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Instalação; Compilação; Execução do WRF
Tipologia: Notas de estudo
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Miguel Ângelo Vargas de Carvalho (PBCA/ICEA) Milton Luiz Abrunhosa (FSDTP/ICEA) Jonas Ricardo Oliveira Lopes (PBCA/ICEA)
Projeto de pesquisa coordenado pelo Grupo de Trabalho do Programa de Modelagem Numérica de Tempo (PMNT)
São José dos Campos – SP PBCA/ICEA
Para o Comando da Aeronáutica, a previsão de fenômenos meteorológicos é importante por causa do impacto nas atividades aeronáuticas e aeroespaciais, tais como gerenciamento do fluxo de tráfego aéreo e lançamento de foguetes. No Brasil, o responsável pelas informações e prognósticos meteorológicos para a aviação é o Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA). Informações e prognósticos meteorológicos confiáveis são ferramentas essenciais que possibilitam a segurança das operações aéreas, o conforto dos passageiros e estabelecimento de rotas mais rápidas e econômicas para as aeronaves. Por intermédio da Portaria DECEA 009/SDAD, de 06 de outubro de 2008, e reestruturado pela Portaria DECEA 033/SDOP, de 12 de março de 2013, foi constituído o Grupo de Trabalho (GT) do Programa de Modelagem Numérica do Tempo (PMNT). Os participantes do GT são oriundos de diferentes organizações do Sistema de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro (SISCEAB), da especialidade de Meteorologia, na sua maioria com curso de pós-graduação (nível Doutorado e Mestrado), ou com conhecimentos específicos da área da Tecnologia da Informação (TI). O PMNT visa proporcionar prognósticos em alta resolução para áreas de maior fluxo da navegação aérea nacional, o que possibilita um aumento do detalhamento das informações meteorológicas e da qualidade da previsão do tempo para o SISCEAB. Em 2002, foram iniciadas, tanto para fins operacionais, quanto para pesquisa, as primeiras simulações com modelos de Previsão Numérica de Tempo (PNT) na Força Aérea Brasileira (FAB). O modelo de PNT inicialmente escolhido foi a 5ª Geração do Modelo de Mesoescala (MM5). Atualmente, o MM5 tem sido usado pelas seguintes instituições: Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), Instituto de Controle do Espaço Aéreo (ICEA) e Centro Nacional de Meteorologia Aeronáutica (CNMA). Os prognósticos gerados pelo MM5 estão disponibilizados na homepage do ICEA e da Rede de Meteorologia do Comando da Aeronáutica (REDEMET). Com o continuo aumento na capacidade de processamento dos computadores e de conectividade, tornou-se possível o emprego de modelos numéricos de previsão de tempo cada vez mais sofisticados. Assim, em 2011, iniciou-se a instalação do Weather Research and Forecasting (WRF) no ICEA. O WRF é a ultima geração de modelo numérico de previsão do tempo que servirá tanto para a operacionalidade dos centros meteorológicos como para as pesquisas atmosféricas. Com a sua implementação o ICEA consegue estar inserido no crescimento natural das pesquisas na área de previsão operacional do tempo.
O WRF é a ultima geração de modelo numérico de previsão do tempo que servirá tanto para a operacionalidade dos centros meteorológicos como para as pesquisas atmosféricas. Ele foi desenvolvido através de uma parceria entre diversos órgãos, entre eles o National Center for Atmospheric Research (NCAR), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), National Center for Environmental Prediction (NCEP), Forecast Systens Laboratory (FSL), Air Force Weather Agency (FAWA), e outros órgãos de pesquisa e desenvolvimento. Maiores informações sobre o WRF podem ser obtidas no sítio http://www.wrf-model.org.
As características do modelo que mais se destacam são: os múltiplos núcleos dinâmicos, sistema variável de assimilação de dados tri-dimensional e uma estrutura de software que permite o paralelismo computacional, bem como a extensibilidade do sistema. Pode ser instalado em diversas plataformas computacionais (p. ex. Linux), é muito portátil, flexível, de domínio público e disponibilizado gratuitamente pela internet. O modelo pode ser executado tanto para situações atmosféricas idealizadas como situações reais, em um espectro amplo de aplicações em escalas horizontais que variam de milhares de quilômetros a poucos metros.
O sistema de modelagem do WRF compreende diversos componentes (Fig. 1; para maiores detalhes, veja ARW V3 Modeling System User´s Guide , 2011). Os principais são: no pré processamento o WRF Preprocessing System (WPS); inicialização do WRF (real); execução do WRF; e pós-processamento (ARWpost). O WPS é um conjunto de três subsistemas que prepara os dados de entrada para a simulação: geogrid, ungrib e metgrib. O geogrid define o domínio do modelo e interpola os dados terrestres para as grades. O ungrib extrai os campos meteorológicos do formato GRIB (V1 e V2) necessários para iniciar o modelo. O metgrid interpola horizontalmente os campos meteorológicos extraídos pelo ungrib para as grades do modelo definida pelo geogrid. O trabalho de interpolar verticalmente os campos do WRF é feito dentro do programa real. O WRF é responsável pela execução do modelo propriamente dito. Por fim, o ARWpost é usado para converter as saídas do modelos para um formato que possam ser visualizados por aplicativos gráficos.
Dados externos
Figura 1 – Representação esquemática do sistema de modelagem. Adaptado de ARW V Modeling System User´s Guide, 2011.
geogrid
ungrib
metgrid
real Dados Geográficos
Análises, Reanálises; Previsão
Pós-Process.
ARWpost
namelist.wps
dev openmpi-bin libopenmpi-dev
3.2 Bibliotecas opcionais para GRIB
As condições iniciais e de contorno utilizadas no modelo estão no formato da segunda versão do código General Regularly-distributed Information in Binary (GRIB2). O código GRIB é um formato de arquivo padrão da World Meteorological Organization (WMO) para o armazenamento de campos regularmente distribuídos (p.ex., pontos de grade). Para a extração dos campos meteorológicos desses arquivos pelo WRF, é necessária a instalação de três bibliotecas: JasPer 1.900.1^2 , Zlib 1.2.5^3 e PNG 1.4.7^4. As bibliotecas são, então, copiadas e descompactadas no diretório /usr/local.
1.2.5.tar.gz /usr/local/
Concluída a descompactação dos arquivos, deve-se entrar nos três diretórios criados (Fig.2, zlib-1.2.5, jasPer-1.900.1 e libpng-1.4.7) e compilar as respectivas bibliotecas:
(^2) www.ece.uvic.ca/~mdadams/jasper/ (^3) www.zlib.net (^4) www.libpng.org/pub/png/libpng.html
O script de instalação do WPS possui versões diferentes dessas bibliotecas. Mais adiante, será mostrado como alterar a versão das bibliotecas que estão localizadas dentro do arquivo configure.wps.
3.3 Instalação do NetCDF
A versão do NetCDF instalada é a 4.1.3 (não compilada), disponibilizada por Unidata Program Center^5 (“NetCDF C/C++/Fortran Stable Releases”). Após o download , o arquivo é copiado e descompactado para o diretório /usr/local:
Entre no diretório criado (netcdf-4.1.3), configure e compile o NetCDF. Uma mensagem, no final da instalação, informará o êxito da instalação.
“ Congratulations! You have successfully installed netCDF”
Se ocorrerem erros, informações adicionais podem ser obtidas no Guia de Instalação do NetCDF^6.
(^5) www.unidada.ucar.edu/downloads/netcdf/index.jsp (^6) www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-install
WRF, utiliza-se o script compile. Se for executado com sucesso, os seguintes executáveis são criados no diretório /main: ndown.exe, tc.exe, nup.exe, real.exe e wrf.exe. Caso um ou mais destes arquivos não tenham sido criados, procurar erros dentro do arquivo compile.log, corrigi-los e repetir a seqüência de comando deste tópico. Antes de recompilar, execute o script clean (./clean -a). A Figura 2 mostra as opções escolhidas para a instalação do modelo nos servidores do ICEA e a Figura 3, os arquivos criados na pasta WRFV3.
Figura 2 – Figura ilustrativa do terminal mostrando as opções escolhidas para a compilação do WRF. Os retângulos vermelhos mostram as opções selecionadas.
Figura 3 – Figura ilustrativa do terminal mostrando a pasta /home/webpca/WRF/WRFV3/main. Os retângulos vermelhos mostram os executáveis criados após a compilação do WRF.
Obs.: A compilação do WRF leva algum tempo, pois todo o código é compilado. Caso não ocorram alterações, a compilação é realizada somente uma vez.
3.4.2 Instalação do subsistema WPS:
Como informado anteriormente, a seqüência de comandos utilizada para configuração e compilação do WPS é semelhante à mostrada para o WRF. Agora, o arquivo de configuração criado é o configure.wps e, após a compilação do WPS, os seguintes executáveis são criados nos diretórios: geogrid.exe (define o tamanho e localização do domínio) em geogrid/src; ungrib.exe (extrai os campos meteorológicos dos arquivos GRIB) em ungrib/src; e metgrid.exe (interpola horizontalmente os campos meteorológicos para a grade simulada definida) em metgrid/src. Os atalhos desses executáveis são criados no diretório /WPS. Caso um ou mais desses arquivos não tenham sido criados ou o nome deles estiver piscando, procurar erros dentro do arquivo compile.log, corrigi-los e repetir a seqüência de comandos deste tópico. Antes de recompilar, execute o script clean (./clean -a). A Figura 4 mostra as opções escolhidas para a instalação do modelo nos servidores do ICEA e a Figura 5, os atalhos criados no diretório /WPS.
Figura 4 – Figura ilustrativa do terminal mostrando as opções escolhidas para a compilação do WPS. Os retângulos vermelhos mostram as opções selecionadas.
programa precisa para o seu correto funcionamento. Normalmente, ele retorna o nome de uma ou mais bibliotecas compartilhadas e suas localizações esperadas. Caso elas estejam ausentes, elas podem ser transferidas para o local esperado (p.ex.: /usr/lib).
3.4.3 Instalação do subsistema ARWpost
No último subsistema, após a sua configuração e compilação, o arquivo ARWpost.exe deve ter sido criado. Caso isto não ocorra, procurar erros dentro do arquivo compile.log, corrigi-los e repetir a seqüência de comandos deste tópico. Antes de recompilar, execute o script clean (./clean-a). A Figura 6 mostra as opções escolhidas para a instalação do modelo nos servidores do ICEA e a Figura 7, o arquivo criado no diretório WRFV3.
Figura 6 – Figura ilustrativa do terminal mostrando as opções escolhidas para a compilação do ARWpost. Os retângulos vermelhos mostram as opções selecionadas.
Figura 7 – Figura ilustrativa do terminal mostrando a pasta /home/webpca/WRF/ARWpost. O retângulo vermelho mostra o executável criado após a compilação do ARWpost.
3.5 Dados geográficos e de terreno:
Os dados geográficos e de terreno são descompactados no diretório data, criado dentro de /home/webpca/WRF. Esses dados são obtidos dentro de um único arquivo (geog.tar.gz) que, após descompactado, cria um novo diretório (geog) com aproximadamente 11GB.
Obs.: Mais adiante, na execução do WPS, será editado o arquivo namelist.wps (variável geog_data_path) para indicar o caminho dos dados geográficos.
O conjunto de dados da superfície terrestre pertencente ao arquivo geog.tar.gz (dados estáticos) foram obtidos através de mapeamento por satélite. Parte desse arquivo contém categorias compatíveis com as da United States Geological Survey (USGS) que estão descritos nos arquivos VEGPARM.TBL e SOILPARM.TBL, localizados no diretório run do WRF. As resoluções dos dados são variadas (1º, 10’, 5’, 2’ e 30’’) e contêm as seguintes informações: albedo da superfície mensal (albedo_ncep); fração da vegetação mensal (greenfrac), índice de inclinação (slope index); categoria de uso da terra (landuse); albedo máximo da neve (maxsnowalb); dados de superfície (modis_landuse_20class_30s; apenas para usuários de modelagem de superfície da Noah LSM); dados para os esquemas de ondas de gravidade (orogwd); media anual de temperatura do solo de acordo com a profundidade (soiltemp); tipo de solo da camada inferior (soiltype bot); tipo de solo da camada superior (soiltype top); altura da topografia (topo).
3.6 Instalação do pacote gráfico GrADS
O Grid Analysis and Display System (GrADS) é uma das ferramentas gráficas mais difundidas e utilizadas no mundo para facilitar o acesso, manipulação e visualização de dados das principais variáveis atmosféricas e terrestres. O GrADS é distribuído gratuitamente na internet e suporta muitos formatos de arquivo de dados, incluindo o GRIB (versão 2), utilizado como condições iniciais e de contorno no modelo instalado no ICEA.
O ICEA utiliza o modelo WRF, não-hidrostático, com aninhamento two-way. Atualmente, gera operacionalmente previsões das condições do tempo por um período de 48 horas, sendo inicializado 4 vezes ao dia (00Z, 06Z, 12Z e 18Z). As suas saídas fornecem informações em intervalos de 3 horas. Os prognósticos são gerados para quatro domínios diferentes, cada qual com uma grade aninhada. Assim, para a mesma região de interesse existem duas grades, entretanto com resoluções distintas. As resoluções espaciais são de 18 km, para o domínio principal (D1), de 6 km, para o domínio aninhado (D2). Os domínios denominados de NORTE, NORDESTE, SUDESTE e ALCÂNTARA estão centrados na latitude e longitude de 5ºS e 60ºW (Fig. 8a e b), 8ºS e 39ºW (Fig. 8c e d), 25,01º S e 49,17º W (Fig. 8e e f), 02, 40˚S e 44, 40˚W (Fig. 8g e h), respectivamente. A escolha dos domínios está associada ao projeto do Comando da Aeronáutica cujo objetivo é de pesquisa e desenvolvimento da modelagem numérica para fins aeronáuticos e aeroespaciais, tais como, disponibilizar prognósticos das condições do tempo em alta resolução para as Regiões de Informação de Vôo (FIRs) e para os dois Centros de Lançamentos do Brasil: Centro de Lançamento de Alcântara (CLA) e Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI).
(a) (b) Figura 8 – Domínio das grades NORTE com resolução de 18 km (a) e 6 km (b); NORDESTE com resolução de 18 km (c) e 6 km (d); SUDESTE com resolução de 18 km (e) e 6 km (f); ALCANTARA com resolução de 18 km (g) e 6 km (h). (Continua)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h) Figura 8 – Domínio das grades NORTE com resolução de 18 km (a) e 6 km (b); NORDESTE com resolução de 18 km (c) e 6 km (d); SUDESTE com resolução de 18 km (e) e 6 km (f); ALCANTARA com resolução de 18 km (g) e 6 km (h). (conclusão)
