Un jumeau numérique de la Terre de haute précision

Afin d'atteindre la neutralité climatique d'ici 2050, l'Union européenne a lancé deux programmes ambitieux : "site externeGreen Deal" et "site externeStratégie numérique". En tant qu'élément clé pour la réussite de la mise en ?uvre, les climatologues et les informaticiens ont lancé l'initiative "site externeDestination Terre"qui débutera au milieu de cette année et durera jusqu'à dix ans. Pendant cette période, il est prévu de créer un modèle numérique de haute précision de la Terre, un jumeau numérique de la Terre, afin de représenter au mieux l'évolution du climat et les événements extrêmes dans l'espace et dans le temps.

Des données d'observation doivent être intégrées en permanence dans le jumeau numérique afin d'affiner en permanence le modèle numérique de la Terre pour surveiller l'évolution et prédire les éventuelles futures trajectoires (voies de développement). Outre les données d'observation traditionnellement utilisées pour les simulations météorologiques et climatiques, les chercheurs souhaitent intégrer dans le modèle de nouvelles données relatives aux activités humaines, également pertinentes pour le système climatique, de manière à ce que le " modèle virtuel du système terrestre " soit en mesure de fournir des informations sur l'ensemble de la planète.Modèle du système terrestre" reproduise l'ensemble des processus à la surface de la Terre, l'influence de l'homme en matière de gestion de l'eau, de la nourriture et de l'énergie, y compris les processus dans le système terrestre physique, de la manière la plus réaliste possible.

Système d'information pour la prise de décision

Le jumeau numérique de la Terre doit permettre de créer un système d'information qui développe et teste des scénarios montrant un développement plus durable, et donc de mieux informer les politiques. "Si l'on planifie par exemple une digue de deux mètres de haut en Hollande, je peux faire défiler les données dans mon jumeau numérique et vérifier si, selon toute probabilité, la digue protégera encore en 2050 contre les événements extrêmes attendus", explique Peter Bauer, directeur adjoint de la recherche à l'Institut de géomatique de l'Université de B?le. site externeCentre européen de prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT) et co-initiateur de Destination Earth. Le jumeau numérique doit également être utilisé pour la planification stratégique de l'approvisionnement en eau douce et en denrées alimentaires ou pour les parcs éoliens et les installations solaires.

Les forces motrices derrière "Destination Earth" sont le CEPMMT, la site externeAgence spatiale européenne (ESA), et l site externeOrganisation européenne pour l'utilisation de satellites météorologiques (EUMETSAT). Avec d'autres scientifiques du climat, Bauer fait avancer les aspects climatologiques et météorologiques du jumeau numérique de la Terre. Pour ce faire, les experts s'appuient sur le savoir-faire d'informaticiens de l'ETH Zurich et du site externeCentre national de calcul haute performance de la Suisse (CSCS), notamment sur les professeurs de l'ETH Torsten Hoefler, du Institut des systèmes de calcul haute performance et Thomas Schulthess, directeur du CSCS.

Pour réussir ce grand pas de la révolution numérique, il faut marier les Sciences de la Terre avec les sciences informatiques, souligne Bauer. Dans une publication qui vient de para?tre dans Nature Computational Science, l'équipe de chercheurs en sciences de la Terre et en sciences informatiques discute maintenant des mesures concrètes qu'ils souhaitent prendre pour faire avancer cette "révolution numérique des sciences du système terrestre", où ils voient les défis et où trouver des solutions possibles.

Modèles météorologiques et climatiques comme base

Dans cette publication, ils reviennent sur le développement constant des modèles météorologiques depuis les années 1940 - une histoire à succès qui s'est déroulée en toute discrétion. Les météorologues ont en quelque sorte fait ?uvre de pionniers en simulant des processus physiques sur des ordinateurs centraux. En tant que physicien et informaticien, Schulthess est donc convaincu que les modèles météorologiques et climatiques actuels sont idéaux pour montrer à d'autres disciplines scientifiques de toutes nouvelles manières d'utiliser efficacement les superordinateurs.

Par le passé, la modélisation météorologique et climatique a suivi différentes approches pour simuler le système terrestre. Alors que les modèles climatiques représentent un très large éventail de processus physiques, ils négligent typiquement les processus à petite échelle, qui sont pourtant essentiels pour les prévisions météorologiques, qui se concentrent sur un nombre plus restreint de processus. Le jumeau numérique réunira ces deux domaines et permettra de réaliser des simulations à haute résolution qui reflètent les processus complexes du système terrestre. Mais pour y parvenir, expliquent les scientifiques, il s'agit d'adapter les codes des programmes de simulation aux nouvelles technologies, qui promettent une puissance de calcul bien plus élevée.

Comme le développement des codes a stagné pendant des décennies du point de vue de l'informatique, les ordinateurs et les algorithmes disponibles aujourd'hui ne permettent guère de réaliser les simulations très complexes avec la résolution extrêmement élevée d'un kilomètre prévue. La recherche climatique a profité du fait que les nouvelles générations de processeurs lui ont permis de gagner en puissance sans devoir modifier fondamentalement ses programmes. Ce gain de performance gratuit à chaque nouvelle génération de processeurs s'est arrêté il y a environ 10 ans. Il en résulte que les programmes actuels ne peuvent souvent plus utiliser que 5 % de la puissance des processeurs traditionnels (CPU).

Pour obtenir les améliorations nécessaires, les auteurs soulignent la nécessité de la co-conception, c'est-à-dire du développement conjoint et simultané du matériel et des algorithmes, comme l'a démontré avec succès le CSCS au cours des dix dernières années. Ils suggèrent d'accorder une attention particulière aux structures de données génériques, à la discrétisation spatiale optimisée de la grille à calculer et à l'optimisation des longueurs de pas de temps. En outre, les scientifiques proposent de séparer les codes permettant de résoudre le problème scientifique des codes qui effectuent le calcul de manière optimale sur l'architecture du système en question. Cette structure de programme plus flexible permettrait une transition plus rapide et plus efficace vers les architectures futures.

Profiter de l'intelligence artificielle

Les auteurs voient également un grand potentiel dans l'intelligence artificielle (IA). Elle peut par exemple être utilisée pour l'assimilation des données ou le traitement des données d'observation et pour la représentation de processus physiques incertains dans les modèles ou pour la compression des données. L'IA permet ainsi d'accélérer les simulations et d'extraire les informations les plus importantes de grandes quantités de données. Les chercheurs partent toutefois du principe que l'utilisation de l'apprentissage automatique ne rend pas seulement les calculs plus efficaces, mais permet également de mieux décrire les processus physiques.

Les scientifiques considèrent leur document stratégique comme un point de départ vers la création d'un jumeau numérique de la Terre. Parmi les architectures informatiques disponibles aujourd'hui et dans un avenir proche, ils identifient les supercalculateurs basés sur des processeurs graphiques (GPU) comme l'option la plus prometteuse. Ils estiment que le fonctionnement d'un jumeau numérique à pleine échelle nécessite un système d'environ 20 000 GPU, dont la puissance électrique est estimée à 20MW. Tant pour des raisons économiques qu'écologiques, un tel ordinateur devrait être exploité dans un lieu où les émissions de CO₂-neutre est disponible en quantité suffisante.