Vis5D在熱帶氣旋生消演變氣象虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用

馬旭林　趙偉林　徐威

摘要：Vis5D是美國威士康星-麥迪遜大學(xué)研發(fā)的數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，文章以Vis5D為平臺(tái)，以熱帶氣旋生消演變?yōu)樘摂M仿真對(duì)象，通過模式數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)熱帶氣旋的生消演變的模擬，通過B/S模式的立體資源展示，以解決課堂教學(xué)中學(xué)生對(duì)熱帶氣旋生消演變不直觀等問題。本文以熱帶氣旋生消演變過程模擬為例，旨在提出氣象虛擬仿真切實(shí)有效的方法，以提高氣象虛擬仿真的質(zhì)量與效率。

關(guān)鍵詞：Vis5D；虛擬仿真；熱帶氣旋

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）29-0244-03

一、Vis5D軟件簡介

虛擬仿真教學(xué)主要為一些高危、成本較高，以及難以在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)提供一種可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的代替方式，有效突破了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本、交互性和安全性等方面的局限。目前虛擬仿真已經(jīng)在煤礦、儀器、高危實(shí)驗(yàn)等眾多項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于氣象專業(yè)學(xué)生來說，由于研究對(duì)象的復(fù)雜性、多變性等因素，氣象專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)一直在探索中。目前，虛擬仿真軟件有Unity3D、3DMax、Maya等虛擬仿真軟件，然而由于云、雨、霧等虛擬對(duì)象的特殊性，模擬的效果很難滿足學(xué)生對(duì)氣象系統(tǒng)模擬的需要。Vis5D是美國威士康星-麥迪遜大學(xué)研發(fā)的可視化系統(tǒng)，用于數(shù)值預(yù)報(bào)和相類似的格點(diǎn)數(shù)據(jù)的可視化分析研究，其數(shù)據(jù)可以是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的輸出數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)或其他類似數(shù)據(jù)。是一款針對(duì)氣象虛擬仿真的專業(yè)軟件，通過五維空間變量即緯度、經(jīng)度、高度、以及時(shí)間和各種物理變量等進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化仿真。不同于一般的仿真軟件，Vis5D是由模擬數(shù)據(jù)得到的仿真效果，其仿真程度得到較高的準(zhǔn)確性。Vis5D在我國氣象模擬中的應(yīng)用早已有之，貝剛早在2000年提出“用Vis5D軟件包在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)模式預(yù)報(bào)輸出結(jié)果的可視化”。屠妮妮等在2007年《一種四維繪圖軟件V is5d使用要點(diǎn)簡述》中介紹了Vis5D的安裝、編譯、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、地圖文件的設(shè)置以及模擬的效果圖。由于Vis5D軟件具有開放性，數(shù)值模擬可視化的易操作性，受到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

二、熱帶氣旋虛擬仿真的必要性

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶海洋上的一種具有暖中心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈氣旋性渦旋，發(fā)生在西北太平洋地區(qū)的熱帶氣旋也被稱為臺(tái)風(fēng)。登陸后的臺(tái)風(fēng)常伴隨狂風(fēng)、暴雨等天氣現(xiàn)象，給人類社會(huì)帶來巨大損失。我國瀕臨西北太平洋，擁有漫長的海岸線，而西北太平洋地區(qū)是熱帶氣旋生成最多的區(qū)域，平均每年達(dá)到熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度及以上的熱帶氣旋有26個(gè)，占全球總數(shù)的三分之一。這使我國成為全球受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一。因此對(duì)熱帶氣旋的學(xué)習(xí)是我國氣象專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中必不可少的一部分。影響臺(tái)風(fēng)發(fā)生發(fā)展過程的因素眾多，包括大尺度環(huán)流、海溫、濕度等。在以往的課堂中，通過靜態(tài)的衛(wèi)星云圖以及從高空拍攝的俯視視頻給學(xué)生講解熱帶氣旋的產(chǎn)生與消亡的過程，學(xué)生只能根據(jù)已有的影像資料來感受臺(tái)風(fēng)生消演變的過程，無法直觀的對(duì)熱帶氣旋進(jìn)行探索。圖1是熱帶氣旋的截面圖，以往的教學(xué)中，只能根據(jù)類似的圖片對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解，雖然能讓學(xué)生對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)有一個(gè)比較直觀的了解，但是對(duì)臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)過程，影響臺(tái)風(fēng)路徑的因素?zé)o法進(jìn)行細(xì)致的模擬。目前，熱帶氣旋生消演變的理論模擬已經(jīng)初步建立，表征海溫、地形、風(fēng)切變等影響熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展機(jī)制的教學(xué)材料愈發(fā)繁多，這需要將其進(jìn)一步統(tǒng)一建設(shè)到本仿真平臺(tái)，利于學(xué)生通過交互式仿真平臺(tái)，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)、認(rèn)識(shí)和理解熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展過程。

三、Vis5D中數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與顯示

如圖2所示以風(fēng)矢量和流線為例，點(diǎn)擊水平和垂直方向風(fēng)矢量按鈕得到某一時(shí)刻、某一區(qū)域的風(fēng)矢量三維效果圖，在Vis5D中可以進(jìn)行三維立體旋轉(zhuǎn)觀測(cè)，可以了解區(qū)域中的風(fēng)矢量和流線情況。圖3則是在Vis5D中熱帶氣旋生消演變過程模擬效果圖。臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)由一開始零散的對(duì)流發(fā)展為有組織的螺旋結(jié)構(gòu)，再到后來對(duì)流減弱，系統(tǒng)隨之消亡。整個(gè)過程得到較為形象準(zhǔn)確的模擬。同時(shí)在海洋、陸地等實(shí)際場(chǎng)景的襯托下，臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)的尺度也得到較為直觀的體現(xiàn)。

四、基于B/S模式的三維可視化

在教學(xué)中如果模擬的效果圖只能在軟件中打開觀看，則會(huì)影響虛擬資源的共享，因此必須實(shí)現(xiàn)將模擬的效果圖在公共平臺(tái)上瀏覽觀看。韓偉杰提出了基于B/S的結(jié)構(gòu)模型及實(shí)現(xiàn)，通過用戶瀏覽器、web瀏覽器及可視化服務(wù)器實(shí)現(xiàn)資源的共享?！敖邮苡脩籼峤坏母黜?xiàng)參數(shù)和命令，然后啟動(dòng)可視化服務(wù)器進(jìn)行可視化處理。在處理結(jié)束后通Applet將生成的圖形圖像返回到Web服務(wù)器供用戶瀏覽?！倍鳹is5D自身具備三維虛擬格式的輸出，可以保存VRML格式的文件，因此模擬的三維立體圖可以從vis5D中分離出來。為了提高資源的利用率，通過第三方插件方式可以讓VRML在網(wǎng)頁中打開，選擇安裝Cortona3D Viewer插件。實(shí)現(xiàn)B/S模式的從web服務(wù)器到用戶瀏覽器的三維數(shù)據(jù)的可視化。如圖4，即可實(shí)現(xiàn)web環(huán)境下的氣象虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)，從而通過搭建web服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)用戶的在線訪問。在瀏覽器中同樣實(shí)現(xiàn)立體圖像的放大、縮小、立體旋轉(zhuǎn)等三維操作，從而使學(xué)生對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行立體式的了解學(xué)習(xí)，熟悉臺(tái)風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

五、總結(jié)

Vis5D是數(shù)值模擬可視化的有效工具，對(duì)于氣象工作者來說并不陌生。熱帶氣旋作為一種強(qiáng)烈的災(zāi)害性天氣，對(duì)它的研究學(xué)習(xí)是氣象工作中尤為重要的一部分。而熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展時(shí)常伴隨狂風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等天氣現(xiàn)象，非常不便于直接觀測(cè)。運(yùn)用Vis5D對(duì)熱帶氣旋生消演變過程進(jìn)行模擬，不僅可以提高模擬的準(zhǔn)確性，更可以提高模擬的效率。通過裝Cortona3D Viewer插件實(shí)現(xiàn)B/S模式下的立體展示，提高了資源的利用率，方便學(xué)生直觀的了解臺(tái)風(fēng)的生消演變過程。運(yùn)用Vis5D對(duì)氣象過程模擬可以提高氣象系統(tǒng)虛擬仿真的效率，大大減少了開發(fā)的成本。熱帶氣旋生消演變的虛擬仿真系統(tǒng)將理論知識(shí)與實(shí)際天氣過程的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教和學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一，提高學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生的理解深度和研究、創(chuàng)新意識(shí)和能力。

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