Нанодиагностика природной и техногенной среды и супервычисления

При дистанционном зондировании и мониторинге технических объектов и окружающей среды носителем информации об их состоянии и свойствах является электромагнитное излучение, регистрируемое различными средствами. Представляют актуальность перспективные гиперспектральные системы нанодиагностики природной и техногенной среды на основе данных аэрокосмического дистанционного зондирования атмосферы и поверхности (объектов техносферы на поверхности). Для решения таких проблем требуется информационно-математическое обеспечение, включающее прямые и обратные задачи теории переноса излучения, модели которых основаны на передаточном операторе [1, 2].
Даже на современных высокопроизводительных вычислительных системах стоят проблемы скорости вычислений и оптимальной организации распараллеливания расчета при больших размерностях разностной сетки, а также передачи больших массивов результатов расчета по сетям от суперкомпьютера к рабочей станции оператора для последующей обработки.
Новый подход к моделированию радиационных полей в оптически толстых и существенно неоднородных средах на базе модели переноса излучения в гетерогенных системах и метода векторных функций влияния обладает удивительными свойствами распараллеливания вычислений и построения новых алгоритмов декомпозиции: методом векторных функций влияния исходную задачу с областью определения решения большой размерности и большим размером разностной сетки фазового пространства задачи можно факторизовать на ряд малоразмерных подзадач, определенных на подобластях и разностных сетках меньшей размерности. При этом подобласти могут отличаться радиационными режимами и в них можно использовать разные приближения и методы решения краевых задач теории переноса излучения.
Используем следующие приемы распараллеливания вычислений:
• распределенные вычисления по физическим моделям: многоспектральные (по длине волны); оптико-геофизическая погода (по коэффициентам общей краевой задачи); по источникам;
• распределенные вычисления на основе методического распараллеливания - декомпозиции краевых задач: по подобластям; по параметрам вектора функций влияния; по параметрам вектора пространственно-частотных характеристик; по компонентам векторных функционалов;
• алгоритмическое распараллеливание для многомерных моделей: однократное рассеяние по характеристикам; многократное рассеяние по интегралам столкновений и по подобластям с разными сеточно-характеристическими схемами.
Создаваемая система содержит три группы программных комплексов, соответствующих трем этапам решения задачи.
Первая группа программ - формирование оптико-метеорологических моделей среды: программы работы с архивом и базами данных моделей атмосферы, облаков, дымов, земной поверхности, океана; банк спектров поглощения атмосферных газов; банк характеристик аэрозольного рассеяния и поглощения; формирование модели атмосферы; пакеты данных к программам расчета радиационных характеристик и т.д.
Вторая группа программ - численное решение уравнения переноса излучения быстрыми приближенными и репрезентативными высокоточными методами.
Третья группа программ - обработка и диагностика результатов расчетов: расчет функционалов; аналитическая аппроксимация и параметризация табличных функций; компьютерная графика и визуализация; решение обратных задач по восстановлению параметров среды и т.д.
Реализация функции управления и сетевого взаимодействия комплексом программ производится с помощью оболочек (wrapper"s), написанных на языке описания сценариев Perl. Комплекс математических моделей, методов и программного обеспечения представляет собой открытую развиваемую систему математического моделирования.
Работа поддержана грантами РФФИ (проекты 09-01-00071, 08-01-00024, 08-07-13515-офи_ц) и проектом ПФИ № 3 (3.5) ОМН РАН.

1. Т.А. Сушкевич, С.А. Стрелков, А.А. Иолтуховский Метод характеристик в задачах атмосферной оптики, Москва, 1990, Наука, 296 с.
2. Т.А. Сушкевич Математические модели переноса излучения, Москва, 2005, БИНОМ. Лаборатория знаний, 661 с.