Projet ANR-11-MONU-0010 – PULSATION : Simulation multi-échelle  couplée océan-atmosphère sur calculateur peta scale
Programme : Modèles Numériques (MN)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur sebastien MASSON (CNRS - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B)
Partenaires : BULL SAS; Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques; Laboratoire d'Études en Géophysique et Océanographie Spatiales; Sciences de l'Univers au Cerfacs; MERCATOR OCEAN
Montant : 582666.0 euros
Durée : 39 mois
Résumé : Impact des phénomènes de petite échelle sur les biais systématiques des modèles de climatRéduction des biais systématiques des modèles numérique de climat en reproduisant explicitement les phénomènes de petite échelle dans certaines zones de faible extension, mais néanmoins déterminante pour le climat à grande échelle, à l’aide d’un nouveau type de simulations océan-atmosphère dites « multi-échelles » sur calculateur pétaflopique.
Quantifier les processus de petite échelle déterminants pour le climat à grande échelleLa compréhension du climat est l'un des enjeux scientifiques majeurs de ce siècle. Malgré les progrès réalisés tant dans la compréhension de la physique du climat, que dans la puissance des supers calculateurs, la source majeure de la plupart des biais des modèles climatiques réside dans l’absence d’une représentation adéquate de certains phénomènes de petite échelle (=10km). L’arrivée de machines pétaflopiques, telle que Curie en France, change la donne et permet d’augmenter drastiquement la densité du maillage de calcul utilisé dans les modèles de climat et habituellement limité à ~100km. Le but de notre projet est double : quantifier l’amélioration des simulations en fonction de l’augmentation de la résolution spatiale de la maille utilisée et déterminer si il est possible d’améliorer les résultats, à moindre coût, en augmentant la résolution uniquement dans certaines régions où ont lieu des phénomènes de petite échelle connus pour avoir un fort impact sur le climat à grande échelle. Nous nous concentrerons en particulier sur certaines zones côtières caractérisées par des remontées d’eaux profondes et froides vers la surface qui, bien que représentant pourtant moins de 1% de la surface du globe, sont déterminantes pour le climat de l’ensemble de la ceinture tropicale.La réalisation de ce projet aboutira à la mise au point et l’implémentation sur calculateur pétaflopique, d’un nouveau type de modèle numérique océan-atmosphère dans grâce auquel il sera possible de réduire les biais systématiques, à moindre coût, en augmentant localement la résolution horizontale afin de mieux reproduire certains phénomènes de petite échelle déterminants pour le climat à grande échelle.
Simulations multi-échelle couplée océan-atmosphère sur calculateur pétaflopiqueNotre approche vise à la construction du premier modèle numérique océan-atmosphère multi-échelle, en introduisant des zooms océaniques et atmosphériques régionaux à haute résolution, dans plusieurs régions clés d'un modèle climatique global. En suivant cette stratégie, nous serons en mesure de représenter les principaux processus dynamiques océaniques et atmosphériques de fine échelle dans les régions climatiques cruciales, et de permettre à ces climats régionaux de rétroagir sur le climat à grande échelle. La puissance de calcul de Curie nous permet de réaliser une série de simulations dans lesquelles nous augmenterons graduellement la résolution spatiale du modèle jusqu’à atteindre une résolution spatiale de 9km sur certaines régions clés (comme le Pacifique sud-est) ou l’ensemble du domaine d’étude, ce qui représente un surcoût de calcul maximum de 1000 par rapport aux simulations que nous réalisons habituellement. Chaque composante (océan, atmosphère et coupleur) de notre modèle est l’aboutissement d’environ deux décennies de recherche. Elles sont dotées d'une architecture logicielle massivement parallèle et d’une possibilité de raffinement de maillage qu’il faudra adapter pour notre étude.La validation des résultats du modèle à l’aide d’observations de température, vents, courants, precipitations, etc… nous permettra de quantifier les améliorations des simulations en fonction de l’augmentation de la résolution horizontale. La confrontation des résultats issus de simulations bénéficiant de la très haute résolution sur l’ensemble du domaine ou seulement dans les régions côtières, indiquera, de plus, dans quelle mesure les biais du modèle peuvent être réduits en concentrant la puissance de calcul uniquement sur ces régions clés.
Résumé de la soumission : La modélisation du climat est devenu l'un des principaux défis techniques et scientifiques du siècle, une vive polémique ayant surgi sur les questions du changement climatique. Une des limitations les plus importantes des modèles climatiques, couplant composante océanique et atmosphérique, est la faible résolution spatiale (~ 100 km) imposée par le coût de calcul. Cette contrainte limite considérablement le réalisme des processus physiques paramétrés dans les modèles. L'arrivée imminente des machines pétaflopiques en France offre l'occasion unique d'élaborer de nouveaux modèles climatiques, dans le but de réduire les biais et les incertitudes récurrentes, dans des simulations climatiques et pour des projections à long terme du changement global.Dans ce projet, nous proposons d'explorer de nouvelles voies vers une meilleure représentation de la physique multi-échelle forçant la variabilité climatique. Nous chercherons à identifier et quantifier les mécanismes clés dit d' "upscaling" (ou remontée d'échelle), par lequels les petites erreurs localisées ont un effet de rétroaction sur les grandes échelles du climat. Nos efforts porteront sur le transfert d'échelle des principaux processus en cours dans les zones côtières d'upwelling, lesquelles détiennent les plus forts biais dans les tropiques. Notre effort se concentrera sur deux régions d'upwelling, la mer d'Arabie et le Pacifique Sud-Est, très différentes dans leurs caractéristiques et impacts sur le climat (El Niño et la Mousson indienne). Notre approche vise à construire une plate-forme de modélisation pour la réalisation de simulations couplées océan-atmosphère multi-échelle, en introduisant des modèles dit « zooms » océaniques et atmosphériques à haute résolution, dans ces deux régions, au sein d'un modèle climatique global. En suivant cette stratégie, nous serons en mesure de représenter les fines échelles océaniques et atmosphériques des processus dynamiques, et de permettre aux processus régionaux de rétroagir sur le climat global. Pour atteindre cet objectif, nous utiliserons des modèles performants et éprouvés: NEMO pour l'océan, WRF pour l'atmosphère et OASIS pour le coupleur. WRF et NEMO sont parmi les rares modèles capables de fonctionner à l'échelle globale et d'intégrer des zooms régionaux imbriqués. Ils sont également particulièrement intéressant pour la communauté HPC car ce sont les deux seuls modèles de la communauté climat figurant dans la liste du benchmark PRACE.Notre approche est incrémentale. Nous imbriquerons d'abord les zooms régionaux dans une seule composante (océan ou atmosphère) du système. La comparaison des expériences avec et sans zoom permettra d'explorer les processus en jeu, et de quantifier leur impact sur le climat. Dans un deuxième temps nous imbriquerons plusieurs modèles régionaux entièrement couplés dans le modèle global, et étudierons l'impact de rétroaction des processus régionaux couplés vers le global. Enfin, nous augmenterons la résolution spatiale dans les modèles globaux et régionaux pour effectuer des simulations sur la machine pétaflopique Bullx "Curie". Nous quantifierons ainsi la sensibilité de nos résultats à la résolution spatiale. Pour réaliser ce travail, nous relèverons plusieurs défis techniques: développement d'une interface de couplage spécifique pour les zooms intégrés dans une grille globale, évaluation des performances de calcul pour la version parallélisée de l'ensemble, mise en œuvre et optimisation du modèle sur une machine pétaflopique.La réalisation de ce projet se concrétisera par la création de la première plate-forme de modélisation multi-échelle couplée océan-atmosphère, véritable pont entre les approches globales et régionales. Ce nouvel outil, inaccessible par les modèles climatiques actuels, offre une occasion unique d'améliorer sensiblement la prochaine génération de simulations climatiques.
Résultats : Les premiers 6 mois du projet ont été consacrés à la préparation et la participation au « Grand Challenge Curie » lors duquel nous avons implémenté, testé et fait tourner les modèles d’océan et d’atmosphère en mode forcé et couplé à une résolution spatiale de 9km (au lieu des 27km initialement prévu dans cette première partie du projet). La participation au « Grand Challenge Curie » est un projet pilote qui constitue défi technique et scientifique. Il faut réunir, au sein d’une même équipe, des compétences pointues sur la physique du climat, la modélisation et le calcul de haute performance pour déployer sur une machine nouvelle de la taille de Curie, des simulations au dimensionnement dépassant largement tout ce qui a été fait jusqu’à présent. Ce travail a nécessité un lourd investissement en terme de développements que ce soit au niveau du code (nouvelle version du coupleur et du serveur d’entrées-sorties dans l’océan) du pré et post-traitement (génération des états initiaux et des conditions aux limites de l’océan et l’atmosphère) ou que de l’environnement de travail (gestion, relance et pérennisation automatisée des simulations). Nos efforts ont été récompensés par la réalisation de simulations de 3 ans à très haute résolution (9km) qui ont tourné sur plus de 8000 cœurs de Curie en parallèle.
La finesse et le détail des phénomènes reproduits dans ces premières simulations dépasse de loin les résultats obtenus jusqu’à présent sur ces simulations couvant plus de la moitié du globe. Cette première étape marque le début d’un long travail d’analyse pour comprendre et interpréter ces nouveaux résultats qui ouvrent, d’ores et déjà, de nombreuses perspectives de recherche.
Perspectives : Le développement d’un modèle numérique océan-atmosphère multi-échelle offre l’opportunité unique d’améliorer significativement la prochaine génération de modèle de climat tout en gardant un coût de calcul raisonnable.
La méthodologie mise en place s’applique directement à de nombreuses autres questions qui agitent la recherche sur le climat : les cyclones, les interactions air-mer à petite échelle notamment dans les régions frontales comme le niveau du Gulf Stream, la localisation et la formation d’eau profonde qui alimente la circulation lente de l’océan à l’échelle du globe…
Publications et brevets : Ces premiers travaux ont fait l’objet de 2 articles généralistes (sans comité de relecture) qui présentent le projet et son intégration dans le paysage français du calcul de haute performance. Le premier article a été publié dans le bulletin d’information ORAP numéro 72. Le second article fera l’objet d’une publication dans un numéro spéciale de « La Recherche » consacré aux grands challenges qui ont tourné sur Curie.
Le projet et nos premiers résultats ont aussi été présentés à « l’international supercomputing conférence » 17-21/6/2012 à Hambourg (Allemagne) ainsi qu’au « 13th annual WRF users workshop » 25-29/6/2012 à Boulder (USA).