Fiche de Synthèse du projet CICLE

Programme de Recherche
"Calcul Intensif et Grilles de Calcul"
Appel à projets 2005 –
Fiche de Synthèse du projet CICLE
Acronyme du projet : CICLE
Titre du projet Calcul Intensif pour le CLimat et l’Environnement
Thématique de l'appel à propositions concernée par le projet proposé :
Grands défis applicatifs
Méthodes et applications de la simulation numérique
Maîtrise des architectures matérielles et logicielles avancées
Données et grilles de calcul
Résumé du projet
Le changement climatique est au cœur du débat de société. Il est nécessaire de comprendre les
mécanismes de l'évolution du climat aux échelles globales et régionales, et notamment le lien entre les
émissions anthropiques, la dynamique des surfaces continentales, l'utilisation des sols et le climat. L’objectif
de CICLE est de repousser les frontières de la simulation climatique, en permettant un saut qualitatif et
quantitatif sur les échelles résolues, et sur la complexité des systèmes. Cela demande des modèles
exploitant de façon optimale les supercalculateurs. Au cours du projet, des méthodes de parallélisation
seront développées, en visant des architectures variées. Elles seront appliquées aux sous-systèmes ainsi
qu’au système couplé. Les interfaces entre les modèles seront reconsidérées, pour traiter les différentes
résolutions et l’ajout modulaire de nouveaux sous-systèmes.
Coordonnateur du projet
(nom, prénom, appartenance, coordonnées (messagerie électronique, adresse, téléphone, télécopie)
Marti, Olivier - Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (UMR CEA/CNRS 1572)
mailto : [email protected]
Adresse postale : DSM/LSCE - CEA Saclay Bât 709 - F91191 Gif-sur-Yvette
Tel : [phone] – Fax : [phone]
Partenaires de la recherche publique et de la recherche privée
1
IPSL (CNRS)
4
2
CERFACS
5
3
CNRM-GAME (CNRS)
6
Durée du projet (en mois) : 36
Montant total du projet (HT) :
637 k€
dont laboratoires publics EPIC (ADEME, BRGM, CEA, CNES, CSTB, IFREMER,
ONERA, …) :
k€
dont laboratoires publics EPST (CNRS, INRA, INRETS, INRIA, INSERM, Universités, ..
…) :
et : 108 hommes-mois
562 k€
dont partenaires privés :
75 k€
Cadre réservé à l'administration

Résumé du contexte et de la motivation du projet (voir B2) :
Le changement climatique est au cœur du débat de société. Il est nécessaire de comprendre les
mécanismes essentiels qui gouverneront l'évolution du climat et notamment le lien entre émissions
anthropiques, dynamique des surfaces continentales, utilisation des sols et le changement de climat.
L'enjeu de la recherche climatique dans les prochaines années sera de déterminer les éléments clés
du système Terre en fonction des échelles de temps et d’espace, d'évaluer l'impact de l'Homme sur le
changement climatique aux échelles globales et régionales et d'évaluer le risque de "surprises
climatiques" dans le futur. Le projet CICLE a pour objet de développer une nouvelle génération de
modèles capables de tirer pleinement parti des supers calculateurs actuels et futurs afin de réaliser
des « simulations frontières » qui permettront des avancées majeures tant dans la compréhension des
phénomènes physiques que dans nos capacités de prédiction.
Résumé des retombées scientifiques et techniques attendues (voir B4) :
Le projet donnera à la communauté scientifique française les moyens logiciels pour réaliser des
« simulations frontières » dans le domaine climatique. Les chercheurs français seront à même de
relever les défis définis par la communauté internationale (http://www.wmo.ch/web/wcrp/wcrp-
home.html et http://www.wmo.ch/web/wcrp/copes.html). Le projet permettra aux chercheurs français
d’utiliser de façon optimale les futurs supercalculateurs actuels et futurs. Il permettra à la recherche
climatique française de rester en pointe sur ses domaines actuels d’excellence : intégration des sous-
systèmes (cycles biogéochimiques, végétation, chimie atmosphérique), régionalisation, … et
d’accéder, si les calculateurs sont au rendez-vous, à la modélisation à très haute résolution.
Résumé des retombées industrielles et économiques escomptées (voir B5) :
En raison de la motivation principale des développements techniques, le projet présente un intérêt en
terme de transfert de connaissances vers le monde industriel et économique. Le changement
climatique lié à l'activité humaine est en effet au cœur des préoccupations de société. La simulation
est le seul moyen d'évaluer le réchauffement planétaire attendu et ses conséquences climatiques
régionales. Il reste néanmoins de nombreuses incertitudes liées aux scénarios économiques et à la
modélisation du système climatique, qui nous préoccupe ici. Il s’agit de préparer une nouvelle
génération de modèles qui contribueront aux travaux réalisés par le Groupe Intergouvernemental sur
l'Evolution du Climat (GIEC/IPCC). La place des équipes françaises dans ce processus d’expertise
internationale est d’ores et déjà importante. Le maintien de cette place ne peut être assuré que par
une mise à niveau des outils de modélisation et leur adaptation aux machines les plus puissantes.
Tableau récapitulatif des délivrables (voir B.6) :
1. Modèle d’atmosphère et de sol parallélisé et optimisé sur diverses achitectures.
2. Modèle système Terre de l’IPSL complet parallélisé. Intégration de nouvelles composantes (cycle
du carbone, chimie atmosphérique, végétation).
3. Modèle d’atmosphère régional ALADIN-Climat imbriqué dans le modèle global Arpège.
Modèle Méditerrannée couplé à l’océan global
Couplage modèle de climat global/modèle de climat régional.
4. Nouveau coupleur OASIS 4
5. Définition, tests et implémentation de nouvelles interfaces physiques.
6. Simulations climatiques frontières.

Programme de Recherche
"Calcul Intensif et Grilles de Calcul"
Appel à projets 2005 –
Présentation du projet CICLE
B.1. Acronyme et titre du projet
CICLE
Calcul Intensif pour le CLimat et l’Environnement
B.2. Contexte et motivation du projet
Le changement climatique est au cœur du débat de société. Plus que jamais, il est nécessaire de
comprendre les mécanismes essentiels qui gouverneront l'évolution du climat et notamment le lien
entre les émissions anthropiques, la dynamique des surfaces continentales, l'utilisation des sols et le
changement de climat. L'enjeu de la recherche climatique dans les prochaines années sera de
déterminer les éléments clés du système Terre en fonction des échelles de temps et d’espace
abordées, d'évaluer l'impact de l'Homme sur le changement climatique aux échelles globales et
régionales et d'évaluer le risque de "surprises climatiques" dans le futur.
Seule une approche multidisciplinaire et intégrée du Système Terre peut permettre de relever ce
défi. Elle fait intervenir les interactions entre l'océan, l'atmosphère, la biosphère et la cryosphère sous
l'ensemble de leurs aspects physiques, chimiques et biologiques. La modélisation des différents
éléments du système climatique et de leurs interactions menée à l'IPSL, à METEO-France et au
CERFACS est indispensable pour améliorer notre connaissance de ce système complexe et pour
pouvoir étudier le climat dans sa globalité. Notre objectif est de réduire l'incertitude des projections
climatiques futures par une meilleure compréhension des interactions mises en jeu et de la façon dont
elles affectent l'état moyen et la variabilité climatique.
Notre démarche s'appuie sur un ensemble d’activités de modélisation. Elle doit aussi associer
simulations à l'échelle globale et simulations aux échelles régionales. Ces études nécessitent la
poursuite du développement des composantes du système Terre par l'intégration successive de
nouveaux couplages avec les cycles biogéochimiques. Elles demandent aussi une continuelle
amélioration des processus physiques représentés dans les modèles en fonction des questions
scientifiques majeures et la mise en place d'un ensemble d'études permettant de lever les "verrous
scientifiques" et comprendre la réponse du système climatique à différentes échelles de temps.
Enfin, et c’est l’objet de ce projet, le succès de la démarche implique une évolution des codes de
modélisation du climat pour leur permettre de tirer pleinement parti des supercalculateurs actuels et
futurs, afin de réaliser des « simulations climatiques frontières » qui permettront des avancées
majeures tant pour la compréhension de la physique du climat que pour capacités de prédiction. Ce
projet nous donnera les moyens de réaliser ces simulations. Nous souhaitons nous attaquer à trois
frontières : celle des échelles spatiales, celle des échelles temporelles et celle du couplage multi-
physique. Pour ce faire il réunit les trois organismes qui développent des modèles de climat en
France : l’IPSL, Météo-France (dont fait partie le CNRM-GAME) et le CERFACS.
B.3. Description du projet
Le 4 septembre 2004 s’est tenu à Toulouse un atelier qui a permis de déterminer les verrous
scientifiques et techniques qui doivent être levés pour apporter des réponses fondées aux questions
posées par les responsables et les décideurs. Une dizaine de défis scientifiques majeurs ont été
définis. Pour relever ces défis, il nous faut tout d’abord réaliser un saut qualitatif et quantitatif sur les
échelles d’espace résolues. En effet, une grande partie de l’énergie est à des échelles non résolues
par les modèles de climats actuels. Il nous faut ensuite être capable de simuler plus vite. Cette
capacité est nécessaire pour réaliser des simulations longues afin de comprendre les variations lentes
du climat, depuis la variabilité millénaire jusqu’aux cycles glaciaires. Simuler vite nous permettra aussi
de réaliser des simulations d’ensembles et d’aborder l’étude du climat de façon statistique. Enfin, il

nous faut progresser sur la complexité des systèmes modélisés. Le climat c’est tout d’abord la
dynamique de l’océan et de l’atmosphère, mais c’est aussi le cycle de carbone avec sa chimie et sa
biologie, la dynamique de la végétation et sa phénologie, la chimie atmosphérique, les aérosols, etc
…
L’objectif de ce projet est de développer une nouvelle génération de codes de climat massivement
parallèles et multi-physique, de faire progresser l’efficacité des simulations numériques pour la
modélisation du climat en développant la parallélisation des modèles et de leur couplage et en
évoluant vers des systèmes modélisés plus complexe tant aux échelles globales que régionales.
Atteindre ces objectifs demande de disposer de modèles exploitant de façon optimale les
supercalculateurs actuels et futurs en France (IDRIS, CCRT, Météo-France, CINES, …) comme à
l’étranger (Earth Simulator, Oak Ridge National Laboratory, DKRZ à Hamburg, CEPMMT à Reading,
…).
Au cours du projet, les modèles développés seront mis en œuvre dans trois applications
innovantes, qui correspondent à des domaines où la recherche française est en pointe. Le projet
CICLE permettra donc le développement et la démonstration à grande échelle d’applications
innovantes en sciences du climat. Il favorisera la mutualisation de ressources entre les acteurs
français, mais aussi avec les équipes européennes à travers PSI (voir partie B4). Le projet répond
donc pleinement au deuxième objectif du programme ANR-CIGC.
De nouvelles méthodes de parallélisation seront développées, pour obtenir des performances
optimales séquentielles et parallèles sur les calculateurs visés, qui sont d’architectures variées. Ces
méthodes seront appliquées aux différents sous-systèmes (dynamique atmosphérique et océanique,
transport des composés atmosphériques, végétation, coupleur, etc …) ainsi qu’au couplage de
l’ensemble. Les interfaces physiques et numériques entre les modèles seront reconsidérées, pour
traiter les différentes résolutions et l’ajout modulaire de nouveaux sous-systèmes
Contexte technique de départ
La version du modèle de l’IPSL (IPCL CM4 v1) actuellement utilisée en production scientifique est
optimisée pour les calculateurs vectoriels. La composante océanique dispose d’une version parallèle
performante (parallélisme mémoire distribuée par MPI et mémoire partagée par OpenMP). Une
maquette parallèle de la composante atmosphère (MPI) a été développée. L’assemblage des
différentes composantes en mode parallèle est en cours. Les premières applications scientifiques
avec la version parallèle du modèle de climat (IPSL CM4 v2) devraient débuter dès le début de
l’année 2006. L’efficacité parallèle* de cette version du modèle de climat de l’IPSL sera limitée : nos
objectifs scientifiques nous amènent à traiter des échelles de temps longues, ce qui limite la taille de
grille à des dimensions bien inférieures à celles utilisées en météorologie. Nous avons en particulier
besoin d’une version à très basse résolution pour des simulations très longues (simuler tout
l’Holocène, soit 10 000 ans par exemple).
L’IPSL travaille de plusieurs années en collaboration avec le Earth Simulator à Yokohama. Les
modèles de l’IPSL ont été portés sur le Earth Simulator, et les performances de la comosatne
océanique ont étét optimisées sur ces machines. Une collaboration a démarré avec Oak Ridge
National Laboratory, et l’optimisation sur le Cray X1 a commencé.
La version actuelle du modèle du système terre du CNRM-GAME est constituée principalement par la
composante atmosphérique ARPEGE-Climat, parallèlisé avec MPI, couplé à la version parallèle du
modèle d’océan OPA, via le coupleur OASIS du CERFACS. Seul le parallélisme de la composante
atmosphérique est aujourd’hui exploité. Pour les applications régionales récentes, une version à
résolution variable d’ARPEGE-climat a été utilisée dans les mêmes conditions de parallélisation. A
titre expérimental, ce modèle a été couplé au modèle océanique de l’IPSL en configuration régionale
sur la Méditerranée. Par ailleurs, aussi pour les simulations climatiques régionales à venir, une
version climatique du modèle météorologique à aire limitée ALADIN permettant d’atteindre des
résolutions plus fines est en cours d’expérimentation. Cette composante atmosphérique baptisée
ALADIN-Climat, est aussi parallèle. L’efficacité parallèle des composantes atmosphériques fait l’objet
de travaux associant Météo-France et le Centre Européen de prévision à moyen terme de Reading
(CEPMMT). Par contre, un nouveau défi est de pouvoir faire fonctionner simultanément et dans des
conditions optimales de parallélisme, les composantes couplées aux échelles globales (ARPEGE-
Climat à résolution variable couplé au modèle océanique global) et les composantes couplées aux
échelles régionales (ALADIN-Climat couplé au modèle de la Méditerranée).
(* Note : de façon aujourd’hui assez classique, nous distinguons la notion de « scalabilité » de celle
d’ « efficacité ». Un modèle, un code, est « scalable » si ses performances ne se dégradent pas lorsque l’on
augmente à la fois la taille du problème (points de grille ou nombre de degrés de liberté) et le nombre de
processeurs. Il est « efficace » si l’on peut augmenter le nombre de processeurs sans dégrader les performances,
à taille de problème fixée. En climatologie, le besoin de traiter de grandes périodes de temps met une forte
pression sur la recherche d’efficacité, plutôt que sur la scalabilité.)

Anticipant le besoin d’efficacité parallèle des modèles, le CERFACS a, dans le cadre de PRISM, un
projet Européen du Vème PCRD (2002-2004), procédé à la ré-écriture complète du coupleur OASIS et
offre maintenant une version préliminaire d’un coupleur et d’une librairie de couplage complètement
parallélisée, OASIS4. Cette version préliminaire a déjà montré son efficacité dans plusieurs cas-tests,
mais certains développements, et son utilisation dans des modèles couplés réels à composantes
fortement parallèles, sont encore requis afin d’en faire un coupleur efficace, versatile et fiable.
Travaux qui vont être menés dans le cadre du projet.
Tâche 0 : Management
L’objectif de cette tâche est d’assurer la cohérence globale du projet et une diffusion des résultats
appropriée à la communauté. Deux rapports annuels seront rédigés, l’un court en milieu d’année, et
un rapport étendu en fin de chaque année. Il sera organisé une réunion de lancement de projet, une
réunion pléinière annuelle, et une réunion de fin de projet. La diffusion des résultats obtenus sera
organisée principalement via les documentations des logiciels développés et des formations.
L’analyse et la publication des résultats des simulations frontières réalisées avec les logiciels
développés pendant le projet aideront à sa notoriété.
Responsable : Olivier Marti, IPSL
Taches 1 et 2 : Adaptation et développement des modèles de l’IPSL
Ces tâches permettront de construire une version du modèle système Terre de l’IPSL à même de tirer
profit d’une gamme étendue de calculateurs (IPSL CM4 v2), depuis des machines vectorielles
faiblement parallèles jusqu’à des machines massivement parallèles. Elle permettra de développer
et/ou finaliser la parallélisation de toutes les composantes du modèle de l’IPSL. Ces composantes
seront assemblées, OASIS 3, servant de coupleur entre l’océan et l’atmosphère. Cette version sera
documentée et remplacera la version actuelle du modèle uniquement vectorielle. Elle deviendra la
version d’usage scientifique standard.
Plus tard dans le projet le coupleur OASIS 4 sera implémenté et ses capacités parallèles mises en
œuvre.
Une série d’essais des codes, et des éventuellement simulations réelles sur les machines d’Oak
Ridge National Laboratory (Cray et IBM), Earth Simulator (Nec), DKRZ (Hambourg) et les futurs
calculateurs nationaux en France est prévue. L’IPSL a des accords de collaboration avec le Earth
Simulator et avec Oak Ridge National Laboratory, et nous prévoyons plusieurs séjours là-bas. Ces
essais conduiront à des optimisations tant séquentielles que parallèles.
Nous avons découpé cette tâche en deux parties, l’une (1) centrée sur le développement de la
composante atmosphérique, dont le responsable est Laurent Fairhead, IPSL, l’autre (2) sur
l ‘assemblage du modèle système Terre, avec l’utilisation d’OASIS, dont la responsable est Marie-
Alice Foujols, IPSL.
Le modèle développé devra être performant pour toutes les résolutions utilisées en production
scientifique à l’IPSL (voir les simulations de la tâche 6).
Responsables : Laurent Fairhead, IPSL et Marie-Alice Foujols, IPSL.
Tâche 3 - Adaptation et développement du modèle couplé régional du CNRM-GAME
Cette tâche a pour objet la mise en œuvre d’un nouveau modèle couplant un modèle de climat global
à mailles lâches à un modèle de climat à mailles fines sur la Méditerranée. Elle débutera par la mise
place et le test du forçage de la composante de basse résolution du modèle ALADIN-Climat par le
modèle ARPEGE-Climat à résolution variable (« spectral nudging »). Ensuite, le couplage interactif
entre les composantes océaniques régionale (modèle de la Méditerranée) et globale sera défini et
implémenté. Enfin le couplage des composantes atmosphériques et océaniques sera mis en place via
le coupleur OASIS 4 (tâche 4) afin d’aboutir à la réalisation d’un modèle couplé régional imbriqué
dans un modèle couplé global fonctionnant de manière interactive dans sa composante océanique.
Responsable : Serge Planton, CNRM-GAME
Tâche 4 - Développement du coupleur OASIS 4
L’objectif de cette tâche et de finaliser le développement de la nouvelle version du coupleur OASIS 4
qui devra être efficace sur toutes les architectures de calculateurs utilisé ou utilisable pour la
climatologie. Le travail débutera par une évaluation des fonctions restant à implémenter dans le
coupleur OASIS 4 pour réaliser les couplages des simulations décrites en B.3 (méthodes
d’interpolation, support de certains types de grilles, etc.). Un banc d’essais sera constitué pour tester