ŚRODOWISKO WSPOMAGAJĄCE ANALIZĘ DANYCH METEOROLOGICZNYCH INSTRUKCJA OBSŁUGI KRZYSZTOF OSTROWSKI MARCIN SKOCZYLAS

Transkrypt

1 ŚRODOWISKO WSPOMAGAJĄCE ANALIZĘ DANYCH METEOROLOGICZNYCH INSTRUKCJA OBSŁUGI KRZYSZTOF OSTROWSKI MARCIN SKOCZYLAS WYDZIAŁ INFORMATYKI, POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

2 Środowisko Wspomagające Analizę Danych Meteorologicznych jest pakietem kilku aplikacji, tworzących wspólny system. W niniejszej instrukcji obsługi zostaną pobieżnie opisane najważniejsze funkcjonalności tych aplikacji. Środowisko składa się z poniższych modułów: 1. Aplikacja Meteo 2. Archiwizacja Danych 3. Meteo Analysis 4. Meteo Server 5. Meteo Downloader Daemon

3 1. Aplikacja Meteo Aplikacja w formie apletu jest złożona z dwóch modułów. Jeden z nich służy do analizy danych pochodzących z radiosondaży aerologicznych, a drugi do rysowania map meteorologicznych na terenie Polski. 1.1 Moduł radiosondaży aerologicznych Po wygraniu opcji Radiosondaże pojawia się okno z pustym diagramem termodynamicznym oraz panelem z dalszymi opcjami oraz wartościami parametrów termodynamicznych i kinematycznych (pojawiają się po wczytaniu sondażu):

4 Najważniejsza z opcji Wczytaj sondaż pozwala m.in. na wyszukanie i pobranie z sieci wybranego sondażu oraz na własnoręczne tworzenie diagramów. Wybierając sondaż, podajemy datę/godzinę oraz miejsce wykonania pomiaru. Dane pobierane są z serwera TEWI, na który zostały wcześniej ściągnięte przez Archiwizator Danych z serwera Inną opcją jest tworzenie własnego sondażu (z tabeli lub surowych danych). Po uzupełnieniu danych o temperaturze, wilgotności i wietrze zatwierdzamy zmiany:

5 Kolejną opcją jest wyszukiwanie sondaży z danej stacji. Kryteria wyszukiwania obejmują lata i miesiące. Dalsze opcje umożliwiają filtrowanie po typie sondażu, porze roku i dnia oraz chwiejności termodynamicznej. Możliwe jest również sortowanie danych sondażowych po chwiejności (MUCAPE), temperaturze masy powietrza (T850) i paru innych parametrach. Możliwe jest automatyczne filtrowanie sondaży z przekłamanymi danymi (sondaż analizowany pod kątem nieprawidłowych gradientów temperatury)

6 Z ramki po prawej można wybrać interesujący nas radiosondaż i przyciskiem 'Zatwierdź zmiany' uzyskujemy interesujący nad diagram. Najeżdżając myszą na poszczególne miejsca diagramu otrzymujemy informację (tooltip) o warunkach na danym poziomie troposfery. Po wybraniu odpowiedniej opcji w zakładce po prawej stronie (do wyboru jest cząstka z danego poziomu troposfery, uśredniona cząstka i najbardziej niestabilna cząstka) liczymy podstawowe parametry termodynamiczne (CAPE, CIN, LI, LCL, LFC i inne). W pozostałych zakładkach (Kinematyczne, Termodynamiczne, Kompozytowe) znajduje się więcej wskaźników, które są pomocne przy prognozowaniu gwałtownych zjawisk burzowych. Powyższy sondaż został wykonany w dniu wystąpienia gwałtownych burz na terenie naszego kraju. Kolejną opcją jest edytowanie sondażu. Pozwala to na zmianę podstawowych elementów meteorologicznych (temperatura, wiatr itd.) na wybranych poziomach troposfery. Może to być szczególnie pomocne przy określaniu równowagi pionowej panującej w miejscach nie posiadających stacji aerologicznej, ale niezbyt od niej oddalonych. Edycji można dokonywać za pomocą tabeli lub pola tekstowego:

7 Poza diagramem istnieje możliwość wygenerowania pionowego profilu wiatru. Obok profilu naniesione są wartości rozmaitych parametrów kinematycznych takich jest pionowe uskoki wiatru (zarówno prędkościowe, jak i kierunkowe) oraz wiele innych. W panelu dolnym istnieje możliwość nanoszenia na profil dodatkowych informacji graficznych takich jak przewidywany kierunekprzemieszczania się superkomórek (Supercells) i mezoskalowych układów konwekcyjnych (Corfidi) oraz skrętu wiatru (SRH) w dolnej troposferze.

8 Wybierając 'Opcje wykresu' możemy wyskalować diagram (wielkość diagramu) dostosowując go do wysokości tropopauzy (ta zależy od pory roku i szerokości geograficznej). Domyślnym typem diagramu jest skew-t, ale można go zmienić na Stuve, co jest widoczne poniżej. Dodatkową opcją jest zaznaczanie chwiejnej warstwy powietrza (Effective Inflow Layer):

9 1.2 Moduł map Moduł umożliwia wizualizację podstawowych elementów meteorologicznych na terenie Polski (dane od roku 2001). Możliwe jest generowanie map temperatury dobowej: minimalnej, maksymalnej i średniej oraz dobowej sumy opadu. Przykładowe mapy ilustrujące lutowe mrozy i kwietniowy upał (2012):

10 A oto sumy opadowe z 4 lipca 2012 ukazujące punktowo duże opady konwekcyjne (związane z burzami): Kolejne parametry możemy wizualizować z rozdzielczością godzinną: są to temperatura, temperatura punktu rosy, zachmurzenie i ciśnienie. W praktyce, dla większości stacji synoptycznych są to dane z rozdzielczością 3-godzinną. Oto przykładowa mapa ilustrująca ogromną różnicę ciśnienia nad Polską w dniu (Orkan Kyrill):

11 Ostatnia opcja umożliwia rysowanie map synoptycznych z chorągiewkami wiatrowymi i symbolami zachodzących zjawisk pogodowych. Na poniższym obrazku widzimy ponownie sytuację z Orkanu Kyrill. Zwracają uwagę bardzo silny wiatr z kierunków zachodnich, a miejscami również przelotne deszcze i burze. Dane wykorzystywane przez moduł są pobierane z serwera TEWI, na którym znajdują się dzięki archiwizatorowi danych (źródła danych to NOAA i OGIMET). Dane są buforowane w pamięci. Dodatkowe przyciski ('<' i '>') umożliwiają przechodzenie do poprzedniej lub kolejnej daty/godziny. Opcja 'Animacja' powoduje automatyczne przechodzenie do kolejnych map aż do chwili jej zatrzymania. Krok czasowy informuje, ile wyniesie przesunięcie w przypadku powyższych opcji. Dla temperatur dobowych i sum opadów przesunięcie zawsze wynosi 24 godziny. 1.3 Dane połączenia W pliku connection.conf (katalog 'src/zasoby' w archiwum aplikacji Pogoda.jar) istnieje możliwość ustawienia adresu URI zasobów serwera TEWI (czyli folderu z danymi zebranymi przez Archiwizator).

12 2. Archiwizacja Danych Archiwizator danych jest narzędziem uruchamianym z wiersza poleceń na serwerze TEWI i zajmującym się ściąganiem danych z zagranicznych serwerów (NOAA, OGIMET, University of Wyoming) i katalogowaniem ich na serwerze TEWI. Archiwizowane są 3 rodzaje danych: radiosondaże aerologiczne, depesze ze stacji synoptycznych (SYNOP) i dzienne raporty ze stacji synoptycznych (GSOD). Przechowywane one są w katalogu 'dane' i w jego podkatalogach ('sondaze', 'synopy', 'gsod'). Ważne są pliki 'stacje_son.csv', 'stacje_synop.csv' i 'stacje_gsod.csv' ulokowane odpowiednio w wyżej wymienionych katalogach. Pliki te przechowują dane na temat stacji meteorologicznych takie jak ich położenie geograficzne czy nazwa. Dalsza hierarchia plików i folderów bazuje na dacie wykonanego pomiaru (rok, miesiąc i ewentualnie dzień). Ściągnięte pliki są przechowywane w skompresowanej formie (.gz). W przypadku, gdy Aplikacja Meteo potrzebuje danych (i nie ma ich już w pamięci), to odwołuje się do odpowiedniego pliku przygotowanego przez archiwizator. Archiwizator uruchamiamy wpisując w wierszu poleceń java -jar ArchiwizatorDanych.jar [opcja] Jeśli opcją jest -h, to wyświetli się krótka pomoc:

13 Opcje -gsod -son oraz -syn (z odpowiednimi parametrami) umożliwiają ściągnięcie odpowiednio raportów gsod, danych radiosondażowych i depeszy synoptycznych z zadanych lat, miesięcy i dni. Po uruchomieniu danej opcji archiwizator pokazuje postęp pracy: Kolejną, ważną opcją jest -start. Polecenie to uruchamia tryb archiwizowania i program działa do odwołania co pewien czas 'budzi się' aktualizując dane o najnowsze pomiary. Wpisując polecenie następująco: nohup java -jar ArchiwizatorDanych.jar -start & archiwizator uruchamia się w tle i kataloguje dane dopóki w wierszu poleceń nie uruchomi się opcji -stop. W takim przypadku wyjście programu pojawi się w pliku nohup.out: Kolejne polecenia -asyn i -ason pozwalają na ściąganie danych archiwalnych (w tym lat poprzednich) odpowiednio synopów i radiosondaży. Podobnie jak przy poleceniu -start, można uruchomić program w tle, gdyż cały proces ściągania danych z wielu lat może trwać kilka dni (by nie obciążać serwerów z danymi archiwizator często 'zasypia'). Analogicznie polecenia -asyn-stop i -ason-stop powodują przerwanie wyżej opisanych czynności.

14 3. Meteo Analysis Moduł ten odpowiedzialny jest za analizę obrazów w postaci zdjęć satelitarnych. Użytkownik może zaimportować zdjęcie satelitarne, podając datę oraz godzinę i minutę. Zdjęcie automatycznie pojawia się w bibliotece zdjęć użykownika. 3.1 Pierwsze uruchomienie. Przy pierwszym uruchomieniu użytkownikowi zaprezentowane zostanie okno logowania do systemu oraz możliwość ustalenia adresów serwera. Zmiana ustawień serwerów jest możliwa przez menu System/Settings. Po zalogowaniu do systemu użytkownik zobaczy główne okno programu:

15 Główne okno programu Meteo Analysis przedstawia zaimportowane obrazy satelitarne, które można poddawać analizie po podwójnym kliknięciu na obraz. Użytkownik może stworzyć kilka folderów z obrazami za pomocą funkcji z menu Image i Create new folder: 3.2 Import zdjęć satelitarnych Aby zaimportować zdjęcie satelitarne, należy wybrać z menu opcję Image/Import from Sat24, następnie wybrać datę oraz godzinę, tryb zdjęcia (EU/PL oraz IR/VIS), a następnie kliknąć przycisk Import.

16 Wybrane zdjęcie pojawi się w aktualnym folderze, można je następnie przygotować do analizy klikając na nie podwójnie. 3.3 Analiza zdjęć satelitarnych Głównym zadaniem programu Meteo Analysis jest analiza obrazów. Po wybraniu zdjęcia poprzez dwukrotne kliknięcie na obrazie, użytkownik zostanie przeniesiony do nowego okna w którym znajdują się zakładki. Każda z zakładek umożliwia dostrojenie parametrów analizy wybranego algorytmu, jest to najważniejsza część programu. Zakładki dzielą się na poszczególne rodzaje algorytmów: Properties - dane ogólne obrazu ROI - ustalenie ROI w obrazie Preprocess - uruchamianie wstępnych filtrów na obrazie Edit spots - narzędzie do zaznaczania charakterystycznych tekstur Detection - wykonywanie detekcji z różnymi parametrami i klasyfikatorami Presegment - przygotowanie do segmentacji Segmentation - różne algorytmy segmentacji Edit objects - zaznaczanie charakterystycznych obiektów Classification - klasyfikacja obiektów na obrazie

17 Dodatkowo użytkownik może skorzystać z narzędzi wspomagających pracę. Wybierając z menu Image/Show histogram, można zobaczyć histogram zdjęcia, a Image/Show spot window, dodatkowo otworzy się okno lupy, która umożliwia podglądanie obrazu w powiększeniu:

18 3.4 Przygotowanie klasyfikatora Program Meteo Analysis umożliwia użytkownikowi przeprowadzenie analizy tekstur zdjęcia satelitarnego. Aby było to możliwe, użytkownik musi wpierw przygotować dane w postaci tekstur i obiektów uczących, oraz przygotowanie klasyfikatora Tekstury Przygotowanie danych tekstur należy zacząć od stworzenia mapy za pomocą menu Classifier/Create new map. Wybrać należy ilość klas, ich nazwy i kolor, oraz wielkość okna skanującego. Po stworzeniu mapy, będzie ona dostępna do wyboru podczas analizy obrazu, w zakładce Edit spots. Użytkownik powinien zaznaczyć miejsca charakterystyczne na obrazie i przypisać je do konkretnej mapy Obiekty W analogiczny sposób jak w punkcie 3.4.1, użytkownik może zdefiniować zbiór charakterystycznych obiektów. Po stworzeniu classification set, będzie on dostępny do wyboru podczas analizy obrazu, w zakładce Edit objects. Użytkownik powinien zaznaczyć charakterystyczne obiekty na obrazie i przypisać je do konkretnego classification set.

19 3.4.3 Klasyfikatory Wybierając z menu Classifier/Create new classifier, użytkownik może stworzyć nowe dane do klasyfikatora. Następnie trzeba wykonać nadzorowane uczenie klasyfikatora za pomocą opcji z menu Classifier/Learn.

20 4. Meteo Server Meteo Server to program konsolowy. Jest to główne centrum obliczeniowe programu Meteo Analysis. Większość bardziej skomplikowanych algorytmów analizy wykonywana jest przy użyciu połączenia TCP/IP z programem Meteo Server. Program ten zasadniczo umożliwa tylko konfigurację podstawowych parametrów połączeniowych, znajdujących się w pliku conf/meteoserver.ini ; ini file for the Meteo Recognition server [database] mysql_db_server=localhost mysql_db_port=3306 mysql_user_name=meteo mysql_user_password=meteo Przykładowe uruchomienie programu Meteo Server: Uwaga: większość funkcjonalności programu Meteo Analysis nie będzie działać, gdy połączenie z programem Meteo Server jest nieustanowione. 5. Meteo Downloader Daemon Program Meteo Downloader Daemon jest odpowiedzialny za wykonywanie cyklicznych operacji mających na celu umożliwienie działania reszty modułów. Głównym jego zadaniem jest połączenie z serwisem Sat24 oraz pobieranie co 15 minut zdjęcia satelitarnego. Jako, że serwis Sat24 nie udostępnia danych archiwalnych, program Meteo Downloader Daemon musi być włączony non-stop, aby nie było obecnych braków w danych zdjęć satelitarnych. Program Meteo Downloader Daemon zajmuje się też cyklicznie tworzeniem filmów przedstawiających zmianę pogody (ruch chmur) przez ustalony okres. Dane zdjęć satelitarnych oraz filmy udostępniane są przez protokół HTTP i mogą być analizowane przez inne moduły systemu. Przykładowo, program Meteo Analysis umożliwia zaimportowanie konkretnego zdjęcia satelitarnego (z ustalonej daty i godziny), właśnie dzięki programowi Meteo Downloader Daemon. Meteo Downloader Daemon to program konsolowy. Program ten zasadniczo umożliwa tylko konfigurację podstawowych parametrów połączeniowych.

21 Przykładowe uruchomienie programu Meteo Downloader Daemon: Uwaga: funkcjonalność programu Meteo Analysis dotycząca importowania oraz przeglądania zdjęć satelitarnych nie będzie działać, gdy program Meteo Downloader Daemon nie będzie uruchomiony i nie będzie pobierać danych z serwisu Sat24.