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Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014
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Météo-France
renForce ses Moyens
de calcul intensiF
Météo-France procède au renouvellement de son système de calcul intensif sur la période mars 2013-avril
2014, ce qui lui permet de multiplier par 12 sa puissance
de calcul réelle. Un nouveau renforcement des moyens
de calcul est prévu à l’horizon 2016 : la puissance réelle
devrait alors être à nouveau multipliée par 3.
Depuis mi-janvier 2014, les chaînes opérationnelles de
prévision tournent sur le nouveau système de calcul.
Grâce à l’accroissement de la puissance de calcul, de
nouvelles chaînes de prévision beaucoup plus performantes (notamment en termes de résolution) vont être
installées, d’abord en mode recherche courant 2014,
puis en mode opérationnel dès 2015.
Météo-France a la maîtrise de l’ensemble de la chaîne
de prévision, depuis l’observation jusqu’à l’analyse des
résultats par les prévisionnistes. L’établissement développe ses propres modèles de prévision et de climat et
étudie le changement climatique aux échelles globale et
locales. Les supercalculateurs travaillent ainsi en temps
réel pour les besoins de la prévision. Ils sont également
utilisés pour reconstituer les conditions climatiques
passées à partir d’archives d’observation et en simuler
les évolutions futures. Enfin, ils sont utilisés dans la recherche sur les phénomènes atmosphériques.
Météo-France est mobilisé
24/24
un supercalculateur,
qu’est ce que c’est ?
un supercalculateur est un ordinateur
capable d’effectuer rapidement
un grand nombre de calculs.
apparus dans les années 1960, les
supercalculateurs sont aujourd’hui
incontournables pour la météorologie
et pour la recherche sur le climat.
La puissance de calcul à laquelle a
accès un service météorologique et
climatique conditionne fortement la
qualité des prévisions.
pourquoi renouveler
le systèMe de calcul ?
Le renforcement des moyens de calcul répond aux besoins exprimés par les services en charge de la sécurité
des personnes et des biens, le secteur aéronautique, la
défense et les clients professionnels, et permet de fournir au grand public une information toujours plus fiable.
pour l’exploitation des modèles par
les prévisionnistes et la supervision du
système de calcul intensif.
Les nouveaux supercaLcuLateurs de Météo-France - 4 Mars 2014
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Météo-France
renforce ses moyens
de calcul intensif
Le renouvellement du précédent supercalculateur
(NEC SX9), dont le contrat arrivait à échéance en février 2014, permet en outre à Météo-France de se rapprocher, en termes de puissance de calcul, du niveau
des systèmes opérés par ses homologues européens
et américains, et de rester parmi les services météorologiques mondiaux les plus performants.
Pour tirer bénéfice des évolutions de la technologie et
répondre aux besoins croissants de la société en météorologie et en climatologie, Météo-France procède à
des renouvellements réguliers de ses moyens de calcul
intensif. Entre 1992, date d’acquisition du premier supercalculateur, et 2014, la puissance de calcul a été
multipliée par 500 000.
Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014
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les usaGes des
supercalculateurs
1. la prévision
Les supercalculateurs sont indispensables à la prévision numérique du temps, pour traiter les données
d’observation, calculer l’évolution des paramètres météorologiques et effectuer les recherches nécessaires
à l’amélioration des modèles numériques de prévision.
La prévision et la recherche pour améliorer la prévision
utilisent à Météo-France 70% des ressources de calcul
disponibles, le reste est utilisé pour l’étude du climat, de
l’océan, et la recherche sur les processus atmosphériques élémentaires.
Des prévisions Détaillées
À 9 JoUrs
aUX toUt premiers
ranGs monDiaUX
Dans le monde, les grands services météorologiques
nationaux, dont fait partie Météo-France, intercomparent en permanence les scores de leurs modèles gobaux de prévision numérique du temps. Météo-France
est constamment dans le peleton de tête de ces intercomparaisons.
Météo-France est également l’un des premiers services
météorologiques européens, avec le Met Office anglais
et le DWD allemand, à utiliser un modèle à maille très
fine (2,5 km), rafraîchi plusieurs fois par jour, pour affiner
les prévisions à courte échéance (30 heures).
Météo-France produit :
• des prévisions locales à 9 jours grâce à plusieurs
« on gagne un jour de prévision
tous les dix ans »
techniques adaptées aux différentes échéances et en
utilisant plusieurs modèles (voir. Fiches N°2)
• des conditions moyennes de température et de précipitations à l’échelle de la France pour le mois à venir
• éventuellement un signal qualitatif sur les conditions
moyennes à l’échelle de l’Europe de l’Ouest pour le trimestre à venir (moyennes des températures / des précipitations proches, plus élevées ou plus basses que les
normales saisonnières)
De plus, la qualité des prévisions numériques du temps
réalisées par Météo-France est en constante amélioration. Sur les trente dernières années, elle a gagné
un jour tous les dix ans : aujourd’hui, les prévisions à
4 jours sont aussi fiables que les prévisions à 3 jours au
milieu des années 2000. La précision d’une prévision
de température à 24 heures d’échéance en un point
donné est de l’ordre de 1 à 1,25 °C alors qu’elle est de
l’ordre de 3 °C à 7 jours.
Ces résultats ont été obtenus grâce à des investissements importants et réguliers dans les moyens de
calcul intensif et les systèmes d’observation, à des
efforts de recherche constants, ainsi qu’à une forte
collaboration européenne pour le développement des
codes numériques et des connaissances scientifiques
sous-jacentes.
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les usaGes des
supercalculateurs
2. la recHercHe sur le cliMat
Une participation active
De météo-France aUX GroUpes
De travail DU Giec
Météo-France mène des recherches sur l’évolution du climat depuis les années 1980. Associé au
Centre européen de recherche et de formation avancée
Grâce à ce modèle, le centre de recherche de
Météo-France effectue des projections climatiques visant à déterminer l’impact du changement climatique
à l’échelle du globe sur les températures et les précipitations, mais aussi sur des phénomènes comme la
mousson, les cyclones tropicaux, le filtrage des rayons
UV par la stratosphère ou encore la fonte de la banquise. Le modèle permet de reconstruire le climat
d’il y a 130 000 ans et de se projeter jusqu’en 2300.
en calcul scientifique (CERFACS), l’établissement participe notamment aux projets internationaux sur lesquels
s’appuie le Groupe d’experts intergouvernemental sur
l’évolution du climat (GIEC) pour établir ses rapports
d’évaluation du changement climatique, comme récemment sur le dernier rapport du GIEC (2013-2014).
Des simUlations réGionales
poUr aFFiner le DiaGnostic
sUr la France
Pour affiner le diagnostic à l’échelle d’une région du
globe ou d’un pays, les chercheurs de Météo-France
produisent également des simulations régionales,
Des moDèles De climat
notamment grâce à des modèles à aire limitée (ALA-
De plUs en plUs précis
DIN-Climat), simulant l’évolution du climat sur une zone
restreinte qu’ils décrivent plus finement que les modèles
Météo-France développe ses propres modèles
globaux.
de climat : dans les années 1990, le centre de recherches de l’établissement a décliné son modèle
global de prévision ARPEGE en une version décrivant mieux le climat sur le long terme. Au fil du
temps, les besoins en termes de modélisation climatique se sont affinés. Un modèle «système terre»,
prenant en
compte toutes les interactions entre
les différentes composantes du système climatique
(atmosphère, océans, végétation, banquise…), s’est
progressivement construit autour d’ARPEGE-Climat.
Les nouveaux supercaLcuLateurs de Météo-France - 4 Mars 2014
Les simulations des climats
passés et futurs sur de très
longues périodes, à l’échelle du globe
ou de grandes régions
(europe, Méditerranée)
utilisent environ 15% des ressources
de calcul.
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Les nouveaux
supercalculateurs
de Météo-France
La sélection du nouveau système de calcul a fait l’objet
Une architecture
d’un appel d’offres sur lequel plusieurs des grands
massivement parallèle
acteurs mondiaux du calcul intensif se sont positionnés.
L’offre la plus performante et la plus compétitive dans le
cadre de l’enveloppe budgétaire fixée par Météo-France
était portée par Bull.
Une puissance de calcul
multipliée par 12
Le déploiement des nouveaux supercalculateurs permet de multiplier par 12 la puissance réelle du système
de calcul de Météo-France. La puissance crête totale
est de 1 Pétaflops.
Le système de calcul est notamment composé de
25 armoires de calcul et de 6 armoires de stockage
(3,5 Pétaoctets disponibles), réparties sur
deux sites : le centre toulousain de Météo-France
(« la météopole »)  et la salle de calcul mutualisée
de l’Espace Clément Ader sur la ZAC Toulouse
Montaudran Aerospace. Cette double localisation
marque une nouvelle étape de l’intégration de MétéoFrance au cœur du tissu scientifique toulousain. En
outre, elle constitue un avantage en termes de sécurité
de fonctionnement.
Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014
Contrairement au supercalculateur NEC, qui avait une
architecture dite vectorielle, les nouveaux supercalculateurs BULL ont une architecture scalaire massivement
parallèle : ils décomposent les tâches à effectuer en
milliers de sous-tâches qu’ils traitent de manière simultanée. Une prévision à 24 heures avec le modèle à
maille fine Arome est exécutée en une demi-heure par
le supercalculateur.
Le changement d’architecture a nécessité une adaptation des codes de prévision numérique du temps
et de modélisation de l’atmosphère (plusieurs millions
de lignes de codes), qui représente en elle-même un
challenge scientifique considérable.
Une consommation
électrique optimisée
La consommation électrique du nouveau système de
calcul est inférieure à celle de son prédécesseur, malgré sa puissance de calcul nettement supérieure. Ce
résultat a été rendu possible par un système de refroidissement innovant, le « Direct liquid cooling ». Les
composants chauds (un processeur en production peut
atteindre 80°C) sont refroidis par contact avec une lame
dans laquelle circule un liquide froid (15°C à l’entrée,
20°C en sortie).
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des bénéFices
pour tous les utilisateurs
1. dans le doMaine de la prévision
Le renforcement des moyens de calcul permet
d’améliorer la prévision opérationnelle, ce qui profitera à tous les utilisateurs :
• institutionnels (services en charge de la sécurité civile, de la prévision des inondations, de la qualité de
l’air, ministère de la Défense...)
tion, rafales de vent associées aux gros orages), du
vent dans les zones de relief accentué, et de façon
plus modeste sur la température au niveau du sol, les
nuages de basse couche et le brouillard (localisation,
heure de formation, heure de dissipation). Des actions
de recherches plus fondamentales sont lancées pour
améliorer davantage tous ces aspects complexes. Par
ailleurs, le domaine d’AROME, jusque là restreint à la
métropole, sera étendu à un domaine aérien plus vaste.
• usagers aéronautiques (service de la navigation aérienne, exploitants d’aéroports, compagnies aériennes,
aviation légère...)
• clients professionnels dans des secteurs d’activité
variés (énergie, transports, BTP, agriculture...)
• grand public
• Déployer un nouveau système de prévision à
maille fine pour quantifier les risques locaux et les
incertitudes
Pour quantifier les risques et prendre en compte les
incertitudes, les prévisionnistes utilisent une technique
L’augmentation de la puissance sera utilisée pour :
• Augmenter la résolution des modèles et le nombre
d’observations prises en compte
L’assimilation d’un plus grand nombre d’observations
dans ARPEGE (jusqu’à 5 fois plus) et la réduction de
la maille (passage de 10 à 7,5 km sur la métropole)
amélioreront la qualité des prévisions des fortes
précipitations, des tempêtes, des températures au
niveau du sol, de la couverture nuageuse, ainsi que
appelée prévision d’ensemble, qui consiste à réaliser de
nombreuses simulations pour une même prévision (cf.
Fiches). Actuellement, cette technique n’est appliquée
qu’au modèle global ARPEGE. Le renforcement de la
puissance de calcul permettra le déploiement à l’horizon
2015 d’un nouveau système de prévision d’ensemble
basé sur AROME. Il en découlera une meilleure caractérisation des risques de phénomènes dangereux à
petite échelle (épisodes orageux intenses, brouillard…), ce qui bénéficiera en premier lieu au secteur
aéronautique et à la vigilance météorologique.
la quantification des risques associés pour les 3 jours à
venir. Ces progrès permettront la mise en place d’outils d’aide à la décision encore plus ciblés, utiles dans
le cadre de l’anticipation des phénomènes dangereux
pour la sécurité des personnes et des biens et de la
qualification des phénomènes météo à venir pour les
clients professionnels.
La réduction de la maille d’AROME (passage de 2,5
à 1,3 km) et, dans une moindre mesure, l’augmentation du nombre d’observations prises en compte, permettront d’améliorer la qualité des prévisions des
pluies à caractère orageux (intensité et localisa-
Les nouveaux supercaLcuLateurs de Météo-France - 4 Mars 2014
• Déployer cinq versions spécifiques du modèle
AROME sur l’outremer
Les prévisions du modèle global ARPEGE sur l’outremer sont aujourd’hui affinées grâce au modèle régional ALADIN (maille 7,5 km). Les ressources de calcul
disponibles permettront de déployer à l’horizon 20152016 des versions spécifiques du modèle à maille fine
AROME sur les départements d’outremer. Les impacts
sur la prévision de l’état de la mer et de la qualité de l’air
seront substantiels.
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Des bénéfices
pour tous les utilisateurs
• Mettre en service un nouveau système de prévi-
• Explorer l’apport de systèmes à très haute résolu-
sion pour les très courtes échéances
tion (500m) sur les aéroports
La fréquence de rafraîchissement des modèles limite
La prévision sur les aéroports pose des questions
la qualité des prévisions à très courte échéance.
spécifiques : certains phénomènes extrêmement lo-
Ainsi, le temps dans les prochaines heures est-il prévu
caux (turbulences dans le sillage des avions, rafales…)
encombinant les résultats du modèle AROME et des
peuvent avoir un impact considérable sur la gestion
extrapolations
satellite
du trafic et la sécurité. La puissance de calcul accrue
notamment. Le renforcement de la puissance de
d’observations,
permettra d’étudier l’apport d’une version à très haute
calcul permettra de déployer un nouveau système,
résolution du modèle AROME pour la prévision de ces
AROME-Prévision
phénomènes. Cet apport sera d’abord analysé en dé-
immédiate,
radars
qui
et
sera
rafraîchi
toutes les heures. Il sera opérationnel en 2015.
tails sur les aéroports parisiens.
Cette approche déjà utilisée aux Etats Unis répond aux
demandes du secteur aéronautique et de la sécurité ci-
• Etudier plus finement les phénomènes atmos-
vile, pour gérer les phénomènes dangereux à évolution
phériques élémentaires pour mieux les représenter
très rapide. Au-delà de ces applications, ce système
dans les modèles
bénéficiera à la gestion des réseaux d’assainissement
urbains et de la demande en électricité, à la protection
La recherche sur les processus élémentaires de l’at-
des grands chantiers de construction ou l’assistance
mosphère est la clé de l’amélioration à long terme des
pour les événements sportifs.
prévisions. Grâce au nouveau système de calcul, les
chercheurs de Météo-France étudieront de manière
détaillée les interactions convection/dynamique sur de
• Offrir un meilleur service aux forces armées
très grands domaines avec des mailles kilométriques,
notamment en soutien aux programmes internatio-
Des systèmes basés sur AROME pourront remplacer
naux de recherches AMMA et HYMEX. Ils étudieront en
les systèmes ALADIN (résolution 7,5 km) pour le ser-
outre les mécanismes de formation et de dissipation du
vice aux forces armées sur les théâtres d’opérations, où
brouillard et de nuages bas en les simulant à des ré-
qu’ils se situent sur la planète.
solutions de l’ordre du mètre. Ces travaux permettront
d’améliorer la représentation de ces interactions et mécanismes dans les modèles.
• Améliorer la résolution et de la qualité des prévisions de qualité de l’air, d’alerte environnementale,
de vagues, de surcotes et de dérive
L’ensemble des prévisions dérivant des simulations
d’ARPEGE (qualité de l’air, surcotes, dispersion de polluants dans l’atmosphère et à la surface de la mer…)
gagneront en qualité, ce qui permettra de quantifier les
risques dans ces domaines à des échelles assez fines
pour être pertinentes pour leur gestion.
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des bénéFices
pour tous les utilisateurs
2. dans le doMaine de la
recHercHe cliMatique
L’augmentation de la puissance de calcul permettra
également d’améliorer la résolution et la complexité
du modèle « système terre ». Les interactions entre le
climat et la composition chimique de l’atmosphère, les
calottes glaciaires, le cycle du carbone seront mieux représentées. Un nouvel outil, AROME-Climat, (maille 2,5
km) sera déployé. Il permettra de prendre en compte
l’effet des extrêmes et les interactions non-linéaires
dans l’étude des impacts régionaux du changement
climatique.
Ces améliorations permettent d’envisager une participation ambitieuse de l’établissement au prochain rapport du GIEC.
Enfin, davantage de ressources de calcul seront
mises à disposition de nos partenaires (CERFACS,
Mercator Océan et SHOM).
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FICHE N° 1
Les étapes
d’une prévision
La prévision numérique du temps consiste à établir
• l’analyse par les prévisionnistes : connaissant les
le scénario le plus probable d’évolution du temps,
imperfections des modèles et les caractéristiques lo-
en simulant le comportement de l’atmosphère de
cales des climats, ils ajustent les résultats des simula-
manière réaliste, plus vite que dans la réalité. Elle
tions et définissent le scénario le plus probable, et le tra-
peut se décomposer en quatre étapes :
duisent en cartes et bulletins adaptés aux utilisateurs.
• l’observation de l’état de l’atmosphère grâce aux sa-
Les prévisionnistes caractérisent aussi les risques de
tellites, radars, stations au sol, bouées…
phénomènes dangereux et prennent les décisions
concernant la vigilance. Ils assurent un contact direct
• l’assimilation des données d’observation, c’est-
avec certaines catégories d’utilisateurs, comme les ser-
à-dire le traitement permettant de les rendre utilisables
vices en charge de la sécurité civile.
par le modèle
• la simulation de l’évolution des paramètres météorologiques, effectuée grâce à des modèles s’appuyant sur les lois fondamentales de la mécanique
des fluides, de la thermodynamique, des changements
d’état de l’eau.
Les supercalculateurs sont indispensables pour effectuer dans un laps de temps limité (afin que les résultats
des simulations soient très rapidement mis à disposition des prévisionnistes) les quantités considérables
de calcul nécessaires à l’assimilation et à la simulation.
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FICHE N° 2
Les modèles
de prévision
Pour simuler son évolution, les modèles découpent
• le modèle régional AROME couvre la France mé-
la portion d’atmosphère située au-dessus de la
tropolitaine avec une maille de 2,5 km. AROME délivre
zone qu’ils couvrent en boîtes élémentaires. A cha-
des informations très détaillées, que les prévisionnistes
cune ils associent un jeu de variables météorolo-
utilisent pour affiner leur prévision à petite échelle, no-
giques (température, pression, humidité, vent). Le
tamment en termes d’anticipation et de localisation des
découpage varie selon la finesse souhaitée et la
phénomènes météorologiques potentiellement dange-
puissance de calcul disponible. A couverture égale,
reux, comme les orages.
plus la maille est petite, plus le nombre de calculs
nécessaires est important.
Météo-France exploite et a contribué à développer
le modèle global du Centre européen de prévision
Météo-France a développé une gamme de trois
météorologique à moyen terme (CEPMMT), basé
modèles complémentaires :
à Reading. Il comporte des éléments communs avec
ARPEGE. Il est utilisé pour les prévisions au-delà de 3
• le modèle global ARPEGE couvre l’ensemble du
jours d’échéance.
globe avec une résolution variant de 10 km sur la métropole à 60 km aux antipodes. Il est utilisé pour prévoir les évolutions des phénomènes de grande échelle
(dépressions, anticyclones) et pour la prévision jusqu’à
3 jours d’échéance sur la métropole, l’outremer, les domaines maritimes et les zones d’intérêt pour la France.
• le modèle régional ALADIN couvre un domaine de
3000 km² avec une maille de 7,5 km. Alimenté par les
simulations d’ARPEGE, il permet de prévoir le temps
jusqu’à 2 jours et demi d’échéance et peut être exploité dans n’importe quelle région du monde. Il est
notamment utilisé pour affiner les prévisions pour les
Antilles, la Guyane, la Polynésie française et la Nouvelle
Calédonie, pour la prévision cyclonique dans l’océan
Indien et pour les prévisions sur les théâtres d’opérations extérieurs, sur demande des autorités militaires.
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FICHE N° 3
Les techniques
de prévision
La technique de base de la prévision, ou prévi-
La prévision immédiate, pour les échéances al-
sion déterministe, consiste à simuler un scénario
lant de quelques minutes à quelques heures. Elle
d’évolution de l’atmosphère à partir d’une unique
consiste à combiner les informations délivrées par le
description de son état initial. Elle peut être utilisée
modèle AROME, qui assimile toutes les 6 heures les
pour les échéances allant de quelques heures à 3
données d’observation, avec des extrapolations des
ou 4 jours.
données d’observation, notamment les images radars.
Ces prévisions servent par exemple aux prévisionnistes
Le caractère chaotique de l’atmosphère peut toutefois
à faire le suivi temporel et spatial fin des épisodes mé-
amplifier significativement les imperfections des obser-
téorologiques dangereux, comme les épisodes médi-
vations et des modèles et donc limiter les performances
terranéens, notamment lors de vigilance météorolo-
de la prévision déterministe. Pour les échéances allant
gique orange ou rouge. Météo-France est aussi amené,
jusqu’à quelques heures, les méthodes d’assimilation
dans le cadre de ses activités commerciales, à surveiller
des données (notamment la fréquence avec laquelle les
le risque de pluie pendant des événements sportifs ou
observations sont traitées) en diminuent par ailleurs la
culturels: il s’agit alors de fournir des chronologies très
fiabilité.
précises des épisodes pluvieux pour les heures à venir. Les prévisions immédiates sont aussi utilisées dans
Deux autres techniques sont donc utilisées en com-
d’autres domaines, comme l’aviation ou le transport
plément de la prévision déterministe.
routier.
La prévision d’ensemble, pour tenir compte des incertitudes. Elle consiste à réaliser non plus une seule
mais plusieurs simulations, en partant de plusieurs états
initiaux de l’atmosphère, choisis pour être représentatifs
des incertitudes identifiées qui pèsent sur les mesures.
La prévision d’ensemble fournit donc un ensemble de
scénarios d’évolution de l’atmosphère possibles. Leur
convergence ou leurs divergences renseignent les prévisionnistes sur la probabilité d’occurrence de chacun.
Ils choisissent le plus probable et peuvent quantifier l’incertitude qui pèse sur cette prévision. Cette quantification de l’incertitude permet notamment aux prévisionnistes de mieux évaluer la fourchette d’intensité possible
des phénomènes dangereux et de les localiser plus
précisément. Elle leur permet également d’assortir leurs
prévisions au-delà de 4 jours d’un indice de confiance.
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