Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 1
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. Enfi n, ils sont utilisés dans la recherche sur les phénomènes atmosphériques. Météo-France est mobilisé 24/24 pour l exploitation des modèles par les prévisionnistes et la supervision du système de calcul intensif. 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 fi able. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 2
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 3
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 Offi ce anglais et le DWD allemand, à utiliser un modèle à maille très fi ne (2,5 km), rafraîchi plusieurs fois par jour, pour affi ner les prévisions à courte échéance (30 heures). Météo-France produit : des prévisions locales à 9 jours grâce à plusieurs techniques adaptées aux différentes échéances et en utilisant plusieurs modèles (voir. Fiches N 2) «on gagne un jour de prévision tous les dix ans» 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 fi ables 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 scientifi ques sous-jacentes. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 4
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 en calcul scientifi que (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 modèles De climat De plus en plus précis Météo-France développe ses propres modèles 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 fi l du temps, les besoins en termes de modélisation climatique se sont affi nés. 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. 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 fi ltrage 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. 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, notamment grâce à des modèles à aire limitée (ALA- DIN-Climat), simulant l évolution du climat sur une zone restreinte qu ils décrivent plus fi nement que les modèles globaux. 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. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 5
Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France La sélection du nouveau système de calcul a fait l objet d un appel d offres sur lequel plusieurs des grands 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 Météo- France au cœur du tissu scientifique toulousain. En outre, elle constitue un avantage en termes de sécurité de fonctionnement. Une architecture massivement parallèle 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). Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 6
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...) 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 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 la quantifi cation 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 qualifi cation 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 localisation, 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. Déployer un nouveau système de prévision à maille fine pour quantifier les risques locaux et les incertitudes Pour quantifi er les risques et prendre en compte les incertitudes, les prévisionnistes utilisent une technique 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 bénéfi ciera en premier lieu au secteur aéronautique et à la vigilance météorologique. Déployer cinq versions spécifiques du modèle AROME sur l outremer Les prévisions du modèle global ARPEGE sur l outremer sont aujourd hui affi nées grâce au modèle régional ALADIN (maille 7,5 km). Les ressources de calcul disponibles permettront de déployer à l horizon 2015-2016 des versions spécifi ques du modèle à maille fi ne 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. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 7
Des bénéfices pour tous les utilisateurs Mettre en service un nouveau système de prévision pour les très courtes échéances Explorer l apport de systèmes à très haute résolution (500m) sur les aéroports La fréquence de rafraîchissement des modèles limite la qualité des prévisions à très courte échéance. Ainsi, le temps dans les prochaines heures est-il prévu encombinant les résultats du modèle AROME et des extrapolations d observations, radars et satellite notamment. Le renforcement de la puissance de calcul permettra de déployer un nouveau système, AROME-Prévision immédiate, qui sera rafraîchi toutes les heures. Il sera opérationnel en 2015. La prévision sur les aéroports pose des questions spécifiques : certains phénomènes extrêmement locaux (turbulences dans le sillage des avions, rafales ) peuvent avoir un impact considérable sur la gestion du trafic et la sécurité. La puissance de calcul accrue permettra d étudier l apport d une version à très haute résolution du modèle AROME pour la prévision de ces phénomènes. Cet apport sera d abord analysé en détails sur les aéroports parisiens. Cette approche déjà utilisée aux Etats Unis répond aux demandes du secteur aéronautique et de la sécurité civile, pour gérer les phénomènes dangereux à évolution très rapide. Au-delà de ces applications, ce système bénéficiera à la gestion des réseaux d assainissement urbains et de la demande en électricité, à la protection des grands chantiers de construction ou l assistance pour les événements sportifs. Offrir un meilleur service aux forces armées Des systèmes basés sur AROME pourront remplacer les systèmes ALADIN (résolution 7,5 km) pour le service aux forces armées sur les théâtres d opérations, où qu ils se situent sur la planète. Améliorer la résolution et de la qualité des prévisions de qualité de l air, d alerte environnementale, de vagues, de surcotes et de dérive Etudier plus finement les phénomènes atmosphériques élémentaires pour mieux les représenter dans les modèles La recherche sur les processus élémentaires de l atmosphère est la clé de l amélioration à long terme des prévisions. Grâce au nouveau système de calcul, les chercheurs de Météo-France étudieront de manière détaillée les interactions convection/dynamique sur de très grands domaines avec des mailles kilométriques, notamment en soutien aux programmes internationaux de recherches AMMA et HYMEX. Ils étudieront en outre les mécanismes de formation et de dissipation du brouillard et de nuages bas en les simulant à des résolutions de l ordre du mètre. Ces travaux permettront d améliorer la représentation de ces interactions et mécanismes dans les modèles. 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. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 8
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). Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 9
FICHE N 1 Les étapes d une prévision La prévision numérique du temps consiste à établir le scénario le plus probable d évolution du temps, en simulant le comportement de l atmosphère de manière réaliste, plus vite que dans la réalité. Elle peut se décomposer en quatre étapes : l analyse par les prévisionnistes : connaissant les imperfections des modèles et les caractéristiques locales des climats, ils ajustent les résultats des simulations et définissent le scénario le plus probable, et le traduisent en cartes et bulletins adaptés aux utilisateurs. l observation de l état de l atmosphère grâce aux satellites, radars, stations au sol, bouées l assimilation des données d observation, c està-dire le traitement permettant de les rendre utilisables par le modèle Les prévisionnistes caractérisent aussi les risques de phénomènes dangereux et prennent les décisions concernant la vigilance. Ils assurent un contact direct avec certaines catégories d utilisateurs, comme les services en charge de la sécurité civile. 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. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 10
FICHE N 2 Les modèles de prévision Pour simuler son évolution, les modèles découpent la portion d atmosphère située au-dessus de la zone qu ils couvrent en boîtes élémentaires. A chacune ils associent un jeu de variables météorologiques (température, pression, humidité, vent). Le découpage varie selon la finesse souhaitée et la puissance de calcul disponible. A couverture égale, plus la maille est petite, plus le nombre de calculs nécessaires est important. Météo-France a développé une gamme de trois modèles complémentaires : le modèle global ARPEGE couvre l ensemble du 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 AROME couvre la France métropolitaine avec une maille de 2,5 km. AROME délivre des informations très détaillées, que les prévisionnistes utilisent pour affiner leur prévision à petite échelle, notamment en termes d anticipation et de localisation des phénomènes météorologiques potentiellement dangereux, comme les orages. Météo-France exploite et a contribué à développer le modèle global du Centre européen de prévision météorologique à moyen terme (CEPMMT), basé à Reading. Il comporte des éléments communs avec ARPEGE. Il est utilisé pour les prévisions au-delà de 3 jours d échéance. 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. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 11
FICHE N 3 Les techniques de prévision La technique de base de la prévision, ou prévision déterministe, consiste à simuler un scénario d évolution de l atmosphère à partir d une unique description de son état initial. Elle peut être utilisée pour les échéances allant de quelques heures à 3 ou 4 jours. Le caractère chaotique de l atmosphère peut toutefois amplifier significativement les imperfections des observations et des modèles et donc limiter les performances de la prévision déterministe. Pour les échéances allant jusqu à quelques heures, les méthodes d assimilation des données (notamment la fréquence avec laquelle les observations sont traitées) en diminuent par ailleurs la fiabilité. Deux autres techniques sont donc utilisées en complément de la prévision déterministe. La prévision immédiate, pour les échéances allant de quelques minutes à quelques heures. Elle consiste à combiner les informations délivrées par le modèle AROME, qui assimile toutes les 6 heures les données d observation, avec des extrapolations des données d observation, notamment les images radars. Ces prévisions servent par exemple aux prévisionnistes à faire le suivi temporel et spatial fin des épisodes météorologiques dangereux, comme les épisodes méditerranéens, notamment lors de vigilance météorologique orange ou rouge. Météo-France est aussi amené, dans le cadre de ses activités commerciales, à surveiller le risque de pluie pendant des événements sportifs ou culturels: il s agit alors de fournir des chronologies très précises des épisodes pluvieux pour les heures à venir. Les prévisions immédiates sont aussi utilisées dans d autres domaines, comme l aviation ou le transport 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. Les nouveaux supercalculateurs de Météo-France - 4 Mars 2014 12
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