¿Qué es la supercomputación y cómo resulta útil en la predicción Clima?

Introducción
La supercomputación es potente y se utiliza habitualmente, aunque no exclusivamente, en áreas de la ciencia y la investigación. ESS Weathertech (ESS) lleva más de 10 años especializándose en el suministro de sistemas de supercomputación a través de diversos proyectos internacionales en países como Nepal, Pakistán y Bangladesh.

Para descubrir el funcionamiento de la supercomputación y obtener más información sobre nuestra contribución a sistemas de predicción a nivel mundial… ¡sigue leyendo!

¿Qué es una supercomputadora?
Una supercomputadora es un conjunto de varias computadoras y equipos de procesamiento más pequeños que se combinan para formar una sola computadora de gran tamaño. Se diseña para resolver problemas demasiado complejos para una computadora de escritorio o estación de trabajo convencional. Idealmente, la supercomputadora reduce el tiempo de resolución de problemas que antes podían tardar meses, pudiendo llegar a resolverse en cuestión de días, dependiendo del procedimiento y el objetivo del problema.

Las supercomputadoras se utilizan generalmente en áreas como la ciencia, la ingeniería y los negocios para optimizar el procesamiento de problemas complejos mediante la utilización de una gran cantidad de potencia de cálculo proveniente de cada nodo individual; este método se conoce como Computación de Alto Rendimiento (HPC). La HPC se puede utilizar para ejecutar modelos complejos de predicción clima. Esto se conoce comúnmente como Predicción Clima Numérica (NWP), donde la computadora procesa datos meteorológicos con fines de modelado.

Componentes de una supercomputadora
El núcleo principal de una supercomputadora es el clúster de computadoras. En el clúster se agrupan todas las computadoras más pequeñas, generalmente en un rack, y cada computadora se denomina "nodo". Todos los nodos tienen procesadores/núcleos, al igual que una computadora de escritorio (por ejemplo, Intel o AMD); este es el cerebro de la computadora que ejecuta las instrucciones. La potencia de procesamiento se puede medir en teraflops o petaflops (donde FLOPS es una operación de coma flotante). Para tener una idea de la potencia de procesamiento de una HPC, el Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos utiliza supercomputadoras que operan a un total de 8.4 petaflops, ¡10,000 veces más rápido que una computadora de escritorio convencional!*

Cada nodo individual necesita comunicarse con los demás a través de una red de comunicaciones. Esto se puede lograr mediante InfiniBand, un estándar de comunicación de red en computación de alto rendimiento (HPC) que permite transferir datos entre ordenadores con un rendimiento muy alto y una latencia muy baja, de modo que los enlaces entre los nodos no ralenticen la velocidad de procesamiento combinada.

Otros componentes de la supercomputadora incluyen monitores, teclados, distribución de energía, conmutadores Ethernet y fuente de alimentación ininterrumpida (UPS). Una UPS es fundamental en caso de un corte de energía para garantizar que la supercomputadora siga recibiendo alimentación, de modo que los datos no se vean afectados y los procesos continúen ejecutándose mientras el sistema la apaga de forma segura. Si la supercomputadora no se apaga correctamente, puede dañar los datos o el software lo que tendría consecuencias catastróficas y costosas. Todo este equipo se almacena normalmente en un rack (véase la Figura 1) y en una sala refrigerada con temperatura controlada.

Para la predicción clima, y antes de que la supercomputadora procese los datos, estos deben obtenerse de alguna parte. Dispositivos como radares, estaciones clima, imágenes satelitales, perfiladores y otros sensores miden diferentes parámetros atmosféricos, recopilan datos y los envían a una base de datos central para su almacenamiento (por ejemplo, NAS - Almacenamiento Conectado a la Red), que luego puede ser utilizada por la supercomputadora y, posteriormente, enviada a un archivo para su almacenamiento a largo plazo.

El hardware incluye software para procesar, analizar y visualizar los datos entrantes. Este software abarca desde los aspectos básicos del Software operativo (por ejemplo, Linux) hasta compiladores GNU (por ejemplo, Python, C++…), bibliotecas matemáticas y de datos (por ejemplo, MATLAB, NetCDF4) y software de visualización como el Sistema de Visualización de Análisis de Cuadrícula (GrADS).

Predicción Clima numérica (PCN)
La predicción numérica del tiempo (NWP) utiliza la potencia de la supercomputación para calcular las ecuaciones que definen el flujo de fluidos en la atmósfera (¡y también en el océano!). La supercomputadora implementa el método NWP traduciendo las ecuaciones que rigen meteorología dinámica, los métodos numéricos, los procesos físicos parametrizados y las condiciones iniciales y de contorno a código informático, que luego se analiza y determina sobre un dominio geográfico específico (por ejemplo, Nepal en la Figura 2).

La Figura 3 muestra un diagrama de flujo simple de los elementos esenciales por los que potencialmente pasaría un sistema de modelado (por ejemplo, el modelo de Investigación y Pronóstico Clima (WRF)). NOTA: La Figura 3 es un ejemplo de la ruta de datos de un diagrama de flujo mucho más grande.

En primer lugar, se recopilan datos de una fuente externa; estos pueden ser datos de observación recogidos por una oficina clima (mediante satélites, radiosondas, estaciones clima, radar, etc.) o datos de modelos. A continuación, estos datos se someten a un preprocesamiento, como la asimilación de datos. La asimilación de datos es una técnica de procesamiento que permite estimar el estado óptimo del sistema meteorológico en evolución mediante la combinación de datos de observación y datos de modelos numéricos. Posteriormente, los datos se procesan mediante los cálculos del modelo y, finalmente, se procesan y visualizan con software como GrADS.

Además, se utilizan métodos de predicción numérica del tiempo (PNT), como la predicción por conjuntos, para mejorar las técnicas de modelado actuales, generando una predicción más fiable y precisa. Esto se logra comparando diversas predicciones de PNT y combinando múltiples simulaciones mediante métodos estadísticos y gráficos, lo que reduce la incertidumbre de los resultados y aumenta la confianza en la precisión del resultado final.

Historia del proyecto
ESS ha participado en varios proyectos internacionales de computación de alto rendimiento (HPC) y predicción numérica del tiempo (NWP). ESS cuenta con una amplia experiencia en el uso de estas soluciones software y paquetes similares, habiendo instalado sistemas de modelado similares en Australia, Estados Unidos, Bangladesh y Nepal.

ESS ha instalado recientemente un sistema de investigación y pronóstico Clima en Pakistán para el Servicio Meteorológico Nacional (PMD), como parte de un proyecto financiado por el Gobierno de Japón. El personal ESS opera actualmente el modelo WRF en el Departamento de Matemáticas de la Universidad de Nueva Gales del Sur, proporcionando pronósticos a diversos clientes. A continuación, se presenta una breve descripción de algunos de estos proyectos:

Departamento de Hidrología y Meteorología (DHM), Nepal – Proyecto HPC y NWP
Los expertos ESS están implementando un sistema numérica del tiempo (NWP) y predicción de alto rendimiento (HPC) para el Departamento de Hidrología y Meteorología de Nepal. Esta adquisición forma parte de las inversiones del proyecto de Fortalecimiento de la Resiliencia ante los Peligros Relacionados con el Clima (BRCH, por sus siglas en inglés), previsto para el período 2013-2018. El proyecto BRCH es uno de los cuatro proyectos financiados a través del Programa Piloto de Resiliencia Climática de Nepal (PPCR, por sus siglas en inglés) del Fondo Estratégico para el Clima del Banco Mundial.

Esta adquisición se centra en el sistema informático de alto rendimiento necesario específicamente para operar un modelo de predicción numérica del tiempo atmosférico de mesoescala y alta resolución. Actualmente, el modelo de investigación y predicción Clima, adecuado para proporcionar pronósticos clima localizados y cuantitativos de precipitación, está instalado en DHM para su uso de prueba.

Proyecto del Departamento Meteorológico de Pakistán (PMD)
En 2019, ESS completó un proyecto de tres años encargado de diseñar, construir y entregar una solución integral para computación de alto rendimiento, incluyendo un Sistema de guía de pronóstico basado en datos de predicción Clima numérica para el Centro Especializado de Pronóstico Clima a Medio Plazo (SMRFC) del Departamento Meteorológico de Pakistán (PMD). Este proyecto fue financiado por el Gobierno de Japón y se centró en capacitar al PMD para un pronóstico más preciso y oportuno de clima severos, incluyendo lluvias torrenciales e inundaciones. El Sistema de guía de pronóstico se basa en el sistema de Pronóstico de Consenso Objetivo (OCF), optimizado para Pakistán. Utiliza la salida directa de modelos de parámetros meteorológicos estándar como temperatura, humedad, viento y precipitación de un conjunto de hasta seis modelos globales y regionales, ponderándolos según su rendimiento en Pakistán y generando pronósticos de consenso con una antelación de hasta siete días para 100 ciudades.

Departamento Meteorológico de Bangladesh (BMD) - Proyecto NWP
Los expertos ESS instalaron y pusieron en marcha un clúster de supercomputadoras HPC que ejecuta el modelo numérico regional de la Agencia Meteorológica de Japón sobre un dominio de Bangladesh. Este proyecto fue financiado por el Gobierno de Japón, y ESS actuó como subcontratista proporcionando a sus expertos para llevar a cabo el alcance del trabajo de Predicción Clima Numérica, que comprende lo siguiente:

o Suministro de Software operativo del clúster HPC para el modelo numérico de predicción Clima (modelo no hidrostático JMA)
o Instalación y ajuste del Software operativo para el modelo numérico de predicción Clima
o Contenido del modelo numérico de predicción Clima (modelo no hidrostático de la JMA)

Resumen
La computación de alto rendimiento tiene la capacidad de proporcionar pronósticos clima a corto plazo mediante el establecimiento de un sistema operativo de predicción Clima numérica de alta resolución para áreas locales, que proporcione una mejor orientación para los pronósticos clima y ayude a evaluar situaciones clima severas que se desarrollan rápidamente.

Los resultados de un sistema HPC operativo incluyen una plataforma para proporcionar predicción numérica del tiempo (NWP) que genere resultados como pronósticos cuantitativos de precipitación (QPF) para la predicción de inundaciones y, por lo tanto, aumentar el tiempo de anticipación para las alertas de inundación, mejorar servicios de alerta, incluidos los eventos clima severos y las fuertes lluvias monzónicas, las tormentas eléctricas y los riesgos de inundación.

Estas capacidades de la computación de alto rendimiento (HPC) son muy beneficiosas para servicios meteorológicos y las oficinas clima gubernamentales de todo el mundo. La HPC y la predicción numérica del tiempo (NWP) se desarrollan y mejoran continuamente a nivel global para brindar servicios a los sectores público y privado. ¡Estén atentos!

Para obtener más información sobre HPC y NWP de nuestros expertos, póngase en contacto con nosotros a través de LinkedIn o nuestro sitio web essweather.com.

Referencias: *https: clima:~:text=NWS% 20super% 20computers% 20hold% 20numerical,buoys%2C%20radar% 2C% 20radar% 2C% 20more.&text=The% 20NWS 20supercomputers 20has% 20and% 20been% 20using% 20for% 20decades
** clima