CC BY
14
УДК 528.9
1.В. КОВАЛЕЦЬ*, С.Я. МАЙСТРЕНКО*, Т.О. ДОНЦОВ-ЗАГРЕБА*, С.М. АНУЛ1Ч*,
0.В. ХАЛЧЕНКОВ*, К.В. ХУРЦИЛАВА*, О.О. ПОЛОНСЬКИЙ*
WEB-СИСТЕМА ПРОГНОЗУВАННЯ МЕТЕОРОЛОГ1ЧНИХ УМОВ ДЛЯ ДОВIЛЬНОÏ ТЕРИТОРIÏ НА ДЕТАЛЬНИХ С1ТКАХ
1нститут проблем математичних машин i систем НАН Укра1ни, м. Ки'в, Укра1на
Анотаця. Розроблено тформацтну веб-технолог1ю, яка дозволяе на замовлення користувача про-гнозувати метеоролог1чт умови по довшьнт територИ'з високоюроздыьною здатмстю на основi адаптацИ' сучасних метеорологiчних моделей та веб-технологт для завдання вхiдних даних, отри-мання й вiзуалiзацiï результатiв.
Ключов1 слова: прогноз погоди, web-технологп, мезомасштабна метеорологiчна модель.
Аннотация. Разработана информационная веб-технология, позволяющая по заказу пользователя прогнозировать метеорологические условия на произвольной территории с высоким разрешением на основе адаптации современных метеорологических моделей и веб-технологий для задания входных данных, получения и визуализации результатов.
Ключевые слова: прогноз погоды, веб-технологии, мезомасштабная метеорологическая модель.
Abstract. It is developed information web technology that allows upon users ' request to forecast meteorological conditions at arbitrary territory with high resolution, on the basis of adaptation of modern meteorological model and web-technologies for providing model with input data, obtaining and visualization of results.
Keywords: weather forecasting, web-technologies, mesoscale meteorological model.
1. Вступ
В Укрш'ш icHye вкрай обмежена кшькють оперативних систем прогнозування метеоролоп-чних умов на детальних атках, рiвноцiнних св^овим аналогам. Згщно з сучасною практикою, таю системи e необхщними для науково обгрунтованого прогнозування та попере-дження стихшних гщрометеоролопчних явищ, забруднення атмосферного пов^ря та ш-ших завдань, як потребують прийняття ршень щодо лшвщацп наслщюв аваршних ситуа-цш i стихшних лих, а також управлшня навколишшм середовищем. Для розрахунку ме-теоролопчних полiв з високою роздшьною здатнютю в умовах складно'1 топографа мюце-восп (гiрcький рельеф, мюька забудова, наявнicть великих водойм тощо) у cвiтi викорис-товуються cпецiальнi мезомаcштабнi версп метеорологiчних моделей, як враховують вплив складно'1' топографа на атмосферш процеси та розраховують метеорологiчнi поля з високою горизонтальною просторовою здатнicтю: 5км-500м. Використання таких систем створюе новi можливоcтi щодо прогнозування просторового розподшу метеорологiчних параметрiв у межах дано'1 територп (прський район, велике мicто) i таким чином ютотно впливають на завчасшсть i точнicть попередження щодо виникнення небезпечних гщрометеоролопчних cитyацiй та прогнозування рiвнiв атмосферного забруднення.
Прогноз метеоролопчних умов з високою роздшьною здатнютю е складною обчис-лювальною задачею, яка потребуе великого обсягу обчислювальних ресурав. Щоб уник-нути негативного впливу граничних умов на розв'язок, область розрахунку не може бути занадто малою, i навт у вщносно невеликих областях, наприклад, 200х200 км, прогноз у реальному час на атщ 3 км потребуе вщ 8 до 32 обчислювальних ядер. Оскшьки задача нелшшна, час прогнозу залежить також i вщ складносп метеорологiчного процесу. Тому у даний час окремi прогностичш системи (система «WRF-Украша», розроблена в 1ПММС [1]), якi icнyють та впроваджеш в Укра'нському гiдрометцентрi [2, 3], налаштоваш тiльки
© Ковалець 1.В., Майстренко С.Я., Донцов-Загреба Т.О., Анул1ч С.М., Халченков О.В., Хурцилава К.В., Полонський О.О., 2018 ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2018, № 1
тд конкретну обчислювальну область (наприклад, у згаданих вище роботах це деталiзова-нi прогнози по басейну р. Прут та навколо украшських АЕС).
Але на практищ досить часто виникае необхiднiсть розробити разовий, а не постш-но дiючий оперативний прогноз навколо конкретно! обласп, наприклад, тд час аварiй з викидами токсичних забруднень в атмосферу або тд час проходження активних циклотв та фронтiв, що викликають небезпечн гiдрометеорологiчнi умови. Вiдповiдно метою дано! роботи е розробка шформацшно'! технологи, що дозволяе виршувати складнi задачi аналь зу даних та моделювання навколишнього природного середовища на прикладi прогнозу-вання метеорологiчних умов по довшьнш територи з високою роздшьною здатнiстю, на основi адаптаци сучасних метеоролопчних моделей та веб-технологiй для завдання вхщ-них даних, отримання й вiзуалiзацii результатiв.
2. Автоматизащя розрахунку «WRF-УкраTна» у склад1 веб-системи метео-прогнозування
Для деталiзацii глобальних ^матичних сценарив по окремiй територи у всiх европейсь-ких кранах i iнших кранах свiту використовуються чисельнi регiональнi метеорологiчнi моделi, яю розраховують поля напрямку i сили в^ру, тиску i температури, опадiв, вологос-тi та iн. на рiзних висотах на детальнiй атщ. Таким чином, враховуеться вплив особливос-тей мiсцевостi на клiматичнi особливосп окремого регiону. Як прогностична ^матологь чна iнформацiя (сценари 1РСС), так i оперативна прогностична метеорологiчна шформащя циркулюе в мережi центрiв ВМО (Всесв^ня метеорологiчна органiзацiя) у виглядi полiв метеорологiчних елементiв, розрахованих на грубш рiвномiрнiй сiтцi (з кроком 0,25°-1°, що вiдповiдае вiдстанi приблизно 25-100 км). Це не дозволяе деталiзувати прогнози метеоролопчних елемешив для конкретного пункту з необхщною точнютю. На пiдставi ща шформаци i даних вимiрiв мiсцевих метеоролопчних станцш у кожнiй розвинутiй кршт розраховуеться прогностична iнформацiя на атках зi значно меншим просторовим кроком - 1-15 км. Ця задача не може бути виршена коректно за допомогою просто'1 штерполяци. Для 11 розв'язку необхiдно вирiшити задачу розрахунку метеоролопчних полiв на пiдставi даних мереж ВМО, даних мюцевих метеостанцiй i чисельного розв'язку рiвнянь пдротер-модинамiки атмосфери [4].
Одним iз характерних прикладiв мезомасштабноi метеорологiчноi моделi е амери-канська тривимiрна чисельна метеорологiчна модель WRF [5], яка вшьно розповсюджуеть-ся через 1нтернет у вихiдних кодах. У данш моделi чисельно розв'язуеться повна система рiвнянь гiдротермодинамiки атмосфери, яка включае в себе рiвняння нерозривносп, пере-несення iмпульсу (з урахуванням ефектiв стисливостi i негiдростатичностi), перенесення вологи i внутрiшньоi енергii. Користувачевi моделi пропонуеться бiблiотека рiзних пара-метризацiй процесiв у примежовому шарi атмосфери, формування хмарностi та опадiв. У моделi реалiзованi можливостi створювати вкладет обчислювальнi областi i використову-вати алгоритми засвоення даних спостережень. У WRF використовуеться а-система верти-кальних координат, яка дозволяе описувати складний рельеф, i «шахова» атка по горизон-талi. При штегрувант рiвнянь гiдродинамiки використовуеться розщеплення за напрямка-ми (у горизонтальних напрямках використовуеться явна схема, а при обчислент вертика-льних потокiв i швидкостей - неявна) i по фiзичних процесах. WRF е регюнальною модел-лю, тому для и iнiцiалiзацii i завдання граничних умов необхщт результати розрахункiв глобальноi моделi чисельного прогнозу погоди. Цикл роботи моделi WRF складаеться з тдготовки даних, включаючи 1х горизонтальну i вертикальну iнтерполяцiю на сiтку моде-лi, полiпшення iнтерпольованих даних за допомогою засвоення спостережень метеостан-цш i радiозондiв та чисельне штегрування.
В 1ПММС НАН Украши понад 20 роюв проводяться дослiдження у галузi моделю-вання атмосферного розповсюдження забруднень, розробки та впровадження метеорологь чних моделей для прогнозування погоди, регюнальних ^матичних дослiджень. На основi розроблених в 1ПММС моделей та вщомо'1 американсько'1 метеоролопчно'1 моделi ММ5 в 1ПММС у 2001 р. розроблена перша в Укрш'ш система чисельного прогнозування погоди в Укрш'ш. Згодом, на пiдставi американсько'1 метеоролопчно'1 моделi WRF (www.wrf-model.org) була розроблена система WRF-Украша [1, 6], яка в даний час впроваджена в Укргщрометцен^ для метеоролопчного забезпечення системи РОДОС [3, 7], прогнозування паводюв у Карпатах [2, 8], а також у складi шших прогностичних систем. О^м ви-користання в Укршт, система «WRF-Украша» користусться попитом у свiтi. Зокрема, у рамках проекту NERIS-TP 7-i рамково'1 програми GC дана система штегрована з системою РОДОС для проведення оперативного розрахунку метеопрогнозу за замовленням користу-вача у довшьнш обласп [6, 9] i була використана тд час аварп на АЕС Фукуама [7, 10].
Розглянемо схему роботи оновлено'1 версп системи, що у данiй роботi була адапто-вана для використання у веб-системi прогнозування метеорологiчних умов та представлена на рис. 1. Вхщт дат для розрахунку система отримуе в xml-файл^ який мiстить бажану дату початку розрахунку, тривалють необхiдного прогнозу, координати центру обласп ро-зрахунюв, радiус областi розрахункiв, а також шдикатор запуску WRF. Цей xml-файл пе-редаеться на вхiд програмi Wrf-launcher, яка перевiряe, чи е в наявностi файли для потрiб-ного перiоду, якщо нi, то формуе завдання для програми Nomadsdownloader, яка заванта-жуе необхiдний набiр даних iз серверiв NOMADS [11], що належать NOAA (Нащональна пдрометслужба США). Пiсля того, як ус данi завантаженi, Wrf-launcher вносить змши в конфiгурацiйнi файли моделi WRF i запускае ii.
Рис. 1. Схема роботи автоматизовано!' системи прогнозу метеоролопчних умов
Розглянемо роботу програми Wrf-launcher докладтше. На рис. 2 представлена схема роботи програми. Змшт, позначен на рис. 2.2, е параметрами програми WRF-launcher.
На початку роботи Wrf-launcher вибирае настроювання для вхiдних файлiв WRF з конфь гурацiйного файла залежно вщ переданого йому радiуса областi. Далi йде nepeBipKa, чи вщстоггь бажана дата початку розрахунку вщ поточного часу (змшна now на рис. 2) бшьш нiж на Racoffset годин. У випадку позитивно'1' вщповвд i3 серверiв NOMADS завантажу-ються доступнi данi фiнального метеорологiчного аналiзу, тобто тривимiрнi поля метеоро-лопчних елементiв, розрахованi з урахуванням вимiрiв. Пiсля того, як цi даш отриманi, на 1'хнш основi запускаеться модель WRF.
Якщо даних фшального аналiзу досить, щоб покрити часовий штервал, для якого необхiдно провести розрахунки (ретроспективы розрахунки), то робота Wrf-launcher на цьому закшчуеться. Якщо ж для якогось моменту часу (наприклад, близького до дшсного часу запуску програми) вщсутш файли фшального метеоаналiзу, то для непокритого перь оду часу будуть використовуватися файли метеопрогнозу. Wrf-launcher формуе список можливих початкових чаав метеопрогнозу (даш глобальних моделей метеопрогнозу, як правило, оновлюються у 0, 6, 12, 18 год. по Гршвичу). Кожному такому часу вщповщае певний набiр даних метеопрогнозу, що вщстоять вiд початкового часу на 3, 6, 9..., 168 год. уперед та збер^аються на серверах NOMADS. У цей список потраплять тшьки т1 початковi часи, яю вiдстоять вiд бажаного часу початку розрахунку не бшьше шж на atoffset годин. 1з цього списку вибираеться найближча дата, для яко'1' необхiдно додатково завантажити найменше число файлiв або ж просто найближча до бажано'1' дати початку розрахунку дата початку прогнозу (конкретний вибiр регулюеться параметром load_time_priority). Пiсля того, як данi метеопрогнозiв завантаженi, на 1'хнш основi запускаеться модель WRF з тими ж настроюваннями обчислювально'1' областi, якi використовувалися при запуску на основi даних фшального метеоролопчного аналiзу.
Розб^р xml файла параметров дат та областей i внесения вiдповiдних налаштувань у вхiднi файли WRF
Relese - бажана дата початку прогнозу, Now - поточна дата
Завантаження ус1х необхвдних даних фшального метеоан&тзу, яю наявш на серверах, але ще не були завантажеш
Прийняти як release першу незаванатажену дату
Обрати дату початку метеопрогнозу в залежносп вщ load_time_priority: найближча до release або максимальна з штервалу (release - atOffset .. release), для я^ необхвдно завантажити найменшу кшьюсть файл1в глобальноi модел1
I
Завантажити даш вщповщного глобального метеопрогнозу
Hi
Вщкинути використаний час початку метеопрогнозу
Рис. 2. Схема роботи програми Wrf-launcher
У випадку негативно'1' вщповвд на запитання, чи вщстоггь бажана дата початку розрахунку вщ поточного часу бшьш шж на Racoffset годин, вщразу формуеться список мож-
ливих початкових чаав метеопрогнозiв i завантажусться набiр даних за аналогiчними правилами. Попм, на основi цих даних, запускаеться розрахунок моделi WRF.
Основною вимогою до автоматизованого розрахунку чисельного прогнозу погоди (ЧПП) поряд з точнiстю е швидкодiя. Користувачевi системи надаеться на вибiр 7 варiантiв обчислювальних областей рiзних розмiрiв (вiд 16х16 до 640х640 км), для яких повинен проводитися прогноз на 96 год. менш шж за годину. Користувач системи «WRF-Украiна» може конф^урувати просторовi дозволи, з якими система розраховуе метеоролопчш поля для кожно' з областей. Параметри обчислювальних областей за замовчуванням представ-леш у табл. 1. У моделi WRF створюються вкладенi обласп з поступовим зменшенням горизонтального просторового дозволу. Це дозволяе уникнути артефакпв, викликаних ште-рполяцiею при переходi з бiльш грубо' атки на бiльш дрiбну. У запропонованих настрою-ваннях WRF використовуеться коефщент згущення, рiвний 3. Усi обласп "квадратш", тобто кiлькiсть вузлiв i горизонтальний просторовий дозвiл у напрямках осей X i Y одна-ковi. У табл. 1 наведеш кiлькiсть вкладених областей для кожно' з конфiгурацiй, кiлькiсть вузлiв по горизонталi кожно'1' з областей, горизонтальний дозвш i крок iнтегрування за часом у першш вкладенш областi. Крок iнтегрування в шших областях визначаеться автоматично дшенням кроку iнтегрування в батькiвськiй обласп на коефщент згущення. В останнш колонцi табл. 1 наведена швидкодiя WRF для дано'1 конф^ураци в паралельному режимi розрахункiв на 8-ядерному вузлi, 2,5 Ghz, 16 Гб оперативно'' пам'яп.
Точнiсть розрахункiв WRF залежить не тiльки вiд дозволу атки, але й вiд фiзичних параметризацiй. Було проведене тестування декшькох конфiгурацiй фiзичних параметри-зацiй на прикладi розрахункiв послiдовностi 24 год. прогнозiв в областi розмiром 80х80 км навколо аеропорту м. Рiвне. У результатi проведених дослiджень для завдання за замовчуванням був обраний такий набiр параметризацш мiкрофiзики хмар, процесiв у дiяльному шарi грунту й атмосферного прикордонного шару: mp_physics=3, sf_surface_physics=2, bl_pbl_physics=2 ( для наведених опцiй див. посилання в [5]).
Результата порiвняння розрахункiв з даним набором параметризацш з вимiрами ме-теостанцп Рiвненського аеропорту за грудень 2012 р. свщчать про дуже високу якють ме-теоролопчного прогнозу: середньоквадратична помилка швидкостi вггру дорiвнюе 1,4 м/с, а середньоквадратична помилка напрямку впру: 26 град., що узгоджуеться з кращими по-казниками помилки iнших моделей ЧПП, яю використовуються для прогнозування поши-рення атмосферних забруднень [12]. (Бшьш детальний аналiз результатiв розрахункiв WRF у порiвняннi з даними Рiвненського аеропорту та Рiвненськоi АЕС див. у робоп [3]).
Таблиця 1. Параметри обчислювальних областей WRF
Радiус Число Розмiри атки Розмiри комiрок Часовий Час розра-
областi вкладених вкладених вкладених областей крок в хунюв
JRODOS, областей областей (dx=dy), м обласп прогнозу,
км (№=Ку) № 1, с хв.
100 3 45,25,49 45000,15000,5000 270 30
160 2 73,49 27000,9000, 135 28
320 2 67,73 30000,10000, 180 36
3. Функцюнальш вимоги, арх1тектура та реалпащя системи «WRF-Web»
Система «WRF-Web» призначена для надання можливостi отримання оперативного прогнозу погоди з використанням сучасних web-технологiй та на основi представлено! вище системи «^ЯР-Украша» для довшьно' територп на детальних сггках. Користувач матиме можливiсть ввести через веб-штерфейс такi параметри:
• географiчнi координати центру обчислювально' областi (град.);
• радiус обчислювально' областi (км);
• бажану дату початку розрахунку;
• тривалють розрахунку (год.).
Горизонтальний просторовий дозвш атки залежить вщ введеного радiуса (табл. 1). Крок сггки для даного радiуса е параметром i за необхiдностi може бути змшеним.
Проте, коли мова йде про одночасне on-line прогнозування на детальних атках навт для невелико! област для певно! кiлькостi користувачiв, необхiдно використовувати можливостi хмарно! шфраструктури, щоб розрахунки рiзних користувачiв виконувались одночасно. Але реалiзацiю, тестування й попередне налаштування системи значно зручнь ше здiйснювати при роботi з видшеним обчислювальним сервером, на якому здшснюються розрахунки WRF. Тому у данш роботi використовувалась вiдповiдна архитектура, представлена на рис. 3.
Систему розроблено з використанням вшьного програмного забезпечення. Для ро-зробки системи використано таю мови програмування: Java, PHP - для створення сервер-но! компоненти; HTML, JavaScript - для розробки штерфейсу юнцевих користувачiв. Як СУБД обрано PostgreSQL з додатком PostGIS, що дозволяе зберiгання просторових даних та виконання просторово-часових запипв до них.
Як картографiчна основа використовуеться OpenStreetMap [14], що е вiдкритим проектом зi створення загальнодоступних карт св^у. Для вiдображення на картi геометри-чних об'ектiв, що створюються на основi розрахункових даних метеопрогнозу, використо-вуються JavaScript-бiблiотека Leaflet та додата^ плагiни для реалiзащi необхiдних функ-цiональних можливостей системи.
Internet
sgo^
Веб-браузер (Google Chrome)
БД
Postgres SQL PostGis
Веб-сервер
_У
/ л
s
1-1
=
: ; /
Прогноз WRF
Рис. 3. Арх1тектура системи WRF-Web
Серверна компонента
При побудов1 системи як серверну платформу використано вшьно розповсюджуваний сервер застосувань «Apache Tomcat» [15]. Серед сильних сторш середовища Apache Tomcat, актуальних при розробщ системи «WRF-Web», можна вщзначити забезпечення цшсно'! i повнофункц1онально'1 пiдтримки роботи на рiзних платформах (пiдтримка платформ Windows; Mac OS Х; BSD; Linux; Solaris; VMS); використання штернет- додатюв, таких, як Java сервлети; реашзащя специфшацп сервлетiв тощо.
Слiд зазначити, що Apache Tomcat, починаючи з Tomcat 4.x, випускаеться з Catalina (контейнер сервлетiв), Coyote (HTTP-коннектор) i Jasper (JSP-движок).
Catalina - контейнер сервлетсв Tomcat'а, який реалiзуе специфшащю сервлетiв Servlet API. Servlet API е основою для вах шших технологiй Java, що стосуються Web i
дають можливють динамiчно генерувати будь-який web-контент, використовуючи будь-якi бiблiотеки, доступнi для Java.
Coyote - компонент стека HTTP Tomcat^, який тдтримуе протокол HTTP 1.1 для веб-серверiв або контейнера додатюв. Coyote прослуховуе вхщш з'еднання на певному TCP порту сервера, пересилае запити в мехашзм Tomcat для обробки запитсв i вiдправляе вiдповiдь назад клiенту.
Jasper -- мехашзм JSP Tomcat^. Tomcat 5.x використовуе Jasper 2, який е ре-алiзацiею специфкацп JavaServer Pages 2.0 Sun Microsystems. Jasper аналiзуе JSP-файли для компшяци 1х в Java код як сервле^в (якi можуть бути обробленi за допомогою Catalina). Пiд час виконання Jasper може автоматично виявляти змши JSP-файла i пере-компiльовувати його.
Схема роботи описуеться такою послщовшстю процеав.
• Клiент (у нашому випадку Користувач, що подае заявку на формування прогнозу) вщвщуе веб-сторшку та надсилае HTTP-запит на сервер.
• Web-сервер отримуе запит та передае його контейнеру сервле^в. Контейнер серв-летсв може виконуватись у тому ж самому процеа, що i веб-сервер.
• Контейнер сервле^в з'ясовуе, який сервлет слiд викликати, виходячи з шформацп про конф^урашю наявних сервлетiв, та викликае його, передаючи як параметри об'ектнi представлення запиту та вщповвд.
• Сервлет використовуе об'ект запиту для отримання шформацп про вщдаленого користувача, параметри HTTP-запиту тощо. Сервлет виконуе запрограмоваш в ньому дп та надсилае результати роботи через об'ект вщповвд (JSONstring).
• Пiсля того, як сервлет припиняе обробку запиту, контейнер сервле^в перевiряе коректнiсть вiдправки вщповвд й повертае управлiння до головного веб-сервера.
Також слщ зазначити, що серверне середовище, зберiгаючи в журналi БД «WRF-Web» iнформацiю стосовно сформованих користувачем прогнозiв, дозволяе в разi потреби як переглядати результати прогнозування, так i формувати новi прогнози для подiбних па-раметрiв (координат та розмiру областi прогнозу).
З огляду на важливють збереження даних у журналi БД, використовуеться PHP Brige for Tomcat, тобто PHP на Tomcat.Серед iнших причин вибору Java, а отже i Tomcat, стала наявнiсть Java-бiблiотеки для «читання» NetCDF-файлiв з результатами метеопро-гнозiв, сформованих «WRF Украша».
Кл1ентська частина
Система «WRF-Web» розроблена вщповщно до класифкацп [16] - фiзично дволанкова та вертикально розподiлена з тонким Тентом. Схема Web-карти (Web map layout), що використовуеться в систем^ — це схема, близька до fluid map layouts [17], одше'1 з двох найбшьш популярних у Web-картографп, при яюй карта займае всю сторiнку, а вс iншi елементи карти розмщуються на картографiчну область i при вдалому проектуванш не закривають важливi просторовi данi. Така схема мае деяю переваги. У карти найбшьш можливий масштаб для забезпечення велико!' вiзуальноi деталiзацii i менша генералiзацiя. Можливим недолiком е те, що при «поганому» проектуванш карта може виявитися складною i незбалансованою.
У системi «WRF-Web» застосовуеться картографiчна ашмашя [18] типу «Карти ди-намiки площинних контурiв явищ на рiзнi дати». При створенш картографiчноi анiмацii в системi використовуеться анiмацiя кольору i форми. Осюльки формування прогнозу вико-нуеться на розрахунковш сiтцi характерного розмiру 80х80 комiрок, на карту необхщно додавати значну кiлькiсть просторових об'ектив. Для забезпечення швидкодii даного про-цесу необхiдне використаня векторних тайшв.
Як зазначено в [19], векторш тайли досить ефективш. Mapbox опублшував специ-фiкацiю векторних тайлiв (Vector Tile Specification) не так давно, i вони вже показали надзвичайну гнучюсть. Розмiр файла для векторних тайшв малий, що робить можливим базовi карти з високою роздiльною здатшстю i ефективним кешуванням даних. Векторш тайли збер^ають векторнi данi в компактному формап, що допускае гнучке застосування сташв для векторних об'екпв у браузерi, на вiдмiну вщ растрових тайлiв.
4. Приклади використання системи «WRF-Web»
Наведемо приклад використання ситеми «WRF-Web» для формування метеопрогнозу. Параметрами для формування прогнозу е область розрахунку та дата, на яку необхщно сфор-мувати прогноз. Користувач може задати необхщш параметри спочатку (режим «шщшва-ти новий») або скористатись параметрами попередшх прогнозiв (режим «З журналу») та внести необхiднi змiни (рис. 4). У разi вибору режиму «З журналу» необхiдно лише вщко-ригувати «Назву для щентифшацп розрахунку» та «Дату» i «Час». При виборi режиму «Ыщювати новий» для вибору обласп прогнозу необхiдно вибрати радiус сiтки та задати координати центру атки у вiдповiдних полях або вибором на карп за допомогою мишi (рис. 4).
У пiлотнiй версп системи можливi прогнози для чотирьох приземних змшних: температура повiтря на висоп 2 м, тиск на рiвнi моря, напрям та швидюсть вiтру, сума конве-ктивних i неконвективних опадiв (рис. 5 i 6).
Розрахунок виконуеться на перюд 96 годин. Передбачаеться перегляд результапв на вибрану дату або у режимi слайд-шоу. Для аналiзу змши тенденцп показникiв у часi передбачаеться можливють побудови графiка для вибраноi комiрки (рис. 7). Крiм того, стан-дартними засобами браузера можна зберегти графiк у файл формату pdf або роздрукувати на принтера За необхщносп, можна вщобразити також розрахункову сiтку (рис. 8).
Рис. 4. Область прогнозу i змша параметр1в збереженого прогнозу
Рис. 5. Вiзyалiзацiя резyльтатiв прогнозу: приземш температyра, швидюсть i напрям в1тру
Рис. б. Вiзyалiзацiя резyльтатiв прогнозу:тиск на р1вш моря, опади
Рис. 7. В1зуал1защя результапв прогнозу: часов1 графши
Рис. 8. Вщображення розрахунково' с1тки
5. Висновки
У робот розроблено iнформацiйну технологiю, яка дозволяе прогнозувати метеоролопчш умови по довшьнш територп з високою роздiльною здатшстю на основi адаптацп сучасних метеоролопчних моделей та веб-технологiй для завдання вхщних даних, отримання й вiзу-алiзацii результатiв. Для тестово'' експлуатацп створено та встановлено пiлотну вераю веб-системи прогнозування погоди на детальних атках навколо довiльноi точки Земно'' кулi на
замовлення користувача, в якш розрахунок прогнозу погоди здшснюеться на видшеному сервера
Для створення серверно'1 компоненти обрано контейнер Tomcat, написаний на мов1 Java, що було обумовлено об'ектно-ор1ентованою моделлю, розвинутими засобами створення додатюв, мобшьшстю коду i, найголовшше, здатшстю Java-програм виконуватися на будь-яких комп'ютерних платформах. Це забезпечило таю важливi властивостi сучас-них шформацшних систем, як розподiленiсть та мультиплатформшсть. Використання Leaflet та додаткових плапшв для формування векторних тайлiв «на льоту» на основi даних запипв до БД дозволило створювати картографiчну анiмацiю з прийнятною швидюс-тю демонстрацп карт. Розробка системи з використанням вшьного програмного забезпечення дозволяе вiдмовитись вiд значних затрат на закутвлю дорогого ПЗ.
Розроблена технология може бути використана в Украшському гiдрометцентрi, Державнiй служб1 надзвичайних ситуацiй, Мiнiстерствi екологл та шших вiдомствах, що потребують забезпечення детальними даними гщрометеоролопчного аналiзу i прогнозу-вання. Розробленi сервiси, за умови вщповщного удосконалення розробки та реал1зацп можливостi автоматизованого запуску WRF у хмарнш iнфраструктурi, можуть бути надаш також i для бшьш широкого кола дослiдникiв навколишнього середовища для забезпечення даними пдрометеоролопчних полiв, деталiзованими для умов конкретно'1' мiсцевостi у рамках реал1зацп €вропейсько'1' хмарно'1' iнiцiативи.
Подяки
Робота виконана за пщтримки проекту комплексно'1' цшьово'1' програми НАНУ «Грщ-iнфраструктура i грщ-технологи для наукових i науково-прикладних застосувань» та проекту Державного фонду фундаментальних дослщжень №Ф76/34278.
СПИСОК ДЖЕРЕЛ
1. Система численного прогноза погоды «WRF-Украина» / А.М. Гузий, И.В. Ковалец, А.А. Кущан [та ш.] // Математичш машини i системи. - 2008. - № 4. - С. 123 - 131.
2. Оперативне прогнозування метеоролопчних полiв для систем попередження про паводки у Карпатах / 1.В. Ковалець, О.В. Халченков, С.М. Анутч [та ш.] // Математичш машини i системи. -2015. - № 3. - С. 118 - 125.
3. Халченков А.В. Адаптация метеорологической модели WRF для прогнозирования полей ветра вокруг Ривненской АЭС / А.В. Халченков, И.В. Ковалец, А.Н. Романенко // Математичш машини i системи. - 2015. - № 1. - С. 130 - 137.
4. Pielke R.A. Mesoscale meteorological modelling / Pielke R.A. - USA, San Diego: Academic Press, 2004. - 676 p.
5. Skamarock W.C. A descpription of the advanced research WRF version 3 [Електронний ресурс] / W.C. Skamarock, J.B.Klemp, J.Dudhia [et al.] // NCAR Technical Note NCAR/TN-475+STR. - USA, Boulder: National Center for Atmospheric Research, 2008. - 125 p. - Режим доступу: http://wrf-model.org/.
6. Автоматизация расчета прогностических метеорологических полей для использования в системе ядерного аварийного реагирования JRODOS / С.Н. Дидковская, Е.А. Евдин, А.В.Халченков [и др.] // Сб. трудов 9-й дистанционной науч.-практ. конф."Системы поддержки принятия решений - теория и практика СППР 2013", (Киев, 1 июня 2013 г.). - Киев: ИПММС НАН Украины, 2013. - С. 69 - 72.
7. Application of decision support system JRODOS for assessments of atmospheric dispersion and deposition from Fukushima Daiichi nuclear power plant accident / I.A. Ievdin, A.V. Khalchenkov, I.V. Kovalets [et al.] // Int. J. of Energy for Clean Environment. - Vol. 13, N 1-4. - P. 179 - 190.
8. Kovalets I.V. Usage of the WRF-DHSVM model chain for simulation of extreme floods in mountainous areas: a pilot study for the Uzh River Basin in the Ukrainian Carpathians / I.V. Kovalets, S.L. Kivva, O.I. Udovenko // Natural Hazards. - Vol. 75, N 2. - P. 2049 - 2063.
9. New functionalities developed in the NERIS-TP project regarding meteorological data used by Decision Support Systems / S. Andronopoulos, I. Ievdin, I. Kovalets [et al.] // Radioprotection. - 2016. - HS1, 51. -P. S13 - S16.
10. Calculation of the far range atmospheric transport of radionuclides after the Fukushima accident with the atmospheric dispersion model MATCH of the JRODOS system / I.V. Kovalets, L. Robertson, C. Persson [et al.] // Int. J. of Environment and Pollution. - 2014. - Vol. 54, N 2/3/4. - P. 101 - 109.
11. Rutledge G. NOMADS - a climate and weather model archive at the National Oceanic and Atmospheric Administration / G. Rutledge, J. Apert, W. Ebusizaki // Bulletin of the American Meteorological Society. - 2006. - Vol. 87. - P. 327 - 341.
12. Astrup P. Comparison of NWP prognosis and local monitoring data from NPPs / P. Astrup, T. Mikkel-sen // Radioprotection. - 2010. - Vol. 45. - P. S97 - S111.
13. Ковалец И.В. Использование параллельных вычислений в метеорологической модели WRF / И.В. Ковалец, А.М. Гузий // Математичш машини i системи. - 2011. - № 1. - С. 90 - 95.
14. OpenStreetMap [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/ wiki/OpenStreetMap.
15. Apache Tomcat [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http: //tomcat.apache.org.
16. Таненбаум Э. Распределенные системы. Принципы и парадигмы / Э. Таненбаум, М. ван Стеен. - СПб.: Питер, 2003. - 877 с.
17. Muehlenhaus I. Web Cartography Map Design for Interactive and Mobile Devices / I. Muehlenhaus. -CRC Press, 2014. - 254 с.
18. Геоинформатика: учебник для студ. вузов / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов [и др.]; под ред. В.С. Тикунова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 480 с.
19. Rubalcava R. Introducing ArcGIS API 4 for JavaScript Turn Awesome Maps into Awesome Apps / Rubalcava R. - New York: Apress, 2017. - 136 с.
Стаття над1йшла до редакцп 02.01.2018
