Общая информация    Научные направления    Ученый совет    Диссертационный совет    Сотрудники    Семинары

Конференции    Проекты    Отчеты    Публикации    Издания ИВМ    Кластер ИВМ    Кафедры    Аспирантура

2005     2006     2007     2008     2009    2012   2013   2014   2015   2016   2017   

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

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.

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.

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)

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.

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)

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.

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)

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

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.

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2012 год)

Для каскадных полярных кодов разработаны алгоритмы кодирования и декодирования малой вычислительной сложности, не уступающие современным промышленным стандартам (WiMax LDPC) и конкурирующим методам.

Аннотация. Полярные коды, предложенные Э.Ариканом в 2008 г. [1], до настоящего времени остаются единственной системой кодирования, которая, обладая алгоритмами  кодирования и декодирования линейной с точностью до логарифмов сложности, является шенноновской. Однако производительность, то есть способность исправлять ошибки, у полярных кодов, рассматриваемых в чистом виде, существенно ниже, чем у других современных систем кодирования, например таких, как коды малой плотности проверки на четность (LDPC). Проблема построения кодов, получаемых на основе полярных кодов, но имеющих существенно лучшую производительность, является одной из наиболее активно исследуемых [5]. Новый подход [2], [3] использует: конкатенацию (сцепление) [4] полярных кодов и некоторого подмножества заданных; оптимизационный алгоритм, минимизирующий вероятность блоковой ошибки путем выбора оптимального подмножества заданных кодов (так называемая "мягкая" конкатенация); декодирование списком [5] с выбором наилучшего кандидата посредством CRC кодов. Для каскадных кодов разработаны алгоритмы кодирования и декодирования малой вычислительной сложности. Коды, построенные с помощью разработанного подхода, не уступают современным промышленным стандартам (WiMax LDPC [6]) и конкурирующим методам, например, Tal, Vardy, 2012 [5]. Установлено, что эффективность нового метода во многом зависит от выбора семейства кодов, используемых для конкатенации с полярными кодами. Экспериментально показано, что семейства некоторых полярных кодов с алгоритмом декодирования списком могут приводить к конкурентноспособным результатам.

Научный руководитель работ - чл.-корр. РАН Тыртышников Е.Е.

Разработана вихреразрешающая модель, предназначенная для расчета нейтрально и устойчиво стратифицированных атмосферных турбулентных течений в условиях городской застройки.

Аннотация. При помощи вихреразрешающей модели проведены расчеты нейтрально и устойчиво стратифицированных турбулентных течений над поверхностями с явно заданными элементами шероховатости, имитирующими городскую застройку. Показано, что устойчивая стратификация не оказывает влияния на величину параметра шероховатости и высоту вытеснения для поверхностей городского типа. Построены пространственные спектры и коспектры турбулентных пульсаций скорости и выделены характерные пространственные масштабы, обеспечивающие универсальность спектральных распределений на различном удалении от поверхности при устойчивой стратификации. Предложен смешанный масштаб длины, включающий комбинацию "локального" (связанного с потоками на заданной высоте) масштаба Монина - Обухова и масштаба, вычисленного по значениям потоков вблизи поверхности. Показано, что использование этого масштаба позволяет параметризовать средние профили скорости и температуры во всей толще устойчиво-стратифицированного пограничного слоя, находящегося в состоянии, близком к равновесному.

Научный руководитель работ - чл.-корр. РАН Лыкосов В.Н.

Разработана математическая модель распространения ВИЧ инфекции с переменным риском инфицирования.

Аннотация Модель учитывает региональные особенности процессов социальной дезадаптации населения, может использоваться для прогнозирования эпидемии в регионах России и оценки эффективности противоэпидемических мероприятий. Параметры модели оцениваются по данным стандартной статистической отчетности. Новизна модели состоит в явном описании связи социальных и эпидемических процессов. Модель используется для анализа и интерпретации данных.

Научный руководитель работ - д.ф.-м.н. Романюха А.А.

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2009 год)

Разработана усовершенствованная версия алгоритмического и программного обеспечения обработки данных аппаратуры MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer - видеоспектрорадиометр среднего разрешения) спутника Terra (7 спектральных каналов; пространственное разрешение около 500 м) и аппаратуры ETM+ (Enhanced Thematic Mapper — усовершенствованный тематический картограф) спутника Landsat-7 (6 спектральных каналов; пространственное разрешение около 30 м) для отработки новых приложений в процессе летных испытаний трех разных версий отечественной гиперспектральной аппаратуры (около 200 спектральных каналов, пространственное разрешение около 2 м с высоты 1 км) для выбранного тестового участка Тверской области в 2007-09 гг.

Научный руководитель работ - д.ф.-м.н. Козодеров В.В.

При реализации программно-алгоритмического обеспечения решения задачи распознавания образов наблюдаемых объектов и восстановления параметров, характеризующих состояние почвенно-растительного покрова по данным гиперспектральной аэросъемки, проводилась привязка данных со щели гиперспектрометра к данным синхронной аэрофотосъемки и результатам наземных лесотаксационных обследований выбранной территории в виде отдельных кварталов и выделов внутри них. Были усовершенствованы соответствующие расчетные схемы сравнения текущих элементов разрешения со спектрами специально отобранных эталонных объектов, а также восстановления параметров состояния объектов почвенно-растительного покрова (объем зеленой фитомассы и др.). Основное внимание было уделено валидации (наземному подтверждению) получаемой информационной продукции обработки гиперспектральных изображений. Продемонстрировано значительно большее разнообразие получаемой информационной продукции обработки данных гиперспектрального зондирования, чем при общепринятом отображении породного состава и других характеристик лесной растительности для отдельных выделов. Показана также более высокая точность решения задачи восстановления параметров, чем при традиционных подходах, основанных на известной концепции «вегетационных индексов» (различных комбинаций измерительных каналов используемой аппаратуры дистанционного зондирования).

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2008 год)

Проведена оценка информационного содержания данных летных испытаний гиперспектрометра для выбранных тестовых участков территории Тверской области.

Научный руководитель работ - д.ф.-м.н. Козодеров  В.В.

Для моделирования уходящего солнечного излучения, регистрируемого аппаратурой дистанционного оптического зондирования (прямая задача) и восстановления параметров состояния наблюдаемых объектов для каждого элемента  многоспектральных изображений (обратная задача) была проведена адаптация разработанного ранее алгоритмического и программного обеспечения для обработки данных гиперспектрометра (разработка НПО «Лептон», г. Зеленоград; около 200 спектральных каналов; спектральное разрешение около 1 нм в области длин волн от 0.43 мкм до 0.93 мкм; пространственное разрешение около 2 м с высоты 1 км).  Первый этап обработки данных гиперспектрометра, представленных в абсолютных единицах Вт/(м2 мкм стер) для каждого элемента разрешения, включал поэлементное распознавание образов наблюдаемых объектов на основе выбранной меры близости предъявляемых векторов спектральных образов соответствующих объектов некоторым «эталонным объектам». На втором этапе решалась задача поэлементного восстановления количественных параметров состояния объектов (объем зеленой фитомассы разных типов экосистем, породный состав лесной растительности, тип межкроновой растительности и др.) на основе обращения основного функционала расклассифицированных на первом этапе гиперспектральных данных. Число наиболее информативных каналов оказалось равным около 30; эти каналы определялись по характерным перегибам и резким изменениям суммы частот появления разных градаций интенсивности регистрируемого излучения в каждом из спектральных каналов и логарифмов этих частот. Показаны возможности повышения эффективности разработанных ранее расчетных программ восстановления параметров состояния почвенно-растительного покрова по данным многоспектрального и гиперспектрального аэрокосмического зондирования.

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2007 год)

Предложен новый алгоритм декодирования многоантенного канала, основанный на редукции базиса целочисленной комплексной решетки и позволяющий снизить арифметические затраты как минимум вдвое при том же уровне ошибок  при передаче цифрового потока.

Научный руководитель работ - чл.-корр. РАН Тыртышников Е.Е.

Редукция базиса в алгебраических задачах широко используется уже более 20 лет (A. K. Lenstra et al., Factoring polynomials with rational coefficients, Math. Ann. 261: 515-534, 1982); в алгоритмах, применяемых в системах связи - сравнительно недавно (D. Wuebben et al., Proc. IEEE Int. Conf. Communications 2004, Vol. 2, 798-802). Однако, существующие подходы ориентированы только на так называемые  ''жесткие'' решения, то есть решения, не содержащие вероятностные оценки ошибки для отдельных битов. Между тем, существует множество способов коррекции ошибок (сверточные коды, турбо-коды, LDPC и др.), действующие намного эффективнее, когда в них подают ''мягкие'' битовые решения с корректно вычисленной вероятностью выходных битов. По существу, новизна предложенного алгоритма состоит именно в соединении алгоритмов типа редукции базиса с вероятностными оценками выходного вектора.Технически, результат заключается в увеличении быстродействия и в увеличении точности способа MIMO-декодирования сигнала. Полученный алгоритм может использоваться в радиотехнических устройствах, причем, в силу его малой вычислительной сложности, может применяться в MIMO-OFDM системах.

Разработана вычислительная технология приближенного конечно-элементного решения трехмерных краевых задач.

Научный руководитель работ - д.ф.-м.н. Василевский Ю.В.

Коллектив сотрудников и аспирантов ИВМ РАН (Ю.В.Василевский, А.А.Данилов, К.Д.Никитин, В.Н.Чугунов, С.А.Горейнов) в сотрудничестве с К.Н.Липниковым разработал библиотеку программ для приближенного конечно-элементного решения трехмерных краевых задач на тетраэдральных адаптивных сетках. Библиотека позволяет строить и адаптировать сетки в сложных областях,  порождать и решать системы сеточных уравнений. Библиотека доступна в интернете http://sourceforge.net/projects/ani3d. За 4 месяца доступности библиотеки в сети было осуществлено около 250 загрузок (двумерная библиотека за 3-4 года была загружена 1500 пользователями).

Разработана вычислительная технология обработки эпидемиологических данных по выявлению и лечению больных туберкулезом. Эта технология позволяет оценивать для данного региона количество невыявленных  больных туберкулезом и качество работы диагностической лаборатории.

Научный руководитель работ - д.ф.-м.н. Романюха А.А.

Разработана базовая математическая модель распространения и контроля туберкулеза. Проведена адаптация модели, включая учет миграционных притоков и оттоков, использование зависимости силы инфекции от переменных модели и статистических данных. Исследованы свойства решений модели, в том числе существование, единственность и непрерывная зависимость от начальных данных. С использованием разработанной модели проведен анализ данных по ряду областей европейской части РФ. Таким образом, разработана вычислительная технология, позволяющая оценивать ключевые параметры, необходимые для мониторинга ситуации по туберкулезу и оптимизации противотуберкулезных мероприятий. Предложена модификация формы отчетности о ситуации по туберкулезу, позволяющая применять данную вычислительную технологию в качестве инструмента систематической оценки ситуации по туберкулезу и эффективности выявления больных.

Рекомендован к оперативному использованию в учреждениях системы Росгидромета прогноз осадков на основе глобальной полулагранжевой модели прогноза погоды, разработанной совместно ИВМ РАН и ГУ Гидрометцентр России (Решение ЦМКП Росгидромета от 29.11.2007).

Научный руководитель работ - д.ф.-м.н. Толстых М.А.

В ИВМ РАН совместно с Гидрометцентром России была разработана  глобальная полулагранжева модель среднесрочного прогноза погоды ПЛАВ 2005.  Решением Центральной методической комиссии по прогнозам Росгидромета от 29.11.2007 рекомендован к внедрению в оперативную практику гидродинамический прогноз 12-часовых сумм осадков заблаговременностью  до 72 часов  в рамках глобальной модели ПЛАВ 2005 в качестве основного метода прогноза для слабых и умеренных осадков в холодный период по всей территории России, а в теплый период - для территории Восточной Сибири и Дальнего Востока. В теплый период года для остальных регионов России прогноз осадков  модели ПЛАВ 2005 рекомендован в качестве вспомогательного метода.

Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2006 год)

Создана и апробирована система обработки многоспектральных  спутниковых изображений для решения задачи восстановления биомассы растительности  на примере территории Тверской области

Руководитель работ - д.ф.-м.н. Козодеров В.В. 

Проведены расчеты восстановления биомассы растительности для каждого элемента выбранных изображений аппаратуры MODIS спутника Terra для территории Тверской области и окружающих ее областей за разные сезоны вегетации растительности (май-октябрь).  Использовались исходные данные 7 каналов указанной аппаратуры, охватывающие область спектра от 0.45 мкм до 2.1 мкм с пространственным разрешением 500 метров. Наряду с величиной биомассы при обработке полученных изображений проводилась классификация объектов выбранной территории (выделялись классы: облака, водные объекты, почвенно-растительный покров), определялось состояние атмосферы в момент съемки (сильное и слабое замутнение), а также выделялись классы состояния наблюдаемых экосистем (для лесных экосистем: лиственные, хвойные, смешанные), включая болота, урбанизованные районы и др. От существующих аналогов предлагаемая новая информационная продукция обработки многоспектральных спутниковых изображений отличается тем, что результаты обработки представляются в терминах количественных показателей состояния (биомасса растительности и др.) вместо традиционных качественных показателей. Получение таких результатов стало возможным за счет использования абсолютных энергетических характеристик регистрируемого излучения, что позволяет связать результаты модельных расчетов уходящего солнечного излучения с данными измерений указанной аппаратуры. При обращении основного функционала многоспектральных яркостей использовались методы вычислительной математики в задаче нахождения пересечений расчетных кривых в координатах ''плотность лесного полога - ажурность крон деревьев''.

 Исследования и разработки, готовые к практическому применению (2005 год)

Эффективные  технологии параллельного решения краевых задач с использованием адаптивных сеток

Руководитель работ: к.ф.-м.н. Василевский Ю.В.

Завершен цикл работ по разработке двумерных и трехмерных параллельных технологий приближенного адаптивного решения краевых задач. Технологии опираются на использование сеток трех разных классов: конформных иерархических с локальным измельчением, конформных неструктурированных  с возможной анизотропией симплексов, и нестыкующихся симплициальных. Для всех классов созданы генераторы как двумерных, так и трехмерных сеток, а также эффективные методы решения возникающих систем, используемые в параллельных расчетах.

Для двумерных и трехмерных аппроксимаций на нестыкующихся сетках используются макро-гибридные формулировки, и для соответствующих линейных систем разработан  и внедрен ряд эффективных параллельных решателей, что привело к созданию параллельной технологии расчета на нестыкующихся сетках.

Для аппроксимаций на конформных иерархических сетках с локальным измельчением был исследован и реализован специальный многосеточный метод параллельного решения соответствующих линейных систем. В связке с экономичным генератором сеток и известными апостериорными оценщиками ошибок этот метод порождает параллельную многоуровневую технологию решения краевых задач.

Завершена разработка (совместно с К.Н.Липниковым из Национальной Лаборатории в Лос Аламосе)  двумерных и трехмерных технологий приближенного адаптивного решения краевых задач на основе восстановления гессиана сеточного решения. Эта технология позволяет избегать конкретных данных об операторе задачи, строит адекватное адаптивное измельчение и анизотропное вытягивание элементов сетки, а также позволяет легко управлять свойствами построенной адаптивной сетки. Разработан и реализован параллельный генератор трехмерных сеток, позволяющий существенно ускорить генерацию сеток с миллионамиячеек. Предложен и внедрен новый параллельный решатель линейных систем (декомпозиционный метод агрегирования), удобный при аппроксимациях на неструктурированных сетках. Предлагаемая методология снабжена дополнительной технологией, обеспечивающей взаимодействие с системами САПР.

Математическая модель и комплекс программ  для совместной динамики и термодинамики воды и морского льда
Северного Ледовитого океана (СЛО).

Руководитель работ - академик Саркисян А.С.

Завершен цикл работ: математическая постановка, выбор и согласование физических параметризаций, разработка нового проекционно-сеточного численного метода решения, программная реализация и тестирование.

В рамках международной программы сравнения моделей СЛО проведен анализ состояния океана и морского льда  при реалистичном атмосферном и океанском вынуждающем воздействии за 1948-2002 гг., который показал реалистичность и перспективность построенной модели. Исследованы особенности распространения атлантических вод, энергетические переходы в модели и физические механизмы, ответственные за формирование наблюдаемого поля солености. Наиболее существенный результат за 2005 г. состоит в исследовании важности учета нелинейной реологии морского льда с параметризацией прочности льда через потенциальную энергию образующихся торосов для воспроизведения наблюдаемой структуры солености и содержания пресной воды Северного Ледовитого океана. В более ранних версиях модели СЛО прочность льда параметризовалась через среднюю толщину льда, что приводило к нереалистично сильному торможению льда при средних толщинах порядка 3м. Такое торможение изолировало верхний океан от атмосферы, антициклоническое вращение в море Бофорта замедлялось и закачка пресной воды в этот круговорот прекращалась. Это приводило к появлению в районе моря Бофорта не минимума солености, как следует из наблюдений, а максимума. По результатам работы Н.Г. Яковлевым была защищена диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук "Численное моделирование крупномасштабного состояния вод и морского льда Северного Ледовитого океана и его морей" по специальности 25.00.29 -Физика атмосферы и  гидросферы.

Новая версия базовой модели динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере с учетом нового блока, описывающего формирование частиц новой фазы из газов-предшественников по механизму гомогенной тройной нуклеации.Модель дополнена химическим блоком для описания совместных газофазных и жидкофазных процессов в атмосфере как над материками, так и над морской поверхностью.

Руководитель работ д.ф.-м.н. - Алоян А.Е.

Базовая модель состоит из следующих основных блоков: модель гидротермодинамики региональных атмосферных процессов, модель переноса многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей с учетом фотохимической трансформации и кинетических процессов гомогенной тройной нуклеации, конденсации и коагуляции, совместная  модель газофазных и жидкофазных химических процессов, модель массообмена на интерфейсе газ-частица ответственной за изменчивость ионного состава аэрозольных частиц в зависимости от спектра их размеров. Таким образом, базовая модель включает все ключевые механизмы, ответственные за изменчивость газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. Такая комплексная модель разработана в России впервые.

Данный комплекс был использован для исследования пространственно-временной изменчивости газовых примесей и аэрозолей в Байкальском регионе,  включающем фоновую станцию Монды. Сопоставление результатов расчета с данными натурных измерений по содержанию концентрации ионов в аэрозольных частицах  показало хорошее количественное согласие. Данный комплекс может быть применен для воспроизведения изменчивости газовых примесей и аэрозолей для различных регионов планеты.

Алгоритмы и комплексы программ для решения  решения обратных задач восстановления объема биомассы лесной растительности к многоспектральным изображениям аппаратуры MODIS спутника Terra для выбранных тестовых  участков территории Тверской области.

Руководитель работ - д.ф.-м.н. Козодеров В.В.

Использовались данные 7 спектральных каналов указанной аппаратуры для видимой и ближней инфракрасной областей спектра с пространственным разрешением около 500 метров. Обработка полученных изображений заключалась в обращении расчетного функционала многоспектральных яркостей для каждого элемента дистанционного спутникового зондирования и нахождении пересечений кривых, относящихся к конкретным измерительным каналам аппаратуры MODIS, в координатах "плотность лесного полога - ажурность крон деревьев". Была разработана специальная поисковая программа регуляризации получаемых решений обратной задачи. Показаны примеры восстановления биомассы лесных, болотных и других экосистем для выбранного региона исследований. В дополнение к традиционным подходам по классификации природных объектов с помощью данных аппаратуры MODIS получены первые результаты количественной оценки параметров состояния наблюдаемых объектов. Такими параметрами являются, в частности, объем биомассы растительности, породный состав экосистем (лиственные, хвойные, смешанные), тип межкроновой растительности, состояние атмосферы в момент съемки и др. Показано, что предлагаемый подход имеет значительно более широкие приложения, чем известная концепция "вегетационных индексов" (отдельных комбинаций спектральных каналов), использование многофакторной регрессии и других общепринятых методов. Полученные результаты составляют основу новой технология оценки по большим площадям перечисленных параметров состояния почвенно-растительного покрова, которые измеряют биологи-лесники на их выбранных  точечных участках наземных обследований.