Vis5D在热带气旋生消演变气象虚拟仿真教学中的应用

马旭林　赵伟林　徐威

摘要：Vis5D是美国威士康星-麦迪逊大学研发的数值模拟可视化系统，通过数据的导入实现数据的可视化，文章以Vis5D为平台，以热带气旋生消演变为虚拟仿真对象，通过模式数据的导入，实现热带气旋的生消演变的模拟，通过B/S模式的立体资源展示，以解决课堂教学中学生对热带气旋生消演变不直观等问题。本文以热带气旋生消演变过程模拟为例，旨在提出气象虚拟仿真切实有效的方法，以提高气象虚拟仿真的质量与效率。

关键词：Vis5D；虚拟仿真；热带气旋

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0244-03

一、Vis5D软件简介

虚拟仿真教学主要为一些高危、成本较高，以及难以在现实中实现的实验提供一种可靠、安全和经济的代替方式，有效突破了真实实验中实验条件、实验成本、交互性和安全性等方面的局限。目前虚拟仿真已经在煤矿、仪器、高危实验等众多项目中得到广泛应用。对于气象专业学生来说，由于研究对象的复杂性、多变性等因素，气象专业的虚拟仿真教学一直在探索中。目前，虚拟仿真软件有Unity3D、3DMax、Maya等虚拟仿真软件，然而由于云、雨、雾等虚拟对象的特殊性，模拟的效果很难满足学生对气象系统模拟的需要。Vis5D是美国威士康星-麦迪逊大学研发的可视化系统，用于数值预报和相类似的格点数据的可视化分析研究，其数据可以是数值天气预报模式的输出数据、地面观测数据或其他类似数据。是一款针对气象虚拟仿真的专业软件，通过五维空间变量即纬度、经度、高度、以及时间和各种物理变量等进行数据的可视化仿真。不同于一般的仿真软件，Vis5D是由模拟数据得到的仿真效果，其仿真程度得到较高的准确性。Vis5D在我国气象模拟中的应用早已有之，贝刚早在2000年提出“用Vis5D软件包在PC机上实现模式预报输出结果的可视化”。屠妮妮等在2007年《一种四维绘图软件V is5d使用要点简述》中介绍了Vis5D的安装、编译、数据的转换、地图文件的设置以及模拟的效果图。由于Vis5D软件具有开放性，数值模拟可视化的易操作性，受到国内学者的广泛关注。

二、热带气旋虚拟仿真的必要性

热带气旋是发生在热带海洋上的一种具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，发生在西北太平洋地区的热带气旋也被称为台风。登陆后的台风常伴随狂风、暴雨等天气现象，给人类社会带来巨大损失。我国濒临西北太平洋，拥有漫长的海岸线，而西北太平洋地区是热带气旋生成最多的区域，平均每年达到热带风暴强度及以上的热带气旋有26个，占全球总数的三分之一。这使我国成为全球受台风影响最严重的国家之一。因此对热带气旋的学习是我国气象专业学生学习过程中必不可少的一部分。影响台风发生发展过程的因素众多，包括大尺度环流、海温、湿度等。在以往的课堂中，通过静态的卫星云图以及从高空拍摄的俯视视频给学生讲解热带气旋的产生与消亡的过程，学生只能根据已有的影像资料来感受台风生消演变的过程，无法直观的对热带气旋进行探索。图1是热带气旋的截面图，以往的教学中，只能根据类似的图片对学生进行讲解，虽然能让学生对台风结构有一个比较直观的了解，但是对台风的运动过程，影响台风路径的因素无法进行细致的模拟。目前，热带气旋生消演变的理论模拟已经初步建立，表征海温、地形、风切变等影响热带气旋发生发展机制的教学材料愈发繁多，这需要将其进一步统一建设到本仿真平台，利于学生通过交互式仿真平台，系统地学习、认识和理解热带气旋发生发展过程。

三、Vis5D中数据的导入与显示

如图2所示以风矢量和流线为例，点击水平和垂直方向风矢量按钮得到某一时刻、某一区域的风矢量三维效果图，在Vis5D中可以进行三维立体旋转观测，可以了解区域中的风矢量和流线情况。图3则是在Vis5D中热带气旋生消演变过程模拟效果图。台风系统由一开始零散的对流发展为有组织的螺旋结构，再到后来对流减弱，系统随之消亡。整个过程得到较为形象准确的模拟。同时在海洋、陆地等实际场景的衬托下，台风系统的尺度也得到较为直观的体现。

四、基于B/S模式的三维可视化

在教学中如果模拟的效果图只能在软件中打开观看，则会影响虚拟资源的共享，因此必须实现将模拟的效果图在公共平台上浏览观看。韩伟杰提出了基于B/S的结构模型及实现，通过用户浏览器、web浏览器及可视化服务器实现资源的共享。“接受用户提交的各项参数和命令，然后启动可视化服务器进行可视化处理。在处理结束后通Applet将生成的图形图像返回到Web服务器供用户浏览。”而Vis5D自身具备三维虚拟格式的输出，可以保存VRML格式的文件，因此模拟的三维立体图可以从vis5D中分离出来。为了提高资源的利用率，通过第三方插件方式可以让VRML在网页中打开，选择安装Cortona3D Viewer插件。实现B/S模式的从web服务器到用户浏览器的三维数据的可视化。如图4，即可实现web环境下的气象虚拟仿真的实现，从而通过搭建web服务平台实现用户的在线访问。在浏览器中同样实现立体图像的放大、缩小、立体旋转等三维操作，从而使学生对台风进行立体式的了解学习，熟悉台风的内部结构。

五、总结

Vis5D是数值模拟可视化的有效工具，对于气象工作者来说并不陌生。热带气旋作为一种强烈的灾害性天气，对它的研究学习是气象工作中尤为重要的一部分。而热带气旋发生发展时常伴随狂风、强对流等天气现象，非常不便于直接观测。运用Vis5D对热带气旋生消演变过程进行模拟，不仅可以提高模拟的准确性，更可以提高模拟的效率。通过装Cortona3D Viewer插件实现B/S模式下的立体展示，提高了资源的利用率，方便学生直观的了解台风的生消演变过程。运用Vis5D对气象过程模拟可以提高气象系统虚拟仿真的效率，大大减少了开发的成本。热带气旋生消演变的虚拟仿真系统将理论知识与实际天气过程的有机结合，实现教和学的有机统一，提高学习兴趣，加强学生的理解深度和研究、创新意识和能力。

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