УДК 551.501.816:551.510.532
Программная система обработки данных лидарного зондирования стратосферы
И. В. Бойченко*, М. Ю. Катаев*, В. Н. Маричев**
Описывается концепция и реализация программной системы ЫОЬ8А, предназначенной для моделирования и обработки данных лидарного зондирования стратосферы в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах. Приводится описание структуры программной системы, включающей блоки моделирования и обработки данных лидарных сигналов (восстановление профилей концентрации озона, температуры и отношения аэрозольного рассеяния), а также результаты применения программной системы для обработки данных лидарной станции в г. Якутск.
Введение
В последние годы активно обсуждаются проблемы, связанные с вопросами изменения климата на глобальном и локальном уровнях. Вопросы о влиянии человеческого фактора на климатическую систему, построения климатических, газовых или аэрозольных пространственно-временных моделей требуют развития сети как наземных, так и космических служб слежения за атмосферой в масштабах Земли [6, 7]. Мероприятия по сбору огромного количества данных приводят к необходимости развития не только технической стороны решения, но и методологической, алгоритмической и связанной с ней программной.
Последние два десятка лет отмечаются повсеместным внедрением компьютерной техники в науку и повышением ее потребительских качеств, таких как скорость, объем постоянной и оперативной памяти, а также возможность высококачественного отображения информации. Поэтому, на наш взгляд, завершающим звеном в развитии автоматизации эксперимента и применения математических методов является развитие программных средств. Программные средства должны нести основную нагрузку в обработке и моделировании эксперимента, а также быть связующим звеном между теоретиками, разработчиками методов обработки и моделей физических процессов и экспериментаторами. Разработка программных средств является самостоятельной и непростой задачей, так как в рамках одного пакета программ необходимо связывать разнообразные потоки данных, математические методы и физические модели.
* Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.
** Институт оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук.
Одним из способов получения информации практически о всей толще атмосферы с минимальным временем измерений является лидарный способ [8, 10, 11]. Ранее была разработана программа ODRIS [2, 4], предназначенная для хранения и обработки лидарных данных. Однако задачи экспериментатора в лидарном зондировании постоянно расширяются путем внедрения новой техники и др., что заставляет проводить соответствующие модельные оценки, и такие возможности уже должны быть заложены в программном обеспечении (опережающее развитие).
Моделирование потенциальных возможностей лидарного зондирования атмосферы имеет историю более 40 лет. Одна из первых работ в этом направлении появилась в 1975 г. [14]. До этого времени моделирование проводилось специализированными программами, которые имели небольшое распространение и узкую направленность. Разработанные в последнее время технологии программирования (JA/SD, CASE и др.) и возросшие возможности языков программирования (переход на объектно-ориентированную парадигму [1]) позволяют в настоящее время создавать программное обеспечение высокого уровня [3, 5, 12].
На основе современных представлений о физических особенностях распространения лазерного излучения в атмосфере, знаний о составе и параметрах лидарных устройств и методах решения обратных задач разработана программная система MOLSA (Model Lidar Sounding of Atmosphere). Она разрабатывалась на основе накопленных замечаний к программе OD-RIS [2, 4] и включала задачи моделирования лидарных сигналов; моделирования погрешности зондирования атмосферных параметров; решение обратной задачи, включая восстановление профилей концентрации газов, температуры и аэрозольного отношения рассеяния; подключения известных метеорологических баз данных, позволяющих учитывать специфику географической точки расположения лидара, и обработку единым образом выбранной последовательности измерений.
Далее описывается программная система MOLSA, ее структура, методическое наполнение и приложение к некоторым задачам.
Программная система MOLSA
Одной из основных проблем при создании программного обеспечения для научных исследований является постоянная потребность внесения изменений в алгоритмы обработки экспериментальных данных и число самих алгоритмов при сохранении пользовательского интерфейса. Принятые при проектировании и создании программной системы MOLSA архитектурные решения позволяют минимизировать влияние изменений в алгоритме на остальную структуру системы. В результате применения объектно-ориентированной парадигмы алгоритм обработки данных инкапсулирован в отдельную систему, связанную с уровнем графического интерфейса пользователя и базой данных строго описанным интерфейсом. Строится графический интерфейс по принципу список — браузер. Доступ к данным и параметрам проекта осуществляется с помощью объекта (списка), а сами данные отображаются в отдельном окне (браузере). При добавлении новых этапов обработки данных или модификации алгоритма изменения коснутся содержимого списка и представления данных (набор текстовых
Рис. 1. Функциональная структура программы МОЬ8Л.
полей и кнопок) отдельного этапа. Способ работы с системой для пользователя останется неизменным.
МОЬ8Л позволяет работать в режиме создания проектов. Проект — это исходные данные, последовательность применяемых методов, параметров и результатов обработки данных измерений, представленных в табличном или графическом виде. Число созданных проектов зависит от ресурсов вычислительной системы пользователя. Программа МОЬ8Л работает начиная с 2001 г. в Институте оптики атмосферы СО РАН, на станции лидарно-го зондирования.
Общая функциональная структура программы приведена на рис. 1. Видно, что программа позволяет рассчитывать модельный лидарный сигнал на основе заданной априорной информации о вертикальной структуре метеовеличин (температура и давление), концентраций газов (8О2, О3, КО2) и ослаблении аэрозоля для таблично заданных длин волн. Далее рассчитанный сигнал может быть обработан для восстановления информации о профиле концентрации озона, температуры или отношения аэрозольного рассеяния. Пользователь имеет возможность проводить сравнение (как графическое, так и табличное) результатов работы программы с данными используемого проекта, других проектов или результатами других программ.
Внешний вид программы приведен на рис. 2: справа основные этапы блока моделирования, следующий — блок обработки данных. Каждый блок разделен на этапы. Этап — это функционально независимая программа, от решения которой зависит последующий блок. Такое разделение программы позволяет добиться определенной гибкости при вычислениях, особенно повторных, когда сокращаются расчеты на начальных этапах работы программы. На этом же рисунке показаны результаты работы программы в табличном и графическом видах.
Методики восстановления профилей концентрации озона, температуры и отношения аэрозольного рассеяния
Определение вертикального профиля содержания газа (в нашем случае озона) из лидарных эхо-сигналов, полученных с помощью двухволнового лидара, сводится к задаче дифференцирования функции /(г) [8, 10, 11]:
Рис. 2. Основные рабочие окна программной системы МОЬ8Л.
В левом верхнем углу — окно моделирования лидарного сигнала (прямая задача), справа от него — окно обработки лидарного сигнала (обратная задача), а также табличная и графическая формы представления результатов моделирования.
1
Дг) = 21п
N 0Л г)
Т (г) = -1п 2
N оп( г)
Р оп( г )
+ Т (г),
чР ой ( г ).
- (Т оп( г) - Х ой- ( г))
(1)
где N0ff — зарегистрированные с высоты г эхо-сигналы на длинах волн соответственно ^оп и Роп, Ройй— коэффициенты обратного рассеяния на соответствующих длинах волн; топ, тойй — оптические толщи соответственно молекулярного рассеяния и аэрозольного ослабления.
В (1) предполагается, что величины и Ыойй очищены от сигналов фонового излучения атмосферы. Функция Т(г) задается из модельных представлений либо определяется из независимого эксперимента. При посылке импульсов излучения в узкой спектральной области, занимаемой отдельной колебательно-вращательной линией, функцию Т(г) можно положить равной нулю.
Профиль концентрации озона определяется из выражения
1
Р о3 (г) =
2АХ ( г )
ф( г ),
(2)
где ф(г) — регуляризованный аналог производной /'(2) функции/(2), АК = = Коп - К0ц — дифференциальное сечение поглощения исследуемого газа.
Для дифференцирования в МОЬБЛ применяются такие алгоритмы, как разностная схема, сглаживающий сплайн, метод оптимальной параметризации, регуляризации Тихонова и некоторые другие.
Плотность атмосферы р(г) связана с объемным коэффициентом молекулярного рассеяния а(г) соотношением
а(2) = ар(2Х (3)
где а — коэффициент молекулярного рассеяния на единичную плотность.
Таким образом, измеряя лидарные сигналы N(2), мы можем восстановить коэффициент молекулярного рассеяния и затем плотность воздуха р(г). Разумеется, область высот, в которой мы хотим получить р(г), по оптическим рассеивающим свойствам полностью определяется соотношением аэрозольного и молекулярного рассеяния.
Чтобы получить формулы для расчета давления р, температуры Т и плотности воздуха р(г) по измеренному объемному коэффициенту молекулярного рассеяния а (г), необходимо воспользоваться двумя уравнениями — статики и состояния идеального газа (см., например, [9]):
Отсюда следует
¿р = -gрdz, р = ^^.
ЯТ
Р(2)= Ро- | g(2)р(2)¿2,
Т(2) =
р( 2)
Торо " Я15(2)р(2
(4)
где р(20) = р0 — плотность воздуха в точке калибровки, Я — универсальная газовая постоянная, ц — молекулярный вес воздуха, 5 — ускорение силы тяжести, равное [9]
/ „ \2
5(2) = 5 о Ф
Я
V Я2 + 2 ,
5оФ = 5о(1 - а/со82ф),
где 5о = 98о,616 см/с — ускорение силы тяжести на широте 45° с., Я2 = = 637о км — средний радиус Земли, ф — широта места, а/ = о,оо26.
При ре
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.