Le Grand Challenge Adastra Genoa a permis d’initialiser une simulation numérique réaliste de l’océan tridimensionnel global à une résolution extrêmement fine de 2-3km. Le modèle d’océan-banquise NEMO a été opéré sur une grille curvilinéaire tripolaire de type ORCA à une résolution de 1/36° et 121 niveaux verticaux, ce qui correspond à plus de 12 milliards de points de grille actifs; 17 milliards de points si l’on prend en compte également les continents. Une nouvelle bathymétrie issue des dernières versions des données GEBCO et BedMachine a été construite afin de limiter le mélange numérique délétère des masses d’eau au-dessus de reliefs trop bruités et afin de favoriser la mise en place du passage des masses d’eau au travers de certains chenaux mieux résolus. La nouvelle grille verticale de 121 niveaux géopotentiels a également été mise en place pour mieux représenter les cavités sous les plateformes de glace flottantes près des pôles, et la bonne résolution des overflows et des échanges de chaleur au-dessus des talus continentaux situés aux mêmes profondeurs. Les cavités sous-glaciaires jouent un rôle de résonateur impactant les ondes de marée à très grande échelle ; leur représentation est donc primordiale pour le réalisme de la simulation globale.
Avant de pouvoir faire tourner cette toute nouvelle configuration en mode production, il convient d’initialiser les courants océaniques mondiaux en surface et en profondeur à partir d’une situation au repos (vitesses nulles). Cette phase d’initialisation est particulièrement délicate à une telle résolution et de nombreuses explosions du code sont à prévoir. En effet, les vitesses du courant en certains points de grille dépassent parfois une valeur critique qui dépend de la taille de la maille et du pas de temps (vitesse critique = taille maille / pas de temps), les masses d’eau ne peuvent alors plus se propager de maille en maille du fait de leur vitesse trop élevée. Ces vitesses de courant qui se développent à partir d’un état au repos peuvent atteindre des valeurs très importantes car elles sont le résultat d'une situation initiale en température et salinité potentiellement instable. En effet, la température et la salinité utilisées pour initialiser la simulation proviennent de l’état moyen d’une simulation à plus basse résolution qui a tourné avec une bathymétrie différente. Les champs tridimensionnels sont interpolés et parfois extrapolés pour les adapter à la grille plus fine et à la nouvelle bathymétrie. Cette situation initiale instable provoque alors des chocs qui se traduisent en ondes inertielles et/ou gravitationnelles qui vont traverser les bassins océaniques. Les échanges de chaleur, d’eau douce et de quantité de mouvement avec l’atmosphère via les forçages atmosphériques peuvent également créer des situations d’instabilité au démarrage de la simulation. Sur le plus long terme, des ondes plus lentes dites de Rossby vont également s’établir et ajuster le modèle aux champs initiaux et au forçage.
L’initialisation de notre configuration consiste donc à simuler un champ global de vitesses en évitant les explosions du modèle dûes à des vitesses trop élevées en élaborant une stratégie ad-hoc basée sur des ajustements incrémentaux du pas de temps et de certains coefficients de viscosité. Cette procédure nécessite une importante puissance de calcul comme celle qui était mise à notre disposition lors de ce Grand Challenge. Plus de 150 000 intégrations du code ont été réalisées pour notre configuration en partant d’un pas de temps de 10 secondes entre chaque itération et des viscosités latérales sur la quantité de mouvement et les traceurs 10 fois supérieures à des valeurs réalistes. Nous avons utilisé 100 nœuds en parallèle de la machine Adastra en répartissant le modèle d’océan-banquise NEMO et le serveur externe de données XIOS sur les 19 200 cœurs associés en plaçant un serveur sur chaque nœud. 12 millions d’heures ont été nécessaires pour effectuer 53 jours de simulation, la moitié d’entre elles ayant été consommées pour débogage et mise en place de la stratégie d’initialisation.
L’état de l’océan obtenu après cette initialisation servira de base pour les futures simulations qui accompagneront la calibration et/ou la cartographie des données actuelles satellites de hauteur de niveau de la mer ou futures des courants de surface dans n’importe quelle région souhaitée. Ces simulations fourniront alors des réalisations virtuelles qui pourront aider à l’interprétation des données d’observations satellite et in-situ, ou bien des pseudosobservations utiles à la préparation des algorithmes de traitement des futures missions spatiales d’observation de courants de surface. Ces simulations permettront également l’évaluation de l’horizon de prévisibilité de la dynamique océanique de fine échelle et sa variabilité afin de guider les systèmes de prévisions océaniques. La résolution spatiale de quelques kilomètres permettra également d’étudier l’impact des tourbillons océaniques sur les interactions océan-banquise, notamment via les transports de masses d’eau sur les marges antarctiques et leur impact sur la fonte basale des plate-formes de glace, le recul des zones englacées et l’impact de la déformation de la banquise à fine échelle au niveau des zones de fracture sur les propriétés de la couche de mélange océanique. Enfin, une étude de la variabilité spatio-temporelle de la macro-turbulence océanique et la calibration de paramétrisations sous-maille de ces effets pour les modèles à plus basse résolution comme ceux mis en oeuvre dans les études climatiques seront réalisées via la formulation de problèmes d’apprentissage supervisés.
Chiffres Clés :
17 milliards de points de grille pour une résolution globale à quelques km et 121 niveaux verticaux.
Définitions :
Définition 1 : NEMO est un modèle aux équations primitives simulant la circulation océanique régionale et globale. Il est conçu comme un outil flexible pour étudier l'océan et ses interactions avec les autres composantes du système climatique terrestre sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles.
Définition 2 : Les ondes de Rossby ou ondes planétaires sont de lents mouvements ondulatoires de la circulation océanique de grande longueur d'onde dont l'initiation est due à la variation de la force de Coriolis selon la latitude.
Définition 3 : Un overflow est une masse d’eau dense, formée sur un plateau continental ou dans une mer marginale, qui rejoint l’océan ouvert en s’écoulant par-delà de fortes contraintes topographiques telles que d’étroits détroits, des seuils ou des talus continentaux particulièrement pentus.