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 impacts des orages violents. Mais comment exactement les événements météorologiques extrêmes sont-ils liés au réchauffement climatique ? C’est l’une des questions centrales pour les chercheurs qui étudient et modélisent l’interaction entre le temps et le climat.

En représentant les processus physiques fondamentaux sous-jacents, les modèles sont un outil très puissant pour comprendre ces interactions. Mais les modèles actuels et l’infrastructure informatique requise ont atteint une limite, limitant la mesure dans laquelle les chercheurs 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 climat à l’échelle mondiale dans un monde futur plus chaud.

Des simulations météorologiques parfaites 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, nous permettant d’étudier l’interaction du changement climatique et des événements météorologiques avec beaucoup plus de précision », explique Nicolas Gruber. EXCLAIM chercheur principal et professeur de physique de l’environnement.

EXCLAIM est interdisciplinaire : en collaboration avec des climatologues du Centre de modélisation des systèmes climatiques de l’ETH (C2SM), des informaticiens de l’ETH, du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS), du Centre suisse des sciences des données (SDSC), des Laboratoires fédéraux suisses pour la science des matériaux et de la technologie (Empa) et MétéoSuisse, l’Office fédéral de météorologie et de climatologie, sont impliqués dans le projet. Cette collaboration permettra non seulement d’améliorer la modélisation climatique, mais aussi de fiabiliser les prévisions météorologiques fournies par MétéoSuisse. Les partenaires internationaux du projet comprennent le Service météorologique national allemand, le Deutscher Wetterdienst (DWD) et le Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M), qui ont développé ensemble le modèle ICON (Non-Hydrostatic Icosahedral), le fondement d’EXCLAIM, ainsi que le Centre Européen. pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF), dont la Suisse est membre à part entière.

Avec EXCLAIM, les chercheurs visent à augmenter radicalement la résolution spatiale des modèles météorologiques et climatiques. Pour simuler la météo et le climat mondiaux dans tous leurs détails régionaux, ces modèles placent une grille virtuelle tridimensionnelle sur Terre. Les chercheurs utilisent ensuite les lois de la physique pour calculer les conditions météorologiques respectives pour chaque cellule de leurs modèles. Les modèles climatiques mondiaux actuels ont généralement des mailles de 50 à 100 kilomètres de large. À long terme, les chercheurs d’EXCLAIM visent à augmenter la résolution à seulement un kilomètre.

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Dans le passé, étant donné la puissance de calcul limitée des superordinateurs modernes, la météo régionale ne pouvait être simulée qu’avec une grille aussi fine, et pour des périodes de temps relativement courtes au maximum. Avec les nouveaux modèles, les chercheurs espèrent maintenant atteindre cette excellente résolution dans le monde entier, leur permettant de simuler les modèles météorologiques du point de vue du climat mondial et avec une focalisation beaucoup plus précise. C’est comme donner aux modèles climatiques mondiaux une fonction de zoom supplémentaire pour les événements à petite échelle. « De plus, les nouveaux modèles ouvriront la voie à la « prévision » de la météo dans le futur, en fournissant des réponses sur la façon dont des événements météorologiques extrêmes comme la pluie torrentielle que nous avons connue cet été pourraient ressembler à l’avenir », a déclaré Christof Appenzeller, directeur analyse et prévision dans 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 sont parmi les problèmes de calcul les plus complexes et les plus gourmands en données, c’est pourquoi les modèles EXCLAIM sont développés en parallèle avec du matériel et des logiciels de superordinateur. «L’infrastructure de calcul et de données s’adapte aux exigences exactes des modèles météorologiques et climatiques», explique Thomas Schulthess, directeur du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS) à Lugano. Par exemple, le nouveau système de calcul intensif « Alps » est configuré pour permettre aux modèles climatiques à haute résolution de résoudre de manière adéquate 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, le modèle devra fonctionner environ 100 fois plus vite qu’il n’est actuellement possible. La première option pour atteindre cet objectif est de mettre en œuvre des ordinateurs plus rapides et plus puissants. Le passage du supercalculateur actuel du CSCS au système « Alps » sera déterminant à cet égard.

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L’un des défis consiste à mettre fin à la « loi de Moore » selon laquelle les performances du processeur doublent environ tous les 20 mois. « Étant donné que le processeur n’a pas augmenté les performances série depuis environ 15 ans, la seule façon d’améliorer les performances du supercalculateur est d’améliorer son architecture de traitement parallèle », explique Schulthess. « De plus, il vaut la peine de configurer l’architecture du supercalculateur spécifiquement pour lui permettre de résoudre des classes de problèmes de recherche de manière optimale. » La clé pour fournir la puissance de calcul nécessaire réside ici dans une architecture informatique hybride dans laquelle les CPU (unités centrales de traitement) classiques, chargés d’effectuer les calculs et de partager les données entre la mémoire et les composants, sont implémentés aux côtés des GPU (unités de traitement graphique).

La seconde option concerne le logiciel, à savoir l’optimisation du code du modèle pour s’assurer qu’il profite pleinement 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 développeurs et les utilisateurs du modèle ; et une partie de l’infrastructure logicielle sous-jacente dans laquelle les algorithmes de base du modèle sont mis en œuvre avec un degré élevé d’efficacité pour le matériel respectif. Le CSCS, MétéoSuisse et 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, améliorant ainsi la fiabilité des prévisions de MétéoSuisse », explique Schulthess.

Gérer le flot de données

La vitesse de calcul à elle seule n’est pas le facteur décisif. L’augmentation de la résolution des modèles conduit également à une explosion des données. Par ailleurs, la recherche météorologique et climatique requiert et produit une grande diversité de données. Pour garantir des performances efficaces, il est également crucial que les ordinateurs puissent accéder aux données et 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 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. À cette fin, nous nous appuyons sur l’expérience acquise au cours de nombreuses années de collaboration avec MétéoSuisse et le domaine des EPF », déclare Schulthess.

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Un nouveau modèle météorologique performant conduit à des estimations plus précises des émissions de gaz à effet de serre

Dans le cadre du projet EXCLAIM de l’ETH, auquel l’Empa participe en tant que partenaire externe, un modèle météorologique et climatique à haute efficacité est en cours de développement qui tire pleinement parti des capacités de la dernière génération d’ordinateurs haute performance et innove dans la programmation pour obtenir il. . Le point de départ de ce développement est le modèle ICON, développé principalement par le Deutscher Wetterdienst (Service météorologique allemand) et l’Institut Max Planck de météorologie, et que MétéoSuisse utilisera à l’avenir pour ses prévisions météorologiques.

Cependant, les modèles atmosphériques peuvent être utilisés non seulement pour les prévisions météorologiques et climatiques, mais aussi pour simuler la qualité de l’air ou la dispersion des colonnes d’émissions de polluants, par exemple à partir d’éruptions volcaniques ou d’incidents nucléaires.

L’Empa utilise ces 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 dans le Jungfraujoch. Ses estimations des émissions suisses de méthane et d’oxyde nitreux sont publiées dans l’Inventaire national des gaz à effet de serre, que la Suisse soumet chaque année à la CCNUCC dans le cadre de l’Accord de Paris sur le climat. L’Empa propose ainsi un examen précieux et indépendant de l’inventaire publié chaque année.

Pour effectuer des simulations à une résolution jusqu’alors inaccessible de quelques kilomètres, l’Empa s’appuiera à l’avenir sur le puissant modèle développé par EXCLAIM. Cela nécessitera de simuler jusqu’à plusieurs centaines de réalisations différentes des concentrations d’un gaz à effet de serre, un processus complexe qui, dans le passé, n’était possible qu’avec une résolution spatiale approximative. Il permettra également d’utiliser les mesures des futurs satellites, qui mesurent la répartition mondiale du CO2 et du méthane pour l’estimation des émissions.