Marco de modelado del sistema terrestre

El Earth System Modeling Framework ( ESMF ) es un software de código abierto para la construcción de aplicaciones de software para el clima , la predicción numérica del tiempo , la asimilación de datos y otras ciencias de la Tierra . Estas aplicaciones requieren una gran capacidad de cálculo y suelen ejecutarse en supercomputadoras . El ESMF se considera una capa técnica, integrada en una sofisticada infraestructura de modelado común para la interoperabilidad . Otros aspectos de la interoperabilidad y la infraestructura compartida incluyen: protocolos experimentales comunes, métodos analíticos comunes, estándares de documentación comunes para los datos y su procedencia, flujo de trabajo compartido y componentes de modelo compartidos. ^{[ 1 ]}

El proyecto ESMF se distingue por su fuerte énfasis en la gobernanza comunitaria y el desarrollo distribuido , así como por una base de clientes diversa que incluye grupos de modelado de universidades, importantes centros de investigación de EE. UU., el Servicio Meteorológico Nacional , el Departamento de Defensa y la NASA . El equipo de desarrollo de ESMF tuvo su sede en NCAR hasta 2009, después de lo cual se trasladó a los Laboratorios de Investigación del Sistema Terrestre de la NOAA .

Editing Earth System Modeling Framework es un software libre publicado bajo la licencia de código abierto de la Universidad de Illinois/NCSA .

ESMF aumenta la interoperabilidad del software de modelado de ciencias de la Tierra desarrollado en diferentes lugares y promueve la reutilización del código . La idea es transformar el conocimiento y los recursos especializados y distribuidos en una comunidad de modelado colaborativa e integrada que opere de manera más eficiente, pueda abordar una mayor variedad de problemas con mayor eficacia y responda mejor a las necesidades de la sociedad.

ESMF se basa en los principios de la ingeniería de software basada en componentes . Los componentes de una aplicación de software ESMF suelen representar dominios físicos a gran escala, como la atmósfera , el océano, la criosfera o la superficie terrestre. Algunos modelos también representan procesos específicos (por ejemplo, la biogeoquímica oceánica o el impacto de la radiación solar en la atmósfera) como componentes. En ESMF, los componentes pueden crear e impulsar otros componentes, de modo que un componente de biogeoquímica oceánica puede formar parte de un componente oceánico mayor.

En la comunidad de modelado del sistema terrestre, el software que conecta dominios físicos se denomina acoplador. Los acopladores siguen el patrón de mediador y toman las salidas de un componente y las transforman en las entradas necesarias para ejecutar otro componente. Las transformaciones pueden incluir conversiones de unidades, interpolación o remapeo de cuadrículas, fusiones (es decir, la combinación de superficies terrestres y oceánicas para formar una superficie global completamente cubierta) u otras transformaciones especializadas. En ESMF, los acopladores también son componentes de software.

ESMF representa los datos del usuario en forma de objetos de datos como cuadrículas, campos y matrices. Los datos del usuario dentro de un componente pueden copiarse o referenciarse en estos objetos ESMF. Una vez que los datos del usuario forman parte de un objeto de datos ESMF, se pueden usar métodos del framework para transformarlos y transferirlos según sea necesario a otros componentes del sistema. Esto generalmente ocurre dentro de un componente de acoplamiento.

La interpolación y el remapeo de cuadrículas son utilidades fundamentales de ESMF. Los pesos de interpolación se pueden generar en ESMF mediante interpolación bilineal , recuperación de parches de elementos finitos y métodos de remapeo conservadores.

ESMF puede asociar metadatos a objetos de datos. Los metadatos, en forma de pares nombre-valor, se agrupan en paquetes que pueden escribirse en XML y otros formatos estándar. Los paquetes de metadatos de ESMF se basan en convenciones de la comunidad, incluidas las Convenciones de Metadatos Climáticos y de Pronóstico y el Modelo de Información Común METAFOR .

La colaboración ESMF tuvo sus raíces en el Grupo de Trabajo de Infraestructura de Modelado Común (CMIWG), una iniciativa de base, sin financiación, para explorar formas de mejorar el desarrollo colaborativo de modelos del sistema terrestre. El CMIWG atrajo una amplia participación de los principales grupos de modelado meteorológico y climático de centros de investigación y operativos. En una serie de reuniones celebradas entre 1998 y 2000, los miembros del CMIWG establecieron los requisitos generales y un diseño preliminar para un marco de software común .

En septiembre de 2000, la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra (ESTO) de la NASA publicó una convocatoria para la creación de una ESMF. Un número significativo de participantes del CMIWG acordó desarrollar una respuesta coordinada, basada en su diseño preliminar, y presentó tres propuestas vinculadas. La primera se centró en el desarrollo del software principal de la ESMF, la segunda en la implementación de aplicaciones de modelado de ciencias de la Tierra y la tercera en la implementación de aplicaciones de asimilación de datos de la ESMF. Las tres propuestas recibieron financiación, con un total de 9,8  millones de dólares a lo largo de tres años. A medida que el proyecto ESMF cobraba impulso, reemplazó al CMIWG como punto central para el desarrollo de la infraestructura de modelado comunitario.

Durante el período de financiación de la NASA, el equipo de ESMF desarrolló un prototipo del marco y lo utilizó en varios experimentos que demostraron el acoplamiento de componentes de modelado de diferentes instituciones. ESMF también se utilizó como base para la construcción de un nuevo modelo, el modelo de circulación general atmosférica del Sistema de Observación de la Tierra Goddard (GEOS) en el Centro Goddard de la NASA .

Al acercarse el final del primer ciclo de financiación de ESMF, sus colaboradores elaboraron un plan de proyecto que describía cómo ESMF podría transformarse en una organización con patrocinio de múltiples agencias para su próximo ciclo de financiación. Se obtuvieron importantes subvenciones nuevas de cinco años de la NASA, a través del programa de Modelado, Análisis y Predicción (MAP) para el cambio y la variabilidad climática , y del Instituto de Entornos del Espacio de Batalla del Departamento de Defensa . La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) continuó financiando parte del equipo de desarrollo mediante fondos básicos de NCAR . Se financiaron numerosos proyectos más pequeños de adopción de aplicaciones basadas en ESMF en ámbitos tan diversos como la meteorología espacial y el transporte de sedimentos .

Asimismo, al finalizar el primer ciclo de financiación, los colaboradores de ESMF redactaron un documento técnico sobre las futuras direcciones de ESMF. Este documento sirvió de base para una propuesta a la NSF con el fin de combinar ESMF (y otros marcos de software) con servicios de datos para crear un entorno computacional que admita un flujo de trabajo de modelado integral .

En 2008, se nombró un director de proyecto para la Capacidad Nacional Unificada de Predicción Operativa (NUOPC), un proyecto conjunto para la predicción meteorológica de la Armada de los Estados Unidos , el Servicio Meteorológico Nacional y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos . ^{[ 2 ]}

• Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP)

• N. Collins; G. Theurich; C. DeLuca; M. Suarez; A. Trayanov; V. Balaji; P. Li; W. Yang; C. Hill; A. da Silva (2005). "Diseño e implementación de componentes en el marco de modelado del sistema terrestre" . International Journal of High Performance Computing Applications . 19 (3): 341. Bibcode : 2005IJHPC..19..341C . doi : 10.1177/1094342005056120 . S2CID 41367442 . 
• Hill, C.; Deluca, C.; Balaji; Suarez, M.; Da Silva, A. (2004). "La arquitectura del marco de modelado del sistema terrestre". Computing in Science & Engineering . 6 (1): 18– 28. Bibcode : 2004CSE.....6a..18H . doi : 10.1109/MCISE.2004.1255817 . S2CID 9311752 . 
• Dunlap, Rocky; Mark, Leo; Rugaber, Spencer; Balaji, V.; Chastang, Julien; Cinquini, Luca; Deluca, Cecelia; Middleton, Don; Murphy, Sylvia (2008). "Curador del sistema terrestre: infraestructura de metadatos para la modelización climática" . Earth Science Informatics . 1 ( 3–4 ): 131–149 . doi : 10.1007/s12145-008-0016-1 .

• Marco de modelado del sistema terrestre (ESMF)
• Capacidad de predicción del sistema terrestre (ESPC)
• Programa de Modelado, Análisis y Predicción (NASA)
• Federación de la Red del Sistema Terrestre (ESGF)