气候模式模拟中海量数据的并行抽取与可视化分析诊断

在地球动力学和气候模拟等领域, 数值模拟产生的数据规模达到Tb至Pb量级。 实现这些海量数据的实时可视化和实时诊断分析面临很大的困难, 时空多尺度数据抽取可以解决这一瓶颈。 高精度数据的可视化结果展示需要高分辨率的显示设备, 并行的大屏幕显示技术是解决这一问题的有效手段。 地球科学数值模拟、 并行数据抽取和高分辨率显示都需要搭建高性能计算机集群。 本文在基于Lagrange插值的多维度、 多尺度、 多分辨率并行数据抽取算法的同时, 利用并行计算节点及LCD显示器, 基于Rocks cluster系统搭建起一个176核, 4×10×1024×1280分辨率的高性能计算模拟、 数据抽取和并行显示输出的集成平台, 并将该平台成功应用到气候模式模拟产生的海量数据的并行抽取和并行显示。     

基于远程实时监测的高烈度区沉管隧道施工可视化系统[

沉管隧道管节的浮运、沉放及对接等是整个沉管隧道施工中的重中之重,这几个工序主要集中在水下进行,当前施工技术难以全面控制施工过程及其对接精度等,研究沉管隧道施工的可视化监测系统,对辅助现场精确测量、潜水作业以及指导安全管理施工具有重要的意义。针对沉管隧道施工工艺的特殊性,基于VTK的可视化和数据模型驱动等关键技术,采用并集成GPS测点坐标系统的构建与精确转换、PSM配置,设计和开发了一种沉管隧道施工三维实时可视化远程监测系统,可以实时显示和查询施工过程中管节浮运、沉放的具体情况,实现沉管隧道实时可视化,并将该系统成功地应用于天津市海河沉管隧道工程的施工中。     

基于远程实时监测的高烈度区沉管隧道施工可视化系统[

沉管隧道管节的浮运、沉放及对接等是整个沉管隧道施工中的重中之重,这几个工序主要集中在水下进行,当前施工技术难以全面控制施工过程及其对接精度等,研究沉管隧道施工的可视化监测系统,对辅助现场精确测量、潜水作业以及指导安全管理施工具有重要的意义。针对沉管隧道施工工艺的特殊性,基于VTK的可视化和数据模型驱动等关键技术,采用并集成GPS测点坐标系统的构建与精确转换、PSM配置,设计和开发了一种沉管隧道施工三维实时可视化远程监测系统,可以实时显示和查询施工过程中管节浮运、沉放的具体情况,实现沉管隧道实时可视化,并将该系统成功地应用于天津市海河沉管隧道工程的施工中。     

区域气候模式RegCM3对华北地区未来气候变化的数值模拟

采用高水平分辨率区域气候模式进行区域未来气候变化预估,对理解全球增暖对区域气候的潜在影响和科学评估区域气候变化有很好的参考价值.这里对国家气候中心使用25 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3单向嵌套全球模式MIROC3.2_hires在观测温室气体(1951—2000)和IPCC A1B温室气体排放情景下(2001—2100)进行的共计150年长时间模拟结果,进行华北地区未来气温、降水和极端气候事件变化的分析.模式检验结果表明:模式对当代(1981—2000)气温以及和气温有关的极端气候事件(霜冻日数、生长季长度)的空间分布和数值模拟较好;对降水及和降水有关的极端气候事件(强降水日期、降水强度、五日最大降水量)能够模拟出它们各自的主要空间分布特征,但在模拟数值上存在偏大、偏强的误差.和全球模式驱动场相比,区域模式模拟的气温、降水和极端气候事件有明显的改进.2010—2100年华北地区随时间区域平均气温升高幅度逐渐增大,随之霜冻日数逐渐减少,生长季长度逐渐增多;同时随温室效应的不断加剧,未来降水呈增加的趋势,强降水日期和五日最大降水量逐渐增多、降水强度逐渐增大.从空间分布看,21世纪末期(2081—2100)气温、降水以及有关的极端气候事件变化比21世纪中期(2041—2060)更加明显.     

区域气候模式RegCM3对华北地区未来气候变化的数值模拟

采用高水平分辨率区域气候模式进行区域未来气候变化预估,对理解全球增暖对区域气候的潜在影响和科学评估区域气候变化有很好的参考价值.这里对国家气候中心使用25 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3单向嵌套全球模式MIROC3.2_hires在观测温室气体(1951—2000)和IPCC A1B温室气体排放情景下(2001—2100)进行的共计150年长时间模拟结果,进行华北地区未来气温、降水和极端气候事件变化的分析.模式检验结果表明:模式对当代(1981—2000)气温以及和气温有关的极端气候事件(霜冻日数、生长季长度)的空间分布和数值模拟较好;对降水及和降水有关的极端气候事件(强降水日期、降水强度、五日最大降水量)能够模拟出它们各自的主要空间分布特征,但在模拟数值上存在偏大、偏强的误差.和全球模式驱动场相比,区域模式模拟的气温、降水和极端气候事件有明显的改进.2010—2100年华北地区随时间区域平均气温升高幅度逐渐增大,随之霜冻日数逐渐减少,生长季长度逐渐增多;同时随温室效应的不断加剧,未来降水呈增加的趋势,强降水日期和五日最大降水量逐渐增多、降水强度逐渐增大.从空间分布看,21世纪末期(2081—2100)气温、降水以及有关的极端气候事件变化比21世纪中期(2041—2060)更加明显.     

CSAMT数据三维可视化的方法

CSAMT(可控源音频大地电磁法)是地球物理勘探中电法勘探的一种经济且有效的方法,传统的方式是通过手动或自动的方法绘制剖面图、等值线图等来展示其探测的数据,这些方式往往具有数据展示不全面、效果不直观等缺点.为了克服这些缺点,本文利用计算机三维可视化技术,以甘肃玉门某地区的数据为例,探索并实现了CSAMT数据三维可视化构模的方法.文中首先分析了CSAMT数据的存储方式与空间分布,提出了一种高性能的数据读取与组织算法;接着文章根据原始的数据信息,提出了基于探测方向数据点生成TIN的方法,建立了测线模型;为了更好地预测勘探范围内的三维空间情形,文章实现了一种高效的CSAMT数据快速局部插值算法,进而实现了数据场模型的建立.本研究表明,通过三维可视化技术将CSAMT数据建立并绘制成三维虚拟模型,能更加直观、更加全面地展示该数据,可为地质解释与规划决策服务,具有较好的推广前景.     

基于CUDA的三维数据并行可视化

科学计算可视化是发达国家20世纪80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域,它运用计算机图形学和图像处理技术,将三维数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理,主要包括面绘制和体绘制两种方法。光线投射算法是最经典的三维数据体绘制方法,图像质量较高,但计算时间较长,基于CUDA的编程技术利用GPU的多核并行运算功能可显著提高计算速度,实现大规模三维数据的实时可视化。     

基于混编的地震前兆数据可视化系统

随着地震前兆台网数字化改造的不断发展,工作人员对地震前兆软件海量数据处理能力的要求不断提高。基于混编的地震前兆数据可视化系统所采用的混合编程模式,与传统方法相比,同时兼具了更好的友好人机界面、更强大的数据分析可视化能力等优点。实验表明,该系统能提高地震前兆工作的效率与质量,具有很好的可行性和高效性。     

全球变暖背景下东亚气候变化的最新情景预测

在最新的SRES A2和B2温室气体排放情景下,利用国际上7个气候模式针对未来全球变暖的数值模拟结果,本文着重分析了东亚区域气候21世纪的变化趋势. 研究揭示：中国大陆年均表面气温升高过程与全球同步,但增幅在东北、西部和华中地区较大,且表现出明显的年际变化;全球年均表面气温增幅纬向上大体呈带状分布,两极地区最为明显,并在北极地区达到最大;此外,21世纪后半段北半球高纬度地区的年平均强升温幅度主要来自于冬季增温. 在21世纪前50年,温室气体含量的增加除在一定程度上会增加青藏高原大部分夏季降水量外,不会对中国大陆其余地区的年、季节平均降水量产生较大影响;但持续的温室气体含量增加将最终导致大陆降水量几乎是全域性的增加.     

三维数据的二维可视化方法综述

等高线图、晕渲图和分层设色图等作为传统的三维数据的二维可视化方法,有各自的优点并被广泛地应用于屏幕显示和平面制图中。随着三维数据分辨率的不断提高,传统可视化方法已不能完全满足显示、挖掘隐含信息的要求。一种新的地形参数(openness)以及由此而产生的新的可视化方法(RRIM)被提出,这在很大程度上增强了二维显示的立体感和直观性。同时,在构造地貌研究的应用中,对细微构造的识别有着其他可视化方法无法比拟的优越性。良好的室内地貌解译工作不仅能够提高工作效率而且能够在一定程度上减少野外工作量。同时,对于森林覆盖严重、自然条件恶劣、不易到达而又具有研究价值的区域,RRIM提供了一种更好的工作方法,有着非常重要的实用价值。     

并行计算在遥感震害提取中的应用

本文概述了地震应急中遥感应用的现状和并行处理技术在遥感分析处理中的应用。 初步探讨了在遥感震害分析中并行计算技术的应用方案, 并采用比值法和相关系数法, 利用福卫二号卫星遥感数据对汶川8.0级地震造成的北川县城震害进行了震前震后变化检测并行处理。 将结果与专业图像分析处理软件的处理结果进行了分析对比, 在处理效果基本一致的情况下, 得到了较高的加速比, 缩短了遥感影像震害分析处理的时间, 为提高地震应急震害遥感分析处理的速度提供了示范。 最后还对方法的应用效果进行了讨论。     

气候变化对沅江流域径流影响研究

温室气体排放量增加造成气候变化,对全球资源环境产生重要影响.本文在水量平衡基础上,建立考虑气象要素和地形变化的月水文模型,利用实测径流资料对模型在时空尺度上进行验证.利用全球气候模型(GCMs)预测的未来气候变化情形,对处于湿润区的沅江流域径流过程进行预测.分析结果表明,该区域径流过程对降雨和气温变化十分敏感.根据英国Hadcm2模型对本世纪中叶气候变化预测结果,沅江流域未来年降雨量减少0.43%气温升高1.55℃,丰水期降雨增加,而枯水期将有较大幅度减少.年径流量相应减少6.8%,丰水期径流量增大11%,枯水期径流减少47%,不利于防洪和水资源开发利用.     

用可视化技术分析虚拟现实环境下三维地震数据场的研究

目的 用可视化方法分析三维地震数据，直接观察数据中隐藏的地质现象。方法：将第每个反射子波用一个粒子模型表示，来自同一反射面的子波粒子相互叠合成一个同相面。为加快显示速度，将一个三维地震数据体转换为三维二值图像，用有序扩展算法追踪同相面所在的三维连通域，细化后得到反射面的坐标数据。再在虚拟现实系统下的对反射面进行立体显示，直观地分析地下地层的结构。结果 实际数据试验得到了反射面的三维形态及断层的分布规律，立体显示更深刻地揭示了复杂地质现象及其规律。结论 只有在虚拟现实系统中进行三维地震数据的可视化，才能直观地看到地下地层的真实场景，真正实现三维数据的全三维解释，所提出的方法是有效。     

Steric Sea-Level Change and its Impact on the Gravity Field caused by Global Climate Change

It is sometimes assumed that steric sea-level variations do not produce a gravity signal as no net mass change, thus no change of ocean bottom pressure is associated with it. Analyzing the output of two CO₂ emission scenarios over a period of 2000 years in terms of steric sea-level changes, we try to quantify the gravitational effect of steric sea-level variations. The first scenario, computed with version 2.6 of the Earth System Climate Model developed at the University of Victoria, Canada (UVic ESCM), is implemented with a linear CO₂ increase of 1% of the initial concentration of 365 ppm and shows a globally averaged steric effect of 5.2 m after 2000 years. In the second scenario, computed with UVic ESCM version 2.7, the CO₂ concentration increases quasi-exponentially to a level of 3011 ppm and is hold fixed afterwards. The corresponding globally averaged steric effect in the first 2000 years is 2.3 m. We show, due to the (vertical) redistribution of ocean water masses (expansion or contraction), the steric effect results also in a small change in the Earth’s gravity field compared to usually larger changes associated with net mass changes. Maximum effects for computation points located on the initial ocean surface can be found in scenario 1, with the effect on gravitational attraction and potential ranging from 0.0 to −0.7·10⁻⁵ m s⁻² and −3·10⁻³ to 6·10⁻³ m² s⁻², respectively. As expected, the effect is not zero but negligible for practical applications.     

水位观测资料的小波变换及异常提取

利用小波分析方法对永安台水位观测资料进行处理,提取测点周边5次中强震前水位观测资料中存在的短临异常信息,通过分析,永安台水位资料对150 km范围内中强震前确实存在一定程度的异常反应。结果表明:小波分析方法能够有效地将一些高频信息从原数据中分离出去,并且能够得到清晰的前兆数据原始变化趋势,可以使今后各种长短期震前异常的识别变得更加容易。     

Visualization and ecohydrologic models: Opening the box

Earth system models synthesize the science of interactions amongst multiple biophysical and, increasingly, human processes across a wide range of scales. Ecohydrologic models are a subset of earth system models that focus particularly on the complex interactions between ecosystem processes and the storage and flux of water. Ecohydrologic models often focus at scales where direct observations occur: plots, hillslopes, streams, and watersheds, as well as where land and resource management decisions are implemented. These models complement field-based and data-driven science by combining theory, empirical relationships derived from observation and new data to create virtual laboratories. Ecohydrologic models are tools that managers can use to ask “what if” questions and domain scientists can use to explore the implications of new theory or measurements. Recent decades have seen substantial advances in ecohydrologic models, building on both new domain science and advances in software engineering and data availability. The increasing sophistication of ecohydrologic models however, presents a barrier to their widespread use and credibility. Their complexity, often encoding 100s of relationships, means that they are effectively “black boxes,” at least for most users, sometimes even to the teams of researchers that contribute to their design. This opacity complicates the interpretation of model results. For models to effectively advance our understanding of how plants and water interact, we must improve how we visualize not only model outputs, but also the underlying theories that are encoded within the models. In this paper, we outline a framework for increasing the usefulness of ecohydrologic models through better visualization. We outline four complementary approaches, ranging from simple best practices that leverage existing technologies, to ideas that would engage novel software engineering and cutting edge human–computer interface design. Our goal is to open the ecohydrologic model black box in ways that will engage multiple audiences, from novices to model developers, and support learning, new discovery, and environmental problem solving.     

自转速率快速变化引起的全球位移场和应力场

该文建立了百万网格的分层PREM地球模型, 利用并行有限元方法计算了自转速率快速变化所引起的全球附加的位移场和应力场。 计算模型中不仅考虑了地球的径向分层, 同时还考虑椭率和地形的影响。 利用数值试验的方法, 系统分析了地球自转速率变化为Δω/ω=2×10^-10时所引起的全球应力分布特征, 研究表明椭率对地表各个应力分量的影响在千分之几, 而地形的影响则表现为径向应力与地形正相关, 且相同高度的地形在低纬度影响较大, 纬向和经向的应力大小分别与地形在SN向和EW向的地形梯度直接相关。     

遥感用于地震预报的理论及实验结果

本文论述了遥感用于地震预报的理论并进行了实验,实验得出岩石辐射特性、辐射温度随岩石应力的变化而变化,辐射亮度变化的量级为10~(-5)(W/cm~2·sr·μm),辐射温度变化为0.2—0.8℃,并且还发现了一些有意义的遥感前兆信息。遥感这一先进的科学技术能够用于地震预报得到了实验的初步证实。