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Aplicaciones específicas de software meteorológico

Entre las aplicaciones de software específico utilizadas o que están siendo implementadas en AEMET cabe resaltar las estaciones de trabajo meteorológicas, el editor gráfico de predicciones para la generación automática de productos y los modelos numéricos de predicción del tiempo, de la calidad del aire y del clima.

 

Estaciones de trabajo meteorológicas

Las estaciones de trabajo meteorológicas son la herramienta fundamental de los predictores para el diagnóstico y vigilancia meteorológica, así como para elaborar la predicción hasta 2-3 días. El software de estas aplicaciones tiene como objetivo la ingestión, combinación, tratamiento, visualización y procesamiento de la información meteorológica de datos de diferentes formatos y fuentes (satélite, radar, descargas eléctricas, estaciones de superficie, sondeos aerológicos, aviones, barcos, boyas etc), así como de modelos numéricos. En la siguiente imagen se puede apreciar una de estas estaciones.

 

Estación de trabajo meteorológica McIDAS
Estación de trabajo meteorológica McIDAS

Desde hace más de veinticinco años el Sistema McIDAS (Man computer Interactive Data Access System), desarrollado por la Universidad de Wisconsin de EEUU, ha sido la estación meteorológica utilizada en AEMET tanto en el ámbito de la predicción operativa como en el de desarrollo de productos para la misma.

El sistema McIDAS está basado en una arquitectura Cliente-Servidor. Utiliza un esquema de datos distribuidos "Abstract Distributed Data Environment" (ADDE).  Facilita al usuario la elección entre una interfaz de comandos o gráfica (GUI-Menús). La versión actualmente implementada en AEMET está escrita en los lenguajes de programación FORTRAN y C.  En AEMET el sistema se compone de 7 servidores corporativos, hasta 52 estaciones de trabajo de usuario final distribuidas entre los Servicios Centrales y las 17 Delegaciones Territoriales.

Editor Gráfico de Predicciones

Dentro del Proyecto de Modernización del Sistema de Predicción de AEMET se está trabajando en la automatización, homogeneización y mejora de la consistencia de los diferentes productos de predicción. Para ello, se está implementando, adaptando y poniendo en funcionamiento una nueva aplicación informática, el Editor Gráfico de Predicciones, Graphical Forecast Editor (GFE), aplicación desarrollada en el Earth System Research Laboratory de la National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA, del gobierno federal de EEUU. Estas tareas se están llevando a cabo en el marco de convenios de colaboración de AEMET con la NOAA de EEUU y con el Servicio Meteorológico Nacional de Australia (Bureau of Meteorology, BoM), que han implantado el GFE en el entorno operativo de predicción.

Editor Gráfico de predicciones
Editor Gráfico de predicciones

El GFE es un sistema gráfico interactivo de preparación de predicciones que permite obtener automáticamente productos de predicción en varios formatos. Incluye, entre sus principales características, la generación y visualización de parámetros del tiempo en formato rejilla, dispone de herramientas para la manipulación y modificación interactiva de esas rejillas, e incorpora utilidades para generar de forma automática los distintos tipos de productos: en formato texto, gráficos e imágenes y la propia rejilla de elementos meteorológicos previstos, que constituye la Base de Datos Digital de Predicciones. Antes de ser modificada por el predictor la Base de Datos Digital de Predicciones inicial se obtiene en AEMET combinando las salidas de diferentes modelos deterministas y sistemas probabilísticos, adaptaciones estadísticas y postprocesos.

La aplicación GFE está basada en una arquitectura Cliente-Servidor. Está codificada en lenguaje de scripting Python y C++. En AEMET está siendo instalada sobre plataformas Linux.

Aplicaciones paralelas en supercomputación

Los modelos numéricos que se desarrollan y ejecutan en AEMET para la predicción meteorológica, del clima, de la calidad del aire y del oleaje resuelven las correspondientes ecuaciones físicas y químicas de evolución de un gran número de variables sobre una rejilla discreta tridimensional en sucesivos momentos o pasos de tiempo. Las figuras muestran un ejemplo de discretización horizontal y vertical respectivamente.

Ejemplo de discretización horizontal
Ejemplo de discretización horizontal
Ejemplo de discretización vertical
Ejemplo de discretización vertical

El gran número de cálculos que requiere su resolución es factible ejecutando los modelos en plataformas de supercomputación dotadas de un gran número de procesadores.

Las aplicaciones de software en las que están basados están codificadas mayoritariamente en lenguaje FORTRAN. Para ejecutar los modelos haciendo uso de varios procesadores se hace uso de estándares de programación paralela, tales como MPI (Message Passing Interface) y OpenMP y estrategias de descomposición de datos. También se utilizan directivas y técnicas de optimización dependientes del tipo de procesador y de la jerarquía de memorias de la plataforma de supercomputación.

Las principales aplicaciones paralelas que se ejecutan rutinariamente, o que se van a ejecutar en un futuro cercano, en el superordenador de AEMET Bull son:

  • El modelo numérico de predicción meteorológica operativo HIRLAM en tres dominios geográficos: ONR de escala euroatlántica y 16km de resolución horizontal, HNR de escala peninsular y 5km de resolución horizontal y CNN de la misma resolución sobre el área de Canarias. Cada uno de ellos se ejecuta en 20 procesadores.
  • La asimilación de datos variacional HIRLAM operativa en los dominios ONR y HNR que se ejecutan en 20 procesadores y la del dominio CNN que se ejecuta en 10 procesadores.
  • El modelo numérico no-hidrostático HARMONIE-AROME a 2,5km de resolución horizontal que se ejecuta en 864 procesadores utilizando MPI y OpenMP para la paralelización de procesos.
  • El nuevo modelo MOCAGE para la predicción de la calidad del aire a 10 km de resolución horizontal que incluye gases reactivos y material particulado que se ejecuta en 4 procesadores con tres niveles de anidamiento (global, 50 km y 10 km).
  • Los modelos con los que se generan los 20 miembros del Sistema de Predicción por Conjuntos multi-modelo a mesoescala gSREPS: Harmonie-AROME, Harmonie-ALARO, WRF-ARW y NEMS en un dominio que cubre la Península Ibérica y las Islas Baleares.
 

 

Las pasadas operativas de los modelos de predicción meteorológica utilizados en AEMET, HIRLAM y HARMONIE incluyen la ejecución de diferentes aplicaciones de software además de los módulos de asimilación de datos y del modelo numérico. Están codificadas en FORTRAN y C ,  y embebidas en un sistema de scripts UNIX y Perl. El control de las diferentes tareas se lleva a cabo por la aplicación SMS (Supervisor Monitor Scheduler) basada en ANSI-C desarrollada en el Centro Europeo de Predicción a Medio Plazo.

La figura muestra la ejecución de las diferentes tareas de la pasada HIRLAM controladas bajo SMS.

 

Ejemplo de interfaz gráfica de la aplicación SMS
Ejemplo de interfaz gráfica de la aplicación SMS

Las facilidades de supercomputación del Centro Europeo de Predicción a Medio Plazo, CEPPM, se utilizan también exhaustivamente por personal de AEMET para realizar trabajos de desarrollo con aplicaciones paralelas, tales como:

  • Nuevas versiones del modelo HIRLAM y su asimilación de datos variacional
  • El sistema de predicción por conjuntos GLAMEPS v2 y v3
  • Nuevas versiones del modelo no-hidrostático HARMONIE a 2.5 km y a 1 km de resolución horizontal, y su asimilación de datos variacional
  • El modelo del sistema Tierra EC-Earth para la realización de proyecciones climáticas globales
  • El modelo climático regional RCA para el downscaling dinámico de modelos climáticos globales y del modelo de predicción estacional del CEPPM
  • El sistema  de predicción por conjuntos gSREPS en dos pasadas (00 y 12 UTC) diarias experimentales y preoperativas.  
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