UAM_Manual - WordPress.com

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 /?).