза погоды WRF
2. Работа с мезомасштабными моделями MM5 и WRF на портале АТМОС2.2 Технология вложенных расчетов
2.3 Картографические проекции и коэффициенты масштаба карты
2.5.1 Меню подготовки геоданных и расчетной сетки
2.5.2 Меню задания размеров и расположения вложенных областей
2.7 Визуализация результатов моделирования
3. Схемы параметризации в модели MM53.1 Описание микрофизики влаги
3.4 Параметризация излучения в атмосфере
3.5 Параметризация подстилающей поверхности
4. Схемы параметризации модели WRF.4.1 Описание микрофизики влаги
4.3 Параметризация длинноволнового излучения в атмосфере
4.4 Параметризация коротковолнового излучения в атмосфере
4.5 Параметризация подстилающей поверхности
4.6 Параметризация планетарного пограничного слоя
5. Лабораторная работа № 1. Анализ ситуации развития циклона в районе г.Томска в зимний период.5.3 Анализ случая прохождения циклона в районе г.Томска 7 декабря 2001г.
5.4 Давление на уровне моря в течение суток 7 декабря 2001г.
5.5 Температура воздуха на высоте 2 м в течение суток 7 декабря 2001г.
5.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 7 декабря 2001г.
5.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 7 декабря 2001г.
5.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 7 декабря 2001г.
5.9 Явный поток тепла в течение суток 7 декабря 2001г.
5.10 Суммарная облачная влага в течение суток 7 декабря 2001г.
5.11 Осаждаемая влага (осадки) в течение суток 7 декабря 2001г.
6. Лабораторная работа № 2. Анализ ситуации развития антициклона в зимний период в районе г. Томска.6.2 Общие сведения об антициклонах
6.3 Анализ ситуации развития антициклона в районе г.Томска 30 декабря 2000г.
6.4 Давление на уровне моря в течение суток 30 декабря 2000г.
6.5 Температура воздуха на высоте 2м в течение суток 30 декабря 2000г.
6.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 30 декабря 2000г.
6.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 30 декабря 2000г.
6.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 30 декабря 2000г.
6.9 Явный поток тепла в течение суток 30 декабря 2000г.
6.10 Суммарная облачная влага в течение суток 30 декабря 2000г.
6.11 Осаждаемая влага (осадки) в течение суток 30 декабря 2000г.
7. Лабораторная работа № 3. Анализ ситуации экстремально теплой погоды в районе г.Томска.7.2 Общие сведения о температурном режиме г.Томска
7.3 Анализ ситуации экстремально теплой погоды в районе г.Томска 22 мая 1999г.
7.4 Давление на уровне моря в течение суток 22 мая 1999г.
7.5 Температура воздуха на высоте 2м в течение суток 22 мая 1999г.
7.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 22 мая 1999г.
7.7 Ветер на высоте 10м течение суток 22 мая 1999г.
7.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 22 мая 1999г.
7.9 Явный поток тепла в течение суток 22 мая 1999г.
7.10 Суммарная облачная влага в течение суток 22 мая 1999г.
8. Лабораторная работа № 4. Анализ ситуации экстремально холодной погоды в районе г.Томска.8.3 Анализ ситуации экстремально холодной погоды в районе г.Томска 4 января 2000г.
8.4 Давление на уровне моря в течение суток 4 января 2000г.
8.5 Температура воздуха на высоте 2м в течение суток 4 января 2000г.
8.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 4 января 2000г.
8.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 4 января 2000г.
8.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 4 января 2000г.
8.9 Явный поток тепла в течение суток 4 января 2000г.
8.10 Осаждаемая влага (осадки) в течение суток 4 января 2000г.
9. Лабораторная работа № 5. Тепловой баланс подстилающей поверхности.9.2 Общие сведения о тепловом балансе
9.3 Анализ ситуации в районе г.Томска 22 мая 1999г.
9.4 Восходящая длинноволновая радиация в течение суток 22 мая 1999г.
9.5 Восходящая коротковолновая радиация в течение суток 22 мая 1999г.
9.6 Нисходящая длинноволновая радиация в течение суток 22 мая 1999г.
9.7 Нисходящая коротковолновая радиация в течение суток 22 мая 1999г.
9.8 Скрытый поток тепла в течение суток 22 мая 1999г.
9.9 Явный поток тепла в течение суток 22 мая 1999г.
10. Лабораторная работа № 6. Анализ ситуации возникновения заморозков в районе г.Томска.10.2 Общие сведения о заморозках
10.3 Анализ ситуации возникновения заморозков в районе г.Томска 11 мая 2000г.
10.4 Давление на уровне моря в течение суток 11 мая 2000г.
10.5 Температура воздуха на высоте 2м в течение суток 11 мая 2000г.
10.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 11 мая 2000г.
10.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 11 мая 2000г.
10.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 11 мая 2000г.
10.9 Явный поток тепла в течение суток 11 мая 2000г.
10.10 Облачная влага (осадки) в течение суток 11 мая 2000г.
11. Лабораторная работа № 7. Анализ ситуации снегопада в районе г.Томска.11.2 Общие сведения об осадках
11.3 Анализ ситуации снегопада в районе г.Томска 6 февраля 2000г.
11.4 Давление на уровне моря в течение суток 6 февраля 2000г.
11.5 Температура воздуха на высоте 2м в течение суток 6 февраля 2000г.
11.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 6 февраля 2000г.
11.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 6 февраля 2000г.
11.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 6 февраля 2000г.
11.9 Явный поток тепла в течение суток 6 февраля 2000г.
11.10 Суммарная облачная влага в течение суток 6 февраля 2000г.
11.11 Осаждаемая влага (осадки) в течение суток 6 февраля 2000г.
12. Лабораторная работа № 8. Анализ условий образования метелей.12.3 Анализ ситуации, связанной с метелью в районе г.Томска 7 декабря 2001г.
12.4 Давление на уровне моря в течение суток 7 декабря 2001г.
12.5 Температура воздуха на высоте 2 м в течение суток 7 декабря 2001г.
12.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 7 декабря 2001г.
12.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 7 декабря 2001г.
12.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 7 декабря 2001г.
12.9 Явный поток тепла в течение суток 7 декабря 2001г.
12.10 Суммарная облачная влага в течение суток 7 декабря 2001г.
12.11 Осаждаемая влага (осадки) в течение суток 7 декабря 2001г.
13. Лабораторная работа № 9. Анализ грозовой ситуации в районе г.Томска.13.2 Общие сведения о конвективных явлениях
13.3 Анализ грозовой ситуации в районе г.Томска 7 мая 2001г.
13.4 Давление на уровне моря в течение суток 7 мая 2001г.
13.5 Температура воздуха на высоте 2 м в течение суток 7 мая 2001г.
13.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 7 мая 2001г.
13.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 7 мая 2001г.
13.8 Температура поверхности в течение суток 7 мая 2001г.
13.9 Явный поток тепла в течение суток 7 мая 2001г.
13.10 Суммарная облачная влага в течение суток 7 мая 2001г.
13.11 Осаждаемая влага (осадки) в течение суток 7 мая 2001г.
14. Лабораторная работа № 10. Анализ условий образования тумана в районе г.Томска.14.3 Анализ ситуации образования тумана в районе г.Томска 27 июля 2001г.
14.4 Давление на уровне моря в течение суток 27 июля 2001г.
14.5 Температура воздуха на высоте 2м в течение суток 27 июля 2001г.
14.6 Влажность воздуха на высоте 2м в течение суток 27 июля 2001г.
14.7 Ветер на высоте 10м в течение суток 27 июля 2001г.
14.8 Температура подстилающей поверхности в течение суток 27 июля 2001г.
14.9 Явный поток тепла в течение суток 27 июля 2001г.
14.10 Суммарная облачная влага в течение суток 27 июля 2001г.
14.11 Осаждаемая влага (осадки) в течение суток 27 июля 2001г.
ГлоссарийПримечание: для комфортной работы с ЭОР рекомендуется использовать разрешение монитора 1024х768 и выше. Кроме того полная функциональность ресурса тестировалась на браузерах Internet Explorer (6 версии и выше) и Opera (9 версии и выше).