Forte pluies, orages de grêle et inondations : Les dernières semaines dans la région alpine et dans le nord-ouest de l'Europe ont montré clairement comment les tempêtes extrêmes peuvent nous affecter. Mais quel est le lien exact entre les phénomènes météorologiques extrêmes et le réchauffement de la planète ? C'est une question essentielle pour les chercheurs qui travaillent sur les interactions entre le temps et le climat et leur modélisation.

Les modèles sont un moyen de comprendre ces interactions. Ils décrives les processus physiques de base afin de calculer les évolutions probables. Avec les modèles et les infrastructures informatiques d'aujourd'hui, les chercheurs se heurtent toutefois à des limites quant à l'exactitude de leurs prévisions sur les interrelations entre le temps et le climat. C'est pourquoi l'ETH Zurich et ses partenaires ont lancé l'initiative de recherche EXCLAIM. Son objectif est d'augmenter de manière significative la résolution spatiale des modèles afin d'accroître leur précision et de simuler directement le temps dans un futur monde chaud à l'échelle mondiale.

"En raison de leur haute résolution, les nouveaux modèles mondiaux représenteront des processus importants tels que les tempêtes et les systèmes météorologiques de manière beaucoup plus détaillée que ce n'était le cas auparavant. De cette manière, nous pouvons étudier beaucoup plus précisément la façon dont les changements climatiques et les événements météorologiques s'influencent mutuellement", explique Nicolas Gruber, responsable d'EXCLAIM et professeur de physique environnementale.

EXCLAIM est interdisciplinaire : En plus des climatologues du Centre de modélisation climatique de l'ETH (C2SM), aussi des informaticiens de l'ETH, le Centre suisse de calcul scientifique (CSCS), le Swiss Data Science Center (SDSC), l'Institut de recherche de l'Empa et l'Office fédéral de météorologie et de climatologie MétéoSuisse y participent. Cette collaboration vise à améliorer non seulement la modélisation de la recherche climatique, mais aussi les prévisions météorologiques de MétéoSuisse. Les partenaires internationaux du projet comprennent le service météorologique allemand (DWD) et l'Institut Max Planck de météorologie (MPI-M), qui ont développé le système de modèle ICON (Icosahedral Nonhydrostatic) qui constitue la base d'EXCLAIM, et le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), dont la Suisse est membre à part entière.

Les chercheurs s'efforcent de faire un véritable saut d'échelle dans la résolution spatiale des modèles météorologiques et climatiques : Afin de simuler le temps et le climat de la planète avec tous ses détails régionaux, leurs modèles placent une grille virtuelle en trois dimensions sur le globe. Sur la base de lois physiques, les chercheurs calculent ensuite les conditions climatiques respectives pour chaque point de leurs modèles. Dans les modèles climatiques mondiaux actuels, ces points sont distants de 50 à 100 kilomètres. Dans EXCLAIM, les chercheurs visent une résolution de seulement un kilomètre à long terme.

La puissance de calcul des ordinateurs à haute performance d'aujourd'hui étant limitée, la météo ne peut jusqu'à présent être simulée qu'à une résolution régionale aussi fine, et seulement sur des périodes de temps relativement courtes. Dans les nouveaux modèles, les chercheurs veulent maintenant atteindre cette résolution à mailles fines également au niveau mondial, afin de simuler les événements météorologiques d'un point de vue climatique global de manière beaucoup plus précise qu'auparavant. C'est comme doter les modèles climatiques mondiaux d'une fonction zoom supplémentaire pour les événements à petite échelle.

Les nouveaux modèles peuvent également être utilisés pour établir des "prévisions météorologiques" dans le climat futur et trouver des réponses à la question de savoir comment des événements extrêmes tels que les fortes précipitations de cet été pourraient se présenter à l'avenir", explique Christof Appenzeller, chef de la division Analyse et prévision de MétéoSuisse.

Pour que les nouveaux modèles puissent montrer leurs avantages, une infrastructure informatique sur mesure est nécessaire. Après tout, les modèles météorologiques et climatiques comptent parmi les problèmes les plus exigeants en termes de calcul et de données. Dans le projet EXCLAIM, les modèles sont donc développés main dans la main avec le matériel et les logiciels des ordinateurs à haute performance : "L'infrastructure de calcul et de données est entièrement adaptée aux exigences des modèles météorologiques et climatiques", explique Thomas Schulthess, directeur du Centre national suisse de calcul scientifique à Lugano. Le nouveau système de supercalcul "Alps", par exemple, est construit de telle manière que les modèles climatiques à haute résolution peuvent également bien représenter les systèmes convectifs tels que les orages.

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

L'un des défis à relever est la fin de la "loi de Moore", selon laquelle les performances des processeurs doublent environ tous les 20 mois. "Étant donné que les performances en série des processeurs n'ont pas été augmentées depuis environ 15 ans, la seule façon d'accroître les performances des superordinateurs est d'améliorer leur architecture informatique parallèle", déclare Thomas Schulthess et ajoute : "En outre, il est intéressant de configurer l'architecture d'un superordinateur de manière à ce qu'il puisse résoudre de manière optimale certaines classes de problèmes de recherche." Un rôle important pour la puissance de calcul est joué par une architecture informatique mixte, dans laquelle les processeurs principaux classiques, les CPU (Central Processing Units), qui sont responsables des calculs et de l'échange de données entre la mémoire et les composants, sont utilisés conjointement avec les GPU (Graphical Processing Units).

La deuxième possibilité commence par le logiciel et consiste à optimiser le code du modèle et à mieux l'adapter à l'architecture informatique mixte. Ici, EXCLAIM suit une approche révolutionnaire dans laquelle le code source est divisé en une première partie, qui représente l'interface pour les développeurs et les utilisateurs du modèle, et une infrastructure logicielle sous-jacente dans laquelle les algorithmes centraux du modèle sont mis en œuvre de manière très efficace pour le matériel respectif. Le CSCS, MétéoSuisse et le C2SM poursuivent déjà avec succès cette approche dans le modèle météorologique actuel de MétéoSuisse. Leur approche est maintenant appliquée au modèle météorologique et climatique ICON. "Grâce 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 M. Schulthess.

La vitesse de calcul pure n'est pas le seul facteur décisif : lorsque la résolution des modèles augmente, la quantité de données augmente massivement. En outre, la recherche météorologique et climatique nécessite et produit des données très différentes. Pour atteindre des résultats d'une manière efficace, il est tout aussi crucial que les ordinateurs puissent accéder aux données aussi rapidement que possible et retranscrire les résultats sur les supports de stockage. Les processus informatiques doivent être organisés en conséquence, en maximisant la largeur de bande de stockage 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 appliquons l'expérience acquise au cours de nombreuses années de collaboration avec MétéoSuisse et le Domaine des EPF", déclare M. Schulthess.

Le projet EXCLAIM de l'EPF, 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)