多组件融合的WRF模式气象数据可视化平台研究

摘要

WRF(Weather Research Forecast)模式，即中尺度天气预报模式，用于大气模拟、数据同化和数值天气预报[1]。WRF模式运行计算出来的数据存储格式主要为NetCDF格式[2]。目前，已经有NCAR Graphics[3]、Vis5D[4]和GRADS[5]等软件可以分析处理该模式输出的数据文件，但是这些软件系统一般服务于科学研究，有些可能需要使用者自己编程，同时有些软件对于使用者而言很难与之交互，无法与数据直接交互，以及没有记录使用软件系统的操作。此外，一些第三方插件可以读取WRF模式的数据，如NetCDF.xlsm[6]作为Excel的一个插件，用表格展现NetCDF文件中的数据，因此数据特性无法得到展示，用户无法获取对数据的直观认识。
　　为了增强用户对WRF气象模式数据的直观性认识，提高用户和平台的交互性，方便用户查询数据以及对可视化结果进行控制，针对WRF模式系统计算输出的气象数据，本论文首先重点分析NetCDF的数据格式和NetCDF数据文件读取方法，研究数据可视化相关算法，着重对树图算法进行仿真比较分析并应用，分析OpenGL[7]等绘图方法的具体应用，然后分别对平台功能，平台流程以及平台框架进行设计，最后基于Qt[8]桌面开发框架，使用OpenGL3D和多种2D图形图表绘制工具，结合面向对象思想和三层架构，开发WRF模式气象数据可视化展示与交互平台。该平台融合了数据可视化的多种分析处理组件，用户能够按需读取WRF气象数据，平台可以高效率地可视化用户读取的数据，且用户可以与读取的数据交互，交互结果以二次可视化呈现，从而WRF模式气象数据能够可视化显示。整体上说，该平台能够在一定程度上帮助气象研究和从业人员分析处理WRF模式运行输出的气象数据。平台提高了用户与数据的交互性，具有数据二次可视化功能，可以记录用户的操作行为，同时平台具有良好的移植性和可扩展性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作与组织结构

第二章 基础理论与相关技术

2．1 WRF模式

2．1．1 WRF模式概述

2．1．2 WRF模式系统业务流程

2．2 NetCDF

2．2．1 NetCDF文件概述

2．2．2 NetCDF文件结构

2．3 Qt开发框架

2．3．1 Qt概述

2．3．2 Qt体系结构

2．3．3 Qt消息机制

2．4 OpenGL技术

2．4．1 OpenGL概述

2．4．2 OpenGL工作过程

2．4．3 OpenGL投影变换和视口变换

2．4．4 OpenGL视图变换和模型变换

2．4．5 OpenGL坐标变换

2．4．6 OpenGL三维光照模型

2．5 NCL脚本

2．5．1 NCL概述

2．5．2 NCL编程方法

2．6 本章小结

第三章 多组件融合的WRF模式气象数据可视化平台设计

3．1 平台设计目标与原则

3．1．1 平台设计总体目标

3．1．2 平台设计原则

3．2 平台技术思路

3．3 平台数据流程

3．3．1 平台数据流程概述

3．3．2 平台数据流程详细介绍

3．4 平台架构设计

3．4．1 平台总体架构

3．4．2 三层架构

3．5 平台功能模块设计

3．5．1 平台功能概述

3．5．2 功能模块介绍

3．6 平台数据库设计

3．7 本章小结

第四章 平台数据准备和环境配置

4．1 WRF数据准备

4．1．1 凡亚比台风介绍

4．1．2 凡亚比台风WRF模拟

4．1．3 WRF模式输出数据的物理量含义

4．2 Qt、OpenGL和NCL环境构建

4．2．1 构建Qt环境

4．2．2 构建OpenGL环境

4．2．3 构建NCL环境

4．3 Qt与OpenGL、NCL混合编程

4．3．1 Qt与OpenGL混合编程

4．3．2 Qt与NCL混合编程

4．4 本章小结

第五章 多组件融合的WRF模式气象数据可视化平台实现

5．1 WRF数据读取与处理

5．1．1 WRF数据读取

5．1．2 WRF数据处理

5．2 数据查询

5．2．1 插值算法分析

5．2．2 插值算法与数据查询

5．3 等值线绘制

5．3．1 等值线算法分析

5．3．2 等值线算法应用

5．4 光线投射算法

5．4．1 算法分析

5．4．2 算法应用

5．4．3 OpenGL实现光线投射算法

5．5 数据分类以及可视化

5．5．1 WRF模式气象数据与数据分类可视化算法

5．5．2 Squarified和Squarified-SP算法描述

5．5．3 Squarified和Squarified-SP算法分析与问题提出

5．5．4 均值二分法快速分块排序树图布局算法

5．5．5 实验结果分析

5．5．6 实验结论

5．5．7 层次数据可视化算法应用

5．6 颜色传输函数

5．6．1 颜色传输函数作用

5．6．2 颜色传输函数分析

5．6．3 颜色传输函数应用

5．7 多组件融合的交互式可视化图形库

5．8 用户交互机制

5．8．1 用户交互机制分析

5．8．2 用户交互机制实现

5．9 改善用户体验功能

5．9．1 进度条

5．9．2 控制条

5．10 本章小结

第六章 多组件融合的WRF模式气象数据可视化平台测试

6．1 平台环境测试

6．2 平台功能测试

6．2．1 文件读取测试

6．2．2 地球模型测试

6．2．3 物理变量数据可视化显示测试

6．2．4 用户交互测试

6．2．5 辅助功能测试

6．2．6 其他功能测试

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简介

致谢