De nouveaux modèles à haute résolution réunissent la météo et le climat

Fortes pluies, averses de grêle et inondations : Les semaines passées ont clairement montré dans l'espace alpin et dans le nord-ouest de l'Europe les effets que peuvent avoir les intempéries extrêmes. Mais quel est le lien exact entre ces phénomènes météorologiques extrêmes et le réchauffement climatique ? Il s'agit d'une question clé pour les chercheurs qui s'intéressent aux interactions entre la météo et le climat ainsi qu'à leur modélisation.

Les modèles sont un moyen de comprendre ces interactions. Ils reproduisent les processus physiques de base afin de calculer les évolutions probables. Avec les modèles et les infrastructures informatiques actuels, les chercheurs se heurtent toutefois à des limites quant à la précision de leurs affirmations sur les relations entre le temps et le climat. C'est pourquoi l'ETH Zurich a lancé l'initiative de recherche EXCLAIM avec des partenaires. Celle-ci a pour but d'augmenter considérablement la résolution spatiale des modèles afin d'accro?tre leur précision et de simuler directement le temps dans un monde futur chaud à l'échelle mondiale.

Représenter la météo de manière transparente dans un modèle climatique

"En raison de leur haute résolution, les nouveaux modèles globaux représenteront des processus importants tels que les tempêtes et les systèmes météorologiques de manière beaucoup plus détaillée que ce n'était le cas jusqu'à présent. De cette manière, nous pourrons étudier beaucoup plus précisément comment les changements climatiques et les événements météorologiques s'influencent mutuellement", explique Nicolas Gruber, directeur d'EXCLAIM et professeur de physique environnementale.

EXCLAIM est multidisciplinaire : outre les climatologues du Centre de modélisation climatique de l'ETH (C2SM), des informaticiens de l'ETH, le Centre national suisse de supercalcul (page externeCSCS), le Centre suisse de science des données (page externeSDSC), l'Institut de recherche page externeEmpa ainsi que l'Office fédéral de météorologie et de climatologie. page externeMétéoSuisse. Cette collaboration vise non seulement à améliorer la modélisation de la recherche climatique, mais aussi les prévisions météorologiques de MétéoSuisse. Parmi les partenaires internationaux du projet figurent le service météorologique allemand (page externeDWD) et l'Institut Max Planck de météorologie (page externeMPI-M), qui a développé le système de modélisation page externeICON (Icosahedral Nonhydrostatic), qui constitue la base d'EXCLAIM, ainsi que le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (page externeCEPMMT), dont la Suisse est membre à part entière.

Les chercheurs visent un véritable saut d'échelle dans la résolution spatiale des modèles météorologiques et climatiques : Pour simuler le temps et le climat globaux avec tous leurs détails régionaux, leurs modèles posent une grille virtuelle tridimensionnelle sur le globe terrestre. Sur la base des lois de la physique, les chercheurs calculent ensuite dans leurs modèles les conditions climatiques respectives pour chaque point. Dans les modèles climatiques globaux, ces points sont aujourd'hui distants de 50 à 100 kilomètres. Dans EXCLAIM, les chercheurs visent à long terme une résolution de seulement un kilomètre.

La puissance de calcul des supercalculateurs actuels étant limitée, la météo ne peut jusqu'à présent être simulée avec une résolution aussi fine qu'à l'échelle régionale - et ce uniquement sur des périodes relativement courtes. Dans les nouveaux modèles, les chercheurs veulent désormais atteindre cette résolution à mailles fines à l'échelle mondiale, afin de simuler les phénomènes météorologiques dans une perspective climatique globale de manière beaucoup plus précise qu'auparavant. C'est comme si l'on équipait les modèles climatiques globaux d'une fonction de zoom supplémentaire pour les événements à petite échelle.

"Les nouveaux modèles permettent également de faire des 'prévisions météorologiques' dans le climat futur et de trouver des réponses sur la manière dont des événements extrêmes tels que les fortes précipitations de cet été pourraient se produire à l'avenir", explique Christof Appenzeller, responsable de la division Analyse et prévisions de MétéoSuisse.

Infrastructure à haute performance pour les simulations climatiques

Pour que les nouveaux modèles puissent faire valoir leurs avantages, une infrastructure informatique sur mesure est nécessaire. Enfin, les modèles météorologiques et climatiques font partie des problèmes qui nécessitent le plus de calculs et de données. Chez EXCLAIM, les modèles sont donc développés main dans la main avec le matériel et les logiciels de supercalculateurs : "L'infrastructure de calcul et de données est entièrement mise en place en fonction des exigences des modèles météorologiques et climatiques", explique Thomas Schulthess, le directeur du Centre national suisse de supercalcul à Lugano. Le nouveau système de supercalcul "Alps" est par exemple construit de manière à ce que les modèles climatiques à haute résolution puissent également bien représenter les systèmes convectifs comme les orages.

Pour que le temps et le climat puissent effectivement être simulés à l'échelle mondiale et sur des décennies avec une maille de quelques kilomètres, le modèle doit fonctionner environ 100 fois plus vite que ce qui est actuellement possible. La première possibilité pour atteindre cet objectif est d'utiliser des ordinateurs plus rapides et plus grands. Le passage du supercalculateur actuel du CSCS au système "Alps" y contribuera.

La fin de la "loi de Moore", selon laquelle la puissance des processeurs double environ tous les 20 mois, constitue un défi à cet égard : "Comme la performance sérielle des processeurs n'a pas pu être augmentée depuis une quinzaine d'années, la seule possibilité d'accro?tre la performance des superordinateurs consiste à améliorer leur architecture de calcul parallèle", explique Thomas Schulthess, qui ajoute : "Il vaut en outre la peine d'aménager l'architecture d'un superordinateur de manière à ce qu'il puisse résoudre de manière optimale certaines classes de problèmes de recherche." Une architecture informatique mixte joue un r?le important pour la puissance de calcul, dans laquelle les processeurs principaux traditionnels, les CPU (en anglais "Central Processing Units"), responsables des calculs et de l'échange de données entre la mémoire et les composants, sont utilisés conjointement avec les GPU (en anglais "Graphical Processing Units").

La deuxième possibilité intervient au niveau du logiciel et consiste à optimiser le code du modèle et à mieux l'adapter à l'architecture de calcul mixte. EXCLAIM adopte ici une approche révolutionnaire, dans laquelle le code source est divisé en une première partie, qui constitue l'interface avec les développeurs et les utilisateurs du modèle, et une infrastructure logicielle sous-jacente, dans laquelle les algorithmes centraux du modèle sont implémentés de manière très efficace pour le matériel concerné. Le CSCS, MétéoSuisse et le C2SM appliquent déjà cette approche avec succès dans le modèle météorologique actuel de MétéoSuisse. Leur approche est maintenant appliquée au modèle météorologique et climatique ICON. "Gr?ce à cette approche, nous avons pu accélérer le modèle météorologique de MétéoSuisse d'un facteur 10, ce qui a permis à MétéoSuisse d'améliorer la fiabilité de ses prévisions", explique Schulthess.

Gérer le flot de données

La simple vitesse de calcul n'est pas décisive pour les matchs : lorsque la résolution des modèles augmente, les volumes de données augmentent massivement. De plus, la recherche météorologique et climatique nécessite et produit des données très différentes. Pour le débit effectif, il est tout aussi décisif que les ordinateurs puissent accéder le plus rapidement possible aux données et réécrire les résultats sur des supports de stockage. Les processus de calcul doivent être organisés en conséquence, en maximisant la bande passante de stockage et en évitant les transferts de données co?teux. "Pour que les nouveaux modèles météorologiques et climatiques produisent des résultats utiles, nous devons optimiser l'ensemble de l'infrastructure. Pour cela, nous appliquons l'expérience acquise au cours de nombreuses années de collaboration avec MétéoSuisse et le Domaine des EPF", explique Schulthess.