Recursos de Informática

O INPE possui um sistema de supercomputação instalado na sede do CPTEC em Cachoeira Paulista / SP denominado Tupã. Trata-se de um equipamento Cray XE6 que foi adquirido com recursos do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicações (MCTIC) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) para utilização compartilhada do CPTEC e CCST, ambos do próprio INPE, além de grupos de pesquisa, instituições e universidades integrantes da Rede Brasileira de Pesquisa sobre Mudanças Climáticas (Rede CLIMA) do MCTIC, do Programa FAPESP de Pesquisa em Mudanças Climáticas Globais (PFPMCG) e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia para Mudanças Climáticas (INCT para Mudanças Climáticas).

Com velocidade máxima de 258 teraflops, equivalente a 258 trilhões de cálculos por segundo, o Tupã, na época de sua instalação, era o 29º mais rápido supercomputador do mundo e o 3º mais poderoso entre os supercomputadores dedicados à previsão numérica operacional de tempo e de clima sazonal. Considerando as aplicações para mudanças climáticas, ficava em 8º lugar. Esta classificação colocou o Brasil entre os países capazes de gerar cenários futuros de clima para apoio ao quinto relatório do IPCC, o painel da ONU que avalia as consequências do aquecimento global. A nova máquina também é fundamental para o desenvolvimento e implementação do Modelo Brasileiro do Sistema Climático Global, que incorporará todos os elementos. Maiores detalhes técnicos desse sistema podem ser encontrados em http://supercomputacao.inpe.br/documentacao2.

O Programa de Pós-Graduação em CST conta com máquinas servidoras e computadores dedicados a atividades e tarefas específicas dos discentes e docentes. Esse parque computacional inclui também impressoras laser de alto desempenho, sistemas de digitalização, plotter para impressão de posters, banners, materiais científico e de divulgação, além de serviço de suporte (helpdesk) de TI. Esses equipamentos estão instalados nos prédios do CCST no campus de São José dos Campos e de Cachoeira Paulista e contam com acesso direto ao sistema de supercomputação.

O Laboratório ELAT conta com um parque de 10 servidores com mais de 200 processadores e 2 storages de 24Tb e 52Tb para processamento e armazenamento de dados das redes de monitoramento de raios, bem como para geração de produtos de modelos meteorológicos regionais. O Laboratório LABREN conta com um cluster de 128 processadores e uma capacidade de armazenamento de 24Tb utilizados no desenvolvimento e aperfeiçoamento de modelos de radiação solar e potencial eólico. O Laboratório TerraME-Galileu possibilita computação de alto desempenho, baseado em arquitetura de clusters de computadores, para pesquisa e desenvolvimento em modelagem de mudanças ambientais integrada e a análise de seus impactos sociais e econômicos. Esse laboratório se interliga às outras facilidades do INPE na área de computação de alto desempenho, supercomputação e modelagem, em particular ao CPTEC e a OBT e também com o Laboratório TerraLAB, na Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), associado ao INPE para novos desenvolvimentos do ambiente de modelagem distribuída ampliando a capacidade computacional e metodológica para o desenvolvimento, testes e experimentos com modelos cada vez mais complexos.

O corpo discente e docente do PPG em CST possuem acesso à infraestrutura de modelos numéricos e bancos de dados sócio-ambientais necessários para a modelagem do Sistema Terrestre e modelagem ambiental. São basicamente sistemas numéricos e base de dados desenvolvidos e/ou utilizados no âmbito do próprio Centro e de outras coordenações do INPE tais como o CPTEC e OBT, bem como através de cooperações científicas com várias Instituições líderes em modelagem numérica no mundo. Além disso, o Centro utiliza diversas bases de dados atualmente disponíveis como: informações meteorológicas e oceânicas, imagens de satélites meteorológicos, produtos meteorológicos derivados de satélites, dados de diversas variáveis meteorológicas, hidrológicas e ambientais da Rede Nacional de Plataformas de Coletas de Dados (PCD) do INPE (http://bancodedados.cptec.inpe.br), dados das redes de monitoramento de descargas atmosféricas, indicadores sócio-ambientais. Entre as ferramentas computacionais necessárias às suas atividades, o PPG utiliza diversos softwares desenvolvidos ou licenciados no INPE como:

ENVI: Software licenciado utilizado para processamento digital de imagens de sensoriamento remoto.

SPRING: Sistema de Informações Geográficas (SIG) no estado-da-arte com funções de processamento de imagens, análise espacial, modelagem numérica de terreno e consulta a bancos de dados espaciais (http://www.dpi.inpe.br/spring)

TerraLIB: Biblioteca de classes e funções para SIG, disponível na Internet como código aberto, que permite um ambiente colaborativo para o desenvolvimento de aplicações e ferramentas SIG (http://www.dpi.inpe.br/terralib)

TerraView: Aplicativo construído a partir da biblioteca de geoprocessamento TerraLib que manipula dados vetoriais (pontos, linhas e polígonos) e matriciais (grades e imagens), ambos armazenados em sistemas de banco de dados relacionais ou geo-relacionais de mercado, incluindo ACCESS, PostgreSQL, MySQL e Oracle (http://www.dpi.inpe.br/terraview)

TerraME: Ferramenta livre e de código aberto (http://www.terrame.org) para o desenvolvimento de modelos espaciais dinâmicos desenvolvida pelo INPE em parceria com a Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Esta ferramenta tem por objetivo apoiar a construção de modelos que simulam as interações dos sistemas humano e ambiental. Ela fornece uma série de conceitos genéricos que podem ser usados para a construção de modelos em diferentes áreas do conhecimento, além de possibilitar o uso de dados reais nas simulações através da integração com bancos de dados espaciais que usam a tecnologia TerraLib desenvolvida pela DPI/INPE. Trata-se de um ambiente de modelagem dinâmica baseado em autômatos celulares, que liga espaços celulares a bancos de dados geográficos para armazenamento e recuperação. Neste ambiente podem ser desenvolvidos modelos de mudanças de uso da terra, modelos hidrológicos, modelos de vegetação, modelos de biodiversidade, e modelos dos diversos componentes do sistema terrestre.

Modelo INLAND (“Integrated Land Surface Model”): Integra os relevantes processos superficiais e de ecossistemas naturais e agrícolas, que representa não apenas os efeitos da superfície no clima, como também o efeito do clima nos processos superficiais (dinâmica de ecossistemas, produtividade agrícola). O modelo pode ser forçado com dados meteorológicos de sítios específicos ou dados climáticos em ponto de grade, ou ainda acoplado a modelos de circulação atmosférica regionais ou globais. O INLAND é desenvolvido com a participação de Universidades e Centros de Pesquisas Nacionais, Redes Estaduais de Pesquisa e colaboração internacional, e está sob a coordenação do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e Universidade Federal de Viçosa (UFV).

Modelo LuccME: Consiste em um arcabouço para modelagem de uso da terra espacialmente explícita, desenvolvido pelo CCST e colaboradores, como uma extensão do ambiente de modelagem TerraME. Com o LuccME é possível construir facilmente modelos de desmatamento, expansão da agricultura, desertificação, degradação florestal, crescimento urbano e outros processos de mudanças de uso e cobertura da terra em diferentes escalas e áreas de estudo, combinando os componentes disponíveis ou criando novos componentes, caso julgue necessário.

Modelo INPE-EM: Desenvolvido pelo próprio CCST em parceria com diversas instituições utilizando ambiente de modelagem TerraME, combina de modo espacialmente explícito mapas de biomassa e de desmatamento para uma área de estudo. A principal característica do arcabouço INPE-EM é a flexibilidade na representação dos processos de emissão, possibilitando um refinamento das estimativas de acordo com os dados disponíveis. Os dados são organizados em células regulares, cuja resolução depende dos mapas de biomassa e resflorestamento disponíveis em uma determinada região. Podem ser geradas tanto estimativas de 1ª ordem (supondo que 100% das emissões ocorrem no momento da transição de uso/cobertura), como estimativas de 2ª ordem (que considerem o processo gradativo de liberação e absorção do carbono, representando os fluxos entre os compartimentos de biomassa). Todos os parâmetros que representam os processos de emissão/absorção (para estimativas de 1ª e 2ª Ordem) podem ser espacialmente explícitos, possibilitando representar a heterogeneidade espacial dentro de uma região (por exemplo, de fatores de emissão).  Por fim, o arcabouço é facilmente parametrizável, extensível e de código aberto, permitindo o desenvolvimento de novos módulos ou a modificação dos existentes.

Modelo BRASIL‐SR: Modelo físico para obtenção de estimativas da radiação solar incidente na superfície, que combina a aproximação de “dois‐fluxos” na solução da equação de transferência radiativa com o uso de parâmetros determinados de forma estatística a partir de imagens de satélite. A cobertura de nuvens é considerada o principal fator de modulação da transmitância atmosférica, sendo as demais propriedades óticas parametrizadas a partir das variáveis meteorológicas de temperatura na superfície, umidade relativa do ar, visibilidade atmosférica e albedo de superfície. As estimativas de irradiação solar incidente na superfície (em Wh/m2) são realizadas para as componentes global horizontal, direta normal, difusa horizontal e global no plano inclinado. Os resultados da validação do modelo mostram que ele fornece dados confiáveis sobre a disponibilidade e variabilidade do recurso solar, imprescindíveis para dar suporte ao desenvolvimento de projetos para aproveitamento do mesmo enquanto fonte de energia.

Modelo Hidrológico Distribuído (MHD-INPE): Funciona como um modelo conceitual / semi-conceitual paramétrico que busca entender os padrões de uma bacia hidrográfica a fim de simular os processos de armazenamento e escoamento da água.  A metodologia de geração de escoamento combina uma formulação estatística da distribuição de armazenamento no solo (Xinanjiang Model) com a filosofia TopModel (Índice Topográfico) para representar o efeito da topografia na organização espacial do conteúdo de água no solo na bacia. As perspectivas futuras são: aplicação de novos cenários climáticos, incorporação de cenários de uso do solo LUCC-ME, avaliações de impactos na hidrologia e de vulnerabilidades.

O grupo de modelagem climática regional trabalha de forma multidisciplinar e tem como meta compreender a variabilidade natural do clima do passado bem como realizar simulações do clima do passado, presente e projeções climáticas com foco a fornecer informação técnico-cientifica sobre as possíveis mudanças climáticas que podem vir a acontecer no próximo século na América do Sul visando estratégias de mitigação e adaptação às mudanças climáticas. Utilizam-se os seguintes modelos para isso:

Modelo Global AGCM (“Atmospheric General Circulation Model”): modelo numérico para simulação da dinâmica da troposfera em escala global, usado operacionalmente no CPTEC/INPE e essencial para o fornecimento de condições de fronteiras para os outros modelos de área limitada;

Modelo Brasileiro do Sistema Terrestre (BESM): versão do modelo global do CPTEC acoplado ao modelo oceânico MOM3 e que está em fase de desenvolvimento;

Modelo ETA: Possui um histórico institucional, sendo o modelo meteorológico utilizado para a previsão de tempo no CPTEC desde a década de 90. Conta com apoio técnico dentro do INPE, seu código fonte está em constante desenvolvimento pelo CPTEC. A versão do modelo para mudanças climáticas foi desenvolvida fisicamente para a América do Sul, sendo utilizado para gerar os cenários que compuseram as Comunicações Nacionais sobre Mudança do Clima. Possui também uma versão paleoclimática disponível. É um modelo comunitário, computacionalmente eficiente, com documentação de domínio público, sendo atualmente usado em diversas Instituições de pesquisa brasileiras: UFLA, UFRJ, UEA, INPA, FUNCEME, UNB, COPPE, UENF, UPF. Suas principais características técnicas são: (i) domínio cobre a maior parte da América do Sul e pode ser rodado no modo hidrostático e não hidrostático; (ii) coordenada Eta, adequada para áreas montanhosas como a América do Sul; (ii) modelo em ponto de grade usando a grade E; (iv) variáveis prognósticas: temperatura, umidade específica, componentes u e v do vento, pressão na superfície, energia cinética turbulenta e água de nuvem; (v) modelo de volume finito (para simulações longas); (vi) dois esquemas de parametrização Betts-Miller-Janjic e Kain-Fritsch; (vii) esquemas de microfísica Zhao e Ferrier; (viii) modelos de turbulência Mellor Yamada 2.5; (ix) esquemas de superfície NOAH e NOAH-MP; (x) dinâmica computacional com dois níveis de integração no tempo, o que evita soluções espúrias.

Modelo RegCM4: Modelo regional de área limitada desenvolvido pelo ICTP da Itália, com código fonte em constante aprimoramento e atualização. Comunitário, possui fácil instalação e operação, muito bom desempenho computacional e boa documentação. Conta com um fórum de suporte e discussão aberto na Internet e está disponível no banco de dados dos modelos globais do IPCC. Pode ser facilmente adaptado para possibilitar estudos climáticos, paleoclimáticos e projeções climáticas. Atualmente é utilizado por diversas Instituições brasileiras: USP, UFPA, UFV, INIFEI, UECE, UNESP. Suas características técnicas são: (i) integração com o RegESM framework; (ii) pós-processamento em formato NetCDF; (iii) MPI2 library; (iv) núcleo dinâmico MM5 não-hidrostático; (v) coordenada vertical Sigma-p; (vi) grade horizontal de Arakawa-B; (vii) integração no tempo com esquema split-explicit; (vii) topografia GMTED dataset; (viii) modelo de química DUST 12 bin; (ix) modelos de superfície BATS, CLM 3.5 e CLM 4.5; (x) repositório de dados globais disponível em http://clima-dods.ictp.it/regcm4; (xi) esquemas de condições de contorno laterais fixas, relacionais (técnicas lineares e exponenciais), dependentes no tempo, dependentes do tempo e dos fluxos de entrada e saída, sponge.

Modelo CCATT-BRAMS (“Chemistry Coupled Aerosol and Tracer Transport to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System”): Modelo operacional em tempo real de monitoramento de sistemas de transporte, utilizando um modelo 3D acoplado a um modelo de emissão.

GPSAS/RPSAS: Códigos para assimilação de dados desenvolvidos pelo Data Assimilation Office (DAO), atualmente GMAO Global Modeling and Assimilation Office (GMAO), da NASA, USA.

Modelo de Vegetação Potencial (“Potential Vegetation Model” – PVM): Utilizado para simular a distribuição potencial de biomas a partir de cenários climáticos.

WWATCH III (“Ocean Wave Model”): Terceira geração do modelo de ondas oceânicas desenvolvido pela NOAA/NCEP (USA). Este modelo é extensivamente usado para previsão nas escalas regional e global em vários centros de previsão de tempo no mundo (ECMWF, NMC, etc).