Exécutant des modèles de simulation numérique de plus en plus poussés et exigeants, les supercalculateurs sont un allié des sciences de la Terre et du climat. C’était le message d’un atelier qui s’est déroulé au forum Teratec, ce mercredi 31 mai 2023.
« Le calcul intensif est présent dans les processus opérationnels, fait remarquer Laurent Boisnard, sous-directeur missions et données d’observation de la Terre et applications au Cnes. Tous les jours, 3000 processeurs traitent les données produites par le satellite Swot (surface water ocean topography, lancé en décembre 2022, ndlr) »
Les projets et services décrits ci-dessous réclament également une puissance de calcul que seuls des superordinateurs sont en mesure de leur fournir. Il s’agit généralement de mieux simuler divers phénomènes, pour mieux les comprendre et mieux les anticiper.
Simuler le jumeau numérique des océans
C’est une tâche immense qui attend Mercator Ocean International, organisation à but non lucratif cofondée par le CNRS, l’IRD, Météo France ou encore l’Ifremer : construire le jumeau numérique de l’océan – entendre par là tous les océans de la planète – qui servira à superviser les activités humaines et mesurer leur impact, restaurer la biodiversité, améliorer les prévisions et la gestion des risques climatiques, etc.
Nommé Edito (pour European digital twin ocean), ce programme a été initié par la Commission européenne en février 2022. Le jumeau numérique en question, qui pourrait être opérationnel à compter de 2024, sera accessible aux citoyens, aux scientifiques, aux décideurs politiques, aux entrepreneurs… « On veut une plateforme collaborative et ouverte qui soit un point d’accès unique aux données océanographiques », souligne Quentin Gaudel, architecte systèmes à Mercator Ocean International.
Le volume de ces données s’apparente à un océan numérique. « Il faut compter 2 téraoctets produits par jour pour un seul modèle numérique, précise Quentin Gaudel, alors qu’on parle de vingt modèles ! » Il s’agit de faire interagir une grande variété de modèles océaniques et côtiers pour des simulations à une échelle régionale ou plus globale.
Ce sera le but du sous-programme Edito-Model Lab, prévu pour une durée de trois ans. Le jumeau numérique résultant fera appel à l’intelligence artificielle et à la puissance des supercalculateurs d’EuroHPC. Le déploiement de l’infrastructure informatique sous-jacente sera quant à elle l’objet d’Edito-Infra, un projet de deux ans. « Les couches de services collaboratifs seront prêtes d’ici à la fin de l’été », indique Quentin Gaudel.
Améliorer la prévision des inondations
Labellisé en 2020 par le Space climate for observatory et expérimenté notamment sur la Garonne, le projet FloodDam a mis à disposition en juillet 2022 une plateforme web de surveillance et de cartographie des risques en cas d’inondation.
Mais le travail se poursuivra jusqu’en 2024, cette fois en collaboration avec la Nasa, avec pour objectif la conception du jumeau numérique FloodDam-DT, permettant de prévoir et de cartographier les inondations. « Ce jumeau numérique interfacera de façon dynamique des modèles hydrodynamiques de la Nasa (Aist-Ideas) et de la France (Telemac-2D) et incorporera des données in situ et satellitaires », explique Raquel Rodriguez Suquet, spécialiste radar au Cnes.
L’enjeu est d’améliorer la précision des simulations, et donc la prévision de l’ampleur des inondations, grâce à de l’assimilation de données : les mesures observées sur site – images satellitaires et instrumentation de terrain pour détecter les anomalies (microstations et drones lidar de Vortex.io et Vigicrues) – servent à réajuster les calculs du modèle numérique pour diminuer les incertitudes.
Une méthode d’assimilation ensembliste dont le traitement implique les supercalculateurs du Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique (Cerfacs). « On échantillonne l’erreur en entrée du modèle et on la propage pour représenter l’erreur en sortie du modèle, détaille Sophie Ricci, chercheur au Cerfacs. Ces erreurs sont ensuite réduites par l’assimilation des données satellitaires. »
Le cluster de supercalculateurs du Cnes est lui aussi mis à contribution pour engendrer rapidement la cartographie des inondations à partir des images satellitaires.
Le démonstrateur expérimenté le long de la Garonne et de la rivière Ohio aux Etats-Unis a permis de constater un « gain significatif » de la qualité de la simulation des inondations, lors de crues survenues en 2021. L’intégration des données du satellite Swot est l’un des perspectives de FloodDam-DT.
Mesurer les déformations de la Terre
Façonné par le Cnes, l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP) et l’Institut des sciences de la Terre (ISTerre) notamment, le service Flatsim produit des mesures de la déformation de la Terre à l’échelle d’un continent. Une démarche qui permet de surveiller les régions les plus exposées aux séismes, aux éruptions volcaniques ou aux glissements de terrain.
La technique employée se base sur l’interférogrammétrie, à savoir la détection et la mesure de franges d’interférences des signaux radar émis par les satellites Sentinel-1 lors du survol d’une région. Des séries temporelles servent également à suivre l’évolution des déplacements du terrain.
La chaîne de traitement de ces données (Nsbas, mise au point à l’ISTerre) est exécutée sur 12288 cœurs de calculs au Cnes. « La technique combinatoire utilisée en interférométrie pour optimiser les processus est un challenge, précise Raphaël Grandin, professeur associé à l’Ipgp. Beaucoup de lectures et d’écritures de données sont requises. »
Quelque 20 millions de kilomètres-carrés du globe sont couverts par le service Flatsim, avec des interférogrammes d’une résolution de trente mètres.
Après le séisme tragique survenu en Turquie en février 2023, le champ de déformation terrestre a ainsi pu être cartographié, notamment une faille mal connue jusqu’alors.
