CC BY
13
УДК 551.583+519.6
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОЛОГИИ СИБИРИ
Виктор Иванович Кузин
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией, тел. (383)330-64-50, e-mail: kuzin@sscc.ru
Наталья Александровна Лаптева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, младший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50; Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Россия, Новосибирская область, р.п. Кольцово, АБК, старший научный сотрудник, тел. (383)363-47-00, e-mail: lapteva@vector.nsc.ru
Настоящая работа посвящена описанию разработанной информационно-вычислительной системы на основе модели климатического речного стока для Сибирского региона. Проведены расчеты для одиннадцати сибирских рек, впадающих в Северный Ледовитый океан. В связи с гидрологическими особенностями бассейнов модели были основаны на различных реализациях вычислительных кодов. В данный момент назрела необходимость объединить эти разрозненные модели в единый универсальный вычислительный комплекс, позволяющий проводить расчеты, как для отдельных бассейнов, так и для всей Сибири в целом в зависимости от поставленных задач.
Ключевые слова: математическое моделирование, климатический речной сток, информационно-вычислительная система.
DEVELOPMENT OF INFORMATION-COMPUTING SYSTEM FOR THE RESEARCH OF THE HYDROLOGY OF SIBERIA
Victor I. Kuzin
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., professor, Head of the Laboratory, tel. (383)330-64-50, e-mail: kuzin@sscc.ru
Natalya A. Lapteva
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, junior Researcher, tel. (383)330-64-50; State Research Center of Virology and Biotechnology "Vector", 630559, Russia, Novosibirsk region, Koltsovo, Senior staff scientist of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)363-47-00, e-mail: lapteva@vector.nsc.ru
The present work is devoted to the description of the developed information-computing system on the basis of the model of climatic river flow for the Siberian region. Calculations have been made for eleven Siberian rivers flowing into the Arctic Ocean. In connection with the hydrological features of basins, models were based on various implementations of computational codes. At the moment, there is a need to combine these disparate models into a single universal computer system that allows to make the calculations both for individual basins and for the whole Siberian region, depending on the tasks assigned.
Key words: mathematical modeling, climatic river runoff, information system.
Введение. Гидрологическая составляющая климатической системы Земли является ее важным компонентом, определяющей многие аспекты ее развития. Особо резкие проявления климатических изменений наблюдались в последние пятьдесят лет в средних и высоких широтах. Гидрология Сибири и Арктики также претерпела трансформацию. В частности произошло увеличение речного стока сибирских рек в Северный Ледовитый океан [1], что поменяло его пресноводный баланс. Дальнейшим следствием этого процесса может являться изменение потока пресной воды в Атлантику и изменение всей системы меридиональной циркуляции Мирового океана. Для изучения этих процессов в XX веке на основе данных реанализов и возможных проявлений этих тенденций в XXI веке на основе данных моделей проекта МГЭИК (СМ1Р5 1РСС по сценарию RCP-8.5) необходима разработка системы моделей гидрологии Сибири, включающие блоки формирования поверхностного, грунтового и речного стоков на основе линейной резервуарной модели. Модель речного стока создана в ИВМиМГ СО РАН. В предыдущий период такая модель была разработана для отдельных бассейнов: Обь-Иртышский бассейн [2], бассейн Енисея, реки Лена [3], а также бассейны субарктических рек [4]. Всего были рассчитаны гидрологические характеристики для одиннадцати сибирских рек, впадающих в Северный Ледовитый океан [5]. Все эти модели были основаны на различных реализациях вычислительных кодов, связанных с гидрологическими особенностями бассейнов, морфологическими характеристиками, рельефом и т. д. В последнее время назрела необходимость объединить эти разрозненные модели в единый универсальный вычислительный комплекс, позволяющий проводить расчеты, как для отдельных бассейнов, так и для всей Сибири в целом в зависимости от поставленных задач. Настоящая работа посвящена описанию такой разработанной системы. Первая часть посвящена описанию линейной резервуарной модели для расчета гидрологических характеристик бассейна. Второй раздел представляет основную идеологию формирования вычислений в единой системе. Третий раздел посвящен примеру использования системы.
Модель речного стока. Модель речного стока является линейной резерву-арной моделью. Модель составлена из линейных резервуаров или каскада резервуаров в ячейках сетки. Скорость изменения стока из ячейки или каскада ячеек в простейшем варианте модели Калинина - Милюкова [6, 7] определяется на основе решения интеграла свертки (Дюамеля). В конкретной реализации модели использовалась структура (рис. 1), предложенная в институте Макса Планка Гамбургского университета [6]. Поток воды на суше разделяется на три составляющие: поверхностный сток, грунтовый сток, речной сток. Инфильтрация воды в грунт осуществляется в каждой ячейке на основе характеристик поверхности и процента среднего грунтового влагосодержания на основе гидрологических данных для каждого бассейна.
В каждой ячейке производится учет процентного содержания болот и озер. При проведении численных экспериментов по климатической модели речного стока было выбрано разрешение, составляющее 1/3 градуса по широте и долготе соответственно. Бассейны каждой реки представляют собой разработанные трассы рек и направления стоков в виде графов.
Рис. 1. Схема климатической модели речного стока
Входными данными для моделирования стока необходимо задание следующих параметров: осадки; испарение, переходы из жидкой в твердую фазы и обратно, инфильтрация в почву. Для сравнения данных расчетов и данных наблюдений на гидрологических постах были использованы ежемесячные данные Гидрометеослужбы и данные R-ArcticNET [8].
Речные стоки, рассчитанные по разработанной модели, являются входными данными для расчетов динамики баланса пресной воды в Северном Ледовитом океане. Для выяснения будущего вклада межгодовой изменчивости стока сибирских рек в баланс пресной воды в СЛО используется региональная модель Арктики и северной Атлантики ИВМиМГ СО РАН [9].
Информационно-вычислительная система. Система представляет собой интерфейс, который позволяет производить расчеты по разработанной модели речного стока комплексно (рис. 2).
При запуске программы входные параметры задаются в диалоговом режиме. Программа позволяет либо произвести новые вычисления, либо обработать уже рассчитанные варианты и в интерактивном режиме обработать результаты расчетов.
Для новых вычислений система дает возможность выбрать либо конкретные речные бассейны, либо произвести расчет по всему региону. Для данной
системы расчет можно произвести по одиннадцати бассейнам рек: Обь, Пур, Таз, Енисей, Хатанга, Анабар, Оленек, Лена, Яна, Индигирка и Колыма.
Рис. 2. Блок-схема работы интерфейса
Если в процессе диалогового ввода данных возникает необходимость внести изменения в выбранные варианты, то в системе предусмотрен возврат в исходную точку для принятия нужного решения. Для работы программы речного стока необходимо выбрать одну из десяти моделей проекта CMIP5 IPCC по сценарию RCP-8.5. На данный момент это CMCC-CM, CNRM, CSIRO-Mk3.6.0, GFDL-ESM2M, GISS-E2-H, HadGEM2, INMCM4, MIROC5, MPI-ESM, MRI-CGCM3. После проведения вычислений по программе возможно подключение графического представления результатов. Также все результаты сохраняются в отдельных файлах и в дальнейшем их можно анализировать.
Система модулей данного интерфейса дает возможность подключать новые модели для расчетов без изменения самой программы.
Пример использования системы. Для проведения расчетов по климатической модели запускается программа и в диалоговом режиме происходит ввод данных. Пример такой работы приведен на рис. 3.
Произвести новые расчеты или просмотр результатов? у/п
Продолжить выполнение программы или изменить данные у/п
Рис. 3. Пример работы программы
По окончанию расчетов происходит графическая обработка результатов.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-05-00604, проекта Президиума РАН программы 23.3, проекта Президиума ОМНРАН 1.3-6.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. The dynamics of river water inflow to the Arctic Ocean / I. A. Shiklomanov, A. I. Shiklomanov, R. B. Lamers, B. J. Peterson, C. J. Vorosmarty // Proc. NATO Advanced Research Workshop on the Freshwater Budget of the Arctic Ocean. - Tallin, Estonia. NATO, 2000. -P.281-296.
2. Кузин В. И., Лаптева Н. А. Математическое моделирование климатического речного стока из Обь-Иртышского бассейна // Оптика атмосферы и океана. - 2012. - Т. 25, № 6. -С. 539-543.
3. Кузин В. И., Лаптева Н. А. Математическое моделирование стока из бассейна реки Лена // // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). -Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. - С. 3-7.
4. Kuzin V. I., Lapteva N. A. Calculation of the Siberian subarctic rivers runoff in the XXI century // Proc. SPIE 9680, 21st International Symposium Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics 96806K (November 19, 2015). doi: 10.1117/12.2205717.
5. Кузин В. И., Лаптева Н. А. Математическое моделирование стока основных рек Сибири // Оптика атмосферы и океана. - 2014. - Т. 27, № 6. - С. 525-529.
6. Hagemann S., Dumenil L. Hydrological discharge model // Technical report No 17, MPI, Hamburg. - 1998. - 42 p.
7. Бураков Д. А. К оценке параметров линейных моделей стока // Метеорология и гидрология. - 1989. - Т. 10. - С. 89-95.
8. http://www.r-arcticnet.sr.unh.edu/v4.0/index.html.
9. Golubeva E. N., Platov G. A. On improving the simulation of Atlantic Water circulation in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. - 2007. - V. 112. - C04S05. doi:10.1029/2006JC003734
© В. И. Кузин, Н. А. Лаптева, 2017
