Численное моделирование активных воздействий на облака
|
Содержание 2
Введение 4
Постановка задачи 7
Обзор литературы 8
Глава 1. Способы активных воздействий на облака и методы оценки результатов воздействий 12
1.1. Способы активных воздействий на облака и осадки 12
1.2. Оценка физического эффекта активных воздействий 15
Глава 2. Изучение принципов моделирования процессов в конвективных облаках на примере двумерной модели конвективного облака с подробным описанием микрофизических процессов 17
2.1. Краткое описание модели 18
2.2. Алгоритмы распараллеливания модели и анализ их эффективности 21
2.2.1. Алгоритм распараллеливания по пространству 22
2.2.2. Алгоритм распараллеливания по физическим процессам 24
2.2.3. Алгоритм коллективного решения 25
2.2.4 Сравнение эффективности алгоритмов распараллеливания 27
2.3 Профилирования программного кода модели 32
Глава 3. Разработка концепции построения распределенной вычислительной среды, предназначенной для моделирования результатов воздействий на конвективные облака 35
3.1. Теоретическая основа построения распределенной вычислительной среды «Виртуальное облако» 35
3.2 Структура и принципы реализации «Виртуального облака» 37
Выводы 43
Заключение 45
Список литературы 47
Введение 4
Постановка задачи 7
Обзор литературы 8
Глава 1. Способы активных воздействий на облака и методы оценки результатов воздействий 12
1.1. Способы активных воздействий на облака и осадки 12
1.2. Оценка физического эффекта активных воздействий 15
Глава 2. Изучение принципов моделирования процессов в конвективных облаках на примере двумерной модели конвективного облака с подробным описанием микрофизических процессов 17
2.1. Краткое описание модели 18
2.2. Алгоритмы распараллеливания модели и анализ их эффективности 21
2.2.1. Алгоритм распараллеливания по пространству 22
2.2.2. Алгоритм распараллеливания по физическим процессам 24
2.2.3. Алгоритм коллективного решения 25
2.2.4 Сравнение эффективности алгоритмов распараллеливания 27
2.3 Профилирования программного кода модели 32
Глава 3. Разработка концепции построения распределенной вычислительной среды, предназначенной для моделирования результатов воздействий на конвективные облака 35
3.1. Теоретическая основа построения распределенной вычислительной среды «Виртуальное облако» 35
3.2 Структура и принципы реализации «Виртуального облака» 37
Выводы 43
Заключение 45
Список литературы 47
Под активными воздействиями на облака понимают физико-химическое воздействие на них, осуществляемое либо с целью вызова выпадение осадков либо с целью рассеяния облаков без выпадения осадков, а также для предотвращения образования и выпадения града. В настоящее время механизм таких воздействий преимущественно сводится к изменению фазового состояния облака при «засеве» его некоторыми реагентами, в частности твердой углекислотой и дымом йодистого серебра или йодистого свинца [1-3].
В последнее время для выявления эффекта воздействия все шире применяются численные модели облаков [4,5]. Использование численной модели позволяет, не прибегая к дорогостоящим натурным экспериментам, провести анализ развития облака с наложенным возмущением, проследить влияние различных способов засева, а также метеорологических условий на ход процессов облако- и осадкообразования, выявить параметры, наиболее пригодные для контроля эффекта воздействия.
Непосредственная реализация активных воздействий на облака осуществляется путем их засева кристаллизующими реагентами, доставляемыми либо с помощью самолетов, либо путем «расстрела» облака из градобойных установок. При этом успех воздействия определяется правильным выбором времени и места воздействия. Время воздействия определяется стадией развития облака. Облако должно находиться на стадии своего развития, тогда внесение реагента будет способствовать образованию дополнительных ядер конденсации или льдообразования. Место воздействия определяется высотой, где находится максимальное количество так называемой «переохлажденной» воды, быстрое замерзание которой под воздействием реагента будет способствовать наиболее эффективному процессу осадкообразования.
Наиболее точно время и место воздействия можно определить с помощью численного моделирования. В идеале аэродром, с которого вылетают самолеты, или градобойный отряд должен быть одним из узлов распределенной вычислительной среды, предназначенной для прогнозирования параметров воздействия. Такая вычислительная среда должна содержать распределенную информационную систему, предназначенную для интеграции метеорологической информации о состоянии атмосферы, а также ряд вычислительных узлов, предназначенных для осуществления расчетов по различным моделям облаков, а также блоков для визуализации и интерпретации результатов расчетов.
Для более точного прогнозирования параметров воздействия необходимо использовать несколько типов моделей облаков, различающихся как размерностью, так и детализацией описания процессов осадкообразования. Следует отметить, что если расчеты с помощью «простых» одно и полуторамерных моделей облаков можно реализовать на настольных компьютерах, оснащенных многоядерными процессорами, в течение нескольких минут, то вычисления с помощью двух и трехмерных моделей с подробным описанием микрофизических процессов, требуют мощных многопроцессорных вычислительных систем. Каждый вариант расчета по такой модели может длиться несколько часов.
Создание распределенных вычислительных сред (problem solving environment) является одной из наиболее важных задач в компьютерных науках. Такие среды с использованием высокопроизводительных систем и вычислений разрабатывались, например, для расчетов комплексных химических систем [6], для численного моделирования реакторов плазмохимического осаждения [7], а также моделирования динамики пучков элементарных частиц [8]. Мы предлагаем использовать подход, предложенный в работах [8,9], в которых обсуждается создание, так называемого «Виртуального реактора» - программной среды для моделирования динамики пучков элементарных частиц.
По аналогии с «Виртуальным реактором» такую среду можно назвать «Виртуальное облако». Основная идея концепции этой вычислительной среды заключается в моделировании активного воздействия на конвективное облако с помощью нескольких численных моделей с разной степенью подробности описания динамических и микрофизических характеристик облака. На первом этапе разработки концепции вычислительной среды предполагается использовать двумерную [10] модель облака.
Первая глава настоящей работы рассматриваются различные способы активных воздействий на облака и методы оценки результатов воздействий. Особое внимание уделяется проблеме использования численных моделей для оценки физического эффекта активных воздействий на конвективные облака.
Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с моделированием процессов в конвективных облаках на примере двумерной модели конвективного облака с подробным описанием микрофизических процессов. Анализируются эффективность различных алгоритмов распараллеливания модели, приводятся результаты профилирования программного кода модели.
Третья глава посвящена описанию концепции построения распределенной вычислительной среды «Виртуальное облако», предназначенной для моделирования результатов воздействий на конвективные облака. Обсуждаются теоретические основы построения такой среды, ее Структура и принципы реализации.
В последнее время для выявления эффекта воздействия все шире применяются численные модели облаков [4,5]. Использование численной модели позволяет, не прибегая к дорогостоящим натурным экспериментам, провести анализ развития облака с наложенным возмущением, проследить влияние различных способов засева, а также метеорологических условий на ход процессов облако- и осадкообразования, выявить параметры, наиболее пригодные для контроля эффекта воздействия.
Непосредственная реализация активных воздействий на облака осуществляется путем их засева кристаллизующими реагентами, доставляемыми либо с помощью самолетов, либо путем «расстрела» облака из градобойных установок. При этом успех воздействия определяется правильным выбором времени и места воздействия. Время воздействия определяется стадией развития облака. Облако должно находиться на стадии своего развития, тогда внесение реагента будет способствовать образованию дополнительных ядер конденсации или льдообразования. Место воздействия определяется высотой, где находится максимальное количество так называемой «переохлажденной» воды, быстрое замерзание которой под воздействием реагента будет способствовать наиболее эффективному процессу осадкообразования.
Наиболее точно время и место воздействия можно определить с помощью численного моделирования. В идеале аэродром, с которого вылетают самолеты, или градобойный отряд должен быть одним из узлов распределенной вычислительной среды, предназначенной для прогнозирования параметров воздействия. Такая вычислительная среда должна содержать распределенную информационную систему, предназначенную для интеграции метеорологической информации о состоянии атмосферы, а также ряд вычислительных узлов, предназначенных для осуществления расчетов по различным моделям облаков, а также блоков для визуализации и интерпретации результатов расчетов.
Для более точного прогнозирования параметров воздействия необходимо использовать несколько типов моделей облаков, различающихся как размерностью, так и детализацией описания процессов осадкообразования. Следует отметить, что если расчеты с помощью «простых» одно и полуторамерных моделей облаков можно реализовать на настольных компьютерах, оснащенных многоядерными процессорами, в течение нескольких минут, то вычисления с помощью двух и трехмерных моделей с подробным описанием микрофизических процессов, требуют мощных многопроцессорных вычислительных систем. Каждый вариант расчета по такой модели может длиться несколько часов.
Создание распределенных вычислительных сред (problem solving environment) является одной из наиболее важных задач в компьютерных науках. Такие среды с использованием высокопроизводительных систем и вычислений разрабатывались, например, для расчетов комплексных химических систем [6], для численного моделирования реакторов плазмохимического осаждения [7], а также моделирования динамики пучков элементарных частиц [8]. Мы предлагаем использовать подход, предложенный в работах [8,9], в которых обсуждается создание, так называемого «Виртуального реактора» - программной среды для моделирования динамики пучков элементарных частиц.
По аналогии с «Виртуальным реактором» такую среду можно назвать «Виртуальное облако». Основная идея концепции этой вычислительной среды заключается в моделировании активного воздействия на конвективное облако с помощью нескольких численных моделей с разной степенью подробности описания динамических и микрофизических характеристик облака. На первом этапе разработки концепции вычислительной среды предполагается использовать двумерную [10] модель облака.
Первая глава настоящей работы рассматриваются различные способы активных воздействий на облака и методы оценки результатов воздействий. Особое внимание уделяется проблеме использования численных моделей для оценки физического эффекта активных воздействий на конвективные облака.
Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с моделированием процессов в конвективных облаках на примере двумерной модели конвективного облака с подробным описанием микрофизических процессов. Анализируются эффективность различных алгоритмов распараллеливания модели, приводятся результаты профилирования программного кода модели.
Третья глава посвящена описанию концепции построения распределенной вычислительной среды «Виртуальное облако», предназначенной для моделирования результатов воздействий на конвективные облака. Обсуждаются теоретические основы построения такой среды, ее Структура и принципы реализации.
В данной выпускной квалификационной работе рассматриваются различные способы активных воздействий на облака и методы оценки результатов воздействий. Особое внимание уделяется проблеме использования численных моделей для оценки физического эффекта активных воздействий на конвективные облака.
Рассматриваются вопросы, связанные с моделированием процессов в конвективных облаках на примере двумерной модели конвективного облака с подробным описанием микрофизических процессов. Для более полного понимания структуры модели, её особенностей и формирования представления о возможностях распараллеливания, произведён анализ программы. А именно, изучены блок- схема и код последовательной версии программы. Подробно расписаны три алгоритма распараллеливания для модели конвективного облака, выделены достоинства и недостатки каждого алгоритма, сделан вывод о степени их эффективности. Проведён сравнительный анализ, в результате которого и выявлен наиболее эффективный алгоритм распараллеливания для моделирования конвективного облака.
Описывается концепция построения распределенной вычислительной среды «Виртуальное облако», предназначенной для моделирования результатов воздействий на конвективные облака. Обсуждаются теоретические основы построения такой среды, ее структура и принципы реализации.
Основной целью «Виртуального облака» является проведение вычислительных экспериментов для моделирования оптимальных параметров засева облаков с использованием численных моделей облаков с возможностью сравнения результатов расчетов (различные модели имитируют черты облака с различной степенью детализации). Кроме того, предварительные результаты, полученные с помощью одной модели, могут быть использованы в качестве входных данных для другой, более сложной модели.
Рассматриваются вопросы, связанные с моделированием процессов в конвективных облаках на примере двумерной модели конвективного облака с подробным описанием микрофизических процессов. Для более полного понимания структуры модели, её особенностей и формирования представления о возможностях распараллеливания, произведён анализ программы. А именно, изучены блок- схема и код последовательной версии программы. Подробно расписаны три алгоритма распараллеливания для модели конвективного облака, выделены достоинства и недостатки каждого алгоритма, сделан вывод о степени их эффективности. Проведён сравнительный анализ, в результате которого и выявлен наиболее эффективный алгоритм распараллеливания для моделирования конвективного облака.
Описывается концепция построения распределенной вычислительной среды «Виртуальное облако», предназначенной для моделирования результатов воздействий на конвективные облака. Обсуждаются теоретические основы построения такой среды, ее структура и принципы реализации.
Основной целью «Виртуального облака» является проведение вычислительных экспериментов для моделирования оптимальных параметров засева облаков с использованием численных моделей облаков с возможностью сравнения результатов расчетов (различные модели имитируют черты облака с различной степенью детализации). Кроме того, предварительные результаты, полученные с помощью одной модели, могут быть использованы в качестве входных данных для другой, более сложной модели.
Подобные работы
- Численное моделирование активных воздействий на облака
Бакалаврская работа, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4380 р. Год сдачи: 2016 - МЕЗОМАСШТАБНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМ ОСАДКОВ НА ЮГЕ БРАЗИЛИИ (25.00.30)
Диссертации (РГБ), география. Язык работы: Русский. Цена: 700 р. Год сдачи: 2006 - Мезомасштабная организация и эволюция систем осадков на юге Бразилии
Диссертации (РГБ), агрономия. Язык работы: Русский. Цена: 470 р. Год сдачи: 2006 - МЕЗОМАСШТАБНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМ ОСАДКОВ НА ЮГЕ БРАЗИЛИИ
Диссертация , география. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2006 - ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОЗАПАСА ОБЛАКОВ МКВ МЕТОДОМ В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Магистерская диссертация, математика. Язык работы: Русский. Цена: 5500 р. Год сдачи: 2017 - МЕТОД ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА ПРОВОЛОЧНОГО ЗОНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛООТДАЧИ К ПРЕДЕЛЬНЫМ УГЛЕВОДОРОДАМ С ПРИМЕСЬЮ ВОДЫ
Диссертации (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 4340 р. Год сдачи: 2021 - Математическое моделирование процессов взаимодействия несжимаемой жидкости на деформируемом основании
Магистерская диссертация, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4995 р. Год сдачи: 2019 - Математическое моделирование процессов взаимодействия несжимаемой жидкости на деформируемом основании
Магистерская диссертация, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4910 р. Год сдачи: 2019 - Разработка математической модели "3D цифровой пациент"
Дипломные работы, ВКР, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4770 р. Год сдачи: 2017