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13 de Octubre de 2022

ACTAS 002/2022 - Revisión 002

Reunión del Comité Científico del Modelo de Pronóstico del Océano, la Superficie Terrestre y la Atmósfera. El 13 de octubre de 2022, a las 15:00 horas, representantes del INPE (Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales), el INMET (Instituto Nacional de Meteorología), la UFCG (Universidad Federal de Campina Grande), el CENSIPAM (Centro de Gestión y Operaciones del Sistema de Protección de la Amazonía), la USP (Universidad de São Paulo), el LNCC (Laboratorio Nacional de Computación Científica), la UFMS (Universidad Federal de Mato Grosso do Sul), la FAB (Fuerza Aérea Brasileña), la MB (Marina de Brasil) y el MCTI (Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación) se reunieron virtualmente para dar continuidad a los trabajos y debates del Comité Científico del Modelo de Pronóstico del Océano, la Superficie Terrestre y la Atmósfera. Estas actas registran la reunión y recopilan la información ingresada en el chat, como enlaces y otra información relevante para los debates mantenidos. Tras la apertura de la reunión, liderada por los coordinadores institucionales Saulo Freitas/INPE y Pedro Dias/USP, este documento se orienta de acuerdo con las directrices establecidas por Saulo Freitas durante su presentación.

Saulo Freitas inicia la reunión dando la bienvenida a todos los participantes y anunciando los temas que se discutirán durante la reunión del CC de MONAN.

Orden del día 1 - Nuevos miembros

Saulo Freitas, durante la primera agenda de la reunión, anunció los nuevos miembros del MONAN CC: 1. Celso von Randow, de la División de Impactos, Adaptación y Vulnerabilidades ( DIIAV ) del INPE; 2. Renato Galante Negri, de la División de Satélites y Sistemas Meteorológicos ( DISM ) del INPE; y 3. Antônio Marcos Mendonça , representante del MCTI. También anunció que el miembro Daniel Alejandro Vila fue invitado a representar a la Organización Meteorológica Mundial ( OMM ) y que, por esta razón, se convertirá en miembro externo de la OMM en el MONAN CC.

Agenda 2 - Retrospectiva y acciones

Saulo Freitas, en la discusión de la segunda agenda de la reunión, da una retrospectiva de los eventos desde la primera reunión del CC, comenta sobre las instituciones participantes y que el CC actualmente tiene 35 miembros. Habla sobre el desarrollo de MONAN, que está incluido en la planificación estratégica del INPE para los próximos 5 años y que el programa ya ha sido reconocido como un programa MCTI, con su propio presupuesto y una duración inicial de 10 años. Comenta sobre el acuerdo firmado con el Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Mediano Plazo ( ECMWF ) para el acceso a los códigos del Sistema Abierto de Previsiones Integradas ( OpenIFS ) , acceso a datos, realización de seminarios y sesiones de capacitación y la producción de un programa de visualización para cuadrículas no estructuradas utilizando METView . Comenta sobre el Plazo de Apertura del Proyecto (TAP) para el acuerdo con la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica ( NOAA ).

Aún dentro de la retrospectiva, Saulo Freitas comenta que el año en curso (2022) fue muy importante para la reorganización interna del INPE con foco en MONAN: menciona que entre el 31 de agosto y el 2 de septiembre, se realizó un taller interno por parte de la Coordinación General de Ciencias de la Tierra ( CGCT ) del INPE, con el objetivo de discutir la reorganización de las divisiones de Modelado Numérico del Sistema Terrestre ( DIMNT ), División de Sistemas Satelitales y Meteorológicos (DISSM) y División de Pronóstico del Tiempo y el Clima (DIPTC) del centro en torno al desarrollo de MONAN. Comenta que, en esta reorganización, se establecieron grupos transversales (llamados macrogrupos), formados con miembros de las tres divisiones. Agrega que también se realizaron otros talleres internos sobre los temas de atmósfera, océanos y criosfera y asimilación de datos , en preparación para los desarrollos de MONAN. Menciona que la organización de los macrogrupos fue estructurada y registrada en el Servicio Electrónico de Información (SEI). Saulo Freitas también comenta sobre la búsqueda de recursos con el apoyo del director del INPE, Clézio Marcos De Nardin , y el coordinador del CGCT, Gilvan Sampaio de Oliveira . Menciona la aprobación del proyecto de Renovación de la Infraestructura Informática del INPE (RISC), con un presupuesto de R$ 200 millones en 4 años, aprobado por FINEP . El proyecto tiene 7 objetivos, 3 de los cuales están destinados a la operación de MONAN utilizando la nueva supercomputadora. Saulo Freitas también comenta sobre la propuesta de MONAN como Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología ( INCT ), con una perspectiva presupuestaria de R$ 7 millones en 5 años, administrado por 11 miembros del CC de MONAN. También comenta sobre otra búsqueda de recursos, una solicitud de presupuesto para 2023, con R$ 5 millones por año, que se aprobó como un programa del MCTI. Con esto, se presentó una propuesta para una línea de CT&I al Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico ( FNDCT ) para financiamiento/capital. Otra propuesta que se puede trabajar es dentro del Programa FAPESP de Investigaciones sobre Cambios Climáticos Globales ( PFPMCG ), dentro de la temática de cambios en el uso y ocupación del suelo y de la agricultura, estrategias de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y adaptación al cambio climático.

Agenda 3 - Informe del subcomité PAD

Luiz Flávio comienza su presentación comentando las actividades realizadas por el Grupo de Computación Científica (GCC), una de las cuales es el análisis de 3 núcleos dinámicos para MONAN. Luiz Flávio comenta sobre la formación del equipo, compuesto por los empleados Carlos Renato de Souza , Denis Magalhães de Almeira Eiras , Eduardo Georges Khamis , João Messias Alves da Silva del INPE y el empleado Roberto P. Souto del LNCC. Comenta que el equipo se está ampliando y que se han dedicado mucho al trabajo realizado. Menciona que los códigos evaluados fueron el Global Eta Framework ( GEF ), Finite Volume 3 ( FV3 ) y el Model for Prediction Across Scales ( MPAS ), recordando que los modelos FV3 y MPAS ya han sido evaluados por la NOAA. Luiz Flávio comenta que las evaluaciones realizadas se centraron en el código fuente de los modelos y no consideraron requisitos no funcionales, es decir, si los núcleos dinámicos representan bien o no la física. La evaluación funcional de los modelos será realizada por el Grupo de Evaluación de Modelos ( GAM ) del INPE. Para la evaluación se abordaron los aspectos de mantenibilidad, portabilidad, rendimiento, escalabilidad y eficiencia. Menciona que todas las tareas se realizaron y registraron en GitHub y ZenHub de MONAN. En el primer tema, mantenibilidad, el modelo MPAS fue el que obtuvo la puntuación más alta (22 puntos), muy cerca de FV3 (20 puntos). En cuanto a portabilidad, el modelo MPAS también obtuvo más puntos (8,2 puntos para MPAS y 4,4 para FV3). Luiz Flávio comenta que el informe con las reglas, puntuaciones y resultados completos de esta evaluación están disponibles en el documento Informe de la Evaluación Computacional de Núcleos Dinámicos .

Luciano Pezzi pregunta a Luiz Flávio sobre los puntos negativos atribuidos a algunos paquetes utilizados por los núcleos dinámicos. Luiz Flávio comenta que los puntos se eliminan porque la instalación de algunos de estos paquetes no es sencilla, lo que aumenta la complejidad del uso del código fuente de los modelos.

A continuación, Luiz Flávio invita a Roberto Souto a explicar los resultados del paralelismo y la eficiencia del código (calidad del código y Rendimiento, Escalabilidad y Eficiencia - PEE), considerando el modelo MPAS de 15 km, en una simulación de 24 horas sin la física del modelo. Con problemas técnicos de Roberto Souto, Luiz Flávio retoma la presentación. Con respecto al análisis de la calidad del código, en el aspecto PEE, el modelo MPAS de 15 km se probó para predicciones de solo 24 horas debido a limitaciones de tiempo y al uso de la máquina Rattler de Dell. En el procesamiento para la Unidad de Procesamiento de Gráficos (GPU), el modelo MPAS fue más rápido que el modelo FV3, incluso siendo más rápido que el propio modelo FV3 cuando se usa solo con procesamiento de CPU. En general, en el aspecto PEE, el modelo MPAS fue ligeramente mejor que el modelo FV3, aunque el modelo FV3 es más fácil de trabajar (es más simple desde el punto de vista del código fuente). Luiz Flávio comenta que la versión actual del modelo MPAS pierde en tiempo de procesamiento frente al modelo FV3.

Saulo Freitas comenta el buen trabajo realizado por el GCC en relación al informe de evaluación de los núcleos dinámicos y luego abre el turno de preguntas.

Pedro Dias le pregunta a Luiz Flávio si también se evaluó la documentación para el usuario final. Luiz Flávio comenta que este era uno de los requisitos de la evaluación: el número de líneas de código documentables. Pedro Dias añade a la pregunta sobre el manual de usuario y las opciones de cada modelo, y si esto también se evaluó. Luiz Flávio responde que, para el modelo FV3, este tipo de documentación no estaba disponible, pero que la comunidad es ágil ante las preguntas de los usuarios. Luiz Flávio añade que solo se evaluó la documentación del código.

Vinicius Capistrano pregunta sobre la estructura de acoplamiento del modelo FV3 y si las evaluaciones también la tuvieron en cuenta. Luiz Flávio responde que sí.

Saulo Freitas comenta sobre la complejidad del código, siendo evidente la diferencia entre los modelos MPAS y FV3. En este sentido, Freitas menciona la importancia de la participación de la comunidad, para la cual la simplicidad del código es fundamental. En este sentido, pregunta a Luiz Flávio si la programación en GPU supondrá una dificultad para la comunidad. Luiz Flávio responde que, actualmente, programar para GPU ya no supone un gran desafío y que el lenguaje de programación CUDA ( Compute Unified Device Architecture ) ha avanzado lo suficiente como para usar OpenACC , lo que facilita enormemente la programación al insertar directivas en el código fuente que indican al compilador qué partes del código deben procesarse en la GPU.

Enio Souza pregunta a Luiz Flávio si el procesamiento por GPU es un requisito de MONAN y si este requisito ya estaba definido. Luiz Flávio responde que este es un aspecto aún abierto y que no necesariamente se utilizará directamente. A pesar de ello, el procesamiento por GPU se centra más en aplicaciones que dependen de la inteligencia artificial. Cita el artículo « High-Performance Computing in Meteorology under a Context of an Era of Graphical Processing Units» (Nakaegawa, 2022), que analiza los centros que utilizan GPU para procesar modelos numéricos. La mayoría de los centros aún utilizan CPU.

Caio Coelho pregunta sobre la aplicación de los núcleos dinámicos de los modelos MPAS y FV3 a escalas subestacionales, estacionales y climáticas. Saulo Freitas responde que este tema, que involucra la física, aún está por estudiar y que, en la etapa actual de evaluación, el objetivo es probar la calidad de los núcleos dinámicos para verificar su eficiencia computacional. Pedro Dias comenta que, por ahora, ningún centro aplica el modelo MPAS para pronósticos a estas escalas. Saulo Freitas añade que, para estas escalas, es la física del modelo la que domina su capacidad de pronóstico y no la dinámica, ya que los errores de primer orden están dominados por la física. Añade que, si queremos un modelo listo para la escala estacional, deberíamos elegir el modelo FV3, pero si queremos un modelo al que podamos aportar nuestro legado y que funcione de forma competitiva en todas las escalas, deberíamos elegir el modelo MPAS. Antonio Manzi sugiere crear un subgrupo dentro del MONAN CC que se mantenga en contacto con el personal del Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas ( NCAR ) para seguir la evolución de los sistemas de alerta temprana (MPAS) para las escalas de pronóstico que Caio Coelho mencionó en su comentario. Pedro Dias se comprometió a hablar con algunos de sus contactos en el NCAR.

Agenda 4 - Planificación de la evaluación bajo aspectos meteorológicos

Pasando al siguiente tema, Saulo Freitas invita a la investigadora Ariane Frassoni dos Santos de Mattos /INPE para su presentación sobre la evaluación funcional con la comparación de los resultados de los núcleos dinámicos de los modelos MPAS y FV3.

Ariane Frassoni comienza su presentación abordando los núcleos dinámicos desde una perspectiva meteorológica y de calidad del código fuente. Comenta que el objetivo es determinar métricas para evaluar los núcleos dinámicos para su uso en MONAN. Las características funcionales de los núcleos dinámicos incluyen la idoneidad, la precisión, la interoperabilidad, el cumplimiento normativo y la seguridad. Durante su presentación, Ariane Frassoni menciona los requisitos de un núcleo dinámico no hidrostático y que los núcleos dinámicos que no cumplen esta característica se consideran inadecuados para las aplicaciones previstas en MONAN.

Saulo Freitas agradece la presentación e inicia la discusión. Pedro Peixoto pregunta si el preprocesamiento y el posprocesamiento utilizados para generar los resultados presentados por Ariane Frassoni son públicos en GitHub, dado el interés en reunir toda la información en un único repositorio. Comenta que cuenta con algunos programas y scripts con los que también puede contribuir y que es importante realizar estos desarrollos de forma colaborativa. Saulo Freitas y Luiz Flávio coinciden con la propuesta de Pedro Peixoto, y Luiz Flávio comenta que estos códigos pueden publicarse en el repositorio MONAN.

Pedro Dias comenta que es importante contar con herramientas de diagnóstico objetivas para evaluar los modelos numéricos, pero que también es necesario hacer comparaciones con los datos reales observados (por ejemplo, radiosonda).

Acciones para la próxima reunión

Crear un canal de comunicación con los desarrolladores del NCAR para monitorear el desarrollo del modelo MPAS para aplicaciones a escalas subestacionales a climáticas;
Crear un canal de colaboración entre el Grupo de Evaluación de Modelos (GAM) DIMNT y el grupo de investigación de Pedro Peixo para compartir scripts y programas de preprocesamiento y postprocesamiento para MPAS;
Hable con Roberto Souto sobre lo que es posible ejecutar en la supercomputadora LNCC Santos Dumont para experimentos con los núcleos dinámicos MPAS y FV3;
Informe de João Gerd sobre el Taller DAS-DIMNT (Asimilación de Datos).

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