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Novo supercomputador dará salto de qualidade às previsões meteorológicas e ambientais

Com a aquisição do novo supercomputador, o CPTEC/INPE passará a gerar previsões de tempo mais confiáveis, com mais dias de antecedência, e de melhor qualidade, ampliando o nível de detalhamento para 5 quilômetros na América do Sul e 20 para todo o globo. Será possível prever ainda eventos extremos com boa confiabilidade, como chuvas intensas, granizo, geadas, nevoeiros, ventos fortes, ondas de calor, entre outros.

Estas melhorias serão perceptíveis aos usuários das previsões quando a nova infra-estrutura computacional de alto desempenho do CPTEC entrar em operação no início do próximo ano. O novo supercomputador será fornecido pela Cray Inc., empresa norte-americana, vencedora de licitação internacional, com recursos do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) e Fapesp (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo).

Com este novo suporte computacional, que amplia em 50 vezes a capacidade de processamento do CPTEC, será possível a implementação de uma série de inovações já em curso. A atual infra-estrutura computacional está operando no limite de sua capacidade, o que tem impedido a incorporação de avanços já desenvolvidos nas áreas de modelagem numérica, assimilação de dados, química e aerossóis, atmosfera e oceanos, que deverão trazer melhorias às previsões de tempo e clima.

Com o novo supercomputador, com velocidade de pico de 258 Teraflop/s (Floating point Operations Per Second, traduzido como Operações de Ponto Flutuante por Segundo), será possível rodar modelos de maior resolução espacial. A previsão de tempo gerada pelo modelo regional ETA, atualmente com resolução de 20 quilômetros, passará a ser de 5. Ou seja, será possível ampliar o detalhamento das previsões para áreas em todo o País, como já é feito para algumas regiões de São Paulo e do nordeste do Brasil.

O ganho de qualidade das previsões de tempo será obtido ainda com o aperfeiçoamento da técnica ensemble, ou previsão por conjunto. Esta metodologia, que leva em conta a natureza caótica da atmosfera e o alto grau de incerteza em relação ao seu estado ao longo do tempo, tem como base o processamento de diferentes condições iniciais da atmosfera.

Atualmente, o CPTEC utiliza 15 diferentes membros que correspondem a 15 previsões iniciadas a partir de estados ligeiramente distintos da atmosfera. O aumento da capacidade de processamento, com o novo supercomputador, tornará possível elevar o número de membros para 50, o que deverá definir melhor o grau de certeza e de incerteza sobre as tendências meteorológicas, gerando previsões de tempo, clima e de qualidade do ar mais confiáveis.

Como resultado do aperfeiçoamento desta metodologia, será possível também obter previsões para períodos mais longos, além de aumentar a confiabilidade de prognósticos de eventos extremos, como por exemplo, chuvas intensas, que costumam provocar alagamentos nas grandes cidades e deslizamentos de encostas em áreas de risco.

Ganhos nas previsões climáticas e de qualidade do ar

Na área de previsão climática sazonal, divulgada para até três meses, além do melhor detalhamento das previsões, com o aumento da resolução espacial de 200 quilômetros para 80, a expectativa é de que o ganho na capacidade de processamento permita adicionar aperfeiçoamentos na modelagem da física da atmosfera. Especialistas do CPTEC pretendem obter melhor representação, por exemplo, de nuvens, da umidade do solo e da criosfera (regiões cobertas permanentemente por gelo e neve), que deverão resultar em previsões mais confiáveis. Atualmente, as previsões climáticas sazonais têm índices de acerto melhor para a região tropical da América do Sul, norte e nordeste do País, e também para o sudeste do continente, que inclui o sul do Brasil.

A compra do novo supercomputador coincide com o momento em que o CPTEC/INPE recebe da Organização Meteorológica Mundial (OMM) a recomendação para ser um Global Producing Center (GPC), ou Centro Produtor Global, de previsões de longo prazo, em reconhecimento à qualidade internacional da produção de suas previsões climáticas sazonais. O novo supercomputador, por sua vez, permite dar continuidade a um conjunto de atividades que conferiu este reconhecimento ao CPTEC, avalizado por especialistas da OMM.

A chegada do novo supercomputador também traz expectativas de avanços para as previsões ambientais e de qualidade do ar do CPTEC/INPE, obtidas a partir do processamento de um modelo de química da atmosfera integrado a um modelo meteorológico (o modelo CATT-BRAMS). As previsões, geradas atualmente, para até três dias de antecedência, serão estendidas para seis dias, com boa confiabilidade.

As previsões de qualidade do ar incluem gases, como monóxido e dióxido de carbono e óxido nitroso, e aerossóis - material particulado de queimadas e de emissões urbanas e industriais. Está em avaliação o modelo que incorpora a produção de ozônio, gás tóxico que afeta a saúde humana e de vegetais. O ozônio em baixas altitudes é gerado por reações entre óxidos nitrosos e compostos orgânicos voláteis, na presença de radiação solar, sendo influenciado pelas condições atmosféricas (de temperatura e pressão).

Com a melhoria da resolução espacial dos modelos, passando de 30 para 15 quilômetros sobre a América do Sul, as previsões deverão ser mais precisas e detalhadas, permitindo indicar, por exemplo, áreas da Grande São Paulo mais afetadas por determinados poluentes. Seria possível ainda realizar desenvolvimentos específicos que possam gerar, por exemplo, previsões da qualidade do ar com resolução de 3 quilômetros para diferentes sub-regiões da Grande São Paulo, como o Ibirapuera e a Moóca.

Novo supercomputador incorpora tecnologia que amplia capacidade de processamento

A velocidade de pico deste novo supercomputador, de 258 Teraflop/s, é superior a das máquinas em operação nos principais centros meteorológicos do mundo, de acordo com a última lista do Top500 da Supercomputação (http://www.top500.org/), divulgada em novembro do ano passado. No topo da lista destas instituições, mas na 33ª posição em relação a todas as máquinas em uso no mundo, está um dos supercomputadores do Centro Europeu de Previsão de Tempo a Médio Prazo (ECMWF), cuja velocidade máxima de processamento é de 156 Teraflop/s. A nova base computacional do CPTEC, caso estivesse em operação hoje, seria ultrapassada apenas pela do ECMWF, que possui dois supercomputadores iguais.

A aquisição pelo INPE de um supercomputador de processamento escalar massivamente paralelo segue a tendência de uso de máquinas similares pelos principais centros de previsão e pesquisa do mundo. A possibilidade de adquirir um supercomputador com uma arquitetura de processamento diferente da vetorial, arquitetura padrão das últimas máquinas do CPTEC, já estava em análise pelos pesquisadores do CPTEC.

No final de 2006, o CPTEC adquiriu um supercomputador, a UNA, com 1,1 mil processadores, com o intuito de ganhar experiência em modelagem em máquinas de processamento massivamente paralelo. Os modelos operacionais de previsão de tempo, clima e ambiental do CPTEC foram redesenhados para está máquina. Mas, de acordo com os especialistas do CPTEC, mesmo com a experiência na UNA, o novo supercomputador, com mais de 30 mil processadores, deverá exigir novos esforços na montagem dos modelos atualmente em uso pelo CPTEC.

P&D e otimização do supercomputador ajudam a melhorar previsões

A atualização da base computacional de alto desempenho não é o suficiente para chegar aos avanços que permitem alcançar melhores índices de acerto e de qualidade das previsões meteorológicas (tempo e clima) e ambientais (qualidade do ar). Além da ampliação da rede de dados que alimentam os modelos, o outro lado desta equação exige um contínuo esforço de pesquisa e desenvolvimento na área de modelagem como também de pessoal especializado na área de infra-estrutura computacional de alto desempenho.

A compra de máquinas poderosas é acompanhada de investimento na formação e contratação de especialistas na área de modelagem como também de profissionais que se dedicam a tarefa de extrair o máximo desempenho de bases computacionais como esta do CPTEC. Para esta nova etapa, especialistas vindos de grandes centros de pesquisa dos Estados Unidos e Inglaterra vão se integrar à equipe de modelagem do CPTEC/INPE com o intuito de trazer novas contribuições e avanços às áreas de assimilação e de previsão de tempo e clima.

Os números do novo supercomputador

CPUs 1280 nós, cada nó com 2 Opteron 12 núcleos de 2,1GHz, cada nó com velocidade máxima de 201,6 GFlop/s, 32 GB de memória e rede SeaStar2, totalizando 30720 cores
Desempenho Máximo: 258 TFlop/s
Efetivo: 205 TFlop/s no Linpack
Disco primário Sistema de arquivos com 866 TB líquidos, acessíveis à 320 Gbs
Armazenamento Secundário 3,84 Petabytes (PB) em discos SATA, biblioteca de fitas com 8.000 slots com 8.000 fitas LTO4, 6 PB de fitas
Processamento Auxiliar 20 nós, cada nó com 4 Opteron 4 core de 2,7 GHz, 128 GB de memória com desempenho SPECfp_rate_base2006 agregado de 3760
Acesso Interativo13 nós, cada nó com 4 Opteron 4 core de 2,7 GHz, 128 GB de memória com desempenho SPECfp_rate_base2006 agregado de 2444
Espaço físico, energia e refrigeração Ocupa 100 m2, requer 639 Kw de energia, refrigerado a ar com dissipação máxima de 550.000 Kcal/h, com portas contendo dissipadores refrigerados a água

Melhorias previstas nas resoluções dos modelos do INPE e introdução de novos modelos

 
Resoluções
 
SX-6 (hoje)
Cray
Modelo Atmosférico Global de Previsão do Tempo
60 km
20 km
Modelo Atmosférico Regional de Previsão de Tempo
30 km
5 km
Modelo de Qualidade do Ar
30 km
15 km
Modelo Oceano-Atmosfera para Previsão Sazonal de Clima
200 km
80 km

Modelo Brasileiro do Sistema Climático Global (Atmosfera - Oceano - Criosfera -Vegetação - Ciclo de Carbono - Química Atmosférica)

10 km a 100 km
Modelo Regional Climático
40 km
10 km
 
Áreas de Aplicação
Modelos Aplicativos para Desastres Naturais (deslizamentos em encostas, inundações, colapso de safras por secas, incêndios de vegetação, etc.)

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Centenas de Áreas de Risco