Супервычисления в задачах космического экологического и климатического мониторинга и гиперспектрального дистанционного зондирования Земли

К 20-летию принятия «Рамочной конвенции ООН об изменении климата», РКИК (Framework Convention on Climate Change, UN FCCC) - соглашения, подписанного более чем 180 странами мира, включая Россию, все страны бывшего СССР и все промышленно развитые страны, об общих принципах действия стран по проблеме изменения климата. Конвенция была торжественно принята на «Саммите Земли» в Рио-де-Жанейро в 1992 году и вступила в силу 21 марта 1994 года (Россия ратифицировала РКИК в 1994).
В настоящей работе речь идет о новых перспективных направлениях развития и использования распределенных вычислений на суперкомпьютерах и ГРИД и «облачных» систем для распределенной инфраструктуры коллективного использования данных космического дистанционного зондирования Земли.
С 1989 года коллектив проводит работы по проблемам распараллеливания вычислений при решении больших задач в атмосферно-оптических космических исследованиях, в аэрокосмическом дистанционном зондировании (Remote sensing), в проблемах климата, прогноза, радиационного баланса Земли и т.д., связанных с математическим моделированием переноса излучения в природных и искусственных средах и радиационного поля Земли в широком диапазоне спектра длин волн от ультрафиолета (УФ) до миллиметровых волн (ММВ). Однако впервые параллельные вычисления были реализованы в 1966 году [1] на ЭВМ БЭСМ-6. Накоплен огромный опыт [2-7] по проблемам переносимости, адаптации, наследования программного обеспечения при освоении различных многопроцессорных вычислительных систем кластерного типа и суперкомпьютеров. По-прежнему имеет место проблема соблюдения международных стандартов и универсальности операционного обеспечения и компиляторов Fortran. В мировой практике космической отрасли предпочтение отдается Fortran, чтобы обеспечить преемственность не только специального тематического программного обеспечения, но и масштабных баз данных как характеристик параметров атмосферы, земной поверхности, океана, так и архивов радиационных характеристик.
Новые перспективные возможности математического моделирования атмосферной радиации Земли для решения прямых и обратных задач на основе кинетического уравнения переноса излучения и гиперспектрального дистанционного зондирования атмосферы и поверхности Земли связаны не только с разработкой универсальной информационно-математической системы для широкой области приложений на суперкомпьютерах и кластерах с распараллеливанием супервычислений и распределением ресурсов, но и с созданием и развитием международных ГРИД-систем и тематических «облачных» систем. В интересах обеспечения оперативного космического глобального, регионального и локального экологического мониторинга и систем космического землеобзора в интересах оперативного обнаружения предвестников катастроф и чрезвычайных ситуаций, а также прогнозирования и оценки их последствий не случайно в центрах НАСА (США) и в центрах по исследованию климата и катастроф Японии, Китая, ЕС и др. центрах с 2004 года запустили самые мощные параллельные компьютеры. Необходимо отметить, что сложные большие трудоемкие многомерные задачи пока что предпочтительнее использовались для выполнения стратегических космических проектов и их актуальность в перспективе возрастает.
Гигантский научно-технический прогресс и беспрецедентный рост влияния человека на природу ещё в 70-е - 90-е годы XX века привели ученых всего мира, занимающихся анализом нарастающих антропогенных и естественно-природных воздействий на окружающую среду, к выводу: решение задач объективного контроля и прогнозирования качества окружающей среды возможно лишь при создании единой международной системы мониторинга на основе эффективных средств сбора и переработки информации.
Важный шаг – разработка глобальных Геоинформационных Мониторинговых Систем (ГИМС) нового поколения с нарастающей ролью математического аппарата и информационных технологий, отражающих междисциплинарные исследования с многоцелевыми информационно-измерительными функциями и различного рода информацией (ретроспективной, текущей, прогнозной, рекомендательной), включают две части:
- система сбора информации (спутники, плавающие и летающие лаборатории, наземные станции);
- Центры обработки информации.
Принципиальная новизна современного КОСМИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕВЕДЕНИЯ на основе REMOTE SENSING:
- От отдельных космических аппаратов и отдельных космических экспериментов переход к международной космической системе и тематическому мониторингу на основе гиперспектральных данных дистанционного зондирования с использованием наноспутников;
- Глобальные модели процессов и комплексные исследования наиболее представительных депрессионных регионов (Бразилия, Юго-Восток, Африка, Ростов-на-Дону, Кубань);
- Международное сотрудничество и кооперация космических систем землеобзора, систем приема космических данных, первичной обработки, архивации, информационных технологий поиска, хранения, обработки и анализа космических данных;
- Прием космических данных с зарубежных и международных космических аппаратов.
Работа поддержана РФФИ (проекты 12-01-00009, 11-01-00021, 11-07-12006_офи_м_2011) и Программой фундаментальных исследований РАН (проект № 3(3.5) ОМН РАН).
ЛИТЕРАТУРА:
1. Т.А. Сушкевич Осесимметричная задача о распространении излучения в сферической системе // Отчет № O-572-66. M.: ИПМ АН СССР, 1966.
2. Космическое землеведение: информационно-математические основы / Под ред. Садовничего В.А. Авторы: Козодеров В.В., Косолапов В.С., Садовничий В.А., Тимошин О.А., Тищенко А.П., Ушакова Л.А., Ушаков С.А. М.: Изд-во МГУ, 1998. 571 с.
3. Космическое землеведение: Диалог природы и общества. Устойчивое развитие / Под ред. Садовничего В.А. Авторы: Козодеров В.В., Садовничий В.А., Ушакова Л.А., Ушаков С.А. М.: Изд-во МГУ, 2000. 640 с.
4. Т.А. Сушкевич Математические модели переноса излучения. М., БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 661 с.
5. Сушкевич Т.А. Главный Теоретик М.В. Келдыш и Главный Конструктор космонавтики С.П. Королев - покорители космоса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т.8, № 1. С. 9-25. ISSN 2070-7401.
6. Т.А.Сушкевич. М.В. Келдыш - организатор международного сотрудничества в космосе и первой советско-американской Программы "Союз-Аполлон" (ЭПАС) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т.8, № 4. С. 9--22. ISSN 2070-7401.
7. Сушкевич Т.А. Космические проекты: информационно-математический аспект и супервычисления (история и перспективы) // Вестник Южно-Уральского государственного университета (серия Математическое моделирование и программирование). 2011. Выпуск 8. № 17 (234). C. 4-19. ISSN 2071-0216. – 16 с.