CPPS/DC/GRASP-II/06 Centro de Modelación Oceánica y

Centro de Modelación Oceanográfica y Atmosférica Regional para los paises de la
Comision Permanente del Pacifico Sur
Propuesta ampliada para ser presentada en la Segunda Reunión de la Alianza GRASP, Abril 2930, 2008, Cartagena de Indias, Colombia
Investigadores Principales: José L. Hernández 1, PhD., Investigador por definir2,
1 OceanMet LLC, http://oceanmetllc.com/ , Knoxville, TN, USA
2 Correspondiente a alguna de las Entidades Especializadas Miembro de la Comisión Permanente
del Pacífico Sur, de la Secretaría General de CPPS y/o de GRASP.
1. Resumen
En vista de la carencia de infraestuctura computacional de alto rendimiento3 para la
investigación del clima, oceanográfica, atmosférica y terrestre a nivel regional y con el fin de
apoyar un desarrollo científico y socio-económico soportable ambientalmente, es propuesta la
creación de un centro de modelación oceanográfica y atmosférica regional y de estudios del
clima para los paises que integran la Comisión Permanente del Pacífico Sur (CPPS). Se plantea
que el centro permita desarrollar diversos campos incluyendo en etapas iniciales: el desarrollo de
ciencia y tecnología computacional de alto rendimiento para el monitoreo y pronóstico de
variables ambientales con modelos de vanguardia; la investigación sobre los efectos regionales
del cambio climático y del fenómeno del Niño que provea soporte científico en la
implementación de políticas y planes de manejo ambiental; y los avances de frontera que apoyen
la formación y actualización científica en modelos oceanográficos y atmosféricos aplicados a la
region. En etapas posteriores, y de acuerdo con planes socio-económicos regionales, el centro
potencialmente apoyará actividades marinas oceánicas y costeras, pesquería, construcción de
infra-estructura marina, calidad de agua, estudios de contaminación (atmosférica y marina),
transporte y turismo. De interés regional y global, según el Grupo Intergubernamental de
Expertos sobre el Cambio Climatico (IPCC) en su reporte de Noviembre-2007 se destacan dos
preocupaciones trascendentales para America Latina derivadas del cambio climático y sus
proyecciones: (1) las zonas costeras son particularmente propensas a eventos extremos naturales
cuya frequencia y magnitud irán en aumento en las próximas décadas; (2) los índices de
deforestación en la región son preocupantes, alteran el ciclo hidrológico e influyen en la
variabilidad climática y en la cantidad y calidad del agua para cosumo humano. Por tales
razones que a su vez afectan el desarrollo de la región, es importante considerar la creación de
centros de investigación geocientífica como punto de apoyo y convergencia de proyectos
cooperativos de los paises de la CPPS. El centro de modelación propuesto, es una alternativa
para investigar soluciones que ayuden a mitigar los efectos del cambio climático y desarrollar
planes de adaptacion a nivel regional y para cada país. Através de nuestra propia investigación
con modelos computacionales configurados para la región, es posible proyectar situaciones más
realísticas del clima con modelos y adaptados al territorio de la Comisión Permanente de
Pacífico Sur.
3
Los sistemas computacionales de alto rendimiento, a diferencia de los convencionales, consisten de cierto número
de procesadores trabajando simultáneamente en la evaluación numérica masiva con velocidades considerablemente
más altas. Ellos son particularmente útiles en los sectores militar, gubernamental, finaciero e investigación del clima.
1
2. Objetivos
Se propone como objetivo general la creación de un centro de modelación oceanográfica
y atmosférica regional y de estudios del clima para los paises que integran la Comisión
Permanente del Pacífico Sur (CPPS). Dentro del marco trabajo se persiguen los siguientes
objetivos específicos:

Adquirir la infra-estructura computacional de alto rendimiento para el monitoreo
ambiental en tiempo real y ejecución de simulaciones futuras del clima en la
región.

Desarrollar investigación de vanguardia que soporte la actualización científica y
la formación universitaria en temas relevantes a las necesidades de la región en
materia de modelación aplicada oceanográfica, atmosférica, terrestre,
evaluaciones del fenómeno de El Niño y del cambio climático y sus efectos, y
preparación de planes de mitigación y adaptacion.

Proporcionar evaluaciones, análisis y proyecciones científicas que provean
soporte en la implementación de políticas y planes de manejo ambiental en vista
de los efectos potenciales del cambio climático y eventos naturales extremos que
ocurran en la región.

Apoyar las necesidades de índole científico y técnico en diversas campos
incluyendo estudios de calidad de agua y contaminación, actividades comerciales
marinas, costeras, pesqueras, turismo y transporte.
3. Motivación
Los paises latinoamericanos y particularmente los que integran la CPPS están expuestos a
una variabilidad climática, y a efectos del cambio climatico que a su vez influyen en el normal
desarrollo de planes regionales y nacionales e intereses en diversos sectores incluyendo socioeconómico, industrial, comercial, salud, y poblacional. Los procesos terrestres
(antropogénicamente o naturalmente inducidos) que controlan la variabilidad climática deben ser
ampliamente investigados con herramientas computacionales adecuadas. En la región, son
escasos los centros de modelación de avanzada para estudios atmosféricos, océanicos, y
terrestres, lo que se explica en parte por la limitada experiencia en el uso de sistemas
multiprocesadores; presupuestos restringidos para la investigación geocientífica y/o falta de
apoyo financiero. Tales sistemas computacionales, en particular los “clusters”, son hoy en día
más eficientes en el multiprocesamiento masivo de datos, más frequentes en su uso y presentan
una alternativa económica aplicable en sectores bancarios, gubernamental y científico de alto
nivel con relativamente fácil mantenimiento de sus componentes.
La cooperación científica y apoyo entre los países de la CPPS conforman una
circunstancia excepcional que permitirá el desarrollo de proyectos como la creación del centro
propuesto. Tales centros son de extrema importancia considerando el impacto que eventos
extremos (huracanes, sequías prolongadas, inundaciones, aumento en el nivel del mar y
2
degradación costera) pueden tener directamente sobre el infra-estructura, ecosistemas, cantidad y
calidad de reservas de agua, comercio, transporte y turismo entre otros sectores. Tales centros
adecuados con sistemas de alto rendimiento computacional permitirán la preparación efectiva
con base científica de planes de contingencia y mitigación para enfrentar y aliviar los embates de
fenómenos naturales. A su vez, dichos centros presentan una utilidad que se extiende al soporte
en la construcción de instalaciones de servicio para actividades humanas, comerciales,
industriales atraves de un desarrollo sustentable4. Las razones anteriores a su vez representan
servicios y vias de autosostenimiento para el Centro de Modelación Oceanográfica y
Atmosférica Regional y de Estudios del Clima.
4. Beneficios
El centro propuesto ofrece beneficios con aplicabilidad científica que a su vez se
extienden a utilidades y soporte para diversas actividades en los sectores de politicas de manejo
ambiental, socio-economicos, seguridad poblacional y salud. Entre otros beneficios son
inmediatos los siguientes:
1. Disponer un sistema computacional robusto para el monitoreo espacial y temporal de
variables ambientales (atmósfera y océano) de la región.
2. Generar un boletín diario de pronóstico semanal del comportamiento atmosférico y
oceánico con modelos regionales de vanguardia en apoyo a actividades marinas
(transporte y pesqueras), costeras (cabotaje, turismo) y terrestres (agricultura y
planeacion ambiental).
3. Crear y soportar un sistema de datos contínuo y de calidad con variables meteorológicas
y oceanográficas provenientes del monitoreo en tiempo real de la región. Tal inventario
de datos es de valiosa utilidad en las evaluaciones de la variabilidad climática histórica y
futura.
4. Promover la capacitación cientifica multidisciplinaria y universitaria, así como
proporcionar talleres y cursos cortos sobre estudios de modelación del clima,
oceanográficos, terrestres a profesionales involucrados en el campo geoscientfico.
5. Generar investigación geocientífica avanzada que permita el estudio coherente de la
variabilidad climática, cambios en las características terrestres y del fenómeno ENSO, y a
su vez suministrar estudios de impacto ambiental y socio-económico.
6. Instalación de modelos para el pronóstico de calidad del agua, circulación costera y
transporte de contaminantes en la atmósfera y ecosistemas costeros que permitan estimar
el efecto en salud poblacional por procesos industriales.
4
El desarrollo sustentable plantea satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las
posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades.
3
7. En una segunda etapa, y con la inversión en nodos adicionales para el sistema
computacional se podrán extender investigaciones sobre el calentamiento climático con
prolongadas simulaciones históricas y futuras.
Prolongadas proyecciones de
comportamiento climatológico permitirán la preparación de planes de mitigación y
adaptación con las que se lograrán un desarrollo sostenible amigable con las condiciones
ambientales y en beneficio del bienestar social en la region. Las simulaciones futuras
demandan un costo computacional adicional para lo cual se requiere ampliar el número
de procesadores e instalacion de nuevas aplicaciones.
5. Plan de trabajo y Marco de tiempo
Para llevar a cabo los objetivos propuestos se requieren varias fases que incluyen como
fases fundamentales: adquisición del sistema computacional; instalación de modelos dinámicos
oceanográficos y atmosféricos, y del software geocientífico; configuración de los modelos
adaptados a la región; análisis de evaluación de modelos, y finalmente puesta en marcha del
sistema operativo y uso de sus productos.
5.1 Fase 1: Adquisición del sistema computacional, instalación de modelos y software, y
configuración. Se propone la adquisición de un sistema que consiste de un nodo
principal con dos procesadores duales y cuatro nodos de cómputo todos con procesadores
duales Intel Zeon de 3Ghz como es descrito en la sección 7.1. El siguiente paso considera
la instalación de modelos de meso-escala atmosféricos y oceanográficos y su
configuración adaptada a la región. Aquí debe asegurarse que los modelos y sus
configuraciones sean compatibles con las arquitecturas del computador y compiladores.
Los modelos a instalarse incluyen MM5, WRF y POM con una configuración de subregiones (dominios) anidadas que permitan el pronóstico corto (1 semana) con esquemas
climatológicos de acuerdo con las características orográficas, lineas de costa y batimetría
de alta resolución en cada dominio. Esta fase requiere la dedicación a tiempo completo
del investigador principal (JLH) y de un asistente (investigación y cómputo) durante 9
meses. Igualmente require la participación a tiempo parcial del segundo investigador
principal en la coordinación de planes de trabajo de acuerdo con las necesidades de la
CPPS y/o de GRASP.
5.2 Fase 2: Análisis de diagnóstico de modelos. Un paso importante en la práctica de la
modelación regional consiste en comparar los resultados simulados con observaciones de
campo. En esta parte del proceso se evalúan diferentes esquemas físicos (opciones de los
modelos), calidad de datos de entrada a los modelos, así como la resolución y costo
computacional con las cuales se obtienen resultados numéricos. En esta etapa es
necesario disponer de series de tiempo continuas y de buena calidad através de las cuales
se pueda evaluar con buen criterio la confiabilidad en la descripción de la variabilidad
climatica por parte de los modelos. Un inventario de bases de datos en la region y/o
asegurar calidad de datos meteorologicos y oceanograficos durante durante la primera
fase del proyecto es propuesto para cumplir cabalmente con la etapa de diagnóstico.
4
Prolongadas simulaciones y pruebas a diferentes resoluciones espaciales deben realizarse
en esta etapa para posteriormente ser evaluadas con software geocientifico. La evaluación
estadística de multiples experimentos numéricos es la metodología para decidir cuales
esquemas y configuración van utilizarse en los sistemas operacionales de modelación.
Esta fase requiere la dedicación a tiempo completo del investigador principal (JLH) y de
un asistente (investigación y cómputo) durante 9 meses. Igualmente require la
participación a tiempo parcial del segundo investigador principal en la coordinación de
planes de trabajo de acuerdo con las necesidades de la CPPS y/o de GRASP.
5.3 Fase 3: Puesta en marcha de modelos operacionales, divulgación através de internet y uso de
sus productos. Durante esta etapa se lograrán los primeros tres objetivos enumerados en
la sección 2. El sistema computacional para el monitoreo espacial y temporal de variables
ambientales (atmósfera y océano) en la región con modelos de avanzada llegara a ser
operacional generando boletines diarios con información e imágenes en tiempo real
accesibles por internet. Igualmente, el equipo de computo permitirá promover la
capacitación cientifica multidisciplinaria y a nivel universitario, y el desarrollo de talleres
y cursos cortos de modelación del clima, oceanográficos, terrestres a profesionales
geoscientíficos de la región. Esta fase incluye igualmente la redacción de reportes
técnicos, manuales prácticos en español sobre la operación del sistema, ejecución de
modelos configurados y software instalado. Igualmente esta fase incluye el
entrenamiento en operación del sistema al personal de la entidad miembro de CPPS o de
GRASP que continuará encargado del sistema computacional, su manejo y productos
operacionales. Esta fase requiere la dedicación a tiempo completo del investigador
principal (JLH) y de un asistente (investigación y cómputo) durante 6 meses. Igualmente
require la participación a tiempo parcial del segundo investigador principal en la
coordinación de planes de trabajo de acuerdo con las necesidades de la CPPS y/o de
GRASP.
6. OceanMet LLC
6.1 Perfil de OceanMet LLC
OceanMet Limited Liability Company (http://oceanmetllc.com/) es una compañía con
sedes en Estados Unidos y Colombia con la misión de proveer servicios de consultoría en
modelación ambiental aplicada, análisis estadístico avanzado y visualización geocientífica en
projectos relacionados con ciencias oceanográficas, atmosféricas y terrestres. Esta misión se
lleva a cabo realizando procesamiento de datos observacionales, investigación numérica y de
campo para el diseño de programas y configuración de modelos adaptados al monitoreo y
evaluación ambiental en áreas geográficas específicas. OceanMet LLC contruye y diseña
herramientas analíticas y de modelación aplicables en ciencias multidisciplinarias de la tierra.
Previos proyectos, descritos en la pagina de internet y publicaciones peer-review,
incluyen diseños de asimilación de datos satelitales integrados a modelacion regional en el Mar
Caribe Colombiano para el monitoreo en tiempo real de condiciones oceanograficas y
5
atmosfericas. Modelos costeros para la evaluación de transporte de sedimento, calidad de agua y
circulacion oceánica igualmente han sido parte de las misiones elaboradas por OceanMet LLC.
Representates de esta compañía han sido invitados o han participado en conferencias
internacionales.
6.2 Personal de OceanMet LLC
Dr José L. Hernández, es el gerente general de la sede en Estados Unidos de OceanMet
LLC. Dr Hernández tiene un Ph.D en Ciencias Marinas/Oceanografía Física de la Universidad de
Puerto Rico en Mayaguez; un grado de Maestría en Física de la misma Universidad y grado de
Físico de la Universidad Nacional de Colombia en Bogotá. Una vez presentada su disertación
doctoral en Octubre de 1999, comenzó su experiencia post-doctoral en NASA/Goddard Space
Flight Center en Greenbelt, Maryland. Su supervisor en NASA-GSFC fué el Dr David Erickson,
químico atmosférico, con quien trabajo en proyectos de modelación del clima, gases invernadero
e interacción atmósfera-océano. Después de un año, el mismo Dr Erickson reclutó al Dr
Hernández para trabajar en el Oak Ridge National Laboratory en Oak Ridge, Tennessee.
Durante los próximos 7 años Hernández estuvo vinculado con proyectos del clima a nivel global
y regional, ejecución de experiementos numéricos, análisis de diverso tipo de datos simulados y
observados para el estudio de interacciones entre ambientes marinos, atmosféricos y terrestres.
Diseño de programas, diagnóstico de modelos, publicaciones peer-review, presentaciones en
conferencias internacionales y organización de talleres de transferencia tecnológica en Centro
America han sido parte de las actividades profesionales del Dr Hernandez. Su curriculum vitae
es includo aquí.
7. Presupuesto y Justificación de Fondos
7.1 Sistema de computo: El proyecto en su fase inicial requiere de la compra de un sistema
multiprocesador (cluster) como el incluido en la cotización adjunta por un costo de
U$33595.00. En resumen el sistema consta de: (a) 4 nodos de computo: cada uno con 2
procesadores dual intel Xeon 5160 de 3.0 GHz; memoria 4 GB, 80GB hard drive,
adaptador de ethernet 10/100/1000 gigabit; Linux Redhat 64-bit instalado en
configuracion 1U- rackmount. (b) 1 nodo principal: con 2 procesadores dual intel Xeon
5160 de 3.0 GHz, memoria 4 GB, 250 GB harddisk con controlador RAID, adaptador de
ethernet 10/100/1000 gigabit; Linux Redhat 64-bit instalado en configuración 3Urackmount, (c) aplicaciones para computo en paralelo y compiladores C++, Fortran según
cotización adjunta. Precio sujeto a cambio después de un mes según fabricante.
7.2 Personal y actividades: El proyecto requiere desarrollar las fases y actividades descritas en
la sección 5, las que serán ejecutadas por el investigador principal (IP) José L.
Hernández, PhD y un asistente de investigación y computo. En la fase inicial, la
instalación de aplicaciones geocientíficas para análisis y visualización de datos;
configuración de modelos regionales atmosféricos regionales, instalación y configuración
del modelo oceanográfico para la ejecución de simulaciones de pronóstico del tiempo y
oceanográficas serán realizadas por el IP y asistente conjuntamente. En las siguientes
6
fases, el mismo equipo de trabajo coordinará y ejecutará: la programación automática;
adquisición, manejo, almacenamiento y supervisión de datos (entrada y salida) de los
modelos; análisis de datos de ambos modelos (oceanográfico y atmosférico); generación
de gráficas, mapas y series de tiempo y publicación automática diaria en la página de
internet; reporte mensual regional y por país. El investigador principal desarrollará dos
publicaciones en revistas científicas peer-review en el plazo de 2 años de duración del
proyecto y coordinará cursos cortos en temas relacionados a los temas del proyecto. El
salario anual del IP a dedicación exclusiva será U$66000.oo. El asistente de
investigacion y computo estará a cargo de: creación y mantenimiento de página de
internet actualizada automáticamente diariamente; y supervisión general del buen
funcionamiento del cluster según instrucciones recibidas por el IP. Salario anual de un
asistente de computación (con experiencia en Linux y programación en JAVA o Perl o
phyton y HTML) estará regido por especificaciones laborales del pais, se sugiere un
minimo de U$600 de salario según experiencia.
7.3 Tabla 1: Presupuesto y justificación de fondos totales en dos años de projecto:
OceanMet: Experto en modelación ambiental
José L. Hernández, PhD.
Asistente de Investigación y computo
(a ser reclutado en Ecuador)
Equipo de Computo:
Cluster: (ver cotización incluida)
Gastos de importacion y envio desde USA
Materiales
Materials
Equipment: 2 monitores, 1 impresora
Costos indirectos
(uso de oficina, sala del sistema de computo*,
consumo de energía)
Total Project
$
132.000.oo
$
14.400.oo
$
33.595.oo
???
$
$
1.000.oo
1.000.oo
$
$
???
Costo Parcial del projecto: U$ 181.995.oo
* El sistema de computo debe ser ubicado en una habitación aislada mantenida a 21oC con
almenos 1.5 m entre el equipo y las paredes. Las dimensiones del equipo 1m (ancho), 1m(largo),
1.5m (alto).
7