[論文レビュー] Gridspec: A standard for the description of grids used in Earth System models

V. Balaji, Alistair Adcroft+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2019

Climate variability and models参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

Gridspec は、気候・気象（CF）規約に統合された、地球システムモデルにおけるグリッドを記述するための標準化されたメタデータフレームワークを提案する。グリッドの幾何構造、座標、ステアリング、モザイク構造を一貫して表現可能であり、モデル間および観測データ間での相互運用性、自動データ発見、信頼性の高いグリッド変換を実現する。

ABSTRACT

The comparative analysis of output from multiple models, and against observational data analysis archives, has become a key methodology in reducing uncertainty in climate projections, and in improving forecast skill of medium- and long-term forecasts. There is considerable momentum toward simplifying such analyses by applying comprehensive community-standard metadata to observational and model output data archives. The representation of gridded data is a critical element in describing the contents of model output. We seek here to propose a standard for describing the grids on which such data are discretized. The standard is drafted specifically for inclusion within the Climate and Forecasting (CF) metadata conventions. The contents of this paper have been in the "grey literature" since 2007: it has been posted to arXiv to be citable. To preserve its integrity, the contents have not been updated.

研究の動機と目的

• 地球システムモデル間での比較分析を可能にするために、グリッド記述の標準化の必要性に対応する。
• 複数モデルアンサンブル研究や複数機関間のデータ統合における相互運用性の障壁を低減する。
• 気候・気象モデルで使用されるグリッド構造を機械および人間が読み取り可能なメタデータ標準を提供する。
• 異なるグリッドタイプ（例：ガウス型、トリポール型、非構造格子）を用いるモデル間でのシームレスなデータ交換および変換を支援する。
• CFメタデータ規約へのグリッド仕様の統合により、地球科学コミュニティ全体における一貫性と拡張性を確保する。

提案手法

• 幾何構造、垂直および水平座標、離散化、ステアリングを含むグリッド要素の制御された拡張可能な語彙を定義する。
• 複雑なグリッドシステム（例：立方体球面グリッド、重複グリッド）を表現するための、グリッドモザイク、接触領域、交換グリッドの形式的構造を導入する。
• 広範なツール互換性を確保するため、netCDF/CF および XML 形式の両方でグリッド表現を指定する。
• グリッドの意味論的および文法的構造をモデル化するためのUMLベースの抽象化を活用し、検証および自動推論を可能にする。
• 生産モデル（例：GFDLのMosaic Gridspec 0.2）への実装を実施し、展開用のリファレンスツールおよびnetCDFファイルを提供する。
• グリッドメタデータをモデル出力ファイルに直接埋め込むことで、外部文書が不要な状態で発見と正しい解釈が可能になるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な地球システムモデル間での相互運用性を向上させるために、グリッド記述をどのように標準化できるか？
• RQ2 トリポール型や非構造格子三角形グリッドのような複雑なグリッドタイプを明確に記述するために必要なメタデータ構造は何か？
• RQ3 CF や netCDF といった既存のデータ規格にグリッドメタデータをどのように統合し、自動データ発見および処理を支援できるか？
• RQ4 異なるグリッド間でのデータ変換において、グリッドメタデータの一貫性と正しさを保証するメカニズムは何か？
• RQ5 グリッド仕様を解析、可視化、Webサービスで利用可能な状態で、人間が読み取りやすく機械で処理可能な形にどのように実現できるか？

主な発見

• Gridspec は、モザイク、接触領域、交換グリッドを含む、地球システムモデルで使用されるグリッド構造を包括的かつ拡張可能に記述するメタデータ標準を提供する。
• CF規約への統合を想定した設計であり、netCDF/CF および XML 形式の両方をサポートすることで、モデリングおよび解析ツールとの広範な互換性を確保する。
• メタデータに位置、面積、体積、接続性の情報を明示的に記録することにより、信頼性の高いグリッド間変換が可能になる。
• GFDLのモデルへの実装は、立方体球面グリッド、トリポール型グリッド、緯度経度グリッドといった異なるグリッドタイプを有する複雑なマルチコンponentシステムへの適用可能性を示している。
• UML図およびスキーマベースのモデリングにより、メタデータの一貫性検証が可能となり、CグリッドとAグリッドの区別といったグリッド特性に関する自動推論を支援する。
• プロトタイプツールおよびリファレンス実装が公開されており、地球システムモデリングコミュニティ全体による採用および拡張が可能である。