ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ им. Г.И. МАРЧУКА
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ
им. Г.И. МАРЧУКА РАН

ИВМ РАН

119333, г. Москва, ул. Губкина, 8.
Тел.: (495) 984‑81‑20, (495) 989‑80‑24, факс: (495) 989‑80‑23, E‑mail: director@mail.inm.ras.ru

  • English


Инновации

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2017 год)

1. Выполнена параллельная реализация с использованием стандартов MPI/OpenMP новой версии модели общей циркуляции океана INMОM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) для использования на массивно-параллельных вычислительных системах. С помощью параллельной реализации баротропного блока INMOM для глобального океана с разрешением ~4 километра было проведено моделирование цунами 2011 г. в Тихом океане, приведшее к катастрофе в Фукусиме.

Аннотация: Выполнена параллельная реализация новой версии сигма-модели общей циркуляции океана INMОM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) для использования на массивно-параллельных вычислительных системах. Предыдущая версия модели INMOM используется в качества океанического блока климатической модели INMCM (Institute of Numerical Mathematics Climate Model), участвующей в программе IPCC по прогнозированию изменений климата. Целью данной работы является повышение вычислительной эффективности физически более полной версии INMOM, которую предполагается использовать в качестве нового океанического блока модели INMCM и в автономных расчетах циркуляции океана.
С помощью параллельной реализации баротропного блока INMOM для глобального океана с разрешением ~4 километра, представляющего собой нелинейные уравнения мелкой воды (УМВ), было проведено моделирование цунами 2011 года в Тихом океане, приведшее к катастрофе в Фукусиме. Было проведено сравнение с экспериментальными данными и сравнение результатов расчетов по нелинейным и линеаризованным УМВ. Показано, что расчет длинных волн практически не отличается для нелинейного и линеаризованного случаев, за исключением прибрежных акваторий.
[1] Чаплыгин А.В., Дианский Н.А., Гусев А.В. Параллельное моделирование нелинейных уравнений мелкой воды. Тезисы конференции МФТИ. ИВМ РАН. 2017.
[2] Чаплыгин А.В. Реализация параллельной версии модели циркуляции океана INMOM. Тезисы лучших выпускных работ факультета ВМК МГУ 2017 г.
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. Дианский Н.А.

2. Выполнено моделирование экстремальных нагонов в Таганрогском заливе 24.03.2013 и 24.09.2014 с целью изучения особенностей их формирования и выявления требований к точности воспроизведения атмосферной и морской циркуляции в акватории Азовского моря.

Аннотация: Проведено моделирование экстремальных нагонов в Таганрогском заливе 24.03.2013 и 24.09.2014 с целью изучения особенностей их формирования и выявления требований к точности воспроизведения атмосферной и морской циркуляции в акватории Азовского моря. Для этого использовались две версии модели морской циркуляции INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) с пространственным разрешением ~4 км и ~250 м. Для задания атмосферного форсинга над Черноморским регионом использовались также два типа данных: реанализ Era-Interim и результаты расчетов по модели WRF (Weather Reasearch and Forecast Model) с пространственным разрешением 0,75°80 и 10 км соответственно. Показано, что качество расчета экстремальных нагонов в Азовском море в большей мере зависит от качества атмосферного воздействия, чем от пространственного разрешения модели морской циркуляции. Расчёт атмосферного воздействия по модели WRF с более высоким пространственным разрешением позволяет воспроизводить экстремальный нагон с более высокой точностью, чем при использовании реанализа Era-Interim. Расчёт еще более экстремального штормового нагона 24.09.2014 показал, что в модельных расчетах наблюдается превышение уровня чуть ли не на 50 см от наблюдаемого, когда в расчетах нагона 2013 было занижение на 29см. Вероятнее всего, это превышение наблюдаемого максимума связано с неучетом затопления береговой зоны в используемой версии модели.
[1] Фомин В.В., Дианский Н.А. Расчет экстремальных нагонов в Таганрогском заливе с использованием моделей циркуляции атмосферы и моря различного пространственного разрешения // Метеорология и гидрология. 2018. (принята к печати).
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. Дианский Н.А.

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2016 год)

1. Проведен цикл работ по повышению масштабируемости параллельного программного комплекса модели ПЛАВ на системах с традиционной кластерной архитектурой, в результате программный комплекс может использовать до  9072 процессорных ядер с эффективностью более 50 %.

Аннотация: В 2016 году в параллельном программном комплексе полулагранжевой  модели атмосферы ПЛАВ уточнено применение сочетания технологий MPI, OpenMP и внедрен ряд усовершенствований. Выполнено тестирование на различных вычислительных системах. На системах с традиционной кластерной архитектурой программный комплекс модели может использовать до 9072 процессорных ядер с эффективностью более 50 % при размерностях сетки 3024х1513х51. Выполнены опытные расчеты с программным комплексом модели ПЛАВ на системах на процессорах Intel Xeon Phi 2  (KNL, 68 процессорных ядер). Код с размерностью сетки 640х400х50 успешно масштабируется на нескольких процессорах при использовании до 200 потоков на процессор. Эксперименты показали возможность использования перспективных кластеров, построенных исключительно на таких процессорах, для расчетов модели ПЛАВ.
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. Толстых М.А.

2. Создана автоматизированная технология диагноза и прогноза гидротермодинамических характеристик Азовского моря и Керченского пролива, которая вводится в опытную эксплуатацию в ФГБУ “ГОИН” Росгидромета РФ. С её помощью проведен анализ успешности воспроизведения штормовых нагонов в Азовском море в зависимости от пространственного разрешения расчётной модели и качества входных данных.

Аннотация: В рамках выполнения работы по теме “Гидродинамический прогноз характеристик Чёрного и Азовского морей” программы I.3П было проведено изучение циркуляции Азовского моря, в том числе анализ возможности воспроизведения штормовых нагонов в Таганрогском заливе.
Для решения данной задачи были использованы численная модель региональной атмосферной циркуляции WRF ARW версии 3.6 и модель морской циркуляции INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). Модель WRF была реализована для акватории Чёрного и Азовского морей с разрешением 10 км.
При моделировании морской циркуляции использовались несколько версий модели циркуляции INMOM, адаптированных к акватории Чёрного и Азовского морей: модели Чёрного и Азовского морей с разрешением в 4 и 1 км соответственно, а также модель Азовского моря, включая Керченский пролив и прилегающую к нему акваторию Черного моря, с разрешением в 250 м.
Для анализа воспроизведения экстремальных штормовых ситуаций моделирование проводилось для двух наиболее экстремальных штормовых ситуаций, которые наблюдались над акваторией Азовского моря в марте 2013 и сентябре 2014 годов. При этом для оценки влияния атмосферной циркуляции были проведены расчёты по модели WRF с несколькими массивами входной метеорологической информации: Era-Interim, FNL, CFSR. Полученные массивы были дополнены доступными данными реанализов над акваторией Чёрного и Азовского морей: Era-Interim, реанализ на основе результатов моделирования по модели RegCM. Верификация используемых массивов метеорологической информации по данным прибрежных метеостанций показала, что результаты по модели WRF наиболее корректно воспроизводят атмосферную циркуляцию над акваторией Азовского моря. Результаты верификации реанализа Era-Interim оказались незначительно хуже. Для данных реанализа RegCM наблюдаются наименьшие значения коэффициента корреляции и наибольшие значения среднеквадратичной ошибки.
Моделирование морской циркуляции проводилось с использованием всех 5 массивов атмосферных полей. Результаты расчётов показали, что использование всех представленных массивов атмосферных полей позволяет воспроизводить экстремальные нагоны в Таганрогском заливе. При этом наиболее точные результаты достигаются с использованием массивов атмосферной циркуляции, рассчитанных по модели WRF. Анализ результатов моделирования уровня моря с различным пространственным разрешением показали, что наиболее точные результаты достигаются в модели Азовского моря с разрешением в 250 м.
На основе лучшей версии этой модели с пространственным разрешением 250 м и модели WRF была создана автоматизированная технология диагноза и прогноза гидротермодинамических характеристик Азовского моря и Керченского пролива, которая в настоящее время вводится в опытную эксплуатацию в ФГБУ “ГОИН” Росгидромета РФ.
[1] Дианский Н.А., Фомин В.В. Особенности инерционных течений в период шторма 23– 28.03.2013 в северо-восточной части Черного моря // Процессы в геосредах. 2016. №1(5). С. 37-47.
[2] Залесный В.Б., Гусев А.В., Агошков В.И. Моделирование циркуляции Чёрного моря с высоким разрешением прибрежной зоны // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2016. Т. 52. № 3. С. 316-333. (переводная версия: V.B. Zalesnyi, A.V. Gusev, V.I. Agoshkov. Modeling Black Sea circulation with high resolution in the coastal zone. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. V. 52, № 3, Р. 277–293).
[3] Залесный В.Б., Гусев А.В., Фомин В.В. Численная модель негидростатической морской динамики, основанная на методах искусственной сжимаемости и многокомпонентного расщепления // Океанология. 2016. Т. 56. № 6. C. 959-971. (переводная версия: V.B. Zalesny, A.V. Gusev, V.V. Fomin. Numerical Model of Nonhydrostatic Ocean Dynamics Based on Methods of Artificial Compressibility and Multicomponent Splitting // Oceanology. 2016. V. 56. № 6. P. 876-887).
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. Дианский Н.А.

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2015 год)

Разработана Информационно-вычислительная система (ИВС) вариационной ассимиляции данных наблюдений “ИВМ РАН – Чёрное море”.

Аннотация: Система создана с возможностью ассимиляции данных наблюдений температуры поверхности морей, данных о среднегодовых значениях уровня, с использованием или без использования приливообразующих сил и с реализацией распараллеливания численной модели гидротермодинамики Чёрного и Азовского морей на базе технологии OpenMP.
С помощью созданной ИВС и специального интерфейса могут быть решены и проанализированы основные характеристики гидротермодинамики Чёрного и Азовского морей (геофизические поля температуры, солёности, циркуляции, уровня морей).
Проведены тестовые испытания. Получено Свидетельство о государственной регистрации ИВС № 2014663103 “Информационно-вычислительная система вариационной ассимиляции данных “ИВМ РАН – Чёрное море””.
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. Агошков В.И.
 

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2014 год)

1. Разработана версия климатической модели INMCM4, c которой были проведены численные эксперименты по моделированию изменений климата в 19-20 веках и вероятных будущих изменений климата в 21 веке при различных сценариях. Проанализировано вероятное изменение климата в Арктике.

Аннотация: Показано, что при наиболее теплом сценарии к концу 21 века Арктика летом может полностью освободиться ото льда. При этом, на увеличивающийся эффект глобального потепления будут накладываться значительные естественные колебания климата.
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. Володин А.М.

2. В ФГБУ “Государственный океанографический институт имени Н.Н.Зубова” Росгидромета внедрена модель Института вычислительной математики INMOM (Institute Numerical Mathematics Ocean Model) для расчета циркуляции Карского и Печорского морей,  работающая составе комплексной системы оперативного диагноза и прогноза гидрометеорологических характеристик.

Аннотация: С помощью модели выполнены ретроспективные расчеты термогидродинамических характеристик для акваторий Карского и Печорского морей за безледный период с 2003 по 2012 гг. и обнаружены важные особенности циркуляции вод Карского и Печорского морей и структуры водообмена между ними.
Дианский Н.А. и др. Воспроизведение циркуляции Карского и Печорского морей с помощью системы оперативного диагноза и прогноза морской динамики // Арктика: экология и экономика. 2014. № 1 (13).
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. Дианский Н.А.
 

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2013 год)

 
1. Разработаны новые методы интерполяции и экстраполяции гидрофизических данных наблюдений и комплекс программ для построения полей основных океанографических параметров Мирового океана.

Аннотация: Предложены и исследованы новые методы интерполяции и экстраполяции геофизических данных наблюдений: метод с учетом характеристик адвективных и конвективных течений в водах океанов и морей и метод кусочно-полиномиальной интерполяции геофизических данных наблюдений на сферических поверхностях. Получены оценки погрешности предлагаемых методов. На основе предложенных методов разработан комплекс программ для построения полей основных океанографических параметров Мирового океана по данным профилирующих буев ARGO. Построены поля температуры и солености Мирового океана на различных пространственных, глубинных и временных сетках по данным измерений системы профилирующих буев ARGO за 2008-2010 гг.
Zakharova N.B., Agoshkov V.I., Parmuzin E.I. The new method of ARGO buoys system observation data interpolation. Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. Volume 28, Issue 1, 2013. pp. 67-84.
Захарова Н.Б., Агошков В.И., Пармузин Е.И. Методы интерполяции данных наблюдений в информационно-вычислительных системах “ИВМ РАН – Мировой океан” и “ИВМ РАН – Черное море” // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа: Сб. научн. тр. Вып. 26, том 2 / НАН Украины, МГИ, ИГН, ОФ ИнБЮМ. Редкол.: Иванов В.А. (гл. ред.) и др. – Севастополь, 2012. С. 361-379.
Научный руководитель работ – д.ф.-м.н. В.И. Агошков

2. Предложена методика и разработано программное обеспечение для распознавания и восстановления параметров наземных объектов по данным гиперспектрального аэрозондирования.

Аннотация: Рассмотрена задача классификации и определения биологической продуктивности лесной растительности на основе гиперспектральных изображений высокого пространственного разрешения. Предложена методика, позволяющая выявить малые радиометрические искажения на основе бинарной классификации, что является принципиальным при тематической обработке
гиперспектральных данных, поскольку использование большого числа спектральных каналов влечет за собой накопление систематической ошибки. Используемые алгоритмы распознавания породного состава лесной растительности основаны на принципе оптимальной байесовской классификации. Показано, что для обеспечения устойчивости указанных алгоритмов необходимо оптимизировать признаковое пространство путем объединения и отбора наиболее информативных спектральных каналов. Предложенный подход позволяет провести классификацию породного состава древостоев и рассчитать проекционные характеристики лесного полога, фитомассу различных фракций (стволы, листва, ветви корни), долю поглощенной фотосинтетически активной радиации, чистую первичную продукцию (Е.В. Дмитриев).
Научный руководитель работ – чл.-корр. РАН Лыкосов В.Н.