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地球システムモデリングフレームワーク（ESMF）は、気候、数値天気予報、データ同化、その他の地球科学ソフトウェアアプリケーションを構築するためのオープンソースソフトウェアです。これらのアプリケーションは計算負荷が高く、通常はスーパーコンピュータ上で実行されます。ESMFは、相互運用性のための高度な共通モデリングインフラストラクチャに統合された技術レイヤーとみなされています。相互運用性と共有インフラストラクチャのその他の側面には、共通の実験プロトコル、共通の分析方法、データとデータ由来に関する共通のドキュメント標準、共有ワークフロー、共有モデルコンポーネントが含まれます。[ 1 ]
ESMFプロジェクトの特徴は、コミュニティガバナンスと分散型開発を重視している点、そして大学、米国の主要研究センター、国立気象局、国防総省、NASAなどのモデリンググループを含む多様な顧客基盤を有している点です。ESMF開発チームは2009年までNCARを拠点としていましたが、その後NOAA地球システム研究所に移管されました。
地球システムモデリングフレームワークの編集は、イリノイ大学/NCSAオープンソースライセンスの下でリリースされたフリーソフトウェアです。
ESMFは、異なるサイトで開発された地球科学モデリングソフトウェアの相互運用性を向上させ、コードの再利用を促進します。その目的は、分散した専門知識とリソースを、より効率的に運用され、より幅広い問題に効果的に対処でき、社会のニーズにより迅速に対応できる、協調的で統合されたモデリングコミュニティへと変革することです。
ESMFは、コンポーネントベースのソフトウェアエンジニアリングの原則に基づいています。ESMFソフトウェアアプリケーション内のコンポーネントは通常、大気、海洋、氷圏、地表面などの大規模な物理領域を表します。一部のモデルでは、特定のプロセス（例えば、海洋生物地球化学、太陽放射が大気に与える影響）もコンポーネントとして表現されます。ESMFでは、コンポーネントが他のコンポーネントを作成および駆動できるため、海洋生物地球化学コンポーネントがより大きな海洋コンポーネントの一部となることが可能です。
地球システムモデリングの分野では、物理領域を接続するソフトウェアはカプラーと呼ばれます。カプラーはメディエーターパターンに従い、あるコンポーネントの出力を受け取り、別のコンポーネントを実行するために必要な入力に変換します。変換には、単位変換、グリッド補間または再マッピング、マージ（陸地と海洋表面を組み合わせて完全に覆われた地球表面を形成するなど）、その他の特殊な変換が含まれます。ESMFでは、カプラーもソフトウェアコンポーネントです。
ESMFは、ユーザーデータをグリッド、フィールド、配列などのデータオブジェクトの形式で表現します。コンポーネント内のユーザーデータは、これらのESMFオブジェクトにコピーまたは参照することができます。ユーザーデータがESMFデータオブジェクトの一部になると、フレームワークメソッドを使用して、必要に応じてデータを変換し、システム内の他のコンポーネントに転送できます。これは通常、カプラコンポーネント内で行われます。
グリッド補間とリマッピングは、ESMFの中核となるユーティリティです。ESMFでは、双線形補間、有限要素パッチ復元、および保守的なリマッピング手法を用いて補間重みを生成できます。
ESMFは、データオブジェクトにメタデータを関連付けることができます。メタデータは、名前と値のペアの形式でパッケージにまとめられ、 XMLなどの標準フォーマットで出力できます。ESMFのメタデータパッケージは、気候・予測メタデータ規約やMETAFOR共通情報モデルなど、コミュニティの規約に基づいています。
ESMFの連携は、共同地球システムモデル開発の強化策を模索する、資金援助のない草の根的な取り組みである共通モデリングインフラストラクチャワーキンググループ（CMIWG）に端を発している。CMIWGには、研究センターや運用センターの主要な気象・気候モデリンググループから幅広い参加が集まった。1998年から2000年にかけて開催された一連の会議で、CMIWGメンバーは共通ソフトウェアフレームワークの一般的な要件と予備設計を確立した。
2000年9月、NASA地球科学技術局（ESTO）はESMFの創設を求める公募を発表した。CMIWGの参加者の一定数が、暫定的な枠組み設計に基づき、連携した対応策を策定することに合意し、3つの関連提案書を提出した。1つ目はESMFの中核となるソフトウェアの開発、2つ目は地球科学モデリングアプリケーションの展開、3つ目はESMFデータ同化アプリケーションの展開に焦点を当てたものであった。これら3つの提案はすべて採択され、 3年間で総額980万ドルの資金が投入された。ESMFプロジェクトが勢いを増すにつれ、コミュニティモデリングインフラストラクチャ開発の中心としてCMIWGに取って代わるようになった。
NASAの資金提供期間中、ESMFチームはフレームワークのプロトタイプを開発し、異なる機関のモデリングコンポーネントの連携を実証する数々の実験に活用しました。ESMFはまた、NASAゴダード宇宙飛行センターにおける新しいモデル、ゴダード地球観測システム（GEOS）大気大循環モデルの構築の基礎としても使用されました。
ESMFの最初の資金提供サイクルが終わりに近づくにつれ、協力者たちは、ESMFが次の資金提供サイクルに向けて複数の機関の支援を受ける組織へと移行する方法を記述したプロジェクト計画を作成した。主要な5年間の新規助成金は、気候変動と変動性に関するモデリング分析予測（MAP）プログラムを通じてNASAから、また国防総省戦闘空間環境研究所から提供された。国立科学財団（NSF）は、 NCARの中核資金を通じて開発チームの一部への資金提供を継続した。宇宙天気や堆積物輸送など、多様な分野で、ESMFを基盤とした小規模なアプリケーション導入プロジェクトが多数資金提供を受けた。
また、最初の資金提供期間の終わりに、ESMFの共同研究者たちはESMFの今後の方向性に関するホワイトペーパーを作成しました。このホワイトペーパーは、ESMF（およびその他のソフトウェアフレームワーク）とデータサービスを組み合わせ、エンドツーエンドのモデリングワークフローをサポートする計算環境を構築するためのNSFへの提案の基礎となりました。
2008年に、米国海軍、国立気象局、米国空軍による気象予報の共同プロジェクトである国家統合運用予測能力（NUOPC）のプロジェクトマネージャーが任命された。[ 2 ]