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06 de Diciembre de 2021
ACTAS 005/2021 - Revisión 001
Reunión del Comité Científico del Modelo de Predicción del Océano, la Superficie Terrestre y la Atmósfera.
El 6 de diciembre de 2021, a las 9:00 h, representantes del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (INPE), el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), la Universidad Federal de Santa María (UFSM), la Universidad de São Paulo (USP), el Laboratorio Nacional de Computación Científica (LNCC), la Marina de Brasil (MB) y la Fuerza Aérea Brasileña (FAB) se reunieron virtualmente para debatir y continuar el trabajo del Comité Científico del Modelo de Pronóstico de Océanos, Superficies Terrestres y Atmósfera. Estas actas registran la memoria de la reunión y recopilan la información insertada en el chat, como enlaces e información relevante para las discusiones mantenidas. Este documento se basa en las directrices establecidas por Saulo Freitas durante su presentación.
Apertura
Saulo Freitas inició la sesión recordando que esta es la sexta reunión del Comité Científico (CC) del Modelo Comunitario del Sistema Tierra Unida y que esta actividad cumplirá un año, período que marca la idea inicial del modelo en diciembre de 2020. Recordó que primero hubo una reunión informal, seguida de una reunión con el director del INPE, a partir de la cual se creó el comité inicial y, posteriormente, el inicio de las reuniones. Mencionó que el CC está comprometido con la obtención de los recursos necesarios para llevar a cabo las actividades relacionadas con el desarrollo del modelo. Añadió que el país atraviesa dificultades, lo que dificulta la obtención de los recursos, pero que esto no puede impedir el desarrollo del modelo, que debe otorgar al país la autonomía técnico-científica que necesita en esta área. Saulo Freitas pasó a presentar la agenda de la reunión.
Agenda 1 - El proceso de elección del nombre del Modelo Comunitario del Sistema Terrestre Unificado - Informe
Saulo Freitas presenta el informe sobre el proceso de elección del nombre del modelo comunitario. Recuerda que dicho proceso se llevó a cabo mediante una encuesta en la que los miembros del CC sugirieron nombres con sus argumentos. Los nombres fueron recopilados y difundidos para la selección de los miembros del CC por Fabielle Alves. Para ello, fueron necesarias dos rondas de sugerencias, ya que en la primera ronda los nombres sugeridos contenían referencias a Brasil (tras las discusiones previas, se llegó a un consenso en que el nombre del país no debía formar parte del nombre del modelo), además de siglas que ya utilizaban otros modelos. En la segunda ronda, se sugirieron nuevos nombres que cumplían con los requisitos propuestos. Al no haber objeciones y no ser necesaria una tercera ronda para elegir el nombre del modelo comunitario, el proceso concluyó. El nombre elegido, con 8 votos, fue "Modelo para la predicción Océano-Terrestre y Atmósfera (MONAN)" , cuya traducción al portugués es "Modelo paraPrincípio dos Oceanos, Superfícies Terrestres e Atmosfera" . En ambos idiomas, el acrónimo del modelo es MONAN. Saulo Freitas añade que el nombre elegido debería utilizarse ya en las próximas reuniones, y que esto se comunicará a los organismos y divisiones pertinentes. El grupo de Procesamiento de Alto Rendimiento (PAD) también debería empezar a utilizar el nombre elegido para la organización de repositorios y otras actividades.
Agenda 2 - Informe de las reuniones del Subcomité - Superficie continental, suelos y atmósfera
Saulo Freitas comienza la presentación del informe de la reunión del subcomité sobre la atmósfera. Comenta que el 26 de noviembre de 2021 se celebró una reunión a la que se invitó a 26 investigadores de la comunidad científica brasileña relacionados con el modelado atmosférico. De los 26 invitados, 20 pudieron participar. Uno de los aspectos fundamentales discutidos inicialmente fueron las escalas espaciales y temporales que deben considerarse en MONAN. En vista de las discusiones del grupo, se concluyó que el modelo debe ser capaz de realizar predicciones en una escala espacial de 1 km y una escala temporal de 1 hora. Esta conclusión se debe a las limitaciones impuestas por los núcleos dinámicos actualmente existentes, que están preparados para operar dentro de estos límites. A pesar de esto, el grupo espera que sea posible, con los expertos asociados a MONAN, superar estas limitaciones. Además, el grupo pretende trabajar en los procesos de la Capa Límite Planetaria (PLL), que se observan en una escala espacial de decenas de metros.
Pedro Dias comenta sobre las escalas de implementación del modelo comunitario. Menciona que cuando se dice que el modelo tiene una escala de 1 km, significa que debería representar fenómenos que están en una escala de 1 km. En consecuencia, la resolución del modelo debería ser menor. Saulo Freitas concuerda con Pedro Dias y comenta que existe confusión entre lo que es la resolución efectiva del modelo y el espaciamiento entre los puntos de su cuadrícula. Saulo Freitas agrega que los modelos que utilizan los núcleos dinámicos Model for Prediction Across Scales ( MPAS ) y Finite Volume Cubed-Sphere Dynamical Core ( FV3 ) no tienen física lo suficientemente refinada como para resolver explícitamente procesos en una escala de 1 km.
Saulo Freitas también comenta que, durante la reunión del subcomité de modelado atmosférico, se discutieron algunas características deseables para MONAN, en términos de núcleo dinámico, método de discretización y malla computacional. Entre las características de la malla computacional, se discutió si debía ser de tipo no estructurado con posibilidad de refinamiento o con anidamiento de mallas; si debía ser global o de área limitada (límites abiertos); y si debía discretizarse en volúmenes definidos, elementos espectrales o mediante otro método. En cuanto al núcleo dinámico, el grupo discutió si debía ser localmente conservativo en masa, si debía ser hidrostático o no hidrostático, si debía ser completamente comprensible, si debía ser adecuado para la atmósfera profunda y cuál debía ser su nivel de precisión global y efectiva. Respecto a este último aspecto, destaca el detalle presentado por Pedro Peixoto durante la reunión. También cabe destacar que Chou Chan habló sobre la versión del Global Eta Framework ( GEF ) – modelo Eta a escala global, destacando las principales características de esta versión del modelo.
Pedro Peixoto comenta los límites de la aplicación del método espectral en modelos a escala global y las opciones disponibles para los núcleos dinámicos de MPAS, FV3 y GEF. Debido a la escalabilidad computacional, las mallas pueden ser estructuras hexagonales o pentagonales (mallas de Voronoi, de FV3 y MPAS), o pueden ser estructuras con un cubo proyectado sobre una esfera (esfera cúbica, de GEF). Entre estas opciones, hay ventajas y desventajas. La esfera cúbica requiere la aplicación de operadores de mayor precisión, además de requerir anidamiento de malla. Por otro lado, aunque la precisión de los operadores en las mallas de Voronoi es menor, es más flexible y permite mejores refinamientos de malla para alta resolución a escala regional. Además, existe la coordenada vertical. FV3 utiliza una coordenada de presión vertical, que sigue el terreno, mientras que MPAS utiliza una coordenada de altura que también sigue el terreno. Entre las discusiones del subcomité de modelado atmosférico, Pedro Peixoto comentó sobre la idoneidad de estas coordenadas que siguen el terreno para representar regiones con gran variación topográfica, como la cordillera de los Andes. Añadió que todos estos aspectos se discutieron, pero que no se llegó a una decisión sobre qué debería utilizar el MONAN.
Pedro Dias añade sobre la flexibilidad de la cuadrícula y los problemas que surgen del uso de una cuadrícula no homogénea. Comenta que la impronta que surge en estas cuadrículas es un problema localizado que se puede controlar. La elección de la coordenada vertical es preocupante, ya que en América del Sur hay accidentes geográficos como los Andes y Serra do Mar, que tienen una importante influencia en la meteorología. Con respecto a la coordenada vertical Eta, también utilizada en la versión global del Modelo Océano Tierra Atmósfera ( OLAM ), comenta que la variación en la resolución vertical, cerca de la superficie, es muy gruesa y no representa adecuadamente los procesos cercanos a la superficie. El anidamiento vertical puede ser una alternativa, como refinar la resolución vertical sobre los Andes. El problema con hacer esto son los residuos generados por la integración numérica, que se pueden resolver con difusión, lo que no es necesariamente algo bueno. Añade que la formulación clásica de la coordenada vertical Eta ya no se utiliza y que existe una versión más moderna que considera una inclinación entre los diferentes estratos de la coordenada ( escalones de compras o celdas afeitadas ), lo que alivia el problema de los flujos perpendiculares a la montaña, permitiendo la ocurrencia de flujos horizontales. Esta característica reduce la necesidad de difusión numérica. Pedro Dias corrobora la afirmación de Pedro Peixoto y afirma que será necesario estudiar las opciones con más profundidad, especialmente la aplicación de la coordenada Eta, y que será necesario diseñar experimentos para probarlas.
Jairo Panetta pregunta si en las discusiones también se están considerando los modelos del Centro Europeo de Predicciones Meteorológicas a Plazo Medio ( ECMWF ), además de los modelos americanos MPAS y FV3. Pedro Peixoto responde diciendo que el modelo ECMWF, el Sistema Integrado de Predicciones ( IFS ), es un modelo de volumen finito, con una malla octaédrica y que preserva las líneas de latitud. Esto significa que pueden aplicar la transformada de Fourier, al menos localmente, y preservar toda la estructura computacional del IFS. Esta versión del IFS-Volumen Finito usa una discretización similar a la usada en el FV3, pero usa todo el pre y postprocesamiento que ya usa el modelo ECMWF. El Met Office está desarrollando un núcleo dinámico en una malla cúbica con elementos finitos mixtos. También comenta que Francia está siguiendo una línea similar a la del MPAS y que en Alemania están realizando otro tipo de pruebas. El núcleo dinámico ECMWF es el más recomendable. Jairo Panetta también cuestiona si no es buena idea seguir los avances del ECWMF. Pedro Dias y Saulo Freitas comentan que el ECMWF no publica el código operativo del IFS, solo versiones anteriores, y que podría haber restricciones en el uso operativo del IFS por parte de otros centros.
Saulo Freitas comenta la posibilidad de utilizar el mismo núcleo dinámico con una coordenada vertical en un dominio urbano, para simular el flujo en cañones urbanos.
Pedro Dias añade que, según su experiencia, esto solo fue posible utilizando la versión moderna de la coordenada Eta o utilizando diferentes modelos (con diferentes resoluciones) anidados. Respecto al uso del mismo modelo, menciona que solo pudo realizar este tipo de simulación utilizando la versión moderna de la coordenada Eta. Saulo Freitas añade que el grupo PAD es importante porque podrá explorar todos estos aspectos relacionados con los núcleos dinámicos.
Saulo Freitas comenta sobre las parametrizaciones físicas y cómo un modelo debe ser capaz de simular de forma fluida, con parametrizaciones físicas que se adapten a resoluciones variables (sistema continuo), lo cual debería ser uno de los puntos principales del modelo. También menciona otros aspectos, como los módulos de radiación solar y terrestre, la microfísica de nubes y el acoplamiento con el modelo de aerosoles para la predicción de núcleos de condensación de agua líquida y hielo. Añade que es necesario contar con una formulación única de parametrización de nubes para cualquier escala espacial, especialmente a escala submalla y en la denominada zona gris (donde una parametrización puede intentar resolver fenómenos a escala de malla y submalla que contribuyen a los procesos turbulentos). Respecto al tratamiento de la turbulencia, destaca la necesidad de una simulación explícita de los procesos de mezcla horizontal a escalas de tormenta (entre 1 y 4 km). También menciona los desafíos relacionados con la representación de la composición atmosférica y la calidad del aire, como los módulos de emisiones antropogénicas y naturales y los flujos biogénicos. En cuanto a los requisitos de la malla computacional del modelo, menciona que es deseable que MONAN cuente con una malla global de resolución variable, con un refinamiento en Sudamérica. Asimismo, comenta que una de las posibilidades es la generación de pronósticos ambientales a escala regional y local simultáneamente.
Saulo Freitas invita a Otávio Acevedo a presentar el informe de la subcomisión de capa superficial y límite.
Otávio Acevedo comienza su presentación comentando sobre la composición del subcomité de superficie y capa límite. Comenta que el objetivo no es comenzar desarrollos desde cero, sino aprovechar los desarrollos existentes, como los paquetes desarrollados por el Centro Nacional de Investigación Atmosférica ( NCAR ). Comenta sobre las dificultades encontradas en esfuerzos anteriores (p. ej., el Modelo Integrado de Procesos de Superficie - Interior , debido a problemas de PAD). Menciona que este modelo ya está desactualizado en relación con otros, y que la asimilación de datos es importante, aunque hasta ahora no se ha priorizado. Agrega otros aspectos relevantes, como la necesidad de mejorar la representación de la remoción de dióxido de carbono. Otávio Acevedo también agrega que el grupo planteó temas relevantes para el desarrollo de MONAN en América del Sur, como el importante papel en el balance global de carbono, el liderazgo de Brasil en la solución de los principales problemas ambientales y, específicamente, la representación de la Amazonía, la cordillera de los Andes, la meteorología tropical, la convección, entre otros.
Otávio Acevedo, en relación con la representación de la Capa Límite Planetaria (PLL), destaca la importancia de representar la turbulencia y la PLC nocturna para pronosticar fenómenos meteorológicos extremos, entre otros. Menciona problemas relacionados con el acoplamiento del modelo PLC al modelo de superficie y añade que el Modelo de Investigación y Pronóstico del Tiempo ( WRF ) cuenta con un módulo independiente para resolver la interfaz entre los flujos de la capa superficial y la PLC.
Saulo Freitas destaca la importancia del subcomité de capa superficial y límite, ya que es un grupo capaz de probar diferentes soluciones e implementaciones de parametrizaciones en MONAN, a diferentes escalas espaciales. La sinergia entre los diferentes grupos para la resolución de problemas también es un aspecto importante, ya que brinda la oportunidad de abordar los problemas aprovechando la experiencia de sus miembros.
Pedro Dias destaca como muy positivo el intercambio de experiencias, la interacción entre grupos y el intercambio de información dentro de MONAN. Otávio Acevedo coincide y menciona que otros grupos también tienen demandas sobre el CLP, lo cual es importante. Añade que Brasil tiene una tradición superior a la media en observaciones de CLP, con plataformas de observación que pueden utilizarse en el desarrollo de MONAN. Pedro Dias coincide y menciona que la diversidad de grupos involucrados y los datos observacionales también son importantes para el modelado numérico. En la charla, Márcia Yamasoe informa que su grupo de trabajo está evaluando el efecto de los aerosoles de los incendios forestales en la irradiancia solar incidente y superficial.
Luciano Pezzi comenta sobre la base de datos de observaciones de buques que se ha utilizado para estudiar y comprender fenómenos. Afirma que estos datos también deberían utilizarse para mejorar los modelos numéricos.
Agenda 3 - Demandas y Requisitos de la Marina de Brasil
Flávia Pinheiro comenzó su presentación mencionando los servicios meteorológicos que brinda la Armada a través de la Dirección de Hidrografía y Navegación ( DHN ). Mencionó que el Servicio Meteorológico Marino ( SMM ) involucra aspectos operativos y de investigación, pero las limitaciones computacionales del SMM limitan las actividades de investigación y desarrollo. Comentó que el SMM proporciona pronósticos no solo para áreas oceánicas sino también para regiones ribereñas, y que los servicios que brinda el SMM cubren tanto áreas oceanográficas como meteorológicas. Entre los servicios brindados, comentó que el monitoreo meteorológico y oceanográfico de áreas de búsqueda y rescate es el más importante. Los productos que brinda el SMM incluyen cartas sinópticas, boletines meteorológicos y climatológicos, alertas de clima severo, pronósticos especiales, boletines de información ambiental y ayudas para la toma de decisiones. Con respecto a los boletines climáticos, explica las dificultades relacionadas con el hecho de que el SMM no realiza pronósticos climáticos y que es necesario recopilar una gran cantidad de información para su preparación. Comenta que estos productos sirven no solo a la MB, sino también a la sociedad civil.
Flávia Pinheiro, respecto al modelado realizado por el SMM, menciona que se utilizan cinco modelos diferentes. Para el modelado atmosférico, comenta que se utilizan principalmente los modelos del Consorcio para Modelado a Pequeña Escala ( COSMO ) y, más recientemente, el modelo Icosahedral Nonhydrostatic Model - Limited Area Mode ( ICON-LAM ), ambos con una resolución horizontal de 7 km (este último modelo, recientemente instalado y en fase de configuración y ajuste). Comenta que el modelo WRF (con una resolución horizontal de 10 km) se utiliza como contingencia pero que, a pesar de las necesidades, un factor limitante es la capacidad computacional del SMM para realizar estos modelos. Menciona que el MB ha tenido una asociación con The Deutscher Wetterdienst ( DWD ) desde que se estableció el pronóstico numérico en el MB. Saulo Freitas cuestiona el tiempo necesario para realizar los pronósticos y el alcance de los pronósticos realizados. Flávia Pinheiro comenta que el modelo ICON-LAM se ejecuta durante un máximo de 120 horas (es decir, 5 días) y que se necesita 1 hora para su ejecución completa, con dos ejecuciones diarias a partir de las cuales se generan todos los productos. Con respecto al modelo de olas, comenta que el SMM utiliza Wave Watch III ( WW3 ), realizado con forzamientos del Sistema Global de Pronóstico ( GFS ), modelos ICON y COSMO. Menciona que, aunque el SMM no puede realizar un conjunto de los modelos, estos tres forzamientos se utilizan para generar un producto similar que ayuda en los pronósticos. Pedro Dias cuestiona si, en el caso de los forzamientos del GFS, se utilizan los conjuntos de pronósticos o solo los pronósticos de control. Flávia Pinheiro responde que solo se utilizan los pronósticos de control. Con respecto a los modelos oceanográficos, menciona que el SMM produce el Modelo Híbrido de Coordenadas Oceánicas ( HYCOM ), con un importante apoyo al desarrollo de la Red de Modelado y Observación Oceanográfica ( REMO ) y el Centro de Hidrografía de la Armada ( CHM ). Comenta que el modelo HYCOM cuenta con un esquema de asimilación de datos basado en la Interpolación Óptima de Conjuntos, con dos cuadrículas diferentes de aproximadamente 9 km y 4 km de resolución horizontal. Menciona algunos trabajos conjuntos con el equipo REMO (p. ej., el Sistema de Pronóstico de Corrientes de Marea en Aguas Someras, parte integral del Pronóstico Ambiental de la Armada - PAM ). Pedro Dias pregunta si existe algún producto para la desembocadura del río Amazonas. Flávia Pinheiro responde que el MB realiza pronósticos para zonas ribereñas, pero que es muy difícil realizar pronósticos para regiones fluviales específicas debido a que el modelo COSMO domina el océano. Comenta que el continente está bajo la jurisdicción del Instituto Nacional de Meteorología ( INMET).), pero que el MB también tiene la responsabilidad de contar con información sobre el continente (en las regiones ribereñas), pero que existe dificultad para realizar predicciones con los modelos actuales. Flávia Pinheiro demuestra, mediante PAM, que las predicciones del modelo COSMO se realizan para las regiones ribereñas, pero que su nivel de detalle es mucho menor en relación con el dominio oceánico.
Flávia Pinheiro, en relación con las necesidades y demandas de la MB para MONAN, menciona que la asimilación de datos atmosféricos es uno de los principales problemas a resolver. Comenta que el principal factor limitante en este punto es el componente computacional. El modelo HYCOM cuenta con un esquema de asimilación de datos, pero el componente atmosférico no. Otro punto a destacar es el modelo acoplado océano-atmósfera, que tampoco está contemplado por el SMM. Comenta que un modelo acoplado podría proporcionar pronósticos a más largo plazo (actualmente, los pronósticos del SMM están limitados a 5 días). Las anomalías de la temperatura superficial del mar también son importantes para el pronóstico de eventos extremos sobre el océano y que esto representa un desafío para el SMM. También menciona la aplicación de un modelo CLP que, en el contexto de los productos y servicios que ofrece el SMM, es importante para el pronóstico de niebla costera y oceánica. Concluye afirmando que si MONAN cuenta con algunos de estos aspectos destacados, será de gran valor para las actividades que realiza la MB.
Saulo Freitas agradece a Flávia Pinheiro su presentación y abre el debate entre los demás miembros del CC de MONAN. Freitas pregunta cuál sería el espaciado ideal de la cuadrícula para los pronósticos oceánicos, considerando lo deseable y lo factible. Flávia Pinheiro responde que, actualmente, no es posible aumentar la resolución de los modelos utilizados por el SMM debido a limitaciones computacionales. Comenta que, para la situación actual, una resolución horizontal de 4 km es ideal, principalmente debido a la interpolación realizada en los forzamientos atmosféricos (el modelo HYCOM en uso tiene una resolución horizontal de aproximadamente 4 km, mientras que el forzamiento atmosférico tiene una resolución horizontal de 7 km). Esta interpolación no es ideal y la paridad entre las resoluciones del modelo oceánico y los forzamientos atmosféricos es un aspecto importante a considerar. Comenta que una solución es invertir en el modelo WRF, por ser un modelo más conocido y fácil de usar, para intentar aumentar su resolución.
Saulo Freitas comenta que un problema con el uso del modelo WRF es la pérdida de la inicialización del modelo. Saulo Freitas cuestiona si la interacción entre los procesos atmosféricos y oceánicos es de retroalimentación o está completamente desacoplada. Flávia Pinheiro responde que la interacción entre estos procesos está completamente desacoplada, pero que, a pesar de ello, el modelo WW3 en uso está bien configurado para el dominio MB. Por estas razones, comenta la necesidad de un modelo acoplado.
Pedro Dias cuestiona cómo es el soporte computacional en términos de PAD para SMM.
Flávia Pinheiro responde que la SMM cuenta con 10 oficiales, quienes también son responsables de la parte PAD de los modelos utilizados. Comenta que la acumulación de tareas relacionadas con las actividades de modelado (modelado, optimización e implementación operativa de los modelos) supone un gran desafío. Entre otros aspectos de los desafíos y actividades de la SMM, Flávia Pinheiro también comenta las exigencias derivadas del derrame de petróleo en la costa brasileña ocurrido en 2019.
Pedro Peixoto pregunta sobre el acuerdo con DWD. Flávia Pinheiro comenta que el acuerdo entre DWD (desarrollador del modelo COSMO) y MB comenzó en 1997, cuando se estableció la previsión numérica en MB. Comenta que los costes del modelo COSMO (licencia y soporte) son de aproximadamente 20 000 euros anuales. Esto se debe a que el modelo es de código cerrado.
Agenda 4 - Próximas acciones
Saulo Freitas presenta las próximas acciones a ser llevadas a cabo en el ámbito del desarrollo de MONAN. Como acciones iniciales, menciona la implementación de los núcleos dinámicos FV3, MPAS y Global-Eta en el INPE y en el Laboratorio Nacional de Computación Científica ( LNCC ), para el inicio de las actividades de exploración y evaluación. Comenta que esta acción será realizada junto con la comunidad para tener ideas sobre lo que debe ser probado y para el intercambio de información y experiencias entre los involucrados para que todos puedan converger en la elección del núcleo dinámico que será utilizado por MONAN. Menciona que se planean reuniones internas con el programa de posgrado de Meteorología del INPE ( PGMET ) y la División de Modelado Numérico del Sistema Terrestre ( DIMNT ) para definir sus roles en el desarrollo de MONAN. Comenta que en el ámbito de PGMET se creará una línea especial enfocada en temas específicos para la investigación y desarrollo del modelo comunitario.
Saulo Freitas menciona la importancia de continuar las reuniones de los subcomités sobre atmósfera, capa superficial y límite, y PAD. También comenta la sugerencia del director del INPE sobre la presentación del proyecto MONAN a la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo ( FAPESP ) en 2022. Otras acciones incluyen la presentación de las demandas del Centro de Gestión y Operación del Sistema de Protección de la Amazonía ( CENSIPAM ) y del INMET para el modelo comunitario, a través de sus respectivos representantes, Ivan Saraiva y Francisco Quixaba.
Acciones para la próxima reunión
- Presentación del informe de la reunión del subcomité sobre océanos y criosfera.