1 Руководство по работе с глобальной численной моделью верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model) 1. Файлы модели Наиболее полный список файлов модели выглядит следующим образом: M0_EISC.F – основной файл модели, в котором осуществляются вызовы основных процедур; M1.F – считывание файла входных параметров mod1, расчёт потоков солнечного излучения, задание нулевых начальных условий (если необходимо); M2.F – интерполяция ТРУБКА – ШАР; M3.F – работа с массивами; M5.F – работа с эмпирической моделью состава и температуры термосферы NRLMSISE-00(MSIS); M6.F – запись временных вариаций параметров; MD.F – расчет дрейфовых скоростей; MS1.F – вычисление скоростей молекулярных ионов без диффузионных составляющих по глобусу; MS2T_FL.F – ион-нейтральное взаимодействие в ШАРЕ, сохранение ионных скоростей; MS3T.F – расчёт скоростей нагрева и охлаждения нейтрального газа; MS4T.F – расчёт параметров ШАРА; MT.F – расчёт параметров ТРУБКИ; MP_79.F – расчёт распределений продольных токов зон 1 и 2 на каждом временном шаге по заданному значению разности потенциалов поперёк полярной шапки; SUB_2002.F – задание разности потенциалов поперёк полярной шапки, границ и потоков овала высыпаний; INTER_GL.F – расчёт полного электронного содержания (TEC); HWM93.F – работа с эмпирической моделью скорости горизонтального нейтрального ветра; PARAMETER.INC – параметры сетки. ВАЖНО: при компиляции модели необходимо, чтобы файл PARAMETER.INC содержал параметры той пространственной сетки, которая в последствии будет использоваться при расчёте параметров верхней атмосферы. 2 2. Файл состояний MOD4 Файл mod4 является основным файлом данных модели UAM, в котором сохраняются: 1) моделируемая дата и момент времени, для которого произведен расчет, по отдельности: параметров ШАРА, ТРУБКИ, блока потенциала; 2) массивы, описывающие используемую сетку пространственных координат; 3) массивы, описывающие глобальное распределение рассчитываемых параметров верхней атмосферы в какой-то фиксированный момент времени. ВАЖНО: массивы в MOD4 в ходе расчета перезаписываются, т.е. сохраняется последнее состояние, а предыдущее «затирается». По структуре MOD4 состоит из 12 логических файлов, в каждом из которых хранится определенный набор данных. Наиболее важные: 3 логический файл содержит массив пространственных координат; логический файл – массив параметров термосферы (ШАРА); логический файл – массив параметров ионосферы (ТРУБКИ); 15 логический файл – рассчитанное распределение потенциала электрического поля. Для создания MOD4 используется программа SETKA.EXE. Для ее запуска необходимо иметь в том же каталоге, где находится программа, файл MOD1. После запуска SETKA.EXE на экран выдается сообщение: Create the new work file on disk /0/ or only calculate array dimensions /1/? Необходимо ввести «0». В результате будет построен MOD4, в котором будет содержаться массив пространственных координат, способ задания которого описан в программе SETKA.EXE, и нулевой массив параметров. Для просмотра содержимого mod4 используется программа RINF.EXE. Для этого в командной строке набирается команда: RINF.EXE MOD4 Эта программа формирует файл INFORM – файл-описание MOD4. Для сохранения отдельно рассчитанного состояния верхней атмосферы из MOD4 используется программа ZFL56.EXE. Для этого в командной строке набирается команда: ZFL56.EXE MOD4 FILE_NAME 3 Далее на экране выводится сообщение о том, какой логический файл mod4 необходимо сохранить. Последовательно вводятся: 3, 5, 6 и 15. Таким образом, в файле с именем FILE_NAME будут сохранены сетка пространственных координат, массивы параметров ШАРА и ТРУБКИ и распределение потенциала электрического поля. 4. Изменение сетки пространственных координат, используемой при расчете Для просмотра параметров пространственной сетки, используется программа RINF.EXE. Для этого в командной строке набирается команда: RINF.EXE MOD4 Эта программа формирует файл INFORM – описание файла MOD4. В конце файла представлены массивы: TETMT – координат узлов по геомагнитной широте в ТРУБКЕ; TETMS – координат узлов по геомагнитной широте в ШАРЕ; RADS/1.E5 (km) – координат узлов по высоте. В этом же файле отображается дата и момент времени UT, для которого сохранены данные модели. После создания MOD4 дата, как и массив данных, нулевая. В данной версии модели UAM заложена возможность изменения шагов по геомагнитной широте и геомагнитной долготе. По долготе шаги постоянны, но их значения можно изменять. По широте допустимо использование как постоянных, так и переменных шагов. По высоте шаги переменны, но они не меняются. 4.1 Изменение шагов сетки по широте Для изменения шагов по геомагнитной широте необходимо внести изменения в программе SETKA.FOR: dtetT – функция, возвращающая значения шагов по геомагнитной широте в ТРУБКЕ (переменная dtetT); dtetS – функция, возвращающая значения шагов по геомагнитной широте в ШАРЕ (переменная dtetS). После внесения изменений, программу SETKA.FOR необходимо откомпилировать, и при помощи нее создать MOD4. 4 4.2 Изменение шагов сетки по долготе Для изменения шагов по геомагнитной долготе необходимо внести изменения в файле MOD1 и запустить программу SETKA.EXE. В файле MOD1 на месте переменной DDOLG ставится необходимое значение. В приведенном ниже примере это значение 15 градусов (выделено серым цветом). Пример. NTR, GAMMA, DDOLG,nothing,RMAXT - spatial grid parameters (*) 16 1.1000 15. 5. 14.90 После изменения сетки пространственных координат и создания на ее основе MOD4 необходимо согласовать ее параметры в MOD4 и в модели UAM. Посредником между ними является файл PARAMETR.INC. Для этого необходимо из файла-описания INFORM переписать значения переменных NL (число силовых линий сетки ТРУБКИ), ITS (число узлов сетки ШАРА по кошироте), NTPL (общее число узлов в каждой долготной плоскости ТРУБКИ) в файл PARAMETR.INC, присвоив их значения переменным NL0, ITS0 и NTPL0, соответственно. Также в соответствие с шагом по долготе в файле PARAMETR.INC необходимо изменить значение переменной IDT0 (количество долготных плоскостей). Например, для шага 15 градусов IDT0=24. ВАЖНО: в случае запуска модели с неисправленным файлом PARAMETR.INC будет выдана ошибка о несовпадении размерностей сеток в модели и MOD4. 5. Подготовка начальных условий Создание начальных условий состоит из следующих этапов: 1) создание файла INDEX.DAT; 2) создание управляющего расчетом файла MOD1; 3) заполнение MOD4 начальными значениями параметров верхней атмосферы. 5.1 Создание файла INDEX.DAT В файле INDEX.DAT содержится следующая информация о моделируемом периоде: дата; 1) значение F10.7 для предыдущего дня; 2) среднее арифметическое значение F10.7 за 81 день (40 дней до моделируемой даты + 1 моделируемая дата + 40 дней после моделируемой даты); 5 3) массив из 10 значений 3-х часовых индексов Kp (первый элемент массива - Kp за последние 3 часа предыдущего дня; 8 значений для моделируемой даты; последний - Kp за первые 3 часа последующего дня); 4) среднее арифметическое значение индекса Ap за моделируемые сутки; 5) массив 3-х часовых индексов Ap, включающий в себя значения индексов за 3 предыдущих дня, моделируемый и последующий день; 6) массив из 26 значений часовых индексов AE (первый элемент массива – AE за последний час предыдущего дня; 24 значения для моделируемой даты; последний – AE за первый час последующего дня). Файл INDEX.DAT создается с помощью BAT-файла INDEX.BAT, который, в свою очередь, обращается к базам данных по индексам геомагнитной активности. ВАЖНО: в случае, если индексы для выбранного моделируемого периода отсутствуют, выдается на экран сообщение об ошибке. Тогда необходимо, либо искать в Интернете требуемые данные, либо менять дату. 5.2 Создание управляющего расчетом файла MOD1. Файл MOD1 создается вручную на основе какой-либо его версии. В нем записываются: 1) моделируемая дата; 2) момент времени UT начала расчета; 3) момент времени UT конца расчета; 4) периодичность сохранения картинок (MOD2.INI); 5) шаг по времени в ШАРЕ; 6) шаг по времени по ТРУБКЕ; 7) управляющие расчетом ключи; 8) предыдущее, текущее и среднее за 81 день значения F10.7; 9) шаг по долготе (DDOLG). 5.3 Заполнение MOD4 начальными значениями параметров верхней атмосферы В модели используются следующие варианты начальных условий: 1) нулевые; 2) распределения параметров, рассчитанных ранее в той же сетке; 3) распределения параметров, рассчитанных ранее в другой сетке; 4) комбинированные - по данным эмпирических моделей. 6 5.3.1 Нулевые начальные условия. Расчет стартует от нулевого MOD4, который получается на выходе после работы программы SETKA.EXE, и многократно повторяется для одной и той же даты до устранения переходных процессов, т.е. до получения установившегося состояния верхней атмосферы. 5.3.2 Распределения параметров, рассчитанных ранее в той же сетке Ранее полученное распределение параметров верхней атмосферы и сохраненное при помощи программы ZFL56.EXE копируется из файла FILE_NAME в текущий MOD4 при помощи программы COPMD.EXE. В командной строке набирается команда: COPMD FILE_NAME MOD4 Далее программа запрашивает, какие и куда копировать логические файлы. Необходимо копировать 5 логический файл в 5, 6 – в 6, 15 – в 15. 5.3.3 Распределения параметров, рассчитанных ранее в другой сетке Ранее полученное распределение параметров верхней атмосферы и сохраненное при помощи программы ZFL56.EXE (но в другой сетке координат) копируется из файла FILE_NAME в текущий MOD4 при помощи программ NEWSETSH.EXE (для копирования параметров ШАРА из одной сетки в другую) и NEWSETTR.EXE (для копирования параметров ТРУБКИ из одной сетки в другую). В командной строке набираются команды, соответственно: NEWSETSH FILE_NAME MOD4 (далее отвечаем, что копируем 5-й логический файл в 5) NEWSETTR FILE_NAME MOD4 (далее отвечаем, что копируем 6-й логический файл в 6). 5.3.4 Начальные условия, комбинированные по данным эмпирических моделей В качестве начальных условий используются значения параметров термосферы и ионосферы, рассчитанные по соответствующим эмпирическим моделям: для расчета состава и температуры нейтрального газа используется модель MSIS; 7 для расчета горизонтальных составляющих вектора скорости нейтрального ветра – HWM-93; для расчета ионосферных параметров – IRI-2001. Для формирования комбинированных начальных условий используется программа INI_MSIS.EXE. Для ее работы требуются файлы MOD4, MOD1, INDEX.DAT, а также базы данных и файл-ключи IRI_KEYS к IRI-2001. ВАЖНО: такой способ получения начальных условий, как правило, требует дополнительных прогонов (1-2 раза повтора расчета для одних и тех же суток) до исчезновения переходных процессов. 6. Входные параметры модели Входными параметрами модели являются: Год, день года, месяц, мировое время начала события, общее время события, шаги по времени в шаре и трубке – задаются в файле MOD1. Параметры солнечной активности (F10.7) - задаются в файлах MOD1 и INDEX.DAT, планетарные индексы геомагнитной активности (AP, KP, DST), авроральные индексы геомагнитной активности (AE, AL, AU) - задаются в файле INDEX.DAT. Потоки солнечного УФ и КУФ излучения – берутся по эмпирической модели в процессе расчёта. Границы аврорального овала и потоки высыпающихся из магнитосферы энергичных частиц – задаются в соответствии с одним из вариантов: o считаются постоянными и равными заданным значениям; o рассчитываются по эмпирическим моделям; o считываются из входных файлов. Разность потенциалов электрического поля поперёк полярной шапки – задаётся в соответствии с одним из вариантов: o считаются постоянными и равными заданным значениям; o рассчитываются по эмпирическим моделям; o считываются из входных файлов. 7. Управляющие параметры модели Управляющими параметры модели отвечают, как правило, за выбор способов расчёта отдельных параметров верхней атмосферы и задаются в файле MOD1. Управляющие параметры разбиты на 3 группы: параметры моделирования MAS, параметры ШАРА (MASS) и параметры ТРУБКИ (MAST). Наиболее часто пользуются следующие из них. 8 Параметры ШАРА MASS(3) – скорости молекулярных ионов равны нулю (=0) или рассчитываются (=1); MASS(4) – расчёт нейтральной температуры по эмпирической модели MSIS (=0) или по уравнению теплопроводности (=1); MASS(5) – расчёт нейтрального состава по эмпирической модели MSIS (=0) или по уравнению непрерывности (=1); MASS(6) – задание нулевой скорости горизонтального нейтрального ветра (=0), расчёт скорости горизонтального нейтрального ветра по уравнению движения (=1) или по эмпирической модели HWM-93 (=2); MASS(7) – вертикальная скорость нейтрального ветра равна нулю (=0) или рассчитывается (=1); MASS( 8) – диффузионные скорости равны нулю (=0) или рассчитываются (=1); MASS(12) – функций ионизации (высыпающимися электронами в полярной области) не рассчитываются (=0) или рассчитываются (=1); MASS(18) – на нижней границе скорость горизонтального нейтрального ветра равна нулю (=0) или рассчитывается (=1); Параметры ТРУБКИ MAST(4) – концентрация H+ не рассчитывается (=0) или рассчитывается (=1); MAST(6) – концентрация HE+ не рассчитывается (=0) или рассчитывается (=1); MAST(9) – ионная температура не рассчитывается (=0) или рассчитывается (=1); MAST(11) – электронная температура не рассчитывается (=0) или рассчитывается (=1); MAST(13) – расчёт без дрейфа (=0) или с дрейфом (=1); MAST(17) – расчет электрического поля, генерируемого ветрами (=1), расчет поля магнитосферной конвекции (=2) или расчет полного поля (=3); MAST(18) – потенциал электрического поля обнуляется (=0) или не обнуляется (=1). 8. Какие параметры сохраняются На каждом временном шаге в файле состояний MOD4 в каждом узле сетки сохраняются текущие значения следующих параметров: концентрации основных нейтральных компонент (O2, N2, O, NO, N), суммарная концентрация молекулярных ионов, три компоненты скорости и температура нейтрального газа, температуры ионов и электронов (до 520 км), скорости ионизации O2+, N2+, O+, NO+ – в ШАРЕ; концентрации и скорости вдоль силовой трубки атомарных ионов (O+, H+), температуры ионов и электронов (выше 520 км) – в ТРУБКЕ. 9 Соответственно, из файла MOD4 можно извлечь широтно-долготный, высотно-широтный или высотно-долготный разрез любого из рассчитываемых параметров. ВАЖНО: в ходе расчёте файл состояний MOD4 переписывается на каждом временном шаге, поэтому в конце расчёта будет сохранено состояние среды только на конечный момент времени. Если какие-либо пространственные распределения параметров необходимо сохранять на каждом временном шаге, тогда в файле MOD2.INI прописываются процедуры извлечения данных с помощью программ соответствующего пакета (с указанием значений высоты, долготы, широты), которые будут оперировать с файлом состояний на каждом временном шаге. Пример: сохранение широтно-долготных разрезов концентрации атомарного кислорода на высоте 300 км. BEGIN TYPE=SH_SD // REGTIME=2 программа для извлечения разреза // сохраняем данные в формате файла m2 PATH=ARCH\DENS // сохраняем данные в папку ARCH\DENS FILE=NO_ NPAR=2 // // имя файла, в котором будут сохранены данные параметр, который нужно сохранять, через его номер ZLEVEL=300.E5 // высота, на которой осуществляется разрез TITLE=Lg[N(O),m-3], 300 km // задаем заголовок в файле END Для сохранения высотно-временных вариаций параметров в заданной точке в файле mod2.ini прописывается соответствующая процедура с указанием геомагнитных координат данной точки. Пример: сохранение высотно-временных вариаций параметров над станцией Аресибо BEGIN TYPE=PROFILE FILE=ARCH\P29_0 // имя файла, в котором будут сохранены данные LAT=29.4 // геомагнитная широта точки LONG=3.1 // геомагнитная долгота точки END ВАЖНО: более подробно опции сохранения данных в ходе расчёта описаны в начале файла MOD2.INI. 10 9. Последовательность действий при запуске расчёта 1) В отдельную папку поместить следующие файлы: файл модели M0_EISC.EXE; файл MOD4, в котором записано начальное состояние среды для расчёта; файл MOD1; файлы входных параметров (обязательно INDEX.DAT, остальные – BOUND.DAT, DPOT.DAT, PREC.DAT – в зависимости от варианта задания высыпающихся частиц и разности потенциалов поперёк полярной шапки); файл MOD2.INI, если необходимо сохранять в процессе расчёта временные вариации в конкретных точках либо пространственные разрезы (широтнодолготные, высотно-долготные или высотно-широтные) распределений отдельных параметров. ВАЖНО: сохранение указанных в файле MOD2.INI рассчитываемых параметров производится в папках, название которых прописано в этом файле. Поэтому для работы модели необходимо создать такие же каталоги в рабочей папке (как правило, папка ARCH с вложенными папками PAR и DENS). 2) В этой же папке создать файл README с описанием варианта расчёта (с указанием, какие начальные условия, пространственные и временные шаги, варианты задания входных параметров были использованы в данном расчёте). 10. Работа с программами извлечения данных Область пространства, для которой нужно извлечь информацию, задается в сферических геомагнитных координатах: долгота, коширота (широта), высота. SH_SD.EXE – построение карт изолиний параметров ШАРА в "широта – долгота"; SH_HD.EXE – построение карт изолиний параметров ШАРА в "долгота – высота"; SH_HS.EXE – построение карт изолиний параметров ШАРА в "широта – высота"; TR_SD.EXE – построение карт изолиний параметров ТРУБКИ в "широта – долгота"; TR_HD.EXE – построение карт изолиний параметров ТРУБКИ в "долгота – высота"; TR_HS.EXE – построение карт изолиний параметров ТРУБКИ в "широта – высота"; MF2.EXE – построение карт изолиний параметров максимума концентрации в координатах "широта – долгота"; координатах координатах координатах координатах координатах координатах электронной 11 POT.EXE – построение карт изолиний потенциала в координатах "широта– долгота". EISC.EXE – построение временных (в координатах "время – высота") разверток рассчитываемых параметров (работает со специальным файлом, в который в ходе расчета через указанные промежутки времени записываются вертикальные профили всех рассчитываемых параметров в какой-либо точке). Управление работой программ производится через ответы пользователя на запросы программы в процессе работы и заданием соответствующих параметров командной строки при вызове программ. ВАЖНО: Все программы, кроме EISC.EXE, работают с файлом типа MOD4. Программа EISC.EXE работает с файлами, в которых сохранены высотно-временные вариации параметров в заданной точке (задаётся в MOD2.INI). В командной строке могут быть заданы следующие управляющие параметры: имя файла данных модели для обработки; имя выходного файла для графического представления (по умолчанию – NDDATA). /+L или /-L – признак логарифмирования концентраций и ионизаций (-L - в выходной файл записываются сами значения параметра, +L - их логарифмы); /+R или /-R или /+E или /-E – признак языка надписей (+R или -E – русский, -R или +E – английский); /SI или /CGS – для вывода значений в единицах системы СИ или СГС (по умолчанию действует /SI); /H[значение высоты в км] – для задания верхней границы вертикальных разрезов или профилей трубки, а также верхней границы для области поиска максимума электронной концентрации (по умолчанию действует H1000 для разрезов и профилей и H1600 для поиска максимума); /M1 или /M2 или /M3 – вид выходного файла (/M3 – запись вещественных значений параметров (непригоден для графического представления), /M1 и /M2 - сжатая и текстовая формы для графических программ (по умолчанию /M1). Пример: SH_SD.EXE MOD4 DENS /-L /M2. На выходе получаем файл (DENS), в котором записано широтно-долготное распределение необходимого параметра в абсолютных значениях (не логарифм) в текстовом формате. 12 ВАЖНО: можно воспользоваться help, для этого в командной строке пишется следующее: имя файла /? (например, SH_SD.EXE /?) 11. Работа с программами графического представления данных Пакет графического представления данных включает 4 основные графические программы: DM.EXE (DecartMap) – изображение скалярных величин изолиниями в декартовой системе координат, DV.EXE (DecartVector) – изображение векторных величин стрелками в декартовой системе координат, PM.EXE (PolarMap) – изображение скалярных величин изолиниями в полярной системе координат, PV.EXE (PolarVector) – изображение векторных величин стрелками в полярной системе координат. ВАЖНО: для работы программ графического пакета необходимо наличие файла со шрифтами (COURB.FON), кроме того, рабочий файл должен иметь формат M1 или М2. Вспомогательные файлы включают: ND_COLOR.EXE – генератор файлов с цветовыми палитрами для использования при построении картинок, ND_CALC.EXE – калькулятор для простейших вычислений с данными в файлах; INTER_ND.EXE – интерполирование данных в заданные точки (ВАЖНО: рабочий файл должен иметь формат M3). В командной строке могут быть заданы следующие управляющие параметры: /E[min]:[max] – пределы данных; /X[min]:[max] – пределы по оси OX; /Y[min]:[max] – пределы по оси OY; /H-X[min]:[max] – поворот оси OX; /V-Y[min]:[max] – поворот оси OY; /V-X[min]:[max] – ось OX из файла вертикальна на экране; /H-Y[min]:[max] – ось OY из файла горизонтальна на экране; /MLT[min]:[max] – долготная ось OX представлена в MLT (часы); /C:имя файла – подключение файла палитры, который не установлен по умолчанию. Пример: DM.EXE /E2.0E-12:7.0E-12 DENS /C:RAINBOW3.PAL ВАЖНО: можно воспользоваться help, для этого в командной строке пишется следующее: имя файла /? (например, DM.EXE /?).