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《中国地质大学(北京)》 2011年
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交互式协同空间天气数值模拟框架及可视化研究

江雯倩  
【摘要】:空间天气的状态与变化直接影响着人类社会的通讯、军事、科技和人们的日常生活。因此,研究和掌握太阳活动规律,有效地监测灾害性空间天气、准确地诊断和预报灾害性空间天气以减轻或避免它给人类活动带来危害成为人类可持续发展的一种迫切需要。通过可视化技术,直观地展现或再现日地空间环境的状态和变化,即空间天气数值模拟可视化,是当前空间科学应用研究的重点之一。同时,它也是揭示空间天气爆发的物理机制,理清日地空间环境中各空间物理层之间相互作用关系的重要手段。本文在分布式协同可视化基础理论的基础上,提出了空间天气数值模拟可视化的交互式协同框架。同时在分析当前国内外空间天气数值模拟可视化的研究状况后,针对目前其在高性能计算、海量空间天气数据组织方式、模式集成、可视化表达方式、交互式协同控制方面存在的问题,设计并实现了空间天气数值模拟可视化平台SWIM (Space Weather Integrated Modeling)。本文的研究成果主要包括: (1)提出了空间天气数值模拟可视化的交互式协同架构ICI-SWIM,为SWIM系统的框架设计提供了参考依据。设计了以数据访问基础架构、模式集成基础架构、可视化处理基础架构、并行处理基础框架和系统图形界面集成框架为组成部分的SWIM系统架构。同时,提出SWIM系统以Python作为平台开发语言、以HDF5数据格式标准作为空间天气科学数据的交换和存储格式、以SciPy和NumPy等模块作为数据分析工具、以Matplotlib和VTK (The Visualization Toolkit)可视化软件包作为二维和多维数据的可视化分析组件,并以基于异步事件触发机制的Twisted-Python构建空间天气数值模拟可视化服务。 (2)提出了主-辅分布式集群方式的空间天气数值模拟可视化服务框架SWIM-VSI,该服务框架主要包括中控调度服务和可视化加工服务两大部分,分别负责服务请求的分配调度和可视化算法的具体执行。 (3)提出了基于MPI、CUDA和Chromium的空间天气数值模拟可视化并行处理架构SWIM-DI。在现阶段实验性研究过程中,重点通过日冕偏振亮度计算模型,验证该并行架构的可行性以及在计算性能方面的提升优势。 (4)设计并实现了基于HDF5的海量空间天气数据存储的标准格式GeoHDF5和数据访问的基础架构SWIM-DI。
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P435

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