Sujet 1.7

Sujet 1.7
Titre
Comment mettre œuvre les nombreux calculs demandés par les modèles de climat ?
Contributeurs
Marie-Alice Foujols
IPSL
Eric Maisonnave
CERFACS
Bannière (250 caractères MAX)
Les modèles de climat se basent sur des programmes informatiques qui calculent, heure après
heure, l’ensemble des variables d’état des différentes composantes du système climatique. La
période simulée peut aller de quelques années à quelques centaines d’années, voire plus encore.
Texte (3000 caractères MAX)
Les programmes informatiques décrivant les calculs à effectuer pour une simulation de type
climatique sont composés de nombreux sous-programmes représentant en tout plusieurs
centaines de milliers de lignes de code. Pour chaque point du maillage du globe terrestre
(latitude, longitude, altitude ou profondeur), ils détaillent les calculs à effectuer, pas de temps
par pas de temps, pour quantifier les différentes variables d’état de chacune des composantes
du système climatique (atmosphère, surfaces continentales, océan, glace de mer, biogéochimie,
chimie atmosphérique) suivant les équations décrivant leur évolution. Les calculateurs actuels,
composés d’un grand nombre de cœurs de calcul travaillant en parallèle, permettent de simuler
ainsi l’évolution du climat sur des périodes allant de quelques mois à quelques dizaines ou
centaines d’années, voire quelques milliers d’années. Chaque processeur (cœur de calcul) se
charge d’un sous-ensemble des calculs, en général d’un sous-domaine du globe terrestre. La
chaine de calcul se compose de plusieurs étapes: le calcul proprement dit et des post-
traitements systématiques: regroupement de fichiers, moyennes de variables (par exemple par
décennie), réalisation de cartes présentées dans des atlas, création de séries temporelles de
variables représentatives, suivi en ligne (www) de l’évolution schématique de variables
sélectionnées. Pour étudier le climat, on doit simuler sur ordinateur son évolution sur au
minimum des dizaines, et jusqu'à des centaines de milliers d'années. Par exemple, l'étude
statistique de la variabilité naturelle du climat à l'époque pré-industrielle nécessite de simuler
2000 années de son comportement sur des mailles de 100 km de côté: avec les moyens de calcul
actuels, la réalisation de cette simulation a pris quasiment une année entière. L'accroissement
futur de ces moyens de calcul nous permettra, à condition que les indispensables modifications
soient faites sur nos codes, soit d'effectuer ces calculs plus rapidement (il ne faudra plus que
quelques jours pour réaliser 2000 années de simulation), soit de prendre en compte plus de
phénomènes physiques (l'évolution de la calotte glaciaire, la hauteur des vagues, etc.), soit de
simuler ces phénomènes sur plus de points de grille (des détails à l'échelle de 10 km seront
visibles), soit d'effectuer plusieurs simulations légèrement différentes en parallèle pour
améliorer la significativité statistique de nos résultats. Le choix entre ces différentes
améliorations se fait en fonction du domaine d'intérêt (réchauffement climatique, prévision
saisonnière/décennale, étude de processus ...). Dans chaque cas, un compromis est nécessaire
pour choisir le niveau de détail du climat simulé en fonction des ressources informatiques

disponibles. Pour CMIP5, la machine NEC SX-9 de 3 nœuds de 16 processeurs de calcul, financée
par GENCI et maintenue par le TGCC entre avril 2009 et décembre 2012, était dédiée à l’IPSL.
Certaines simulations ont été réalisées sur les autres calculateurs disponibles au TGCC (machine
Bull) et à l’IDRIS (machine IBM); à Toulouse, 16 processeurs de NEC SX-8 de Météo-France ont
été utilisés pendant 2 ans. Dans le même temps, 2,3 Po de données ont été produites (2 Po IPSL
et 260 To Météo-France), dont 301 To (250 To IPSL et 51 To Météo-France) ont été distribuées,
automatiquement et sur demande, aux autres groupes d’études et de recherche grâce à
l’installation de nœuds de distribution ESFG (Earth System Grid Federation) dans les différents
centres de calcul (IPSL, Météo-France, TGCC, IDRIS).
Encart : (500 caractères MAX)
Les ressources informatiques nécessaires :
leur histoire et leur avenir
La modélisation du climat est un domaine d’utilisation classique des calculateurs scientifiques.
Les progrès de ces calculateurs pendant les dernières décennies ont permis de traiter de plus en
plus de calculs : la taille des mailles s’est affinée, le système climatique a été complété par les
composantes nécessaires (atmosphère, surfaces continentales, océan, glace de mer,
biogéochimie, chimie atmosphérique), les composantes ont elles-mêmes été détaillées, les
simulations sont plus longues et les ensembles de simulations permettent dorénavant
d’appréhender les statistiques nécessaires.
Une erreur classique : (260 caractères MAX)
Les codes climat ne sont pas parallélisés. Depuis de nombreuses années, les équipes
développant les modèles de climat améliorent les algorithmes et utilisent de plus en plus de
processeurs simultanément, quelques centaines actuellement. Certains maillages possèdent des
particularités essentielles pour les algorithmes utilisant plusieurs milliers ou plus encore de
processeurs. On citera la sphère cubée ou les icosaèdres (ballon de football).
Lexique : 1 mot (150 caractères MAX) :
Facultatif
FLOPS (FLoating point Operations Per Second)
FLOPS signifie « opérations à virgule flottante par seconde ». Le nombre de FLOPS est une
mesure commune de la vitesse d'un calculateur scientifique. Les vitesses des ordinateurs étaient
en MégaFLOPS (106 FLOPS) en 1980, en GigaFLOPS(109 FLOPS) en 1990, en TéraFLOPS(1012
FLOPS) en 2000 et maintenant en PétaFLOPS(1015 FLOPS).
Nature et légendes des images (+ copyright si nécessaire)
Image 1 :
http://dods.ipsl.jussieu.fr/brocksce/dev_comm/animat
ion/terre_climat_v1.psd
Copyright: © Animea, F. Durillon
Image 2 :
Calculateurs NEC SX-8 et SX-9 et serveurs de
fichiers SGI installés au CCRT
Copyright: CEA, C Ménaché (A vérifier)