Earth System Modeling Framework

Введение

Earth System Modeling Framework (ESMF) - это программное обеспечение с открытым исходным кодом для создания климата, численного прогнозирования погоды, ассимиляции данных и других программных приложений для наук о Земле. Эти приложения требуют больших вычислений и обычно работают на суперкомпьютерах. ЭФМР рассматривается как технический уровень, интегрированный в сложную общую инфраструктуру моделирования для обеспечения операционной совместимости. Другие аспекты оперативной совместимости и общей инфраструктуры включают: общие экспериментальные протоколы, общие аналитические методы, общие стандарты документации для данных и происхождения данных, общий рабочий процесс и общие компоненты модели. Проект ESMF отличается сильным акцентом на управлении сообществом и распределенном развитии, а также разнообразной клиентской базой, которая включает в себя группы моделирования из университетов, крупных исследовательских центров США, Национальной метеорологической службы, Министерства обороны и НАСА. Команда разработчиков ESMF была сосредоточена в NCAR до 2009 года, после чего она переехала в исследовательские лаборатории NOAA Earth System. Editing Earth System Modeling Framework - это свободное программное обеспечение, выпущенное под лицензией Open Source License Университета Иллинойса / NCSA.

Цель

ESMF повышает совместимость программного обеспечения для моделирования наук о Земле, разработанного в разных местах, и способствует повторному использованию кода. Идея состоит в том, чтобы преобразовать распределенные, специализированные знания и ресурсы в совместное, интегрированное моделирующее сообщество, которое работает более эффективно, может более эффективно решать более широкий спектр проблем и более отзывчиво реагирует на потребности общества.

Архитектура программного обеспечения

ЭСМФ основан на принципах компонентной программной инженерии. Компоненты программного обеспечения ESMF обычно представляют собой крупномасштабные физические области, такие как атмосфера, океан, криосфера или поверхность суши. Некоторые модели также представляют собой специфические процессы (например, биогеохимию океана, воздействие солнечного излучения на атмосферу) в качестве компонентов. В ЭСМФ компоненты могут создавать и управлять другими компонентами, так что компонент биогеохимии океана может быть частью более крупного компонента океана. Программное обеспечение, которое соединяет физические области, называется соединителем в модельном сообществе системы Земли. Соединители следуют модели медиатора и берут выходы из одного компонента и преобразуют их в входы, необходимые для запуска другого компонента. Преобразования могут включать преобразования единиц, интерполяцию или перекартировку сетки, слияния (т.е. объединение поверхностей суши и океана для формирования полностью покрытой глобальной поверхности) или другие специализированные преобразования. В ЕСМФ соединители также являются компонентами программного обеспечения.

Способность

ESMF представляет пользовательские данные в виде объектов данных, таких как сетки, поля и массивы. Данные пользователя в компоненте могут быть скопированы или ссылаться на эти объекты ESMF. После того, как пользовательские данные становятся частью объекта данных ЕСМФ, можно использовать методы рамок для преобразования и передачи данных по мере необходимости другим компонентам системы. Это обычно происходит в компоненте сцепления. Интерполяция и перекартографирование сетей являются основными функциями ЕСМФ. Вес интерполяции может быть получен в ЕСМФ с использованием билинеарной интерполяции, восстановления наклеек конечных элементов и консервативных методов перенастройки. ЭФСМ может связывать метаданные с объектами данных. Метаданные в виде пар имен и значений сгруппированы в пакеты, которые могут быть записаны в XML и других стандартных форматах. Пакеты метаданных ЕСМФ основаны на конвенциях сообщества, включая Конвенции о климатических и прогнозных метаданных и общую информационную модель METAFOR.

История

Сотрудничество в рамках ЕСМФ берет свое начало в Рабочей группе по общей инфраструктуре моделирования (CMIWG), которая является нефинансируемой общественной организацией, занимающейся изучением путей укрепления совместной разработки модели системы Земли. В работе ГРММК приняли участие представители крупных групп по моделированию погоды и климата в исследовательских и операционных центрах. В ходе серии встреч, проведенных с 1998 по 2000 год, члены CMIWG определили общие требования и предварительный проект общей программной базы. В сентябре 2000 года Управление по науке и технологиям Земли НАСА (ESTO) опубликовало запрос, в котором призывали к созданию ESMF. Критическая масса участников CMIWG согласилась разработать скоординированный ответ, основанный на их структуре, и представила три связанных предложения. Первый был посвящен разработке основного программного обеспечения ESMF, второй - развертыванию приложений для моделирования наук о Земле, а третий - развертыванию приложений для ассимиляции данных ESMF. Все три предложения были профинансированы на общем уровне $9,8 млн в течение трех лет. По мере того, как проект ЕСМФ набирал обороты, он заменил ГРМТК в качестве центрального центра для разработки инфраструктуры моделирования сообщества. В период финансирования НАСА команда ESMF разработала прототип структуры и использовала его в ряде экспериментов, которые демонстрировали соединение компонентов моделирования из разных учреждений. ESMF также использовался в качестве основы для построения новой модели, модели общей циркуляции атмосферы системы наблюдения за Землей Годдарда (GEOS) в NASA Годдарда. По мере приближения конца первого цикла финансирования ЕСМФ его сотрудники написали проектный план, в котором описывалось, как ЕСМФ мог бы перейти к организации с многоагентским спонсорством для своего следующего цикла финансирования. Основные новые пятилетние гранты поступили от NASA через программу моделирования анализа и прогнозирования (MAP) для изменения климата и изменчивости, а также от Института боевой среды Министерства обороны. Национальный научный фонд (NSF) продолжил финансировать часть команды разработчиков через основные фонды NCAR. Многие небольшие проекты по внедрению приложений на основе ЕСМФ были профинансированы в таких разнообразных областях, как космическая погода и транспортировка осадков. Также в конце первого цикла финансирования сотрудники ЕСМФ написали белую книгу о будущих направлениях деятельности ЕСМФ. Эта статья легла в основу предложения NSF объединить ESMF (и другие программные системы) с сервисами данных для создания вычислительной среды, которая поддерживает сквозный рабочий процесс моделирования. В 2008 году был назначен руководитель проекта Национального объединенного оперативного прогнозирования (NUOPC), совместного проекта по прогнозированию погоды ВМС США, Национальной службы погоды и ВВС США.

The ESMF collaboration had its roots in the Common Modeling Infrastructure Working Group (CMIWG), an unfunded, grass roots effort to explore ways of enhancing collaborative Earth system model development. The CMIWG attracted broad participation from major weather and climate modeling groups at research and operational centers. In a series of meetings held from 1998 to 2000, CMIWG members established general requirements and a preliminary design for a common software framework. In September 2000, the NASA Earth Science Technology Office (ESTO) released a solicitation that called for the creation of an ESMF. A critical mass of CMIWG participants agreed to develop a coordinated response, based on their strawman framework design, and submitted three linked proposals. The first focused on development of the core ESMF software, the second on deployment of Earth science modeling applications, and the third on deployment of ESMF data assimilation applications. All three proposals were funded, at a collective level of $9.8 million over a three year period. As the ESMF project gained momentum, it replaced the CMIWG as the focal point for developing community modeling infrastructure. During the period of NASA funding, the ESMF team developed a prototype of the framework and used it in a number of experiments that demonstrated coupling of modeling components from different institutions. ESMF was also used as the basis for the construction of a new model, the Goddard Earth Observing System (GEOS) atmospheric general circulation model at NASA Goddard. As the end of the first funding cycle for ESMF neared, its collaborators wrote a project plan that described how ESMF could transition to an organization with multi agency sponsorship for its next funding cycle. Major new five year grants came from NASA, through the Modeling Analysis and Prediction (MAP) program for climate change and variability, and from the Department of Defense Battlespace Environments Institute. The National Science Foundation (NSF) continued funding part of the development team through NCAR core funds. Many smaller ESMF based application adoption projects were funded in domains as diverse as space weather and sediment transport. Also at the end of the first funding cycle, the ESMF collaborators wrote a white paper on future directions for the ESMF. This paper formed the basis for a proposal to NSF to combine ESMF (and other software frameworks) with data services to create a computational environment that supports an end to end modeling workflow. In 2008, a project manager was appointed for the National Unified Operational Prediction Capability (NUOPC), a joint project for weather prediction of the United States Navy, the National Weather Service, and the United States Air Force.