Un nouveau modèle du transport des gaz à effet de serre dans l'atmosphère mondiale adapté à l'évolution des moyens de calcul à haute performance

A new model of greenhouse gas transport in the global atmosphere adapted to the evolution of high-performance computing resources

• Auteur / Autrice : Zoé Lloret
• Direction : Frédéric Chevallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 04/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marielle Saunois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Malardel, Arthur Vidard, Laurent Li, Anne Cozic
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvie Malardel, Arthur Vidard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bilan des émissions de gaz à effet de serre

Simulation, Méthodes de

Calcul intensif (informatique)

Mots clés libres

Calcul haute performance

Modélisation

Gaz à effet de serre

High-Performance computing

Modeling

Greenhouse gases

Résumé

La compréhension du changement climatique en cours implique une bonne connaissance des émissions et des absorptions des gaz à effet de serre sur le globe. Les modèles atmosphériques inverses y contribuent de manière croissante, mais la résolution des modèles planétaires reste grossière, en particulier au regard de l'accroissement de la densité des réseaux de mesure fournissant les observations qu'ils assimilent. Les nouvelles architectures des supercalculateurs, soutenues par les processeurs “Manycore” ou graphiques, permettent une parallélisation massive des calculs et ouvrent des perspectives importantes pour les modèles inverses, que nous explorons dans cette thèse.Nous considérons le système d'inversion CAMS/LSCE. Il dérive son modèle de transport atmosphérique d'un modèle de circulation générale (GCM), et est piloté par un ensemble de variables météorologiques préalablement générées par ce dernier. Ce GCM a récemment intégré un nouveau cœur dynamique fonctionnant sur un pavage du globe avec des hexagones, DYNAMICO, plus adapté au parallélisme et conçu pour monter efficacement en résolution.Nous évaluons le nouveau GCM en détail pour le transport du dioxyde de carbone (CO₂) à l'aide de mesures sur le globe et dans l'atmosphère, et d'une simulation de référence utilisant la grille classique faite de rectangles. Nous montrons des différences faibles entre les deux versions, qu'une comparaison aux observations disponibles ne permet pas de hiérarchiser. Nos tests vérifient aussi l'accélération des calculs sur la nouvelle grille, en particulier aux résolutions les plus élevées. Nous préparons la génération des variables météorologiques pour le modèle inverse, mais la complexité du code de DYNAMICO ne nous permet pas de l'adapter aux spécifications du modèle inverse (modularité des composantes, développement des codes tangent-linéaires et adjoints) dans cette thèse.En parallèle, nous étudions la possibilité de porter le modèle de transport sur des cartes graphiques. Nous montrons que l'algorithme sur la grille cartésienne classique peut être exprimé de manière suffisamment parallèle pour fonctionner efficacement sur de tels matériels, sans aucune simplification malgré les échanges continus de masse entre les cellules. Le temps de calcul dans la version directe du modèle inverse devient même inférieur au temps de lecture des données météorologiques d'entrée.Nous appuyant sur nos développements avec les cartes graphiques, nous réalisons une inversion pluriannuelle à une résolution mondiale autour du degré, assimilant des observations satellitaires. Par comparaison, la résolution du système avant nos développements était autour de 3 degrés sur l'horizontale, avec deux fois moins de niveaux sur la verticale : ses temps de calcul étaient comparables (ici de l'ordre de la semaine) malgré le nombre bien plus faible de points de grille à traiter. Avec la nouvelle résolution, nous montrons une légère amélioration dans la représentation du transport horizontal et vertical du CO₂, en comparaison avec des mesures variées, sans pour autant pouvoir attester d'une meilleure estimation des flux de surface.L'ensemble des résultats démontre qu'il n'existe plus aujourd'hui de frein à une augmentation massive de la résolution des modèles atmosphériques inverses planétaires pour le CO₂, permettant ainsi d'aborder sur l'ensemble du globe des échelles spatiales jusqu'ici réservées aux modèles à aire limitée. Ils ouvrent la perspectives de produits d'inversion à l'échelle de pays, pas uniquement les plus grands, comme les produits attendus dans le cadre des accords internationaux sur le climat. En revanche, la modestie des améliorations constatées sur la qualité des flux et des champs 3D de traceur et obtenues par l'augmentation de la résolution ou par l'amélioration du cœur dynamique, suggère un examen critique des ressources énergétiques et écologiques mobilisées pour cette montée en résolution au regard des besoins des utilisateurs en aval.

To understand current climate change, a thorough knowledge of global greenhouse gas emissions and sinks is needed. Atmospheric inverse models play an increasingly significant role in this, but the resolution of global models remains coarse, particularly compared to the increasing density of measurement networks supplying their assimilated observations. New supercomputer architectures, supported by ''manycore'' or graphics processors, enable massive parallelization of computations and open up important prospects for inverse models, which we explore in this thesis.We consider the CAMS/LSCE inversion system. It derives its atmospheric transport model from a general circulation model (GCM) and is driven by a set of meteorological variables pre-generated by it. This GCM has recently integrated a new dynamical core, DYNAMICO, based on a hexagonal tiling of the globe, which is better adapted to parallelism and has been designed to efficiently scale in resolution.We evaluate the new GCM in detail for the transport of carbon dioxide (CO₂) using measurements around the globe's surface and in the atmosphere, and a reference simulation using the classical grid made of rectangles. We show small differences between the two versions, which a comparison to the available observations does not allow us to rank. Our tests also verify the acceleration of calculations on the new grid, particularly at higher resolutions. We prepare to generate the meteorological variables needed for the inverse model, but the complexity of the DYNAMICO code does not allow us to adapt it to the requirements of the inverse model (modularity of components, development of a tangent-linear and adjoint code) in this thesis.In parallel, we investigate the possibility of porting the transport model to graphics cards. We show that the algorithm on the classical Cartesian grid can be expressed in a sufficiently parallel way to run efficiently on such hardware without any simplification despite the continuous exchange of mass between cells. The computation time itself in the forward version of the inverse model becomes less than the time required to read the input meteorological data.Based on our developments with graphic cards, we produce a multi-year inversion at a global resolution of around one degree, assimilating satellite observations. By comparison, the resolution of the system before our developments was around three degrees on the horizontal, with half as many levels on the vertical: its computation times were comparable (here of the order of a week) despite the much smaller number of grid points to be processed. With the new resolution, we show a slight improvement in the representation of horizontal and vertical CO₂ transport, compared with diverse measurements, without being able to attest to a better estimation of surface fluxes.Taken together, the results demonstrate that there are no longer any limitations on a massive increase in the resolution of global inverse atmospheric models for CO₂, enabling spatial scales reserved until now to limited-area models to be used globally. They open up the prospect of inversion products on the scale of countries, not only the largest, such as the products required by international climate agreements. However, the modest improvement observed in the quality of fluxes and 3D tracer fields obtained by increasing resolution or improving the dynamic core suggests a critical examination of the energy and ecological resources mobilized for this increase in resolution in relation to the needs of downstream users.