Compte rendu des utilisations du calculateur TITAN au LACy

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1 Le Laboratoire de l Atmosphère et des Cyclones (LACy) UMR (8105) Université de la Réunion CNRS Météo France 15 avenue René Cassin, Saint Denis messag.,cedex 9 Compte rendu des utilisations du calculateur TITAN au LACy Le calculateur TITAN est utilisé par deux équipes du laboratoire. L équipe «Troposphère» l utise dans le cadre de la thèse de doctorat de Dorothée Lesouef pour réaliser des simulation des écoulement atmosphérique à haute résolution au niveau de l île ainsi que la diffusion de traceurs passif pour simuler la dispersion de polluants. L équipe modélisation des cyclones l utilise également en en tests actuellement pour des simulation d analyse de cyclones en présence de relief avec le même modèle Méso-NH. Le modèle Méso-NH est un code parallélisé, il s agit d un outil complexe qui nécessite des supercalculateurs performants pour fonctionner dans de bonnes conditions. Les paragraphes suivants décrivent les travaux effectués avec le calculateur Titan et soulignent aussi les difficultés rencontrées. 1- Etude numérique des circulations locales à la Réunion : application au transport de polluants et à la dispersion du panache volcanique du Piton de La Fournaise Utilisation du modèle MesoNH sur TITAN Le modèle météorologique anélastique MesoNH a été installé sur le supercalculateur Titan. Ce modèle est utilisé pour simuler sur une large gamme d'échelle des écoulements atmosphériques réels ou académiques multidimensionnels. En particulier, cet outil numérique a permis d'effectuer une modélisation dynamique à mésoéchelle et à haute résolution (1 km) des écoulements atmosphériques dans les basses couches au niveau de La Réunion dans le but d'étudier l'action du relief et du rayonnement sur ceux-ci. Les simulations ont aussi été appliquées à la diffusion de traceurs passifs censés représenter la dispersion de polluants. Ce travail rentre dans le cadre des études préparatoires à la mise en place de la future station d'observation de l'opar (Observatoire de Physique de l Atmosphère de la Réunion) sur le site du Piton Maïdo à l'horizon 2010 et vise à documenter les différents types d'observation qui y seront effectués. Configuration numérique L'objectif a été de réaliser des simulations sur cas idéalisés en ne retenant que les forçages principaux à savoir le chauffage radiatif et le forçage par du vent synoptique d'ese représentatif de l'alizé. La méthode a donc consisté à imbriquer (en mode 1-way) deux modèles centrés sur La Réunion. Les modèles extérieur et intérieur avaient une résolution horizontale de 4 km et 1 km, couvraient une superficie de 320*320km 2 et 100*100km 2 respectivement (figure 1). 1

2 Figure 1: Schéma d'imbrication des modèles (échelle de couleurs relative à l'altitude du terrain) Le run a été lancé sur 8 des processeurs du calculateur TITAN et sa durée était de 48 heures (soit 8 segments temporels de 6 heures). Les pas de temps étaient de 20 s pour le modèle extérieur et de 5 s pour le modèle intérieur. Pour adapter le modèle à l étude de ces cas idéalisés, plusieurs paramètrisations ont été nécessaires, notamment l activation des schémas d advection (du second ordre défini positif, décentré en temps et en espace, de turbulence (d ordre 1,5 avec l énergie cinétique turbulente comme variable pronostique), de transfert radiatif, de surface, de condensation sous-maille etc. Le temps réel de calcul avec TITAN pour un segment de 6H était de 17H30 approximativement. A titre de comparaison, le temps réel de calcul avec le calculateur du centre de calcul IDRIS du CNRS (NEC SX8 de type vectoriel possédant 10 nœuds et 8 processeurs par noeud) dans la même configuration était de 4H (Tableau 1). TITAN BRODIE Temps CPU/point/pas de temps-modele 4km (µs) Temps CPU/point/pas de temps-modele 1km (µs) Temps CPU (s) Tableau 1: Comparaison des temps de calcul des calculateurs TITAN et BRODIE Principaux résultats obtenus Les résultats ont alors permis de mettre en évidence la modulation par le forçage radiatif de la séparation du flux d'alizé de part et d'autre de l'île (figure 2) et le développement plus favorable des brises côtières sur la côte ouest abritée du vent synoptique. Les expériences numériques ont aussi souligné l'impact des recirculations engendrées par le flux synoptique dans le sillage de l'île au NE sur les panaches qui sont alors rabattus sur la côte ouest, le rôle des plaines alluviales (par ex., la rivière des Galets) qui canalisent ces panaches en agissant comme des cheminées (figure 3) et la dispersion du panache volcanique susceptible d'induire une contamination jusqu'au Piton Maïdo (figure 4). Un traceur passif de couche limite et un traceur esquissant le cycle diurne de l'ozone ont été définis et ont permis de marquer de façon simple les masses d'air ayant transité dans les basses couches et dont la composition est susceptible d'avoir été influencée par la surface. Ainsi sur le sommet du Piton Maïdo, les expériences numériques ont révélé d une part l influence de la couche limite selon un cycle journalier et d autre part un cycle diurne inversé de l ozone (c est-à-dire présentant un minimum de concentration en journée à l inverse de la couche limite où l on observe en général un cycle de production diurne/destruction nocturne). Les brises thermiques peuvent expliquer ce phénomène : en effet, le jour sous l action de la brise montante, de l air des basses 2

3 couches arrive progressivement au sommet de la montagne, c est pourquoi au sommet du Piton Maïdo (figure 5), la teneur en traceur de couche limite augmente jusqu à des valeurs supérieures à 90% en journée. Cet air des basses couches étant moins concentré en ozone que l air au sommet, il se produit au sommet un phénomène de dilution qui provoque ainsi la baisse de la concentration du traceur ozone. La nuit, dès lors que la brise descendante est amorcée, la teneur du traceur de couche limite diminue tandis que celle du traceur ozone augmente pour retrouver sa valeur de fond. Figure 2: Séparation du flux des alizés. Représentation des lignes de courant à 20m au-dessus du sol sous l'effet de la convergence (à gauche) et de la divergence (à droite) thermiques (échelle de couleurs relative à l altitude du terrain). Figure 3: Coupes horizontales illustrant la répartition spatiale du panache de traceur issu de la ville de St Denis (simulation ALIZ5) 3

4 Figure 4: Coupe horizontale illustrant la répartition spatiale du panache issu du Piton de La Fournaise à 00:00 locales (simulation ALIZ5). Traceur CL % Traceur CL Traceur pseudo-o Heure locale Traceur O3 ppb Figure 5: Evolution temporelle des traceurs passifs de couche limite et pseudo-o3 au Piton Maïdo (simulation ALIZ0) Projets En vue de l'extension de cette étude, il est prévu d'effectuer et d'analyser une série de simulations à partir de cas réels basés sur une typologie de situations météorologiques. D'autre part, l'éruption récente du Piton de La Fournaise (Avril 2007) a montré que des panaches fortement chargés en dioxyde de soufre et autres gaz acides ainsi qu'en fines particules de lave et cendres volcaniques étaient susceptibles d'atteindre des zones habitées et d'y poser des problèmes de santé publique. C'est pourquoi nous avons engagé la modélisation de cet épisode de pollution à l'aide du modèle MésoNh afin d'approfondir l'étude des mécanismes de la diffusion du panache volcanique à l'origine des contaminations observées. Ceci devrait permettre d'abord de mettre au point un système numérique de modélisation de la dispersion de panaches de polluants et de déboucher à terme sur un système de prévision de dispersion de panache volcanique, voire d'alerte en cas d'éruption importante. 4

5 2- Modélisation des Cyclones. La qualité des prévisions d intensité cyclonique stagne depuis 20 ans, contrairement à celle de trajectoires. L'intensité est gouvernée par une large gamme d'échelles, contrairement à la trajectoire, et la prise en compte des phénomènes de petite échelle (de méso-échelle et même d'échelle aérologique) est nécessaire pour bien représenter les processus physiques la régissant. L utilisation du modèle non-hydrostatique Méso-NH est alors un outil indispensable pour la simulation de ces phénomènes, dont la capacité à simuler de façon réaliste un cyclone mature a pu être démontrée (Thèse de S. Jolivet, 2008) et dont les évolutions vers un modèle couplé sont en cours (Thèse de G. Samson en cours). Utilisation. Titan a été utilisé pour MésoNH (configuration à 3 domaines imbriqués avec toutes les différentes étapes de MésoNH). Il s'agissait, pour le moment, principalement de test d'utilisation cad vérification du bon fonctionnement de MésoNH (programme et outils dérivés comme les outils de compression et autre conversion), mise en place de script d utilisation et test de performance sur une simulation aussi réalisée sur le calculateur de Météo-France. Par conséquent, il n'y a pas encore vraiment de résultats scientifiques. Par contre, on a tout ce qu'il faut pour travailler maintenant sur les cyclones. Les difficultés ont été nombreuses lors des premiers essais. Il s agissait essentiellement des problèmes d'installation de MésoNH résolus par Delphine Ramalingom et Juan Escobar (Un ingénieur d un groupe aynat développé le modèle) et des problèmes de lenteur de connexion résolus par l'installation du PC ADSL à la DIRRE. Les performances sont assez décevantes pour l'utilisation de MésoNH mais au vu des performances théoriques de la machine et de "l'efficacité" du code MésoNH, ces performances décevantes sont normales! L'avantage c'est que la machine n'est pas surchargée et qu'une classe d'utilisation a été spécialement définie pour les longues simulations MesoNH. Projets En perspective des 2 ans à venir, l'utilisation va réellement commencer avec le travail de thèse de Guillaume Samson utilisant MésoNH couplé à un modèle simplifié d'océan (ce modèle va faire partie intégrante de MésoNH donc il ne devrait pas avoir de pb d'installation). Pour ma part, le début d'un travail sur la cyclogénèse et les changement d'intensité des cyclones donc des simulations à très fines échelles (1km voire inférieure). Et peut-être la venue d'un post-doctorant travaillant sur la microphysique dans les cyclones. A cela, la fin de thèse de Samuel Jolivet, qui peut être amené à utiliser dans les 6 mois le calculateur pour clore ces dernières études sur Dina et le relief de la Réunion. Beaucoup d'heures (de mois plutot!) de calcul sont prévues... peut être trop pour les performances de Titan. Il ne faudrait pas que le remplacement du calculateur ralentisse les travaux scientifiques à venir! Il faudrait donc probablement une période de "double" avec les deux calculateurs 5