Un nouveau système de modélisation de la Terre dévoilé aujourd'hui aura une résolution à l'échelle météorologique et utilisera des ordinateurs avancés pour simuler les aspects de la variabilité de la Terre et anticiper les changements décennaux qui auront un impact critique sur le secteur énergétique américain dans les années à venir.

"Cet effort multilaboratoire constituera une avancée considérable dans nos capacités déjà importantes de modélisation des systèmes terrestres et d'analyse liée à l'énergie, " dit John Sarrao, Directeur associé principal pour la science, Technologie et ingénierie au Laboratoire national de Los Alamos. « Notre laboratoire, avec nos institutions sœurs, a apporté d'importantes contributions à la modélisation des systèmes terrestres au cours des décennies précédentes, mais cette dernière contribution porte notre travail à un tout autre niveau."

Après quatre années de développement, le modèle Energy Exascale Earth System (E3SM) sera diffusé à la communauté scientifique au sens large ce mois-ci. Le projet E3SM est soutenu par le Bureau des sciences du Département de l'énergie au sein du Bureau de la recherche biologique et environnementale. La version E3SM comprendra le code du modèle et la documentation, ainsi que la sortie d'un ensemble initial de simulations de référence.

La terre, avec ses innombrables interactions d'atmosphère, océans, composants de terre et de glace, présente un système d'enquête extraordinairement complexe. La simulation du système terrestre implique la résolution d'approximations de des équations chimiques et biologiques régissant des grilles spatiales à des résolutions aussi fines que les ressources informatiques le permettent.

"E3SM est le premier modèle de système Terre multi-échelle de bout en bout, ce qui signifie que nous pouvons concentrer la résolution du modèle et les ressources informatiques vers des emplacements spécifiques pour aider à répondre à des questions spécifiques qui sont importantes pour le DOE, " a déclaré le chercheur Steve Price de Los Alamos. " Par exemple, Los Alamos utilise E3SM avec une résolution focalisée autour de l'Antarctique pour améliorer la modélisation de la façon dont les eaux océaniques font fondre les plates-formes glaciaires, le processus critique qui contrôle la probabilité d'une élévation brutale du niveau de la mer."

Le projet E3SM simulera de manière fiable les aspects de la variabilité du système terrestre et projettera des changements décennaux qui auront un impact critique sur le secteur énergétique américain dans un proche avenir. Ces facteurs critiques comprennent a) les températures régionales de l'air/de l'eau, qui peuvent mettre à rude épreuve les réseaux énergétiques ; b) disponibilité de l'eau, qui affecte les opérations de la centrale électrique ; c) les événements extrêmes du cycle de l'eau (par exemple, les inondations et les sécheresses), qui ont un impact sur les infrastructures et la bioénergie ; et d) l'élévation du niveau de la mer et les inondations côtières qui menacent les infrastructures côtières.

« Les problèmes importants que nous pouvons résoudre avec cette nouvelle capacité de modélisation ne manquent pas, " dit Todd Ringler, aussi de Los Alamos. "Prenez l'Arctique, par exemple. Elle évolue rapidement, et cela présente de nouvelles opportunités et de nouveaux risques de sécurité. Cette nouvelle capacité de modélisation, en particulier les nouvelles approches que nous avons développées pour les systèmes océaniques et de glace de mer, sera essentielle pour prédire comment, comment, quand et pourquoi de l'Arctique changeant."

L'objectif du projet est de développer un modèle de système terrestre (ESM) qui n'a pas été possible en raison des limitations des technologies informatiques actuelles. Atteindre cet objectif nécessitera des avancées sur trois fronts :

1. une meilleure résolution des processus du système terrestre grâce à une combinaison stratégique de développement de nouveaux processus dans le modèle, une résolution de modèle accrue et des performances de calcul améliorées ;
2. représentant de manière plus réaliste les interactions à double sens entre les activités humaines et les processus naturels, en particulier lorsque ces interactions affectent les besoins énergétiques des États-Unis ; et
3. modélisation d'ensemble pour quantifier l'incertitude des simulations et des projections du modèle.

« La qualité et la quantité des observations nous font vraiment contraindre les modèles, " a déclaré David Bader, Lawrence Livermore National Laboratory scientifique et responsable du projet E3SM. "Avec le nouveau système, nous pourrons simuler le présent de manière plus réaliste, ce qui nous donne plus de confiance pour simuler l'avenir."

La simulation de la dynamique des fluides atmosphériques et océaniques avec une résolution spatiale fine est particulièrement difficile pour les ESM. Le projet E3SM se positionne à la pointe de cet enjeu de recherche, agissant au nom d'un effort international de MES. L'augmentation du nombre de jours système Terre simulés par jour de temps de calcul est une condition préalable à l'atteinte de l'objectif du projet E3SM. Il est également important pour E3SM d'utiliser efficacement les diverses architectures informatiques que le DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Office se procure pour se préparer à l'avenir incertain des machines de la prochaine génération.

Un objectif à long terme du projet E3SM est d'utiliser des machines exascale qui seront achetées au cours des cinq prochaines années. Le développement de l'E3SM se poursuit en tandem avec l'Exascale Computing Initiative (ECI). (Une exascale fait référence à un système informatique capable d'effectuer un milliard de milliards (109 x 109 =1018) de calculs par seconde. Cela représente des performances mille fois supérieures à celles des ordinateurs les plus avancés d'il y a dix ans).

"Nous sommes particulièrement intéressés à évaluer avec précision le risque d'élévation brutale du niveau de la mer, disons plus de 3 pieds, au cours de ce siècle, " dit Ringler. " Pour accomplir cela, Los Alamos a construit des modèles informatiques entièrement nouveaux de l'océan, les systèmes de glace de terre et de glace de mer - c'est une énorme réalisation de l'équipe de modélisation de Los Alamos. »

"Ce modèle ajoute une représentation beaucoup plus complète entre les interactions du système énergétique et du système terrestre, " a déclaré Bader. " L'augmentation de la puissance de calcul nous permet d'ajouter plus de détails aux processus et aux interactions, ce qui se traduit par des simulations plus précises et plus utiles que les modèles précédents. "

Pour traiter les divers facteurs critiques ayant un impact sur le secteur énergétique américain, le projet E3SM est dédié à répondre à trois questions scientifiques primordiales qui animent ses initiatives d'expérimentation numérique :

• Cycle de l'eau :Comment le cycle hydrologique interagit-il avec le reste du système homme-Terre aux échelles locale et mondiale pour déterminer la disponibilité de l'eau et les extrêmes du cycle de l'eau ?
• Biogéochimie :Comment les cycles biogéochimiques interagissent-ils avec d'autres composants du système Terre pour influencer le secteur de l'énergie ?
• Systèmes de cryosphère :Comment les changements rapides des systèmes de cryosphère (glaces continentales et océaniques) évoluent-ils avec le système terrestre et contribuent-ils à l'élévation du niveau de la mer et à une vulnérabilité accrue des côtes ?

Dans l'E3SM, tous les composants du modèle (atmosphère, océan, terre, ice) sont capables d'utiliser une résolution variable pour concentrer la puissance de calcul sur des processus à petite échelle dans des régions présentant un intérêt particulier. Ceci est mis en œuvre à l'aide de conceptions de maillage avancées qui affinent en douceur l'échelle de la grille de la région extérieure la plus grossière à la région la plus raffinée.

Le projet E3SM comprend plus de 100 scientifiques et ingénieurs logiciels dans plusieurs laboratoires du DOE ainsi que dans plusieurs universités; les laboratoires du DOE comprennent Argonne, Brookhaven, Laurent Livermore, Laurent Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Laboratoires nationaux Pacific Northwest et Sandia. En reconnaissance de l'unification de la communauté de modélisation du système terrestre du DOE pour effectuer des simulations couplées à haute résolution, le comité exécutif de l'E3SM a reçu le prix d'excellence du secrétaire à l'Énergie en 2015.

En outre, le projet E3SM bénéficie également des collaborations programmatiques du DOE dont l'Exascale Computing Project (ECP) et des programmes de Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC), Développement et validation de modèles climatiques (CMDV), Mesure du rayonnement atmosphérique (ARM), Programme de Diagnostic et d'Intercomparaison des Modèles Climatiques (PCMDI), Projet international d'analyse comparative des modèles de terres (iLAMB), Modèle de système terrestre communautaire (CESM) et expériences sur les écosystèmes de nouvelle génération (NGEE) pour l'Arctique et les tropiques.