Publication
A python based system to manage simulations of coastal operational models
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Martins, Flávio Augusto Bastos da Cruz | |
| dc.contributor.advisor | Janeiro, João | |
| dc.contributor.author | Mendonça, Fernando Mendes Coimbra de | |
| dc.date.accessioned | 2021-05-11T09:44:36Z | |
| dc.date.available | 2021-05-11T09:44:36Z | |
| dc.date.issued | 2020-11-27 | |
| dc.description.abstract | Operational oceanography is understood as the constant endeavor of observing seas and oceans, collecting, interpreting and disseminating the measured data, in order to design methods for analyzing behavior and predicting future conditions. Consequently, ocean modelling is one of the most important activities developed within this context, as it helps to understand the aspects and phenomena of those ecosystems. In this scenario, the goal of this work is to build a simulation management system, programmed in the Python language, for coastal hydrodynamic models made in MOHID modelling system environment. MOHID is a three-dimensional model with numerical tools to solve governing equations that describe the fluid flow and to reproduce several processes of the marine environment. Python allows the rapid creation of sophisticated algorithms for all types of tasks, having the necessary resources to perform the most essential function in simulation management: the control of the inputs and outputs of a model. The management system used SOMA as the application example. SOMA is the operational validated high resolution hydrodynamic model of the Algarve coast based on MOHID. In this setup it is necessary to manage two distinct simulation cycles: the daily runs or forecast simulations, and weekly runs, which initialize the model for a new week cycle. The main body of the program was divided into two basic layers, one to process the corresponding forcing data and other to manage the simulations. The algorithm was designed to work with a predetermined generic structure of folders and file nomenclature. MOHID’s keyword feature was also adopted to specify the parameters to configure the tool. SOMA has become the first model to be controlled by the tool and still keeps its forecast cycles active, nevertheless, due to its generic feature, the simulation management system presented in this work is prepared to manage any other MOHID based model in operational mode. | pt_PT |
| dc.description.abstract | Os oceanos desempenham um papel de extrema importância na manutenção da vida no planeta. Eles são responsáveis por regular o clima e temperatura globais, reciclar nutrientes, gerar oxigênio, absorver dióxido de carbono da atmosfera entre outros. Para a humanidade, este ambiente possui ainda uma relevância extremamente elevada em relação a aspectos econômicos, servindo principalmente como fonte de alimentos e de exploração de recursos fósseis, via de transporte, desenvolvimento de atividades turísticas e recreativas, geração de energia. Por esses motivos, torna-se essencial compreender suas características e os diversos fenômenos que nele se desenvolvem. Dessa maneira, a oceanografia operacional é entendida como a atividade constante de observação, coleta, interpretação e divulgação dos dados medidos, a fim de projetar métodos de análise de comportamento e previsão de condições futuras. A modelação oceânica é uma das atividades mais importantes desenvolvidas no âmbito da oceanografia operacional. Um modelo consiste na representação matemática de fenômenos, que neste caso são equações para descrever a dinâmica dos fluidos nos oceanos. O conjunto de expressões matemáticas que representam o movimento dos fluidos forma um sistema de equações diferenciais, que são construídas respeitando os princípios fundamentais de conservação da física, dando origem às equações de transporte. Uma vez que essas equações não têm solução analítica, elas têm de ser resolvidas usando métodos de modelação matemática. Para isso as equações são discretizadas usando métodos numéricos e transformadas em código computacional para avançar ou iterar o estado do oceano no tempo. As equações de transporte representam o movimento do fluido e descrevem, cada uma, a conservação de uma propriedade. Elas são, portanto, formadas pelas equações de Navier- Stokes, que correspondem à conservação de massa e momentum, mais o balanço de energia e as equações de estado, que correlacionam propriedades termodinâmicas e fazem o vínculo entre temperatura e salinidade com a densidade. Em modelos oceânicos, elas são frequentemente discretizadas no espaço pelo método de volumes finitos na abordagem euleriana, que consiste na avaliação da conservação de propriedades dentro de um volume de controle, enquanto um fluxo de água passa por ele. O sistema de equações é resolvido individualmente para cada um destes elementos que juntos constituem a malha do domínio do modelo, de forma que cada iteração expressa a conservação em cada um deles. Embora já seja um negócio muito valioso, estima-se que a economia oceânica ainda possa dobrar nos próximos anos, à medida que a população cresce nos centros urbanos próximos às áreas costeiras. Assim, crescimento azul é o termo criado para designar práticas que visam o crescimento econômico, mas que também garantem a preservação desse ambiente para as gerações futuras. A busca pelo desenvolvimento sustentável provoca uma demanda crescente por conhecimento em relação aos oceanos, especialmente em regiões costeiras, fazendo com que os dados gerados na oceanografia operacional sejam essenciais para as atividades socioeconômicas do crescimento azul. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de gestão de simulações, programado na linguagem Python, para modelos hidrodinâmicos costeiros que sejam construídos no ambiente do sistema de modelação MOHID. O sistema MOHID é uma ferramenta numérica capaz de reproduzir diversos processos do ambiente marinho. Ele é um modelo hidrodinâmico tridimensional que soluciona os sistemas de equações de transporte para escoamentos incompressíveis, em que o equilíbrio hidrostático e a aproximação de Boussinesq são assumidos. A discretização espacial vertical é realizada por meio de coordenadas genéricas, em que a coluna de água pode ser dividida em vários subdomínios para melhor se adequar as regiões heterogêneas de todo o domínio. A discretização temporal é processada por um algoritmo ADI semi-implícito com dois níveis de tempo por iteração. O código do MOHID está escrito em ANSI FORTRAN 95, que permite a programação por meio do paradigma da orientação por objetos. Logo, o sistema possui uma arquitetura modular, de forma que cada módulo representa uma classe responsável por gerir um tipo específico de informação. Este “design” possibilita a simulação simultânea de modelos aninhados e, consequentemente, o uso da metodologia de redução de escala, sendo cada domínio uma nova instância de classes individuais. Alguns dos módulos requerem informações extras para serem executados corretamente. Esses parâmetros são fornecidos através de um sistema de palavras-chave escrito em formato de texto ASCII em um arquivo específico para cada um. O conjunto desses arquivos de entradas caracteriza um modelo no ambiente MOHID. O Python é uma linguagem de programação multiplataforma de código aberto e licença gratuita que se tem tornado cada vez mais popular. Ela é construída usando uma abordagem orientada por objetos, baseado em classes, possuindo uma vasta biblioteca de módulos versáteis, nativos e externos, que permitem a criação rápida de algoritmos sofisticados para todos os tipos de tarefas. Devido às suas características o Python também tem sido amplamente adotado no domínio científico. Em modelação oceânica ele possui ferramentas para lidar com formatos de dados mais comuns, suporte para OPeNDAP, métodos para realizar análise harmônica de marés e de visualização científica. A linguagem também possui os recursos necessários para realizar a tarefa mais essencial durante os ciclos de previsão, que é o controle das entradas e saídas de um modelo. O sistema de gestão foi desenvolvido utilizando como base a operacionalização do Sistema de Modelação e Monitorização Operacional do Algarve, ou SOMA, modelo hidrodinâmico validado de alta resolução da costa algarvia que utiliza como base o sistema de modelação MOHID. Desta forma, a ferramenta faz a gestão de dois ciclos de simulação distintos: as corridas diárias, que equivalem às simulações de previsões contínuas, e as semanais, que inicializam o modelo para gerar novas condições iniciais menos deterioradas. Além disso, foi preciso desenvolver também operações para processar os dados de forçamento correspondentes. Por esse motivo, o corpo principal do programa foi dividido em duas camadas, uma para os dados de fontes externas e outra para gerir simulações. A gestão de simulações consiste basicamente em coordenar a execução de diferentes operações e o manuseamento de arquivos. Por esse motivo, o algoritmo do programa foi concebido de forma a trabalhar em cima de uma estrutura genérica pré-determinada de pastas e de nomenclatura de arquivos. Esta arquitetura foi sendo aprimorada à medida que os padrões de uma rotina de simulação realizada pelo MOHID eram identificados. Além disso, foi adotado o método de leitura de palavras-chave para a especificação dos parâmetros para executar cada modelo. Depois de adaptado a estas normas, o SOMA passou a ser o meio para testar as versões da ferramenta. Consequentemente, este modelo é primeiro a ser controlado por ela, razão pela qual foram criados módulos para processar dados oceânicos do Mercador e atmosféricos do Skiron. O uso da linguagem de programação orientada por objetos contribuiu para simplificar o código do programa, uma vez que foram construídos métodos para serem usados mais de uma vez em diferentes situações, evitando assim a escrita repetitiva de partes iguais do código. Além disso, módulos que desenvolvem tarefas fora do contexto de simulações, como formatação de resultados ou processamento de dados de forçamentos, deram origem a outras funcionalidades já que poderiam ser acessados de forma independente. Porém, da forma como foi projetado e em conjunto com a estrutura de pastas imposta, a grande limitação do programa de gestão é de ainda não permitir a operacionalização de modelos que tenham mais do que um subdomínio definido para o mesmo nível. Além disso, quando o código divide a execução do programa em para realizar tarefas simultâneas, as mensagens impressas de cada módulo em execução surgem simultâneas na janela de prompt, tornando-se confusas para o usuário. Estas são algumas das melhorias que se irão efetuar no futuro próximo. Apesar das limitações apresentadas o sistema de gestão de simulação apresentado neste trabalho está preparado para converter modelos no modo operacional. Ainda assim, sua construção é um processo contínuo, logo, ele continuará a passar por atualizações e aperfeiçoamentos. Neste sentido, as opções para executar operações independentes, como formatação de resultados e o processamento de dados de forçamento, já estão sendo programadas e em breve serão integradas ao programa. Considerando ainda que Python possui uma vasta biblioteca embutida e diversas outras ferramentas externas, que oferecem uma ampla gama de recursos, também como trabalhos futuros, ir-se-á optimizar a paralelização de tarefas e até mesmo construção de uma interface gráfica para melhorar a visualização das mensagens. Além disso, o programa tem espaço para crescer com novos módulos para outras fontes de forçamento e até com o desenvolvimento de novas funcionalidades. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 202658228 | pt_PT |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.1/15472 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | pt_PT |
| dc.subject | Oceanografia operacional | pt_PT |
| dc.subject | Sistema de modelação mohid | pt_PT |
| dc.subject | Python | pt_PT |
| dc.subject | Sistema de gestão de simulações | pt_PT |
| dc.subject | Soma | pt_PT |
| dc.subject | Costa algarvia | pt_PT |
| dc.title | A python based system to manage simulations of coastal operational models | pt_PT |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| person.familyName | Mendonça | |
| person.givenName | Fernando | |
| person.identifier | 2545197 | |
| person.identifier.ciencia-id | C01C-E56C-50BB | |
| person.identifier.orcid | 0000-0003-4523-5746 | |
| person.identifier.scopus-author-id | 57964080300 | |
| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | masterThesis | pt_PT |
| relation.isAuthorOfPublication | 1cd82d60-0486-40cc-9c1b-5a2cf418e363 | |
| relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery | 1cd82d60-0486-40cc-9c1b-5a2cf418e363 | |
| thesis.degree.grantor | Universidade do Algarve. Instituto Superior de Engenharia | |
| thesis.degree.level | Mestre | |
| thesis.degree.name | Mestrado em Engenharia Mecânica - Energia, Climatização e Refrigeração | pt_PT |
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