La Terre supporte un éventail époustouflant de géographies, écosystèmes et milieux, chacun d'eux abrite un éventail tout aussi impressionnant de modèles et d'événements météorologiques. Le climat est un agrégat de tous ces événements moyennés sur une période de temps spécifique pour une région particulière. En regardant la grande image, Le climat de la Terre vient de terminer la décennie sur une note positive, même si ce n'est pas le type que l'on pourrait célébrer.

En janvier, plusieurs grandes agences scientifiques américaines et européennes ont déclaré que 2019 était la deuxième année la plus chaude jamais enregistrée, clôturant la décennie la plus chaude. Juillet est devenu le mois le plus chaud jamais enregistré.

À l'aide de nouveaux modèles haute résolution développés par l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les chercheurs essaient de prédire ce genre de tendances dans un avenir proche et au siècle prochain; dans l'espoir de fournir la base scientifique pour aider à atténuer les effets du climat extrême sur l'énergie, infrastructures et agriculture, parmi d'autres services essentiels requis pour faire avancer la civilisation.

Sept laboratoires nationaux du DOE, dont le Laboratoire National d'Argonne, font partie d'une collaboration plus large qui travaille à l'avancement d'une version haute résolution du modèle Energy Exascale Earth System (E3SM). Les simulations qu'ils ont développées peuvent capturer la dynamique la plus détaillée du comportement générateur du climat, du transport de la chaleur à travers les tourbillons océaniques - l'advection - à la formation de tempêtes dans l'atmosphère.

"E3SM est un modèle du système Terre conçu pour simuler comment les combinaisons de température, les vents, modèles de précipitations, les courants océaniques et le type de surface terrestre peuvent influencer le climat régional et les infrastructures construites sur le plan local, échelles régionale et mondiale, " explique Robert Jacob, Responsable E3SM d'Argonne et climatologue dans sa division Sciences de l'environnement. "Plus important, être capable de prédire comment les changements climatiques et le cycle de l'eau réagissent à l'augmentation du dioxyde de carbone (CO 2 ) est extrêmement important dans la planification de notre avenir."

"Le changement climatique peut également avoir de gros impacts sur notre besoin et notre capacité à produire de l'énergie, gérer l'approvisionnement en eau et anticiper les impacts sur l'agriculture », ajoute-t-il, « donc le DOE veut un modèle de prévision qui peut décrire les changements climatiques avec suffisamment de détails pour aider les décideurs. »

Les installations le long de nos côtes sont vulnérables à l'élévation du niveau de la mer causée, en partie, par la fonte rapide des glaciers, et de nombreuses pannes d'électricité sont le résultat de conditions météorologiques extrêmes et des conditions précaires qu'elles peuvent créer. Par exemple, Les précipitations historiquement abondantes de 2019 ont provoqué des inondations dévastatrices dans les États du centre et du sud, et chaud, les conditions sèches en Alaska et en Californie ont entraîné des incendies de forêt massifs.

Et puis il y a l'Australie.

Pour comprendre comment tous les composants de la Terre fonctionnent en tandem pour créer ces conditions sauvages et variées, E3SM divise le monde en milliers de cellules de grille interdépendantes - 86, 400 pour l'atmosphère pour être exact. Ceux-ci représentent la plupart des caractéristiques terrestres majeures du "fond de l'océan à presque le sommet de l'atmosphère, ", ont écrit les membres de la collaboration dans un article récent publié dans le Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

"Le globe est modélisé comme un groupe de cellules avec 25 kilomètres entre les centres de grille horizontalement ou une résolution d'un quart de degré de latitude, " dit Azamat Mametjanov, ingénieur en performance applicative au sein de la division Mathématiques et Informatique d'Argonne. « Historiquement, la résolution spatiale a été beaucoup plus grossière, à un degré ou à environ 100 kilomètres. Nous avons donc augmenté la résolution d'un facteur quatre dans chaque direction. Nous commençons à mieux résoudre les phénomènes qui préoccupent le plus les industries énergétiques :les conditions météorologiques extrêmes. »

Les chercheurs pensent que les capacités à plus haute résolution de l'E3SM permettront aux chercheurs de résoudre des caractéristiques géophysiques telles que les ouragans et le manteau neigeux des montagnes qui s'avèrent moins clairs dans d'autres modèles. L'une des plus grandes améliorations du modèle E3SM a été la température de surface de la mer et la glace de mer dans l'océan Atlantique Nord, Plus précisément, la mer du Labrador, ce qui nécessitait une comptabilisation précise des débits d'air et d'eau.

"Il s'agit d'une région océanique importante dans laquelle les modèles à basse résolution ont tendance à représenter une trop grande couverture de glace de mer, " explique Jacob. " Cette glace de mer supplémentaire refroidit l'atmosphère au-dessus d'elle et dégrade nos prévisions dans cette zone et aussi en aval. "

L'augmentation de la résolution a également aidé à résoudre les courants océaniques avec plus de précision, qui a aidé à faire correspondre les conditions de la mer du Labrador avec les observations des satellites et des navires, ainsi que de faire de meilleures prévisions du Gulf Stream.

Autre caractéristique distinctive du modèle, dit Mametjanov, est sa capacité à s'étaler sur plusieurs décennies. Alors que de nombreux modèles peuvent fonctionner à une résolution encore plus élevée, ils ne peuvent durer que de cinq à dix ans au plus. Parce qu'il utilise les supercalculateurs ultra-rapides du DOE, le modèle E3SM de 25 km a parcouru un parcours de 50 ans.

Finalement, l'équipe veut courir 100 ans à la fois, intéressé principalement par le climat autour de 2100, qui est une date de fin standard utilisée pour les simulations du climat futur.

Mis à part une résolution plus élevée et des séquences temporelles plus longues, faire fonctionner un tel modèle n'est pas sans difficultés. C'est un processus très complexe.

Pour chacun des 86, 400 cellules liées à l'atmosphère, les chercheurs exécutent des dizaines d'opérations algébriques qui correspondent à certains processus météorologiques, comme le calcul de la vitesse du vent, pression atmosphérique, Température, l'humidité ou la quantité de chaleur localisée apportée par la lumière du soleil et la condensation, pour en nommer quelques uns.

"Et puis nous devons le faire des milliers de fois par jour, " dit Jacob. " L'ajout de plus de résolution rend le calcul plus lent; il est donc plus difficile de trouver le temps de l'ordinateur pour l'exécuter et vérifier les résultats. La simulation sur 50 ans que nous avons examinée dans cet article a duré environ un an en temps réel."

Une autre dynamique pour laquelle les chercheurs doivent ajuster leur modèle s'appelle le forçage, qui fait principalement référence aux facteurs naturels et anthropiques qui peuvent soit stabiliser, soit pousser le climat dans différentes directions. Le principal forçage du système climatique est le soleil, qui reste relativement constant, note Jacob. Mais tout au long du XXe siècle, il y a eu des augmentations d'autres facteurs externes, comme le CO 2 et une variété d'aérosols, des embruns aux volcans.

Pour cette première simulation, l'équipe ne sondait pas tant un laps de temps précis qu'elle travaillait sur la stabilité du modèle, ils ont donc choisi un forçage qui représente les conditions des années 1950. La date était un compromis entre les conditions préindustrielles utilisées dans les simulations à basse résolution et le début des émissions de gaz à effet de serre anthropiques plus dramatiques et du réchauffement qui atteindraient un point culminant au cours de ce siècle.

Finalement, le modèle intégrera les valeurs de forçage actuelles pour aider les scientifiques à mieux comprendre comment le système climatique mondial changera à mesure que ces valeurs augmenteront, dit Jacob.

"Bien que nous ayons une certaine compréhension, nous avons vraiment besoin de plus d'informations - tout comme le public et les producteurs d'énergie - pour voir ce qui va se passer à l'échelle régionale, " ajoute-t-il. " Et pour répondre à ça, vous avez besoin de modèles qui ont plus de résolution."

L'un des objectifs généraux du projet a été d'améliorer les performances de l'E3SM sur les supercalculateurs du DOE comme le Theta de l'Argonne Leadership Computing Facility, qui s'est avéré le cheval de bataille principal pour le projet. Mais au fur et à mesure que les architectures informatiques évoluent en vue de l'informatique exascale, les prochaines étapes du projet incluent le portage des modèles sur les GPU.

"Au fur et à mesure que la résolution augmente avec les machines exascale, il deviendra possible d'utiliser E3SM pour résoudre les tendances des sécheresses et des ouragans, qui se développent sur plusieurs années, " dit Mametjanov.

« Les modèles météorologiques peuvent résoudre certains de ces problèmes, mais au plus pendant environ 10 jours. Il y a donc toujours un écart entre les modèles météorologiques et les modèles climatiques et, en utilisant E3SM, nous essayons de combler cet écart."

L'article de la collaboration E3SM, "Le modèle couplé DOE E3SM Version 1 :Description et résultats à haute résolution, " est paru dans le numéro de décembre 2019 du Journal of Advances in Modeling Earth Systems.