ВВЕДЕНИЕ 4
1. Анализ предметной области 7
1.1. Общие сведения о модели WRF ARW 7
1.2. Структура модели 8
2. РЕДАКТИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ
ЛАНДШАФТОВ 13
2.1. Задачи редактора ландшафтов 13
2.2. Способы редактирования 14
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММЫ 15
4.1. Требования к разрабатываемой программе 15
4.2. Диаграмма вариантов использования 15
4.3. Спецификации вариантов использования 16
5. ТЕСТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ 22
5.1. Выбор средств разработки 22
5.2. Реализация программы 22
5.3. Функциональное тестирование 27
7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 29
7.1. Процесс работы с моделью WRF 29
7.2. Численный эксперимент 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40
ЛИТЕРАТУРА 41
ПРИЛОЖЕНИЕ 45
Приложение 1 45
Приложение 2 48
Актуальность исследования
Математическое моделирование атмосферных процессов широко используется в практике прогнозирования погоды и климатических изменений. Неотъемлемой частью моделей погоды и климата являются глобальные данные о свойствах подстилающей поверхности. Эти данные используются в численных моделях для расчета обмена земной поверхности с атмосферой теплом, влагой и количеством движения.
Современные глобальные базы данных по свойствам подстилающей поверхности получены в основном с помощью спутниковых наблюдений и имеют различное пространственное разрешение, различаются по количеству классов ландшафтов и растительного покрова. В связи с наблюдаемым в последние десятилетия изменением климата и вследствие активной хозяйственной деятельности происходит значительное изменение ландшафтов и типов подстилающей поверхности, что необходимо учитывать при моделировании.
Для изучения последствий таких изменений в масштабе отдельных территорий и регионов, их влияния на локальный климат, прогнозирование влияния планируемой хозяйственной деятельности на ландшафты с использованием численного моделирования требуется возможность вносить изменения в характеристики подстилающей поверхности.
В качестве модели в численных экспериментах специалистами в области метеорологии и климатологии широко используется Weather Research and Forecasting Model (WRF). Модель разрабатывается сообществом научных организаций США, в том числе Национальным центром атмосферы и океана, национальным центром атмосферных исследований. Модель Weather Research and Forecasting представляет собой целое семейство численных моделей прогноза погоды, которые могут быть использованы как для прогнозирования состояния атмосферы, так и для научных исследований.
Модель представляет собой систему модулей: модуль подготовки начальных и граничных данных (WRF Preprocessing System), решающее ядро (Advanced Research WRF), модуль постпроцессинга (WRF Postprocessing System).
Основная часть модели реализована на языке F ortran с использованием библиотеки MPI. Модули для работы с данными написаны на языке C. Модель доступна в виде исходных кодов и докер образа.
В данной работе используется модель Advanced Research Weather Research and Forecasting (ARW) версии3.4.
Модель WRF можно использовать не только для проведения анализа данных, но и в экспериментах. Для этого требуется правильным образом изменить входные данные для модели.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является создание редактора, который бы позволял произвести подготовку данных о свойствах подстилающей поверхности, классах ландшафтов, требующихся для запуска модуля программы WPS (WRF Processing System).
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
1) изучение методической документации модуля WRF Preprocessing System (WPS);
2) изучение подходов к редактированию типов природных и антропогенных ландшафтов в WPS;
3) создание модели приложения ;
4) проведение численного эксперимента.
Структура и объем работы
Дипломная работа состоит из введения, семи основных глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 49 страниц; список литературы содержит 35 библиографических наименований.
Обзор работы
Введение состоит из 4-x частей: «Актуальность исследования», «Цель и задачи работы», «Структура и объем работы» и «Обзор работы».
Первая глава, «Анализ предметной области», содержит описание предметной области, а также существующие на сегодняшний день проблемы и обозревает существующие решения.
Вторая глава, «Редактирование природных и антропогенных ландшафтов», содержит описание задач требующих редактирования ландшафтов.
Третья глава, «Проектирование программы» содержит описание функционала, свойств и характеристик, которыми должна обладать разрабатываемая программа, а также описание средств, используемых при реализации программы.
Четвёртая глава, «Тестирование и реализация», содержит описание процесса разработки программы, а также набор тестов, проверяющих работоспособность основного функционала программы.
Пятая глава, «Экспериментальная часть», содержит описание процесса работы с моделью WRF, а также описание численного эксперимента.
В заключении описаны основные результаты, полученные при выполнении дипломной работы.
Целью данной работы было создание Редактора, который бы позволял произвести подготовку данных о свойствах подстилающей поверхности, классах ландшафтов необходимых для запуска модуля программы WPS (WRF Processing System).
В ходе проведенной научно -исследовательской работы эта цель работы была достигнута, что подтверждается решением следующих задач:
1) изучена методическая документация WRF Preprocessing System (WPS);
2) изучены подходы к редактированию типов природных и антропогенных ландшафтов в WPS и выбраны алгоритмы редактирования;
3) разработана и прошла тестирование программа подготовки входных данных для программы geogrid модуля WPS (WRF Preprocessing System);
4) проведен численный эксперимент демонстрирующий, что модель WRF ассимилирует измененные в Редакторе ландшафты и чувствительна к этим изменениям.
В перспективе созданное приложение поможет эффективно использовать модель WRF для исследования влияния трансформации ландшафта Челябинской области на окружающую среду.
