Un jumeau numérique de notre planète est de simuler le système Terre à l'avenir. Il vise à aider les décideurs politiques à prendre les mesures appropriées pour mieux se préparer aux événements extrêmes. Un nouveau document stratégique rédigé par des scientifiques européens et des informaticiens de l'ETH Zurich montre comment y parvenir.

Pour devenir climatiquement neutre d'ici 2050, l'Union européenne a lancé deux programmes ambitieux :Green Deal et DigitalStrategy. En tant qu'élément clé de leur mise en œuvre réussie, climatologues et informaticiens ont lancé l'initiative Destination Earth, qui débutera à la mi-2021 et devrait durer jusqu'à dix ans. Au cours de cette période, un modèle numérique très précis de la Terre doit être créé, un jumeau numérique de la Terre, pour cartographier l'évolution du climat et les événements extrêmes aussi précisément que possible dans l'espace et dans le temps.

Les données d'observation seront continuellement intégrées dans le jumeau numérique afin de rendre le modèle numérique de la Terre plus précis pour suivre l'évolution et prédire les trajectoires futures possibles. Mais en plus des données d'observation classiquement utilisées pour les simulations météorologiques et climatiques, les chercheurs souhaitent également intégrer de nouvelles données sur les activités humaines pertinentes dans le modèle. Le nouveau modèle du système Terre représentera pratiquement tous les processus à la surface de la Terre de manière aussi réaliste que possible, y compris l'influence de l'homme sur l'eau, gestion de l'alimentation et de l'énergie, et les processus du système terrestre physique.

Système d'information pour la prise de décision

Le jumeau numérique de la Terre se veut un système d'information qui élabore et teste des scénarios qui montrent un développement plus durable et ainsi éclairent mieux les politiques. "Si vous prévoyez une digue de deux mètres de haut aux Pays-Bas, par exemple, Je peux parcourir les données de mon jumeau numérique et vérifier si la digue protégera toujours contre les événements extrêmes attendus en 2050, " dit Peter Bauer, directeur adjoint de la recherche au Centre européen de prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) et co-initiateur de Destination Earth. Le jumeau numérique sera également utilisé pour la planification stratégique de l'approvisionnement en eau douce et en nourriture ou des parcs éoliens et des centrales solaires.

Les forces motrices de Destination Earth sont l'ECMWF, l'Agence spatiale européenne (ESA), et l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques (EUMETSAT). Avec d'autres scientifiques, Bauer dirige les aspects climatologiques et météorologiques du jumeau numérique de la Terre, mais ils s'appuient également sur le savoir-faire des informaticiens de l'ETH Zurich et du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS), à savoir les professeurs de l'ETH Torsten Hoefler, de l'Institut des Systèmes de Calcul Haute Performance, et Thomas Schulthess, Directeur du CSCS.

Afin de franchir ce grand pas dans la révolution numérique, Bauer insiste sur la nécessité pour les sciences de la terre d'être mariées à l'informatique. Dans une publication récente en Science informatique de la nature , l'équipe de chercheurs en sciences de la terre et de l'informatique discute des mesures concrètes qu'elle souhaite utiliser pour faire avancer cette « révolution numérique des sciences du système terrestre, " où ils voient les défis et quelles solutions possibles peuvent être trouvées.

Modèles météorologiques et climatiques comme base

Dans leur papier, les chercheurs reviennent sur le développement constant des modèles météorologiques depuis les années 40, une success story qui s'est déroulée dans le calme. Les météorologues pionniers, pour ainsi dire, simulations de processus physiques sur les plus grands ordinateurs du monde. En tant que physicien et informaticien, Schulthess du CSCS est donc convaincu que les modèles météorologiques et climatiques d'aujourd'hui sont parfaitement adaptés pour identifier de toutes nouvelles façons pour de nombreuses autres disciplines scientifiques d'utiliser efficacement les superordinateurs.

Autrefois, la modélisation météorologique et climatique a utilisé différentes approches pour simuler le système terrestre. Alors que les modèles climatiques représentent un ensemble très large de processus physiques, ils négligent généralement les processus à petite échelle, lequel, cependant, sont essentiels pour des prévisions météorologiques plus précises qui, à leur tour, se concentrer sur un plus petit nombre de processus. Le jumeau numérique réunira les deux domaines et permettra des simulations à haute résolution qui décrivent les processus complexes de l'ensemble du système Terre. Mais pour y parvenir, les codes des programmes de simulation doivent être adaptés aux nouvelles technologies promettant une puissance de calcul très accrue.

Avec les ordinateurs et les algorithmes disponibles aujourd'hui, les simulations très complexes peuvent difficilement être réalisées à la résolution extrêmement élevée prévue d'un kilomètre car pendant des décennies, le développement du code a stagné d'un point de vue informatique. La recherche climatique a bénéficié de la possibilité d'obtenir de meilleures performances grâce aux nouvelles générations de processeurs sans avoir à modifier fondamentalement leur programme. Ce gain de performances gratuit à chaque nouvelle génération de processeur s'est arrêté il y a environ 10 ans. Par conséquent, les programmes d'aujourd'hui ne peuvent souvent utiliser que 5 % des performances de pointe des processeurs conventionnels (CPU).

Pour obtenir les améliorations nécessaires, les auteurs insistent sur le besoin de co-conception, c'est-à-dire développer du matériel et des algorithmes ensemble et simultanément, comme le CSCS l'a démontré avec succès au cours des dix dernières années. Ils suggèrent de porter une attention particulière aux structures de données génériques, discrétisation spatiale optimisée du maillage à calculer et optimisation des longueurs de pas de temps. Les scientifiques proposent en outre de séparer les codes pour résoudre le problème scientifique des codes qui effectuent de manière optimale le calcul sur l'architecture du système respectif. Cette structure de programme plus flexible permettrait un basculement plus rapide et plus efficace vers les architectures futures.

Profiter de l'intelligence artificielle

Les auteurs voient également un grand potentiel dans l'intelligence artificielle (IA). Ça peut être utilisé, par exemple, pour l'assimilation de données ou le traitement de données d'observation, la représentation de processus physiques incertains dans les modèles et la compression des données. L'IA permet ainsi d'accélérer les simulations et de filtrer les informations les plus importantes parmi de grandes quantités de données. En outre, les chercheurs supposent que l'utilisation de l'apprentissage automatique rend non seulement les calculs plus efficaces, mais peut également aider à décrire les processus physiques avec plus de précision.

Les scientifiques voient leur document stratégique comme un point de départ sur la voie d'un jumeau numérique de la Terre. Parmi les architectures informatiques disponibles aujourd'hui et celles attendues dans un futur proche, les supercalculateurs basés sur des unités de traitement graphique (GPU) semblent être l'option la plus prometteuse. Les chercheurs estiment que l'exploitation d'un jumeau numérique à pleine échelle nécessiterait un système avec environ 20, 000 GPU, consommant environ 20 MW de puissance. Pour des raisons à la fois économiques et écologiques, un tel ordinateur devrait être utilisé à un endroit où le CO 2 -l'électricité produite neutre est disponible en quantité suffisante.