УДК 551.46:912:621.38
ЭЛЕКТРОННЫЙ АТЛАС КИНЕМАТИЧЕСКИХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН В МИРОВОМ ОКЕАНЕ1
Д. Ю. Тюгин, О. Е. Куркина, А. А. Куркин
Приведено описание программного обеспечения — электронного атласа по океанографии. Данный продукт содержит набор океанологических данных, рассчитанных на основе международных гидрологических источников (GDEM и ^гОА), и программу визуализации, извлечения и доступа к этим данным. Настоящий атлас востребован и является полезным инструментом как при экспресс-оценках предельных параметров длинных внутренних гравитационных волн в любой акватории Мирового океана, так и при подготовке входных данных для численных моделей. Приведено описание пользовательского интерфейса, предоставляемой функциональности и рассмотрены основные режимы работы.
Ключевые слова: визуализация данных, средства доступа к данным, электронный атлас, разработка программного обеспечения.
Интересным объектом нелинейных волновых движений в прибрежной зоне являются внутренние гравитационные волны (ВГВ). Такие волны влияют на движение подводных аппаратов, распространение акустических сигналов, размывы грунта под нефтяными и газовыми платформами, участвуют в распространении примесей и загрязнений, а также играют важнейшую роль в процессах обмена энергией в океане. Аномально большие внутренние волны представляют опасность для подводной навигации и хозяйственной деятельности человека на шельфе.
ВГВ существуют в океане благодаря его расслоенности по температуре, солености и течению. Поскольку давление морской воды, как и ее плотность, зависит от температуры и солености, то возникают градиенты полей давления в океане, приводящие к процессам крупномасштабной циркуляции как между различными бассейнами (морями и океанами), так и внутри одного бассейна. В результате, вертикальная стратификация вод океана по плот-
1 Представленные результаты поисковой научно-исследовательской работы получены в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 гг, а также при частичной поддержке грантов Президента РФ для молодых российских ученых — докторов наук (МД-99.2010.5) и РФФИ 10 05 00199а.
ности не является однородной в горизонтальных направлениях. То же самое можно сказать и о сдвиговых течениях в океане. С точки зрения теории внутренних волн это проявляется в переменности коэффициентов соответствующих эволюционных уравнений, являющихся кинематическими характеристиками поля внутренних волн, такими как скорость распространения, параметры дисперсии и нелинейности, или так называемыми "коэффициентами окружающей среды" ("environmental coefficients" [1]).
Горизонтальная изменчивость вертикальной стратификации существует везде, но особенно проявляется в шельфовых зонах океана и мелководных бассейнах, где вследствие небольшой глубины велики относительные изменения глубины и стратификации вод. Исследование горизонтальной и сезонной изменчивости гидрологических полей является одной из основных задач океанологии, а "пересчет" этой изменчивости на нелинейные волновые поля является задачей теории волновых движений стратифицированной среды. По существу, основной задачей здесь является разработка карт кинематических и нелинейных параметров длинных внутренних гравитационных волн. Такие карты, построенные на базе различных гидрологических источников, а также средства доступа и визуализации представлены в настоящей работе.
Важной задачей при численном моделировании является задание гидрологических условий, определяющих вариации плотности с глубиной в области вычислений для инициализации численных моделей. Соответствующие данные натурных измерений практически труднодоступны, поэтому могут использоваться либо модельные аналитические профили стратификации, либо данные о температуре и солености из международных гидрологических атласов на некоторой географической сетке.
Что касается последнего подхода, то данные из различных источников могут иметь различное разрешение, быть основаны на различных наборах исходных результатов измерений и иметь разные алгоритмы усреднения и сглаживания.
Таким образом, при численном моделировании волновых явлений перед исследователем возникает ряд дополнительных задач по извлечению и подготовке данных, выборке данных по разрезу или области, предварительного анализа данных, визуализации, получения промежуточных параметров и выбора источника данных.
Для решения этих задач в Нижегородском Государственном Техническом Университете им Р. Е. Алексеева был разработан электронный атлас параметров ВГВ, рассчитанных на базе свободно распространяемых источников данных GDEM и WOA. Подобные продукты, пред-
ставляющие совокупность данных по определенной проблеме океанологии и средств визуализации этих данных, являются на сегодняшний день актуальными и востребованными [2, 3].
WOA [4] (World Ocean Atlas 2005, WOA05) и GDEM [5] (Generalized Digital Environmental Model, GDEM V 3.0) — это массивы усредненных и сглаженных данных натурных измерений температуры, солености и других гидрологических параметров Мирового океана.
Данные WOA представлены на одноградусной и пятиградусной сетках с 33 уровнями глубины (0...5500 м). В атласе были использованы данные о распределении температуры и солености за следующие периоды: июль, январь, лето и зима.
Данные GDEM представлены на четверть-градусной сетке с 78 уровнями глубины (0...9999 м). В ходе работы использовались среднемесячные данные за январь и июль, так как за летние и зимние периоды таких данных в отрытом доступе найдено не было.
Данные GDEM также содержат массивы температуры и солености, однако они разделены на отдельные области, имеющие различное разрешение от 1/2 до 1/6 градуса географической широты/долготы.
Все данные находятся в свободном доступе и постоянно обновляются [6—9], что позволяет также отслеживать глобальные изменения [10, 11].
На основе указанных климатических атласов распределений температуры и солености были рассчитаны карты кинематических и нелинейных параметров длинных внутренних гравитационных волн в рамках обобщенного уравнения Кортевега-де-Вриза [12, 13]. При вычислении параметров данного уравнения также рассчитывается плотность морской воды. Просмотр профилей плотности в точках также представляет интерес, поэтому эти данные были интегрированы в атлас.
Разработанный атлас содержит данные следующих характеристик вод Мирового океана и ВГВ: глубина; фазовая скорость; дисперсия; коэффициент кубической нелиней-
ности; коэффициент квадратичной нелинейности; профили плотности.
Для построения детализированной береговой линии был использован атлас батиметрии GEBCO [14]. В версии атласа 2005 г. имеется достаточно высокое разрешение, порядка 1/60 град. географической широты/долготы, тем не менее, для качественной визуализации данных достаточно 1/10 град. Поэтому атлас батиметрии был переработан в более низкое разрешение, что позволило уменьшить объем необходимых данных, требуемое количество оперативной памяти при использовании данного программного обеспечения и повысить скорость загрузки.
Полученные данные были преобразованы во внутренний формат хранения, оптимизированный для быстрого доступа и загрузки данных. Для хранения таких многомерных (широта, долгота, глубина) данных как плотность, которые уже нельзя полностью загрузить в оперативную память, требуется некоторая функциональность по быстрому доступу к данным на жестком диске. В таком случае можно использовать базу данных. Однако базы данных — это более сложные программные компоненты, которые требуют набора дополнительных библиотек, а иногда и установки сервисов на компьютере пользователя. К тому же они содержат более мощную функциональность, чем требуется в данном случае, и для высокого быстродействия требуют тонкой настройки. Поэтому в данном про-
граммном обеспечении был создан ряд компонентов для быстрого доступа к данным на основе файловой системы.
Данные хранятся в бинарном виде в нескольких файлах, содержащих информацию о численных значениях параметров и индексов. При загрузке в память загружается только таблица индексов, которая по объему в разы меньше численных данных. Такого рода данные используются для визуализации распределения в толще воды, вдоль разреза. Таким образом, никогда не требуется загружать все точки, выборка данных вдоль разреза составляет не более 5 % от общего числа данных.
Пользовательский интерфейс атласа реализован с использованием передовых технологий в построении графического интерфейса. В качестве средства разработки была выбрана кроссплатформенная библиотека Qt [15]. Данный набор программных компонентов является объектно-ориентированным [16, 17], легко расширяемым и удобным в применении инструментом, является основой для тысяч успешных приложений по всему миру и применяется в таких крупных компаниях, как AT&T, NASA, IBM. Благодаря этому использование атласа не ограничено одной операционной системой, что актуально в связи с распространением и популяризацией бесплатных операционных систем Linux. Реализация приложения на высокоуровневом языке С++ позволила достичь максимального быстродействия всей системы. Об-
Рис. 1. Вид пользовательского интерфейса электронного атласа
щий вид окна приложения представлен на рис. 1.
Электронный атлас позволяет отображать параметры ВГВ в виде карт. При выборе интересуемого параметра на панели инструментов происходит преобразование значений в данные о цвете на основе предварительно заданной цветовой схемы. Для создания и редактирования таких схем был разработан ряд программных компонентов, интуитивно понятных и удобных в использовании.
Пользовательский интерфейс также содержит панель инструментов и область вывода значений в точке. При выборе отдельной точки на карте числовые значения всех параметров выводятся в таблицу для просмотра. В случае с трехмерными данными по двойному клику на карте выводится диалог с графиком профиля, например плотности, который в дальнейшем можно сохранить в виде картинки формата PNG, либо текстовый файл с опорными точками значений рассма
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.