آموزش پردازش و تحلیل تصاویر جو بالا (.nc) در نرم افزارهای GraDS و MATLAB

این محصول آموزشی در ارتباط با داده های جو بالا با فرمت .nc است. nc مخفف عبارت داده های خود توصیف می باشد (NetCDF). این داده از وبگاه (Ncep/Ncar) که در زیر نظر ناسا توسعه یافته است، قابل دانلود است. در این محصول چگونگی دانلود داده های جو بالا با فرمت عکس و دیتای خام آموزش داده شده است. بعد از دانلود، به پردازش داده .nc در نرم افزار های گردس و متلب و نیز تحلیل نقشه های روزهای توأم با بارش سنگین پرداخته شده است.

با توجه به وقوع تغییرات اقلیمی و رخداد پدیده های حدی علاقه مندان به علوم جوی و طبیعی با دانلود و پردازش دیتا این امکان برایشان فراهم شده است تا در محیط دلخواه به ترسیم و تحلیل آرایش سامانه های جوی بپردازند. سهولت دسترسی به این داده ها و امکان پردازش آن ها در قالب نقشه و نمودارهای مختلف باعث شده الگوی وقوع پدیده های جوی (موج گرما، موج سرما، خشکسالی و ترسالی، توفان های تندری و دریایی، تورنادو، آلودگی هوا ….) شناسایی و با بررسی دوره بازگشت آن­ ها همراه با بررسی سایر مدل های اقلیمی، توسط خبرگان (که به سیستم­ های قوی پیش بینی دسترسی دارند) وضعیت جوی پیش بینی شده و با اطلاع رسانی به موقع توسط خبرگان و رعایت شهروندان از وقوع خسارات جبران ناپذیر جانی و مالی جلوگیری به عمل آید.

ویژگی های آموزش

• مدرس: مریم آریاصدر
• تخصص: دکتری آب و هواشناسی
• موضوع: آموزش پردازش و تحلیل تصاویر جو بالا (.nc) در نرم افزارهای GraDS و Matlab
• نرم افزار: وبگاه NCEP/DOE Reanalysis II و نرم افزارهای GraDS و Matlab
• طول آموزش: 1 ساعت و 45 دقیقه
• مخاطب: علاقه مندان به علوم طبیعی
• نوع آموزش: ویدیویی
• پیش نیاز: آشنایی مقدماتی با داده های جو بالا

معرفی مدرس

• مریم آریاصدر
• دارنده مدرک کارشناسی آب و هواشناسی دانشگاه لرستان
• دارنده مدرک کارشناسی ارشد آب و هواشناسی سینوپتیک دانشگاه اصفهان
• دانشجوی دکتری آب و هواشناسی دانشگاه اصفهان
• عنوان پایان نامه ارشد بررسی همدید توفان های خلیج فارس
• عنوان پایان نامه دکتری سازگاری و آسیب پذیر منابع آب با تغییر اقلیم
• دارنده رتبه 10 آزمون دکتری سال 1399

عناوین آموزشی

• بخش اول: آشنایی با داده های جو بالا با فرمت .nc
• بخش دوم: دانلود داده های جو بالا از سایت Ncep/Ncar به فرمت عکس و دیتا فایل
• بخش سوم: فراخوان داده های .nc در نرم افزار GraDS
• بخش چهارم: ترسیم نقشه ی ارتفاع ژئوپتانسیل در نرم افزار GraDS
• بخش پنجم: ترسیم نقشه ی ضخامت جو در نرم افزار GraDS
• بخش ششم: ترسیم نقشه فشار تراز دریا در نرم افزار GraDS
• بخش هفتم: ترسیم نقشه سرعت و جهت باد در نرم افزار GraDS
• بخش هشتم: ترسیم نقشه رودباد در نرم افزار GraDS
• بخش نهم: ترسیم نقشه تاوایی در نرم افزار GraDS
• بخش دهم: فراخوان داده های جو بالا (.nc) در نرم افزار متلب با کمک برنامه های snc & UV
• بخش یازدهم: ترسیم نقشه های ارتفاع ژئوپتانسیل، فشار تراز دریا، سرعت باد، رودباد، جبهه، تاوایی، امگا، دما، رطوبت در ترازهای دریا، 850، 500 و 300 هکتوپاسکال با استفاده از نرم افزار متلب
• بخش دوازدهم: تحلیل خروجی نقشه متغیرهای جو بالا جهت شناخت الگوی موجد بارش سنگین
• بخش سیزدهم: ترسیم نمودار مجموع بارش سالانه در متلب

معرفی نرم افزار

داده های جو بالا توسط مرکز پیش بینی های محیطی موسوم به Ncep در مرکز ملی اقیانوس و جو (NOAA) تهیه شده است. در این آموزش، دانلود داده های جو بالا (.nc) به کمک وبگاه NCEP/DOE Reanalysis II در قالب نقشه و داده خام آموزش داده می ­شود. داده خام را می توان در قالب نمودارهای سری زمانی و نقشه ترسیم کرد. داده های خودتوصیف  (.nc) با نرم افزارهای مختلف مانند GIS, Grads, Matlab قابل فراخوان و پردازش هستند. در این آموزش با نحوه پردازش آن ها در دو نرم افزار Grads, Matlab آشنا خواهیم شد و سپس به تحلیل آن­ها می پردازیم.

نرم افزار گردس دارای دو پنجره است. بعد از باز کردن نرم افزار گردس با کلیک روی inter پنجره دیگری باز می شود. پنجره اولی برای نوشتن دستورها و پنجره ی دومی محیط نمایش خروجی دستورات است به شکل نمودار و یا نقشه. با فرخوان دیتا فایل، نوشتن تنظیمات و دستور در محیط گردس در قالب نقشه و نمودار، می توان خروجی را با فرمت تصویر ذخیره کرد. در این نرم افزار امکان نوشتن اسکریپ و حلقه برای محاسبه توابع همگرایی و واگرایی در جو وجود دارد.

نرم افزار متلب، در اوایل 1970 توسط Cleve Moler ایجاد و در اوایل 1984 با زبان C بازنویسی شد. در 1984 توسط شرکت Mathwork تاسیس شد. ساده ترین کارهایی که با متلب می توان انجام داد همان اعمال ماشین حساب است مثل : ضرب، تقسیم، جمع و تفریق. نرم افزار متلب دارای چندین (6 ~) پنجره است. یکی از این پنجره ها command window است در این محیط دستورات متلب نوشته و اجرا می شود. برخی از قابلیت های متلب عبارتند از: تعریف و استفاده از متغیرها، محاسبات ماتریسی، نوشتن M-File و اسکریپت نویسی، دستورات حلقه و شرط، دستورات ورودی و خروجی، ساخت و احضار توابع، رسم نمودار.

در این آموزش از سه اسکریپت و ام فایل از قبل نوشته شده (توسط دکتر سید ابوالفضل مسعودیان) و اجرای ورودی ها در محیط  command window و دریافت خروجی در پنجره figure استفاده شده است. ترجیحا در این آموزش فراخوان فایل ها .nc و ترسیم نقشه و نمودار ارائه شده و خروجی آن در قالب تصویر ذخیره شد.

داده ها

در این محصول آموزشی از دو دسته داده استفاده شده است. دسته اول داده های روزانه ایستگاهی و دسته دوم داده های جو بالا ( file .nc) با ابعاد 2.5*2.5 پیکسل، بصورت ساعتی، در تراز های دریا تا 10 ژئوپتانسیل متر (17 تراز)، در مختصات 10 تا 80 درجه شمالی و 10 تا 80 درجه شرقی می باشند.

در این پروژه هدف، بررسی الگوهای سینوپتیک مؤثر در بارش سنگین حوضه ی بختگان- مهارلو می باشد. به همین منظور از آمار بارش روزانه 10 ایستگاه سینوپتیک حوضه و طی دوره زمانی 1997 تا 2005 میلادی داده استخراج شده و پایگاه داده ی ایستگاهی تولید شد. با استانداردسازی( توزیع z) برای هر نقطه یک آستانه تعیین گردیده است. بعد از تعیین آستانه، تاریخ روزهای همراه با بارش سنگین را از ایستگاه روزانه استخراج نموده و در مجموع 145 روز تعیین شد. سپس 145 روز از داده ی جو بالا ( ارتفاع ژئوپتانسیل تراز 500 هکتوپاسکال) استخراج شد. چون در بررسی همدید بارش سنگین یا هر متغیر اقلیمی، تنها به نقشه یک متغیر جو بالا نمی توان اتکا کرد، پس نقشه های hgt, slp, omega, shum, rhum, jet stream ، دما، تاوایی، سرعت و جهت باد در سطوح تراز های دریا، 850، 500، 300 هکتوپاسکال ترسیم و جهت بررسی وضعیت توده هوا در سطح زمین، نقشه جبهه در متلب ترسیم و تحلیل شد.

از آنجا که هدف آشنایی با نحوه کاربرد دستورالعمل در محیط های گردس و متلب است، داده ها در هر دو محیط ترسیم و مقایسه شده است.

مهم ترین کاربرد نقشه های جو بالا در موارد زیر خلاصه می شود:

• کشاورزی
• رصد الگوی وقوع سیل و خشکسالی و پیش بینی در آتی
• مطالعات آبخیزداری
• مدیریت بحران و جلوگیری از هدر رفت منابع آب در هنگام رخداد سیل
• مطالعات تغییر اقلیم
• بررسی امواج گرما و سرما و تاثیر آن­ها بر کشت و محصولات کشاورزی و منابع آب
• محیط زیست و آلودگی هوا
• … .

کاربرد:

کاربرد این محصول آموزشی برای آشنایی با نحوه پردازش و دانلود داده های خود توصیف است که با کمک نقشه­ ها می توان عامل موجد پدیده های جوی را شناسایی کرد. به عنوان مثال رخداد موج گرما می تواند تحت تاثیر الگوی بندال ایجاد شده باشد استقرار یک سامانه پرفشار در عرض میانی جو (در ارتفاع 5600 متر از سطح زمین) مانع از صعود و ناپایداری توده هوا می شود.

پس از شناسایی رخداد روزهای متوالی با دماهای بیشینه در فصل سرد که خارج از انتظار است، به کمک نقشه های فشار در تراز دریا و ارتفاع ژئوپتانسیل، به بررسی وضعیت فشار در تراز دریا و منحنی های توپوگرافی و نیز بررسی شرایط دمایی، رطوبت از سطح زمین تا تراز 10 ژئوپتانسیل متر می پردازیم. قبل از این مراحل نیازمند پردازش داده های خام و یا مستقیما دانلود نقشه از وبگاه NCEP/DOE Reanalysis II هستیم.

در این محصول پردازش داده های خام با کمک دو نرم افزارهای GrADS و Matlab آموزش داده شده است. و خروجی آن به صورت نقشه و نمودار ذخیره شده است.

با کمک بررسی نقشه های عرض میانی و جو بالا می توان به بررسی آرایش سامانه های جوی پرداخت و وضعیت سیل و خشکسالی، اموج گرما و سرما و سایر رخدادهای محیطی را پیش بینی کرد. این امر در مرحله اول، با استفاده از بررسی داده های ایستگاهی، داده های دوره گذشته و ترسیم نمودارهای سری زمانی و در مرحله بعد شناسایی الگوهای جوی انجام میگیرد. با توجه به وقوع تغییرات اقلیمی، مخاطرات طبیعی رو به افزایش است، برای جبران اثرات مخرب مخاطرات اقلیمی مثل سیل، خشکسالی، امواج سرما و گرما … در کشور، در جهت کاهش خسارات به بخش های آسیب پذیر مثل بخش کشاورزی ارگان های دولتی می بایستی مدیریت ریسک انجام و برنامه­های مناسب اتخاذ شود.

مخاطب این آموزش کیست؟

مخاطبان این محصول آموزشی افرادی هستند که در مباحث تغییرات اقلیمی و نیز محققینی که در زمینه علوم طبیعی فعالیت می کنند. علاقه مندان به علوم طبیعی می توانند مطالب بسیار مفیدی را در این زمینه بدست آورند. به عنوان مثال، دانشجویان و محقیقین در انجام پروژه های تغییراقلیم نیازمند بررسی دوره 30 یا 60 ساله از وضعیت تغییرات بارش و دما هستند جهت انجام یک مطالعه دقیق، می بایستی متغیرهای جو بالا را در چند روز متوالی و چند تراز مهم که متناسب با هدف تحقیق شان است، بررسی و الگوی موجد هر پدیده را شناسایی کند. با بررسی دوره بازگشت پدیده، با کمک اطلاعات گذشته، آینده را تخمین بزنند.

بخش دیگری از مخاطبان این محصول افرادی هستند که قصد آشنایی با محیط نرم افزارهای گردس و متلب برای کار در پروژه های مختلف را دارند.

ویدئوهای آموزشی