Technologie: L'Europe construit un `` jumeau numérique '' de la Terre pour révolutionner les prévisions climatiques

L'Union européenne est en train de finaliser des plans pour un ambitieux «jumeau numérique» de la planète Terre qui simulerait l'atmosphère, l'océan, la glace et la terre avec une précision inégalée, fournissant des prévisions d'inondations, de sécheresses et d'incendies de plusieurs jours à plusieurs années à l'avance. Destination Terre, comme on l'appelle l'effort, ne s'arrêtera pas là: elle tentera également de capturer le comportement humain, permettant aux dirigeants de voir les impacts des événements météorologiques et du changement climatique sur la société et d'évaluer les effets des différentes politiques climatiques.

«C'est une mission vraiment audacieuse, je l'aime beaucoup», déclare Ruby Leung, climatologue au Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du Département américain de l'énergie (DOE). En rendant l'atmosphère de la planète dans des boîtes à seulement 1 kilomètre de diamètre, une échelle de fois plus fine que les modèles climatiques existants, Destination Earth peut baser ses prévisions sur des données en temps réel beaucoup plus détaillées que jamais. Le projet, qui sera décrit en détail dans deux ateliers plus tard ce mois-ci, démarrera l'année prochaine et fonctionnera sur l'un des les trois supercalculateurs que l'Europe déploiera en Finlande, en Italie et en Espagne.

Destination Earth est née des cendres de la Terre Extrême, une proposition menée par le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) pour un programme de recherche phare d'un milliard d'euros. L'Union européenne a finalement annulé le programme phare, mais a conservé son intérêt pour l'idée. Les craintes de voir l'Europe prendre du retard par rapport à la Chine, au Japon et aux États-Unis en matière de calcul intensif ont conduit à l'entreprise commune européenne de calcul haute performance, un investissement de 8 milliards d'euros pour jeter les bases d'éventuelles machines «exascale» capables de réaliser 1 milliard de milliards de calculs par seconde . La proposition dormante Extreme Earth offrait une utilisation parfaite pour une telle capacité. «Cela insuffle une âme dans votre infrastructure numérique», déclare Peter Bauer, directeur adjoint de la recherche de l'ECMWF, qui a coordonné Extreme Earth et a conseillé l'Union européenne sur le nouveau programme.

Les modèles climatiques typiques fonctionnent à des résolutions de 50 ou 100 kilomètres; même les plus grands comme le modèle «européen» de l'ECMWF parcourent 9 kilomètres. La résolution d'un kilomètre du nouveau modèle lui permettra de rendre directement la convection , le transport vertical de la chaleur critique à la formation des nuages ​​et des tempêtes, plutôt que de s'appuyer sur une approximation algorithmique. «J'appelle cela la troisième dimension de la modélisation du climat», déclare Bjorn Stevens, climatologue à l'Institut Max Planck de météorologie. Le modèle simulera également l'océan avec suffisamment de détails pour capturer le comportement des tourbillons tourbillonnants qui sont d'importants vecteurs de chaleur et de carbone.

Au Japon, des essais pionniers d'un modèle climatique mondial d'un kilomètre ont montré que la simulation directe des tempêtes et des tourbillons conduit à de meilleures prévisions de précipitations à court terme. Mais il devrait également améliorer les prévisions climatiques sur des périodes de plusieurs mois et années. Des travaux récents ont montré que les modèles climatiques ne captent pas les changements prévisibles des régimes de vent qui entraînent des variations de la température et des précipitations régionales - probablement parce que les modèles ne parviennent pas à reproduire les tempêtes et les tourbillons .

La haute résolution permettra également à Destination Earth de baser ses prévisions sur des données plus détaillées. Les modèles météorologiques absorbent les observations de température et de pression des satellites, des stations météorologiques, des avions et des bouées pour guider leurs simulations. Mais les grilles grossières signifient que les modèles ne peuvent pas assimiler des mesures qui ne sont pas bien moyennes ou qui couvrent de larges zones, telles que des fractures qui s'ouvrent dans la glace de mer. Destination Earth comblera cet écart, déclare Sandrine Bony, spécialiste des nuages ​​à l'Institut Pierre Simon Laplace. «Les échelles résolues sont plus proches des échelles mesurées.»

Le modèle intégrera également des données en temps réel illustrant la pollution atmosphérique, la croissance des cultures, les incendies de forêt et d'autres phénomènes connus pour affecter le temps et le climat, déclare Francisco Doblas-Reyes, un scientifique du système terrestre au Barcelona Supercomputing Center. «Si un volcan s'éteint demain, c'est important pour le risque de défaillance des précipitations tropicales dans quelques mois.» Et il intégrera des données sur la société, telles que la consommation d'énergie, les schémas de circulation et les mouvements humains (tracés par les téléphones portables).

L'objectif est de permettre aux décideurs politiques d'évaluer directement l'impact du changement climatique sur la société et comment la société pourrait modifier la trajectoire du changement climatique. Par exemple, le modèle pourrait prédire comment le changement climatique affectera les modèles d'agriculture et de migration au Brésil - et aussi comment les réductions des subventions à l'éthanol pourraient limiter la déforestation en Amazonie. Actuellement, les climatologues extraient les résultats régionaux des modèles climatiques mondiaux et les transmettent à des experts en agriculture ou en économie pour comprendre les effets sur le comportement humain. Aujourd'hui, déclare Erin Coughlan de Perez, spécialiste des risques climatiques au Centre climatique de la Croix-Rouge et du Croissant-Rouge, les modélisateurs «passent de la simple prévision du temps à ce que le temps fera».

Y arriver ne sera pas facile. Les supercalculateurs Exascale reposent à la fois sur des puces informatiques traditionnelles et sur des unités de traitement graphique (GPU), qui sont efficaces pour gérer des calculs intensifs. Les GPU sont parfaits pour exécuter des composants de modèle en parallèle et entraîner des algorithmes d'intelligence artificielle - deux techniques sur lesquelles Destination Earth s'appuiera pour améliorer les performances. Mais l'ancien code de modélisation climatique devra être retravaillé. L'ECMWF a une longueur d'avance: il adapte son modèle de prévision à un environnement basé sur GPU et l'a testé l'année dernière à une résolution de 1 kilomètre pendant 4 mois simulés sur Summit , le supercalculateur américain qui était le plus rapide au monde jusqu'à ce qu'une machine japonaise l'éclipse récemment.

La quantité massive de données générées par le modèle sera un problème en soi. Lorsque l'équipe japonaise a mené son expérience à l'échelle d'un kilomètre, il a fallu six mois pour extraire quelque chose d'utile de quelques jours de données, dit Doblas-Reyes. «Il y a un goulot d'étranglement lorsque nous essayons d'accéder aux données et de faire quelque chose d'intelligent avec.» Une grande partie de Destination Earth résoudra ce problème, en concevant des moyens d'analyser les résultats des modèles en temps réel.

En tant que système opérationnel, Destination Earth fonctionnera probablement à plusieurs échelles de temps, dit Bauer. L'un sera presque quotidien, ciblant peut-être des événements météorologiques extrêmes individuels des semaines ou des mois dans le futur. Les exécutions dans l'autre mode - les prévisions à long terme - seraient moins fréquentes: peut-être une prédiction sur dix ans du climat faite tous les six mois environ. «Si cela fonctionne, cela pourrait être un modèle à suivre pour d'autres pays», d'après Bauer.

Les Européens ne sont pas seuls à planifier des modèles climatiques exascale. «Nous nous dirigeons également dans cette direction, mais nous n'avons pas encore atteint ce niveau d'effort», déclare Leung, qui est scientifique en chef du modèle de système terrestre du DOE.

Stevens dit qu'il est passionnant d'être impliqué dans un système d'information à l'échelle planétaire qui peut révéler non seulement l'effet papillon proverbial dans le temps et le climat, mais aussi comment les actions humaines locales se manifestent à l'échelle mondiale. «C'est l'histoire de la mondialisation. C'est l'histoire de l'Anthropocène. Et c'est la plateforme scientifique qui vous permettra de les explorer. »

 

AGM

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