Demande de labellisation «Code numérique communautaire» & «Centres de traitement et d'archivage des données» Plateforme de modélisation climatique de l IPSL Novembre 2006
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 3 Plan du document Demande de labellisation...1 Plan du document...3 Contacts...5 Objectifs...5 Le besoin de labellisation...7 La plate-forme de modélisation de l IPSL...9 Analyse des tâches de services...13 Mise en œuvre et organisation...15 Annexes...21 Description du couplé...21 Le modèle de circulation atmosphérique global LMDz...29 La modélisation des surfaces continentales...35 INCA : INteractions avec la Chimie et les Aérosols...45 NEMO-TOP (Tracers in the Ocean Paradigm)...49 NEMO (Composante associée)...55 Glossaire...57 Bibliographie...59
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 5 Contacts Pour toute demande de renseignement ou commentaire sur ce dossier, vous pouvez contacter : Pascale Braconnot 01 69 08 77 21 pascale.braconnot@cea.fr Olivier Marti 01 69 08 77 27 olivier.marti@cea.fr Marie-Alice Foujols 01 44 27 49 92 marie-alice.foujols@ipsl.jussieu.fr Objectifs L estimation du changement climatique futur et de son impact sur l environnement exige que nous améliorions notre connaissance des interactions complexes entre l atmosphère, l océan, la glace de mer, les surfaces continentales et les glaciers. Ces composantes du système climatique sont couplées par les cycles de l eau et de la chaleur, mais aussi par les cycles biogéochimiques comme ceux du carbone ou de l ozone. L objectif principal de la plateforme de modélisation climatique de l IPSL est de permettre d étudier comment ces différents éléments du système climatique peuvent moduler le climat et sa variabilité, et de déterminer comment les boucles de rétroactions dans le système climatique contrôlent la réponse du climat à une perturbation comme l émission par l homme de gaz à effet de serre. Dans cette perspective, la plateforme de modélisation climatique de l IPSL est développée comme une suite modulaire de composantes du système climatique qui peuvent être utilisées seules ou couplées les unes aux autres. Ces différents efforts de modélisation ont conduit à des outils d une dimension et d une complexité considérables. La communauté d'utilisateurs est des plus en plus large. Les travaux ont des retombées auprès d autres communautés, comme celle des impacts, qui utilisent les projections climatiques comme données d entrée de leurs applications. Ces données doivent être mis en forme pour pouvoir les diffuser au-delà du cercle des physiciens du climat afin d'alimenter les études portant sur les impacts du changement climatique et d'aider à éclairer les débats de société et les décisions autour des problématiques climatiques. Ces besoins accroissent les exigences de validation des codes et des résultats, de suivi des versions de modèles, d'aide aux utilisateurs, de portage multi plateformes, etc.... Ces différentes activités se caractérisent aussi par un côté opérationnel, comme l a montré la réalisation des différents scénarios pour le prochain rapport GIEC. L objectif de la labellisation est de fournir à la communauté des utilisateurs un outil adapté, évolutif et validé pour travailler sur la physique du climat et des interactions entre les différentes composantes. Elle permettra d assurer de façon pérenne la qualité de l ensemble des activités menées à partir des modèles développés à l IPSL et de leurs résultats. La modélisation a débuté dans les laboratoires qui constituent aujourd hui l IPSL dans les années 70, avec le modèle de circulation générale atmosphérique du LMD. Les autres composantes sont apparues petit à petit, à cause des besoins scientifiques et grâce à l évolution des calculateurs. La modélisation couplée océan-atmosphère a débuté en 1995, date de naissance de la plateforme de modélisation climatique de l IPSL.
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 6 Les outils de modélisation climatique de l IPSL ont permis des avancées scientifiques importantes, que ce soit par l utilisation des composantes individuelles ou de différentes combinaisons de couplage. Pour illustrer cette dynamique scientifique, nous retiendrons trois avancées marquantes dans lesquelles les équipes et modèles de l'ipsl ont joué un rôle de premier plan : Amplification du réchauffement futur par le cycle du carbone Le changement climatique à venir peut avoir un impact négatif important sur l efficacité de la biosphère continentale et des océans à absorber le CO 2 anthropique. Il en résulte une rétroaction positive, le réchauffement entraînant une accélération de l augmentation du CO 2 dans l atmosphère et l amplification du changement climatique. À l aide du modèle couplé climat-carbone de l IPSL forcé en émissions de CO 2, nous avons estimé que, pour le scénario du GIEC SRESA2, cette rétroaction amplifie l augmentation du CO 2 de 35 ppm à l horizon 2100. Ces études ont donné naissance au projet C4MIP (Coupled Carbon Cycle Climate Model Intercomparison Project), coordonné par l IPSL et regroupant 11 modèles forcés par ce même scénario d émission. Ces travaux alimentent la réflexion sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Rôle de la végétation sur la dynamique du climat. L'entrée dans la dernière glaciation il y a 115 000 ans n'aurait pu se produire sans la participation active de la végétation (de Noblet et al. 1996). La distribution saisonnière du rayonnement solaire reçu par la Terre à cette époque était en effet telle que les forêts boréales étaient incapables de survivre aux latitudes actuelles et ont migré vers le Sud au détriment de la toundra. Ce changement de couverture végétale s accompagna d une perte significative d énergie solaire absorbée par la surface, liée à l augmentation de l albédo de la canopée, particulièrement importante en période neigeuse. De la même façon, nous avons démontré l importance des rétroactions liées à la synergie entre la dynamique naturelle de la végétation en Afrique tropicale et les changements de circulation océanique sur l intensité et la localisation géographique du flux de mousson africaine (Braconnot et al. 1999). Ces travaux ouvrent la voie à l étude du rôle des surfaces anthropisées et la gestion des écosystèmes sur le climat. Impact des émissions de précurseurs de l'ozone par la végétation sur la composition chimique de l'atmosphère La biosphère terrestre est une source majeure de composés organiques volatils (COV) dans l atmosphère. Les COV biogéniques sont principalement émis au niveau des feuilles et sont des composés très réactifs dans la troposphère, impliqués dans la photochimie de l ozone troposphérique. Les processus de nitrification et dénitrification dans les sols constituent également une source importante d'oxydes d'azote. Ce couplage étroit entre la biosphère et la chimie de l'atmosphère a été pris en compte dans le modèle couplé du système terre de l'ipsl. Un schéma d émissions biogéniques détaillé a été introduit dans le modèle de végétation ORCHIDEE. Celui-ci permet d estimer les émissions de NOx et de COV biogéniques en synergie étroite avec la croissance de la végétation ainsi que la distribution des types de plantes à la surface. Les estimations de ces composés pour l actuel mais aussi pour les climats passés (dernier maximum glaciaire, préindustriel) et futurs (2100) ont alors pu être utilisées dans le modèle de chimie-transport LMDz-INCA pour mener des études d impact sur le niveau d ozone dans la troposphère. L'application du modèle couplé à l'étude de l'évolution de la composition chimique en
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 7 2100 montre que sous l'effet du changement climatique et des plus hauts niveaux de CO 2, les émissions globales d'isoprène par la végétation augmentent de 400 à 640 TgC/an. L'ozone à la surface en été augmente quant à lui de plus de 50 ppb en Europe. Plus de 30% de cette augmentation est associée aux émissions accrues par la végétation. Ces résultats montrent ainsi toute l'importance de prendre en compte ce couplage avec la végétation pour étudier l'évolution future de l'ozone atmosphérique. Le savoir faire qui s est développé autour du développement des modèles climatiques constitue désormais une science à part entière, et son développement nécessite en amont plusieurs types d activités : Des études de processus dédiées conduisant au développement de paramétrisations ; Le développement de méthodes destinées à coupler les différentes composantes du système climatique et à gérer un environnement informatique complexe ; L adaptation des codes et de leurs performances à des calculateurs évoluant sans cesse ; Des études de validation des modèles et d analyse des erreurs systématiques à partir de données in situ et satellitaires ; Une approche prospective des problèmes algorithmiques, ou numériques en vue de renouveler la modélisation de certaines composantes du système ou d optimiser leur mode de fonctionnement. Le besoin de labellisation L ensemble de l activité scientifique mentionnée ci-dessus qui s appuie sur la plateforme de modélisation de l IPSL est en croissance constante. Il devient nécessaire de mettre en place un développement, une gestion et une diffusion coordonnées des codes, des résultats et des expertises. Ceci est d autant plus important que les échelles de temps de développement des outils de modélisation sont de l ordre de la décennie. La structure doit permettre une bonne intelligence entre développements scientifiques et développements techniques. En 2002, le système OPA a été labellisé code numérique à vocation communautaire par l INSU. Ce système désormais renommé NEMO recouvre NEMO/OPA (dynamique de l océan), NEMO/LIM (glace de mer) et NEMO/TOP (biogéochimie marine). Le service proposé ici est assez similaire à celui proposé par la tâche de service NEMO. Il couvre cependant une communauté aux contours différents, moins liée à l opérationnel, et plus liée aux laboratoires de recherche. Une de nos particularités est que nous soutenons une large communauté utilisant les résultats de simulations pour des études d impacts, dont les approches et les méthodes sont spécifiques. La présente demande ne recouvre pas les tâches prises en charge par le système NEMO. Elle couvre en revanche les activités de couplage entre les différents moteurs inclus dans NEMO et les autres composantes de la plateforme. Des projets d envergure La plateforme de modélisation est impliquée dans un grand nombre de projets scientifiques internationaux, que se soit le système lui-même ou certaines de ses composantes. La liste des projets figure dans les annexes de ce document. Le projet le plus contraignant est sans aucun doute le GIEC (Groupe International d Étude des Changements Climatiques, IPCC
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 8 en anglais). C est tout d abord un projet exigeant sur la qualité scientifique de nos modèles, qui y sont comparés à plus d une vingtaine d autres. C est aussi un projet très exigeant car il demande aux équipes scientifiques de passer en mode semi-opérationnel pour réaliser les scénarios climatiques, mettre en forme les résultats (plusieurs dizaines de Téra-octets), et les rendre disponibles à la communauté, qui comprend de très nombreux utilisateurs des données. La base de données multi-modèles hébergée au PCMDI rassemblant les résultats des scénarios demandés par le GIEC a permis plus de 170 articles scientifiques qui seront le socle du prochain rapport du GIEC qui paraîtra début 2007. Les équipes de l IPSL autour de la plateforme sont aujourd hui insuffisantes pour participer de façon totalement satisfaisante à ces exercices. La plateforme de modélisation de l IPSL a permis aux chercheurs d acquérir une compétence internationalement reconnue. Cela se traduit par la participation à la coordination de plusieurs grands projets internationaux : PMIP (Paleoclimate Intercomparison Project), CFMIP (Cloud Feedbacks Model Intercomparison Project), OCMIP (Oceanic Carbon Intercomparison Project), C4MIP (Coupled Carbon Cycle Climate Model Intercomparison Project), AEROCOM, La structuration de l activité s est largement amorcée dans les dernières années grâce au Pôle de modélisation de l IPSL. Elle devient de plus en plus lourde et nécessite une reconnaissance de ces tâches de service qui déborde la simple activité scientifique de modélisation réalisée à l IPSL. La communauté concernée La communauté concernée par la plateforme de modélisation de l IPSL peut se décomposer en trois cercles. Le premier cercle est celui des utilisateurs-développeurs. Il s agit de personnes qui consacrent un temps important pour développer le modèle afin qu il réponde à leurs besoins scientifiques. Elles consacrent une partie de leur temps à la tâche de service, c est-à-dire à rendre la plateforme fiable, pérenne et utilisable par une vaste communauté aux objectifs scientifiques très différents. Le deuxième cercle est celui des utilisateurs. Ces personnes utilisent tout ou partie de la plateforme pour leurs applications scientifiques, tout en n intervenant que marginalement dans le codage du modèle. Les communautés correspondant à ces deux cercles sont détaillés dans les annexes dans les fiches modèles en annexe de ce document. Elles se composent actuellement de plus de 150 utilisateurs 1, dont environ 50 dans le cercle des développeurs. Nous fournissons aussi une liste des projets européens et nationaux qui utilisent le modèle (environ 50 projets). La bibliographie en fin de ce document reflète la production scientifique de ces deux premiers cercles. Bien qu incomplète, elle recense pour la période 1997-2006 plus de 500 articles dans des revues à comité de lecture. Le troisième cercle n utilise pas la plateforme elle-même, mais seulement les résultats de simulations. Il s agit surtout de personnes étudiant les mécanismes de la variabilité, ou travaillant sur les impacts de climat sur l économie, l agriculture, etc Ce cercle est le plus difficile à cerner dans les détails. Il est essentiellement composé des personnes accédant aux scénarios climatiques de type GIEC, soit directement à l IPSL, soit en passant par la base de données GIEC au PCMDI. Il n existe pas de recensement des accès. Le PCMI recense 553 projets qui utilisent les données, de façons variées. La base de données PMIP (limats du passé) est le support de 46 projets internationaux qui utilisent les résultats de l IPSL. Pour la préparation du prochain rapport GIEC (Assessment report 4), 1 153 utilisateurs sont reportoriés dans ce document, en tentant compte de personnes citées à plusieurs endroits.
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 9 170 articles s appuyant sur la base de données ont été publiés en 2004 et 2005. La communauté française qui travaille sur les impacts du changement climatique le fait fréquemment au travers de projets GICC (voir http://medias.obs-mip.fr/gicc). Les résultats des scénarios climatiques sont aussi valorisés par la société CLIMPACT (http://www.climpact.com). De plus en plus de contraintes La modélisation climatique devient de plus en plus complexe. Le nombre de composantes est en constante augmentation (cf. Figure 2), le nombre de configurations couplant une partie de ces composantes augmente aussi avec la diversité des besoins scientifiques. Les échelles de temps étudiées vont désormais de la variabilité intra-journalière au siècle, et vont s étendre peu à peu vers le millénaire, puis vers les cycles glaciaire-interglaciaire. Les échelles d espace vont du local (comme l utilisation d ORCHIDÉE sur des stations de mesure) au planétaire. La modélisation régionale est en plein essor, et développe des liens de plus en plus fort avec la modélisation globale. Le besoin de maintenir cette variété d applications possibles est une contrainte très forte sur le développement de la plateforme. Enfin, la plateforme est de plus en plus utilisée pour des applications quasi opérationnelles (exercice GIEC, applications temps réel de ORCHIDEE et de INCA, etc ). Ces utilisations mettent une forte pression sur la fiabilité des modèles, sur les méthodes de validation, sur la réalisation de simulations de référence. Il faut aussi assurer la cohérence de l ensemble pour permettre le couplage des différentes composantes, et avoir des méthodes de travail transparentes pour les utilisateurs qui souhaitent accéder aux modèles ou aux données (les résultats de modèles). La complexité du système vient aussi de l accroissement des contraintes d ordre informatique. Il faut porter le système sur un nombre sans cesse croissant de calculateurs et de centre de calculs. Il faut en particulier s assurer d avoir de bonnes performances, tant sur la vitesse de calcul que sur les entrées-sorties, dont le volume est considérable. Il faut gérer des gros volumes de données à partager à travers une grande variété de protocoles (http, dods, las, ), et des formats (Grib, NetCDF, CF, HDF, ) La plate-forme de modélisation de l IPSL Introduction La plateforme de modélisation climatique de l IPSL est un ensemble de composantes modélisant différentes parties du système climatique. Ces composantes peuvent être utilisées séparément, ou couplées ensemble dans une grande variété de configurations possibles en fonction des besoins scientifiques. Les composantes sont le modèle de circulation atmosphérique LMDZ, le modèle de circulation océanique NEMO/OPA, le modèle de glace de mer NEMO/LIM, le modèle de biogéochimie marine NEMO/TOP, le modèle de surfaces continentales ORCHIDEE et le modèle de chimie atmosphérique INCA. Les interactions entre les composantes sont décrites dans la Figure 1. Le système est conçu pour être évolutif et intégrer ou activer de nouvelles composantes, par exemple les calottes de glace. Il comprend une bibliothèque d entrées-sorties IOIPSL et un ensemble d outils de gestion des versions, de compilation, d exécution et de post-traitement MODIPSL. Ces outils sont partagés par l ensemble des composantes. Les fiches modèles reproduites en annexe de ce document permettent de se rendre compte des différentes applications des composantes et du modèle couplé. Elles listent les
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 10 personnes impliquées, les projets scientifiques et les forces de développement. Le développement du modèle repose sur les développements des composantes, fait dans les différents laboratoires de l IPSL, LMD 1, LOCEAN 2, LSCE 3 et SA 4, et grâce à des collaborations nationales : avec le LGGE 5 pour le climat des hautes latitudes, le LEGI 6, le LMC 7 et le LPO 8 pour la modélisation de la dynamique océanique, le LOA 9 pour la modélisation des effets directs et indirects des aérosols et le CERFACS 10 pour le coupleur ; et internationales : l UCL/ASTR pour la modélisation de la glace de mer, le UK Met Office et le SOC. Les différentes configurations de couplage entre les composantes induisent un poids supplémentaire sur le développement et la validation de celles-ci. Les développements de la couche limite atmosphérique par exemple, doivent répondre aux exigences du couplage avec la chimie, les surfaces continentales et l'océan. La modélisation de la chimie atmosphérique nécessite une excellente qualité des simulations de la haute atmosphère, et le transport des différentes espèces chimiques par la convection nécessite des modifications spécifiques. Le cycle du carbone, à travers la biologie marine, est très sensible au mélange océanique. On pourrait multiplier les exemples de ces contraintes croisées sur le développement des composantes. Le développement du couplage entre les composantes, des modèles d interface, de l environnement de compilation et d exécution, et la validation des couplages repose sur une vingtaine de personnes à l IPSL, dont une quinzaine d ingénieurs. Ces ingénieurs sont répartis à l IPSL, au LSCE, et dans les équipes développant les composantes. Leur action est coordonnée par le conseil scientifique du Pôle de modélisation de l IPSL. 1 LMD : UMR 8539, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Ecole normale supérieure, Ecole Polytechnique et Université Pierre et Marie Curie (UPMC). 2 LOCEAN : Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de recherche pour le développement (IRD), Museum national d'histoire naturelle (MNHN). 3 LSCE : UMR1572, Commissariat à l energie atomique (CEA), Centre national de la recherche scientifique (CNRS), et Université Versailles-Saint-Quentin (UVSQ). 4 SA : UMR 7620, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), l'université Versailles-Saint-Quentin (UVSQ). 5 LGGE : UMR 5183, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Observatoire des sciences de l univers de Grenoble (OSUG), Université Joseph Fourier (UJF). 6 LEGI : UMR 5519, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Joseph Fourier (UJF) et à l'institut National Polytechnique de Grenoble (INPG). 7 LMC : 5523, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Joseph Fourier (UJF) et à l'institut National Polytechnique de Grenoble (INPG). 8 LPO : UMR 6523, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (IFREMER), Université Bretagne Ouest (UBO). 9 LOA : UMR 7587, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Ecole supérieure de physique et chimie industrielles de la Ville de Paris (ESPCI), Université Denis Diderot (Paris VII). 10 URA 1875, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et CERFACS.
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 11 Figure 1 Le modèle système climatique de l IPSL
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 12 Figure 2 Ce dessin reprend une figure du rapport GIEC 2001 montrant comment les modèles de climat ont peu à peu intégré des nouvelles composantes du système climatique. Il a été complété par le nom des composantes IPSL correspondantes. Dimensionnement Le tableau ci-dessous indique pour les principales composantes les éléments de dimensionnement des codes : le nombre de fichiers sources, le nombre de sous-routines, de lignes, ainsi que le pourcentage moyen de code et de commentaires dans les sources. Composante Fichiers Sous-routines Lignes % de code % de commentaires IOIPSL 21 136 20617 68 31 OASIS 114 64 19744 53 46 ORCHIDEE 51 187 35418 68 31 NEMO/OPA 214 912 80157 65 35 NEMO/LIM 24 36 6793 70 30 NEMO/TOP 86 110 20253 83 27 LMDZ 359 424 86996 67 32 INCA 134 313 32245 62 37 Les configurations associées L utilisation de la plateforme repose sur des configurations. Une configuration est un mode d utilisation particulier d une composante ou d un jeu de composantes couplées entre elles. Elle est associée à une version des sources des composantes impliquées, à des fichiers de paramètres, à un jeu de forçage (conditions limites) et à un ensemble de données observées permettant l évaluation et la validation de la configuration. Une configuration nouvelle est développée chaque fois qu une question scientifique particulière le nécessite. Parmi ces configurations, certaines sont dites «de référence». Ce sont des configurations que la tâche de service s engage à maintenir utilisables et validées pendant plusieurs années, et qui sont le support d un grand nombre d études scientifiques. C est pourquoi une configuration est aussi adossée à une expertise scientifique. La tâche de service maintient un nombre réduit de ces configurations, qui résulte d un compromis entre les bessoins scientifiques et le personnel disponible. Simulations de référence Pour les configurations de référence, il existe des simulations de référence. Ces simulations ont deux raisons d être. Tout d abord, elles servent à la validation d une configuration, et de point de comparaison lors de l évolution de la physique des composantes. Ces simulations sont entièrement qualifiées, maintenues dans la durée, et rejouables. Ensuite, les simulations de référence sont des simulations conçues et réalisés pour servir de base à une série d études scientifiques. Les simulations couplées demandant des moyens de calcul considérables, l IPSL s est donc organisé pour réaliser des simulations de référence, dont les caractéristiques sont définies par les grands projets internationaux d intercomparaison : CMIP pour le climat actuel, IPPC pour l évolution du climat de 1850 à 2100 et au-delà, PMIP pour les paléoclimats. Ces simulations sont mises à disposition des chercheurs de la communauté nationale et internationale.
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 13 Propriété, licences La décision de principe a été prise de passer toutes les composantes de l IPSL sous licence Cecill, compatible GPL. C est déjà le cas de NEMO, et cela se fera au fur et à mesure des changements de version pour les autres composantes. La licence Cecill est destinée à garantir la liberté de partager et de modifier les logiciels libres, et à s assurer que ces logiciels sont effectivement accessibles à tout utilisateur ; elle est conçue pour assurer la liberté de distribuer des copies des programmes, gratuitement ou non, de recevoir le code source ou de pouvoir l obtenir, de modifier les programmes ou d en utiliser des éléments dans de nouveaux programmes. Les autres logiciels, y compris les outils de post-traitement, sur lesquels s appuie la plateforme de modélisation de l IPSL sont tous des logiciels gratuits, la plupart sont diffusés sous des licences proches de licences GPL ou Cecill : OASIS, NetCDF, Ferret, nco, cdat, Analyse des tâches de services Les développements du modèle et de ses composantes sont actuellement pilotés par les projets scientifiques. Cela devra rester le cas une fois le modèle labellisé, mais c est audelà des projets scientifiques initiateurs que la prise en compte des besoins par les tâches de services doit se faire. Les taches de service scientifiques, c est-à-dire au bénéfice de l ensemble de la communauté scientifique associées au modèle système climatique de l IPSL et à ses composantes, se répartissent ainsi : Diffusion des configurations de référence et support ; Réalisation des simulations de référence et suivi de la qualité ; Gestion des données et diffusion des résultats des simulations de référence ; Maintien de la cohérence des développements du modèle et de ses composantes. 1 - Diffusion des configurations de référence et support Les modèles évoluent régulièrement pour prendre en compte les développements scientifiques les plus récents. Il faut donc s assurer de la continuité entre les versions et la diffusion des configurations successives ayant servies à la validation et à la mise en œuvre des simulations de référence représente la première tâche de services. Diffuser une configuration de référence implique de : permettre l accès aux sources et à l environnement permettant la réalisation d une simulation type, ainsi qu à une documentation synthétique ; permettre l accès aux résultats de cette simulation type et aux critères de validation : comparaison aux observations, atlas de résultats, analyses statistiques, s assurer de son portage et de ses performances sur les principaux calculateurs accessibles à la communauté (IDRIS, CCRT, CCRE, PC ). Pour garder le pilotage par les activités scientifiques, la définition des simulations de référence relève de la responsabilité du conseil scientifique du Pôle de modélisation dans lequel les différentes composantes sont représentées. Au fur et à mesure de la mise en place et de la validation du système complet incluant cycle du carbone et chimie de l atmosphère, la liste des configurations de référence s étendra. De plus, pour l ensemble des configurations seront organisées des actions de support :
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 14 enregistrer les coordonnées des utilisateurs pour repérer les thèmes et pour établir une liste de diffusion des informations importantes à leur transmettre (informations, rapport d incidents, ) organiser régulièrement des formations et rendre accessible leurs supports (transparents, vidéo, ) 2 - Réalisation des simulations de référence et suivi de la qualité La seconde tâche de service concerne la réalisation de simulations de référence pour participer aux exercices internationaux de type CMIP, C4MIP, CFMIP, GIEC, Cette tâche implique un suivi de la qualité du modèle et de ses composantes et un engagement concret des scientifiques sur ce sujet. Cette tâche implique : la mise en standard dans les modèles et leurs environnements des diagnostics clés ; la réalisation des simulations de référence y compris les simulations de préparation ; le suivi des retours d expertise sur la qualité des résultats ; le relais local pour faciliter les nombreuses analyses croisées nécessaires ; l interface avec les centres de calcul pour le dimensionnement des ressources et leur utilisation optimale ; la mise à jour des bases de données de résultats. Pour réaliser ce projet, les ressources informatiques (calcul, fichiers, données, capacités de post-traitement) sont à trouver auprès des centres de calcul nationaux et internes, et parfois internationaux. L expérience a montré la nécessité d un dialogue permanent avec les centres pour assurer le bon déroulement de toutes ces opérations. 3 - Gestion des données et diffusion des résultats des simulations de référence La diffusion des résultats des simulations représente la troisième tâche de service identifiée. Trois cibles ont été identifiées : une diffusion à une communauté de spécialistes permettant les analyses assurant la bonne qualité scientifique des simulations ; une diffusion dans le cadre des projets scientifiques et dans le cadre des bases de données internationales type PCMDI (AMIP, GIEC, ) ; une diffusion de certaines données et de leurs dérivés à l attention de communautés scientifiques extérieures à la notre comme celles étudiant les impacts du changement climatique. La caractérisation des données et leur mise en forme demandent un important travail de mise en cohérence. Cet effort est à relayer au niveau des composantes et du modèle pour harmoniser au mieux les différents formats des résultats. Les efforts de standardisation des résultats (nomenclature, description des expériences, formatage de type NetCDF/CF) sont ainsi à poursuivre. Les résultats des simulations réalisées dans le cadre du dernier exercice GIEC ont été mises en ligne sur le site http://mc2.ipsl.jussieu.fr et ont été envoyés au PCMDI selon les formats requis. Elles ont été également mises à disposition pour des calculs complémentaires de type impact ou régionalisation. Une diffusion à destination d autres communautés scientifiques a été mise en œuvre dans le cadre de l ONERC sur le site http://www.onerc.org.
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 15 Le mode de travail mis en place pour les dernières simulations GIEC permet de coopérer avec la communauté scientifique concernée. Il implique une compétence forte en développement d applications Web et bases de données qui est à consolider au sein de l équipe actuelle. 4 - Développements cohérents des composantes et du modèle couplé La quatrième et dernière tâche de service permettra d assurer dans la durée le service décrit jusqu ici. Elle concerne le développement des composantes et du modèle couplé. Cette tâche doit assurer le maintien de la cohérence des différents développements. Elle implique : le suivi des développements réalisés dans le cadre des études scientifiques afin d assurer au moment opportun leur mise en œuvre dans les configurations de référence ; le développement pérenne des composantes et du modèle couplé afin de garantir dans la durée la qualité des modèles ; le suivi des développements algorithmiques effectués dans la communauté internationale ; le portage sur les différents calculateurs accessibles par la communauté ; le suivi des performances calcul incluant la parallélisation et les optimisations nécessaires. Cette tâche doit s accompagner d un effort de suivi de la qualité en s appuyant sur des outils utiles et robustes (gestion des sources par exemple). L uniformisation des modes de fonctionnement des composantes doit être encouragée sans être contraignante. Dans ce domaine l homogénéisation des formats des données, des nomenclatures des fichiers et l automatisation des post-traitements sont des exemples d évolutions récentes à poursuivre. Ces tâches de service seront toutes accompagnées d actions de valorisation (documentation, informations accessibles par le Web, ) Mise en œuvre et organisation Organisation et fonctionnement Le Pôle de modélisation de l IPSL s est structuré et renforcé ces dernières années pour assurer les développements de la plateforme de modélisation et pour échanger les expériences et l expertise autour des modèles. Les missions du Pôle sont de fédérer les études multidisciplinaires (scientifiques ou techniques) faisant intervenir les composantes du modèle de l'ipsl, d identifier et coordonner les simulations de référence, de fédérer et de rationaliser les moyens, les développements techniques, et l animation scientifique. Les missions du Pôle sont détaillées dans le document http://www.ipsl.jussieu.fr/~mafoipsl/wiki/igcmg_mission.pdf. Le Pôle est piloté par un conseil scientifique qui fixe les orientations. Il est doté d un bureau qui est son organe exécutif, et de groupes de travail (cf. Figure 3). L ensemble de ces structures permet une large animation scientifique. Tous les deux ans, une réunion de prospective et de bilan réunit tous les acteurs du Pôle. Pour assurer le pilotage de la tâche de service, nous proposons de nous appuyer sur la structure actuelle du Pôle de modélisation. Le conseil scientifique du Pôle de modélisation de l IPSL (CS Pôle) sera en charge du pilotage. Il décide en particulier des configurations et des simulations qui sont reconnues comme références, et donc maintenues comme telles
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 16 par la tâche de service. Il s appuie sur les groupes de travail des composantes pour assurer que tous les besoins scientifiques sont pris en compte, et que les différents développements sont cohérents. Son responsable (Pascale Braconnot actuellement) est le responsable scientifique de la tâche de service. Le bureau du CS Pôle désigne un responsable technique (actuellement Marie-Alice Foujols). Le Pôle de modélisation développe un niveau très fort de collaborations scientifiques et techniques nationales et internationales. Ces collaborations ne sont pas du domaine de la tâche de service, et relèvent des projets nationaux (projets MC2, ESCRIME, MissTerre, ) ou internationaux (projet FP6 ENSEMBLES). Ces projets mettent des contraintes externes très fortes sur les développements des modèles. Nous proposons de compléter la structure actuelle par un comité de suivi qui aura pour rôle principal la prise en compte des utilisateurs externes à l IPSL. Ce comité vérifie que la tâche de service répond aux besoins nationaux. Il se réunit une fois par an. Il donne son avis sur les priorités et suggère de nouvelles orientations. Il est composé de 5 à 7 personnes, dont 2 ou 3 sont extérieures à l IPSL. Dans le fonctionnement courant du Pôle, nous renforcerons la présence d utilisateurs clefs au CS Pôle, et à certains groupes de travail des composantes. La tâche de service rédigera tous les ans un document de bilan et de prospective. Figure 3 Organisation du Pôle de modélisation et de ses groupes de travail. Chaque composante a une animation scientifique et technique propre. Les responsables modèles prennent en charge la coordination des développements du modèle, ils garantissent l'articulation avec les autres composantes et la problématique du pôle, la validation (composante seule et couplée). Chaque composante dispose d un comité utilisateur qui gère les contraintes propres à la tâche, et assure une animation scientifique et la coordination des développements. L objectif est d avoir pour chaque modèle un ingénieur référent, responsable technique de la composante. Cet objectif n est pas totalement atteint aujourd hui, et reste un élément majeur de notre plan emploi des prochaines années.
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 17 L équipe actuelle L ensemble de l activité et la force de développement de chaque composante et du modèle couplé sont décrits en détail dans les fiches modèles en annexe. Les tableaux suivant détaillent les ingénieurs (premier tableau) et les chercheurs (second tableau) qui travaillent et s investissent sur la «tâche de service». Il reprend pour partie les tableaux donnés pour chaque composante (annexe), en ne retenant que les personnels travaillant sur la tâche de service. Le pourcentage indiqué correspond au temps consacré aux tâches listées plus haut dans le document. Il exclut les développements spécifiques à une équipe, à une application scientifique particulière. Ingénieurs participant à la tâche de service de la plateforme IPSL. Nom Labo Statut Employeur Composante % Commentaire Cozic, A. LSCE Ingénieur CEA INCA, LMDZ 80 Responsable technique INCA Fairhead, L. LMD IR CNRS LMDZ 80 Responsable technique LMDZ. Modèle atmosphère, diffusion des données. Idelkadi, A. LMD IE CNRS LMDZ 80 Support modèle LMDZ Jamili, S. LMD IE CNRS LMDZ 20 Diffusion information Jejcic, A. LMD IR CNRS LMDZ 5 Parallélisation Le Van LMD IR CNRS LMDZ 5 Dynamique LMDZ Lefèbvre, M.-P. IPSL/LMD Ingénieur Météo-France LMDZ 80 Physique commune Musat, I. LMD IE CNRS LMDZ 60 Atmosphère, évaluation, biais systématique Tests de sensibilité Bouizi, O. IPSL CDD CNRS LMDZ, INCA 100 Parallélisation Benshila, R. LOCEAN IR CNRS NEMO 10 Modèle d océan NEMO Tallandier, C. LOCEAN IE CNRS NEMO 10 Modèle d océan NEMO Lévy, C. LOCEAN IR CNRS NEMO, Système 10 Responsable technique NEMO. Modèle d océan, infrastructure Ethé, C. LSCE CDD CEA NEMO/TOP 50 Modèle NEMO/TOP Mancip, M. IPSL IR CNRS ORCHIDEE 100 Responsable technique OR- CHIDEE. Bellier, J. LSCE Ingénieur CEA Système 80 Infrastructure Brockmann, P. LSCE Ingénieur CEA Système 80 Graphiques, pré- et post-traitement Cadule, P. IPSL IE CNRS Système 80 Climat-carbone, développement système Terre. Caubel, A. LSCE Ingénieur CEA Système 80 Couplage et infrastructure Denvil, S. IPSL IE CNRS Système 90 Simulations couplées de référence. Diffusion des données. Filiberti, M. A. IPSL IR CNRS Système 90 Transport atmosphérique Foujols, M. A. IPSL IR CNRS Système 80 Responsable technique du Pôle. Suivi calcul intensif. Ghattas, J. IPSL CDD CNRS Système 100 Interfaces physiques et couplage Meurdesoif, Y. LSCE Ingénieur CEA Système 80 Parallélisation Total ETP 14,5 Le personnel ingénieur disponible se monte donc fin 2006 à environ 12,5 équivalents temps pleins (ETP) en permanents, et de deux CDD sur projet ANR. Chercheurs participant à la tâche de service de la plateforme IPSL Nom Labo Statut Employeur Composante % Commentaire Balkanski, Y. LSCE Ingénieurchercheur CEA INCA 10 Couplage aérosols climat Hauglustaine, D. LSCE CR CNRS INCA 10 Couplage chimie climat Schulz, M. LSCE Ingénieurchercheur CEA INCA 10 Couplage aérosols climat
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 18 Nom Labo Statut Employeur Composante % Commentaire Szopa, S. LMD Post-doc CNRS INCA 20 Chimie atmosphérique Bony, S. LMD CR CNRS LMDZ 20 Convection, nuages, évaluation, biais systématiques, Sensibilité climatique Codron, F. LMD MC UPMC LMDZ 5 Développement modèle, Ajustements, Evaluation Grandpeix, J. Y. LMD CR CNRS LMDZ 30 Atmosphère, Physique commune Hourdin, F. LMD CR CNRS LMDZ 20 Modèle atmosphère, physique commune, Biais systématiques. Krinner, G. LGGE CR CNRS LMDZ 10 Climat des hautes latitudes, modèle de surface continentale Li, L. LMD CR CNRS LMDZ 5 Atmosphère, régionalisation Lott, F. LMD CR CNRS LMDZ 15 Atmosphère Développement haute résolution verticale Chevallier, F. LSCE Ingénieurchercheur CEA LMDZ, 10 Inversion et assimilation ORCHIDEE Madec, G. LOCEA DR CNRS NEMO 10 Océan N Fichefet, T. UCL Professeur UCL NEMO/LIM 10 Glace de mer Goosse, H. UCL MC UCL NEMO/LIM 10 Glace de mer Vancopenolle, M UCL UCL NEMO/LIM 10 Glace de mer Masson, S. LO- Physicienadjoint CNAP NEMO/OPA 10 Couplage océan-atmosphère-glace CEAN Aumont, O. LO- CR IRD NEMO/TOP 25 Développement PISCES CEAN Bopp, L. LSCE CR CEA NEMO/TOP 5 Cycle du carbone océanique Lévy, M. LO- CR CNRS NEMO/TOP 5 Biogéochimie marine CEAN Delage, F. LSCE CDD CNRS ORCHIDEE 70 Inversion et assimilation DeNoblet, N. LSCE Ingénieur- Chercheur CEA ORCHIDEE 20 Surface continentales. Couplage végétation-climat, utilisation des sols. DeRosnay, P. LMD CNRS CR ORCHIDEE 5 Hydrologie Piao, L. LSCE CDD CEA ORCHIDEE 5 Biogéochimie Viovy, N. LSCE Ingénieurchercheur CEA ORCHIDEE 20 Modèle de surfaces continentales Zaëhle LSCE CDD CEA ORCHIDEE 15 Biogéochimie Braconnot, P. LSCE Ingénieurchercheur CEA Système 20 Coordination du projet, couplage océan-atmosphère, biais sytématiques, évaluation, interfaces physiques Dufresne, J.L. LMD CR CNRS Système 20 Développement couplages. Physique commune, sensibilité climatique. Friedlingstein, P. LSCE CR CNRS Système 25 Couplage climat-cycles, développement modèle Système Terre Marti, O. LSCE Ingénieurchercheur CEA Système 50 Couplage océan-atmosphère, biais systématiques, interfaces physiques, optimisation Ritz, C. LGGE CR CNRS Système 5 Modèle de calotte, couplage climat-calotte Total ETP 5,1 Cela fait au total 5,1 ETP chercheurs qui travaillent sur les tâches de service définies plus haut. Besoins en personnel La liste des tâches à assurer est très contraignante. Pour pouvoir remplir ce que décrit ce document, il faut au minimum ajouter les postes dont la description suit dans les 3 à 5 ans à
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» 19 venir. Les besoins communs à toute la plateforme et ceux par composantes sont séparés, et un ordre de priorité et donné par composante, et non entre les composantes. Besoins communs à toute la plateforme 1. Evaluation systématique et analyse critique des différentes versions du modèle de climat. 2. Gestion et distribution des données. 3. Web et diffusion de l information. 4. Couplages et implémentation infrastructure de modélisation. 5. Développeur d application : tests de validation sur les configurations standards Composantes NEMO/TOP - Biogéochimie marine 1. Développements du modèle de biogéochimie marine LMDZ 1. Support aux développements de paramétrisations et insertion dans les versions de référence de LMDZ. 2. Développement de la génération suivante du modèle LMDZ. Biogéochimie 1. Support aux modèles biogéochimiques (surfaces continentales et chimie atmosphérique) 2. Assimilation et inversion des traceurs. NEMO/OPA et NEMO/LIM (spécifique tâche de service NEMO, pas demandé ici) 1. Ingénieur en développement d application : développement des interfaces entre les composantes du système NEMO. Budget Pour assurer le fonctionnement des tâches de service décrites dans ce document, le budget annuel pourrait être de 58 k réparti selon les postes suivants : Ligne budgétaire Montant annuel Missions France et Europe : 10 missions par an 10 k Postes de travail : 1 poste par personne tous les 3 ans, soit 5 par an 8 k Informatique locale : serveurs de calcul et capacités de stockage locaux 20 k mission étranger pour veille technologique resosurces calcul (Earth Simulator, 20 k ORNL, ) Total 58 k Le budget lié aux activités scientifiques est, quant à lui, demandé aux projets nationaux. Accès aux moyens de calcul Ces tâches de services réclament des moyens de calcul et de stockage proches des personnels, ainsi que des moyens de calcul, de stockage, de pré et post-traitement très importants que l on ne trouve que dans les centres de calcul nationaux.
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» - Annexes 21 Annexes Description du couplé Le modèle Le modèle "système climatique" de l'ipsl couple différentes composantes : le modèle d'atmosphère LMDZ, le modèle d'océan NEMO/OPA, le modèle de glace de mer NEMO/LIM, le modèle de surfaces continentales ORCHIDEE et le modèle de chimie atmosphérique et d aérosols INCA. Les interactions entre les composantes sont décrites dans la Figure 2 (page 11). Le modèle est conçu pour être évolutif et intégrer ou activer de nouvelles composantes : cycle du carbone, chimie atmosphérique, végétation dynamique, calottes de glace. Le développement du modèle repose sur les développements des composantes fait dans les différents laboratoires de l IPSL, LMD, LOCEAN, LSCE et SA, et grâce à des collaborations avec le LGGE pour le climat des hautes latitudes, le LOA pour la modélisation des effets directs et indirects des aérosols, l UCL/ASTR pour la modélisation de la glace de mer, et le CERFACS pour le coupleur. Le développement du couplage entre les composantes, des modèles d interface, de l environnement de compilation et d exécution, et la validation des couplages repose sur une vingtaine de personnes à l IPSL, dont une douzaine d ingénieurs. Ces ingénieurs sont répartis à l IPSL, au LSCE, et dans les équipes développant les composantes. Leur action est coordonnée par le conseil scientifique du Pôle de modélisation de l IPSL. Les couplages entre les différentes composantes ont débuté en 1995. Les premiers résultats ont été publiés en 1997 (Braconnot, 1997). Depuis la première version, l objectif est de disposer d un modèle global de climat, sans corrections de flux, pour l étude des climats passés, présents et futurs. La première version du modèle couplait le modèle d atmosphère LMDZ5.3, le modèle de transfert entre le sol et l atmosphère SECHIBA, et le modèle de circulation océanique OPA8, avec une paramétrisation simple de la glace de mer. L analyse des premiers résultats a permis d améliorer les différentes composantes. Un premier schéma de routage de l eau continentale a été implanté en 1996 (Leclainche, 1996). Le modèle a en 1999 incorporé le modèle de la thermodynamique de la glace de mer IGLOO (L Heveder, 1999; Filiberti et al., 2001). En 2002, le modèle de climat est couplé de façon asynchrone avec un modèle du cycle du carbone (Dufresne et al., 2002; Friedlingstein et al., 2001). Le modèle de climat permet alors de montrer l importance de l océan sur l entrée en glaciation (Khodri, 2001) et de discuter le rôle de la précession sur l évolution passée de la mousson. A partir 2002, une nouvelle version du modèle est mise en chantier pour se préparer à l exercice IPPC. C'est cette version qui sert de référence aujourd'hui. Elle couple la version LMDZ4 du modèle d atmosphère, une nouvelle version de NEMO/OPA avec la grille ORCA, le modèle de dynamique et de thermodynamique de la glace de mer NEMO/LIM, et le modèle de surface continentales ORCHIDEE, qui inclut le modèle SECHIBA, une modélisation du ruissellement continental, le modèle de carbone dans les végétaux STOMATE, et le modèle de végétation dynamique LPJ. Ce nouveau modèle dispose d une version avec cycle du carbone actif, grâce à la composante STOMATE, et au modèle de
Dossier de labellisation «plateforme de modélisation climatique IPSL» - Annexes 22 carbone océanique PISCES couplé à NEMO/OPA. Ce modèle servira à l IPSL pour réaliser les expériences demandées par le GIEC, et à un grand nombre d études scientifiques. Les développements en cours permettront d activer de nouvelles composantes du système, par exemple la partie chimie atmosphérique. Configurations en cours d utilisation Configuration Climat (IPSLCLM4) La configuration Climat couple les composantes «dynamique» : le modèle d'atmosphère LMDZ, le modèle d'océan NEMO/OPA, le modèle de glace de mer NEMO/LIM, le modèle de surfaces continentales ORCHIDEE. C est la version de référence de l IPSL. Elle a été utilisée pour réaliser les simulations scénarios demandées par le GIEC, et pour les simulations paléoclimatiques du projet international PMIP. Ces simulations servent à de très nombreuses études. Cette version sera maintenue dans les années à venir comme référence. La résolution de référence est de 182x149x31 pour l océan et de 96x72x19 pour l atmosphère. Cette configuration existe aussi dans 3 autres résolutions. Elle est aussi décliné pour certaines applications scientifiques : activation de la végétation dynamique, etc Configuration Climat-Carbone (IPSLCM4-LOOP) Dans cette configuration, on ajoute à la configuration IPSLCM4 le cycle du carbone dans l océan (modèle de biogéochimie marine PISCES) et dans la végétation (composante STOMATE de ORCHIDEE) afin de pouvoir calculer en interactif le climat, l évolution du CO 2 atmosphérique et du cycle du carbone. Configuration Climat-chimie Il s agit d une version de IPSLCM4 où la chimie atmosphérique est active. Plusieurs modélisations de la chimie atmosphérique sont disponibles (voir l annexe INCA à ce sujet). Cette configuration est en cours de développement. Evaluation du modèle et démarche qualité Elle repose sur la qualité des composantes, mais demande un travail spécifique de validation de celles-ci. En effet, le couplage permet aux composantes d explorer des domaines plus étendus que lorsqu elles sont forcées par des données observées. Il faut donc un travail important de la part des développeurs des composantes, qui doivent se placer dans un point de vue plus large. Évaluation de la simulation de contrôle du climat et des cycles actuels. Comparaison aux données : climatologies pour l état moyen et le cycle saisonnier moyen, et données historiques pour la variabilité. Les données utilisées sont les mêmes que pour les composantes. Les données qui sont utilisées comme forçages par les composantes seules sont utilisées ici comme moyen de validation des interfaces entre les composantes. Principaux domaines d applications Avec les utilisateurs connus des modèles ou des résultats de simulations.