[论文解读] 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 6

一句话总结

Gridspec 提出了一套标准化的元数据框架，用于描述地球系统模型中的网格，该框架集成于气候与预报（CF）惯例之中。它能够一致地表示网格几何结构、坐标、交错方式以及网格拼接，从而促进模型与观测数据之间的互操作性、自动化数据发现以及可靠的网格转换。

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.

研究动机与目标

• 解决日益增长的标准化网格描述需求，以支持地球系统模型之间的对比分析。
• 降低多模型集合研究以及跨机构数据集成中的互操作性障碍。
• 为气候与天气建模中使用的网格结构提供机器可读且人类可读的元数据标准。
• 支持不同网格类型（如高斯网格、三极网格、非结构化网格）之间模型间无缝的数据交换与转换。
• 将网格规范集成到CF元数据惯例中，以确保地球科学界范围内的一致性与可扩展性。

提出的方法

• 定义用于描述网格组件（包括几何结构、垂直与水平坐标、离散化方式及交错）的受控且可扩展的词汇表。
• 引入用于表示复杂网格系统（如立方球面网格或重叠网格）的正式构造，包括网格拼接、接触区域与交换网格。
• 规定在netCDF/CF与XML格式中表示网格，以确保与各类工具的广泛兼容性。
• 开发基于UML的抽象模型，用于描述网格语义与语法结构，以支持验证与自动化推理。
• 在生产模型中实现Gridspec（例如GFDL的Mosaic Gridspec 0.2），并提供参考工具与netCDF文件以支持部署。
• 将网格元数据直接嵌入模型输出文件中，以实现在无需外部文档的情况下实现数据发现与正确解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对网格描述进行标准化，以提升多样化地球系统模型之间的互操作性？
• RQ2 哪些元数据构造是必要且充分的，以明确描述复杂网格类型（如三极网格或非结构化三角网格）？
• RQ3 如何将网格元数据集成到现有数据标准（如CF与netCDF）中，以支持自动化数据发现与处理？
• RQ4 在不同网格之间转换数据时，应采用何种机制来确保网格元数据的一致性与正确性？
• RQ5 如何使网格规范既对人类可读又对机器可处理，以支持分析、可视化与网络服务的使用？

主要发现

• Gridspec 提供了一套全面且可扩展的元数据标准，用于描述地球系统模型中使用的网格结构，包括网格拼接、接触区域与交换网格。
• 该标准专为集成到CF惯例而设计，支持netCDF/CF与XML格式，确保与建模与分析工具的广泛兼容性。
• 通过在元数据中显式编码位置、面积、体积与连接性信息，该规范支持可靠的网格到网格转换。
• 在GFDL模型中的实现证明了Gridspec在包含多种网格类型（如立方球面网格、三极网格、经纬网格）的复杂多组件系统中应用的可行性。
• 通过使用UML图与基于模式的建模，可实现元数据一致性的验证，并支持对网格属性（如C网格与A网格）的自动化推断。
• 原型工具与参考实现已公开提供，使地球系统建模社区能够广泛采用并扩展该规范。