Marco de modelado del sistema terrestre

El Marco de Modelado del Sistema Terrestre ( ESMF , por sus siglas en inglés) es un software de código abierto para construir aplicaciones de software de clima , predicción numérica del tiempo , asimilación de datos y otras aplicaciones de software de ciencias de la Tierra . Estas aplicaciones son computacionalmente exigentes y generalmente se ejecutan 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 datos y procedencia de datos, 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 , y 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 estuvo centrado 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 gratuito publicado bajo la licencia de código abierto de la Universidad de Illinois/NCSA .

El ESMF aumenta la interoperabilidad del software de modelado de las ciencias de la Tierra desarrollado en diferentes sitios y promueve la reutilización de códigos . La idea es transformar el conocimiento y los recursos distribuidos y especializados en una comunidad de modelado colaborativa e integrada que funcione de manera más eficiente, pueda abordar una variedad más amplia de problemas de manera más eficaz y responda mejor a las necesidades de la sociedad.

ESMF se basa en principios de ingeniería de software basada en componentes . Los componentes dentro de una aplicación de software ESMF generalmente representan 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, 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 pueda ser parte de un componente oceánico más grande.

El software que conecta los dominios físicos se denomina acoplador en la comunidad de modelado del sistema terrestre. Los acopladores siguen el patrón del mediador y toman las salidas de un componente y las transforman en las entradas que se necesitan para ejecutar otro componente. Las transformaciones pueden incluir conversiones de unidades, interpolación o reasignación de cuadrículas, fusiones (es decir, combinar 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 de usuario en forma de objetos de datos, como cuadrículas, campos y matrices. Los datos de usuario dentro de un componente se pueden copiar o referenciar en estos objetos ESMF. Una vez que los datos de usuario forman parte de un objeto de datos ESMF, se pueden utilizar métodos de marco para transformar y transferir los datos según sea necesario a otros componentes del sistema. Esto generalmente ocurre dentro de un componente acoplador.

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

ESMF puede asociar metadatos con objetos de datos. Los metadatos, en forma de pares de nombre y 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 sobre clima y 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), un esfuerzo de base no financiado 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 en centros de investigación y operativos. En una serie de reuniones celebradas entre 1998 y 2000, los miembros del CMIWG establecieron 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 en la que solicitaba la creación de un ESMF. Una masa crítica de participantes del CMIWG acordó desarrollar una respuesta coordinada, basada en su diseño de marco de trabajo de prueba, y presentó tres propuestas vinculadas. La primera se centró en el desarrollo del software básico del 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 del ESMF. Las tres propuestas recibieron financiación, a un nivel colectivo de 9,8 millones de dólares durante un período de tres años. A medida que el proyecto del ESMF ganó impulso, reemplazó al CMIWG como punto focal para el desarrollo de la infraestructura de modelado comunitario.

Durante el período de financiación de la NASA, el equipo del ESMF desarrolló un prototipo del marco y lo utilizó en una serie de experimentos que demostraron el acoplamiento de componentes de modelado de diferentes instituciones. El 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 .

A medida que se acercaba el final del primer ciclo de financiación del ESMF, sus colaboradores escribieron un plan de proyecto que describía cómo el ESMF podría convertirse en una organización con patrocinio de múltiples agencias para su próximo ciclo de financiación. Nuevas subvenciones importantes de cinco años provinieron de la NASA, a través del programa de Modelado, Análisis y Predicción (MAP) para el cambio climático y la variabilidad, y del Instituto de Entornos Espaciales de Batalla del Departamento de Defensa . La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) continuó financiando parte del equipo de desarrollo a través de los fondos básicos del NCAR . Muchos proyectos más pequeños de adopción de aplicaciones basadas en el ESMF fueron financiados en dominios tan diversos como el clima espacial y el transporte de sedimentos .

También al final del primer ciclo de financiación, los colaboradores del ESMF escribieron un informe técnico sobre las futuras orientaciones del ESMF. Este informe sirvió de base para una propuesta a la NSF para combinar el ESMF (y otros marcos de software) con servicios de datos para crear un entorno computacional que admita un flujo de trabajo de modelado de extremo a extremo .

En 2008, se nombró un director de proyecto para la Capacidad Nacional Unificada de Predicción Operacional (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". Revista internacional de aplicaciones informáticas de alto rendimiento . 19 (3): 341. 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 el modelado climático". Informática de las ciencias de la tierra . 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 Redes del Sistema Terrestre (ESGF)