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Sistema JEDI e a assimilação nas diferentes componentes do MONAN�

João Gerd Zell de Mattos

INPE/CGCT/DIMNT

Nov 04, 2021

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Sumário

  • Uso do JEDI
    • Abordagem
    • motivação e objetivos
    • Object Oriented Prediction System (OOPS)
      • UFO
      • IODA

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Assimilação de Dados

  •  
  • A Assimilação de Dados visa estimar o estado de um sistema com base em todas as informações disponíveis:
    • Previsão Anterior (First Guess/Background) [MODELO]
    • Observações
    • Outras informações relevantes (constraints - informações teóricas)

​

    • Exemplos:

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Joint Effort for Data Assimilation Integration (JEDI)

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JEDI: Abordagem

  • Sistemas de AD modernos são muito complexos para uma única pessoa dominar sozinha
    • Desenvolvimento colaborativo
    • Separação de Conceitos (separação de preocupações)

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  • Modernização de Software
    • Aumentar a velocidade em desenvolvimentos futuros
    • Facilidade de manutenção
    • Aumento da portabilidade e eficiência

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Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Motivação e Objetivos

  • Reduzir a duplicação de esforços entre os parceiros do JCSDA
    • Adicionar novas observações (UFO e IODA)
    • Implementação de novos algorítimos de AD (OOPS)

​

  • Trazer todos os componentes do sistema terrestre para o mesmo sistema de AD
    • desenvolver algorítmos de AD uma única vez (OOPS)
    • Possibilitar futuros desenvolvimentos da AD acoplada (OOPS)

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  • Facilitar a transição entre a pesquisa e operação (O2R2O - operation to research to operation)

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Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Object Oriented Prediction �System (OOPS)

Genérico, portável, Sistema de AD model-agnostic

​

Uso de programação genérica e orientada-à-objeto

​

Cada modelo implementa interfaces abstratas pré-definidas

​

Separação de Conceitos

Forecast

4D-Var

State

Model

Covariance

Obs.

…

FV3 + GSI

Lorenz

MOM6

Uses

…

Implements

EnKF

Abstract Layer - OOPS

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

  • OOPS consiste em um conjunto de classes genéricas, cada uma desenhada para “trabalhar” em uma tarefa específica, ou um conjunto de tarefas, sem a necessidade do conhecimento prévio de informações específicas do modelo, observação ou operador a ser utilizado na AD.

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  • C++ (high-level)
  • Fortran (low-level)

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JEDI: Abstrações e Estruturas Genéricas

Forecast

4D-Var

Model

Covariance

Obs. Operator

…

FV3

MOM6

Uses

EnKF

Abstract Layer

Obs. Space

NEPTUNE

State

Generic Algorithms

Abstract Interfaces

…

EDA

UFO

IODA

GNSSRO

CRTM

…

…

Specific Implementations

Generic Implementations

SABER

Generic Layer

OOPS is complemented by generic (shared) components.

Abstract, model-agnostic DA system

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

OOPS

JEDI-MPAS

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JEDI: Abstrações e Estruturas�Genéricas

Forecast

4D-Var

Model

Covariance

Obs. Operator

…

FV3

MOM6

Uses

EnKF

Abstract Layer

Obs. Space

NEPTUNE

State

Generic Algorithms

Abstract Interfaces

…

EDA

GNSSRO

CRTM

…

…

Specific Implementations

Generic Implementations

Generic Layer

OOPS is complemented by generic (shared) components.

Abstract, model-agnostic DA system

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

OOPS

JEDI-FV3

UFO

IODA

SABER

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JEDI: Unified Forward Operator�(UFO)

  •  

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xb

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xb

xb

xb

xb

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H(xb)

y

Model space

Obs space

Obs space

 

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Unified Forward Operator�(UFO)

Utiliza o mesmo princípio da

separação de conceitos

que é utilizado no OOPS

JEDI/UFO introduz interfaces padrões entre os modelos e as observações.

​

Operadores de obervação são independentes do modelo e podem ser facilmente compartilhados

Estado

Operadores

de

Observação

Observações

Locais das Observações

Variáveis

Valores dos Campos nos Locais

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Unified Forward Operator�(UFO)

ObsVector

ObsOp 1

 

ObsVector ObsOp 2

ObsVector ObsOp M

…

GeoVaLs

(model-aware

observation-agnostic)

(model-agnostic

observation-aware)

ObsOperator M

ObsVector

ObsOp 1

 

ObsVector ObsOp 2

ObsVector ObsOp M

…

ObsOperator 2

ObsOperator 1

(model-aware

observation-aware)

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Unified Forward Operator�(UFO)

ObsVector

ObsOp 1

ObsVector ObsOp 2

ObsVector ObsOp M

…

GeoVaLs

(model-agnostic

observation-aware)

ObsVector

ObsOp 1

 

ObsVector ObsOp 2

ObsVector ObsOp M

…

 

 

 

 

 

(model-aware

observation-agnostic)

…

…

(model-aware

observation-aware)

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Unified Forward Operator�(UFO)

 

UFO ObsVector AMSU-A N19

GeoVaLs

 

GSI ObsVector AMSU-A N19

FV3 GSI AMSU-A N19

(model-agnostic

observation-aware)

(model-aware

observation-agnostic)

(model-aware

observation-aware)

FV3 GSI

FV3 UFO

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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ObsOperators

Short description

Where in ufo

Name in the factory

Interface to CRTM

ufo/src/ufo/crtm

CRTM

Interface to CRTM AOD

ufo/src/ufo/crtm

Aod

Interface to RTTOV

ufo/src/ufo/rttov

RTTOV

Vertical interpolation in log-pressure (can be used for radiosondes, aircrafts, satwinds)

ufo/src/ufo/atmvertinterp

Radiosonde

Aircraft

Satwind

GNSSRO bending angle following GSI

ufo/src/ufo/gnssro/BndGSI

GnssroBndGSI

GNSSRO refractivity following GSI

ufo/src/ufo/gnssro/RefGSI

GnssroRef

GNSSRO bending angle ROPP1D

ufo/src/ufo/gnssro/BndROPP1D

GnssroBndROPP1D

GNSSRO bending angle ROPP2D

ufo/src/ufo/gnssro/BndROPP2D

GnssroBndROPP2D

“Identity” ObsOperator (horizontal interpolation)

ufo/src/ufo/identity

Surface

SeaSurfaceTemp

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JEDI: Interface for Observation �Data Access (IODA)�

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

GTS Network

Pre-processing

Plots

Diagnostics

Monitoring

IODA

DA

Decoding

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JEDI: Interface for Observation �Data Access (IODA)�

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

HDF5

ObsStore

BUFR

ODC

YAML

NetCDF

IODA-Engines: Groups, Variables, Dimensions, Attributes, Type System

ObsSpace

Converters

Diagnostics

Other Containers

IODA v2 Release (Q1, 2021)

After Release (Q2, 2021)

Planned / Potential

Bias

IODA v2

Storage

Client facing classes

Data Model

  • Baseado em HDF Data Model
  • Dados são organizados da mesma form como no sistema de arquivos do computador
  • A implementação do armazenamento é encapsulada
  • Os clientes veem um API consistente e estável
  • Separação de conceitos (entre a ciência e a manipulação dos dados)

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JEDI: Interface for Observation �Data Access (IODA)�

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

Group

Variables

Attributes

Groups

Attributes

A

B

C

D

V1

V2

  • Grupos são análogos à diretórios
            • Estrutura hierarquica de grupos
  • Variáveis são análogas à arquivos
  • Acesso às variáveis utilizando caminhos:
  • A/B/V1
  • A/C/D/V2

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JEDI: Interface for Observation �Data Access (IODA)�

NCEP

(BUFR)

GODAE

(Binary)

…

Met Office

(ODB)

ioda-converters

ioda

bufr2ioda

profile2ioda

odb2ioda

…

Archive, File

(IODA)

Memory

(ObsSpace)

File Interface

(IodaIO)

Diagnostics

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Interface for Observation �Data Access (IODA)�

Fluxo de dados

ObsOperators

ObsOperator

ObsOperator

Observer

H(x)

ObsVector

x

OOPS

UFO

IODA

Observations

ObsVector

y

ObsVector

Observations

ObsVector

ObsSpace

Obs Data

IODA

JEDI Academy, November, 2020

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Portabilidade

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JEDI: High-Performance Containers� for Earth System Prediction

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JEDI: Lista de modelos

MODEL

TYPE

CENTER

FV3GFS

Atmosphere

NOAA-EMC

GEOS

Atmosphere

NASA-GMAO

FV3GFS GSDChem

Atmospheric chemistry

NOAA-ESRL

GEOS-AERO

Atmospheric aerosols

NASA-GMAO

MPAS

Atmosphere

NCAR

WRF

Atmosphere

NCAR

LFRic

Atmosphere

Met Office (UK)

UM

Atmosphere

Met Office (UK)

MOM6

Ocean

NOAA-EMC

SIS2

Sea ice

NOAA-EMC

CICE6

Sea ice

NOAA-EMC

NEPTUNE

Atmosphere

NRL

Quasi-Geostrophic

Toy model

ECMWF

Lorenz 95

Toy model

ECMWF

Shallow Water

Toy model

NOAA-ESRL

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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Obrigado pela atenção

Questões, comentários ou informações

adicionais, envie e-mail para

joao.gerd@inpe.br

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Reunião Grupo de Trabalho�Assimilação de Dados

    • Realizada 21/10/2021

​

    • Carlos Frederico Bastarz/INPE
    • Clemente Tanajura/UFBA
    • Fabielle Adriane Mota/INPE
    • Fabrício Pereira Hater/UFPEL
    • Flávia Rodrigues Pinheiro/MB
    • João Gerd Zell de Mattos/INPE
    • Luiz Fernando Sapucci/INPE
    • Pedro Leite da Silva Dias/USP
    • Ricardo Todling/NASA
    • Saulo Ribeiro de Freitas/INPE
    • Fabielle Alves

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Reunião Grupo de Trabalho�Assimilação de Dados

    • Apresentação do MCSTU (Saulo)
    • discussões sobre os recursos financeiros para o MCSTU
    • Necessidade da definição do núcleo dinâmico
    • Assimilação de dados em modelos do sistema terrestres
    • Necessidade de colaboração entre grupos de modelagem e assimilação de dados
    • Assimilação de dados por componentes no MCSTU

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UFO: Cálculo das radiâncias�de satélite

 

Interpolação Espacial

Para cada nível k do modelo no tempo t

*realizado na unidade doda gradeperformed with grid unit.

(lat/lon index)

w01

w00

w11

w01

𝛿x

𝛿y

x00

x01

x10

xobs,t

1

−

𝛿x

1

−

𝛿y

Interpolação Temporal

Obs

wi

wi+1

-

3

-

2

-

1

0

1

2

3

xobs,i

xobs,i+1

xobs

x11

 

 

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

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JEDI: Estado do modelo Interpolado

 

ObsOperator

MODELO

 

GeoVaLs

UFO

getValues

(model-aware part)

(model-agnostic part)

 

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ObsOperators

Short description

Where in ufo

Name in the factory

Interface to CRTM

ufo/src/ufo/crtm

CRTM

Interface to CRTM AOD

ufo/src/ufo/crtm

Aod

Interface to RTTOV

ufo/src/ufo/rttov

RTTOV

Vertical interpolation in log-pressure (can be used for radiosondes, aircrafts, satwinds)

ufo/src/ufo/atmvertinterp

Radiosonde

Aircraft

Satwind

GNSSRO bending angle following GSI

ufo/src/ufo/gnssro/BndGSI

GnssroBndGSI

GNSSRO refractivity following GSI

ufo/src/ufo/gnssro/RefGSI

GnssroRef

GNSSRO bending angle ROPP1D

ufo/src/ufo/gnssro/BndROPP1D

GnssroBndROPP1D

GNSSRO bending angle ROPP2D

ufo/src/ufo/gnssro/BndROPP2D

GnssroBndROPP2D

“Identity” ObsOperator (horizontal interpolation)

ufo/src/ufo/identity

Surface

SeaSurfaceTemp

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JEDI: CRTM

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Assimilação de Dados

Janela de Assimilação

Tempo

Previsão

Anterior

Observações

3DVar

Análise

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

Verdade

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Assimilação de Dados

Janela de Assimilação

Tempo

Previsão

Anterior

Observações

3DVar-FGAT (First Guess at Appropriate Time)

Análise

Fonte: 7th JEDI Academy - October 4-8, 2021

Verdade