De nouveaux modèles à haute résolution fusionnent le temps et le climat
Pluies torrentielles, tempêtes de grêle et inondations dans la région alpine et le nord-ouest de l'Europe: ces dernières semaines ont mis en évidence les effets des orages violents. Mais quel est le lien exact entre les phénomènes météorologiques extrêmes et le réchauffement de la planète? C'est l'une des questions centrales des chercheur·ses qui étudient et modélisent l'interaction entre le temps et le climat.
En représentant les processus physiques fondamentaux sous-jacents, les modèles constituent outil très puissant pour comprendre ces interactions. Mais les modèles actuels et l'infrastructure informatique nécessaire ont atteint un mur, limitant la mesure dans laquelle les chercheur·ses peuvent tirer des conclusions sur la façon dont, par exemple, le changement climatique affecte les conditions météorologiques extrêmes. Pour surmonter ce problème, l'ETH Zurich s'est associée à des partenaires pour lancer l'initiative de recherche EXCLAIM. Ce projet vise à augmenter considérablement la résolution spatiale des modèles, améliorant ainsi leur précision dans la simulation du temps à l'échelle mondiale dans un monde futur plus chaud.
Des simulations météorologiques sans faille dans les modèles climatiques
«Grâce à leur haute résolution, les nouveaux modèles mondiaux simuleront des processus clés tels que les tempêtes et les systèmes météorologiques de manière beaucoup plus détaillée qu'auparavant, ce qui nous permettra d'étudier l'interaction entre le changement climatique et les événements météorologiques avec beaucoup plus de précision», explique Nicolas Gruber, chercheur principal d'EXCLAIM et professeur de physique environnementale.
EXCLAIM est interdisciplinaire: outre les climatologues du Centre de modélisation des systèmes climatiques (C2SM) de l'ETH Zurich, des informaticien·nes de l'ETH Zurich, le Centre national suisse de calcul scientifique (CSCS), le Centre suisse de calcul scientifique (SDSC), le Laboratoire fédéral pour l'étude des matériaux et la technologie (Empa) et l'Office fédéral de météorologie et de climatologie MétéoSuisse sont tous impliqués dans le projet. Cette collaboration permettra non seulement d'améliorer la modélisation du climat, mais aussi de rendre plus fiables les prévisions météorologiques fournies par MétéoSuisse. Les partenaires internationaux du projet comprennent le service météorologique national allemand, Deutscher Wetterdienst (DWD), et l'Institut Max Planck de météorologie (MPI-M), qui ont développé ensemble le modèle ICON (Icosahedral Nonhydrostatic) - la base d'EXCLAIM - ainsi que le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), dont la Suisse est membre à part entière.
Avec EXCLAIM, les chercheur·ses visent à augmenter radicalement la résolution spatiale des modèles météorologiques et climatiques. Pour simuler les conditions météorologiques et climatiques mondiales avec tous leurs détails régionaux, ces modèles placent une grille tridimensionnelle virtuelle sur la Terre. Les chercheur·ses utilisent ensuite les lois de la physique pour calculer les conditions climatiques respectives de chaque cellule de leurs modèles. Les modèles climatiques mondiaux actuels ont généralement des cellules de grille d'une largeur de 50 à 100 kilomètres. À long terme, les chercheur·ses d'EXCLAIM ont pour objectif de porter la résolution à un kilomètre seulement.
Dans le passé, étant donné la puissance de calcul limitée des superordinateurs modernes, seules des conditions météorologiques régionales pouvaient être simulées avec une grille aussi fine - et pour des périodes relativement courtes tout au plus. Avec les nouveaux modèles, les chercheur·ses espèrent maintenant atteindre cette fine résolution à l'échelle mondiale, ce qui leur permettra de simuler des modèles météorologiques d'un point de vue climatique global et de manière beaucoup plus précise. Cela revient à donner aux modèles climatiques mondiaux une fonction de zoom supplémentaire pour les événements à petite échelle. «En outre, les nouveaux modèles ouvriront la voie à la prévision du temps dans le climat futur, en apportant des réponses à la question de savoir à quoi pourraient ressembler à l'avenir des phénomènes météorologiques extrêmes tels que les pluies torrentielles que nous avons connues cet été», explique Christof Appenzeller, responsable de l'analyse et des prévisions à MétéoSuisse.
Une infrastructure puissante pour les simulations climatiques
Une infrastructure informatique personnalisée est essentielle pour tirer le meilleur parti des nouveaux modèles. Les modèles météorologiques et climatiques comptent parmi les problèmes de calcul les plus complexes et les plus gourmands en données qui soient. C'est pourquoi les modèles EXCLAIM sont développés en parallèle avec le matériel et les logiciels des superordinateurs. «L'infrastructure de calcul et de données est adaptée aux exigences exactes des modèles météorologiques et climatiques», explique Thomas Schulthess, directeur du Centre national suisse de calcul scientifique (CSCS) à Lugano. Par exemple, le nouveau système de supercalcul Alps est configuré pour permettre aux modèles climatiques à haute résolution de résoudre correctement les systèmes convectifs, tels que les orages.
Pour simuler efficacement le temps et le climat à l'échelle mondiale sur plusieurs décennies avec une largeur de grille de quelques kilomètres seulement, le modèle devra fonctionner environ 100 fois plus vite que ce qui est actuellement possible. La première option pour atteindre cet objectif est de déployer des ordinateurs plus rapides et plus puissants. Le passage du superordinateur actuel du CSCS au système Alps sera déterminant à cet égard.
L'un des défis de mettre fin de la loi de Moore, selon laquelle les performances des processeurs doublent environ tous les 20 mois. «Comme les performances en série des processeurs n'ont pas augmenté depuis environ 15 ans, la seule façon d'améliorer les performances des superordinateurs est d'améliorer leur architecture de traitement parallèle», explique Thomas Schulthess. «En outre, il est utile de configurer l'architecture du superordinateur de manière à lui permettre de résoudre des catégories de problèmes de recherche de manière optimale.» La clé pour fournir la puissance de calcul requise réside ici dans une architecture informatique hybride dans laquelle les CPU (unités centrales de traitement) classiques, responsables de l'exécution des calculs et du partage des données entre la mémoire et les composants, sont déployés conjointement avec les GPU (unités de traitement graphique).
La deuxième option concerne le logiciel, à savoir l'optimisation du code du modèle pour qu'il tire pleinement parti de l'architecture informatique hybride. EXCLAIM adopte une approche révolutionnaire en divisant le code source en deux parties: une première partie qui représente l'interface pour les développeur·ses et les utilisateur·ices du modèle, et une partie infrastructure logicielle sous-jacente dans laquelle les algorithmes centraux du modèle sont mis en œuvre avec un haut degré d'efficacité pour le matériel respectif. Le CSCS, MétéoSuisse et le C2SM ont déjà utilisé cette approche dans le modèle météorologique actuel de MétéoSuisse avec un grand succès. Cette approche est maintenant appliquée au modèle météorologique et climatique ICON. «Nous avons pu accélérer le modèle météorologique de MétéoSuisse d'un facteur dix, ce qui a permis d'améliorer la fiabilité des prévisions de MétéoSuisse», explique Thomas Schulthess.
Gérer le flot de données
La vitesse de calcul n'est pas le seul facteur décisif. L'augmentation de la résolution des modèles entraîne également une explosion des données. En outre, la recherche météorologique et climatique nécessite et produit une grande diversité de données. Pour garantir un débit efficace, il est tout aussi crucial que les ordinateurs soient capables d'accéder aux données et d'écrire les résultats sur les supports de stockage aussi rapidement que possible. Les processus informatiques doivent être organisés en conséquence, tout en maximisant la bande passante de la mémoire et en évitant les transferts de données coûteux. «Pour que les nouveaux modèles météorologiques et climatiques produisent des résultats utiles, nous devons optimiser l'ensemble de l'infrastructure. Pour ce faire, nous nous appuyons sur l'expertise acquise au cours de nombreuses années de collaboration avec MétéoSuisse et le domaine des EPF», explique Thomas Schulthess.
Avec un nouveau modèle météorologique performant pour des estimations plus précises des émissions de gaz à effet de serre
Le projet EXCLAIM de l'ETH Zurich, auquel l'Empa participe en tant que partenaire externe, développe un modèle météorologique et climatique très performant qui utilise de manière optimale les possibilités offertes par la dernière génération d'ordinateurs à haute performance et innove en matière de programmation. Le point de départ de ce développement est le modèle ICON, qui a été principalement développé par le service météorologique allemand et l'Institut Max Planck de météorologie, et qui sera utilisé à l'avenir par MétéoSuisse pour ses prévisions météorologiques.
Les modèles atmosphériques, cependant, peuvent être utilisés non seulement pour les prévisions météorologiques et climatiques, mais aussi pour simuler la qualité de l'air ou la dispersion des polluants, par exemple lors d'éruptions volcaniques ou d'incidents nucléaires.
L'Empa utilise de tels modèles pour estimer les émissions de gaz à effet de serre de sources individuelles ou de pays entiers en comparant les concentrations simulées avec des mesures, par exemple les mesures de l'Empa au Jungfraujoch. Leurs estimations des émissions suisses de méthane et de protoxyde d'azote sont publiées dans l'Inventaire national des gaz à effet de serre, qui est remis chaque année par la Suisse à la CCNUCC dans le cadre de l'Accord de Paris sur le climat. L'Empa fournit ainsi un examen précieux et indépendant de l'inventaire publié annuellement.
Pour réaliser des simulations à une résolution de quelques kilomètres, jusqu'ici inaccessible, l'Empa s'appuiera à l'avenir sur le puissant modèle développé dans EXCLAIM. Pour cela, il faut simuler jusqu'à plusieurs centaines de réalisations différentes des concentrations d'un gaz à effet de serre – un processus coûteux en temps de calcul qui, par le passé, n'était possible qu'avec une résolution spatiale grossière. Il permettra également d'utiliser les mesures des futurs satellites qui mesurent la distribution globale du CO2 et du méthane pour estimer les émissions. (Dominik Brunner, Amanda Caracas)
