Calcul par Monte-Carlo des forçages radiatifs à l'échelle globale – MCG-Rad

L'objectif de ce projet est de tirer parti des développements théoriques récents de la méthode de Monte-Carlo pour développer un outil de simulation permettant un calcul extrême en science du climat : l'estimation du forçage radiatif d'un ensemble de gaz à effet de serre, à l'échelle globale et pour une période climatique, à partir d'un modèle radiatif de référence utilisant directement une base de données spectroscopiques et des champs atmosphérique 4D (espace et temps). Partant du concept de collision nulle, la faisabilité a été établie récemment et l’essentiel de l’enjeu est maintenant d’échantillonner efficacement les millions de transitions énergétiques moléculaires et la complexité géométrique et temporelle des variables atmosphériques. Nous réunissons pour cela des climatologues, des spectroscopistes et spécialistes du rayonnement, des spécialistes de l’ingénierie statistique des systèmes complexes et des informaticiens spécialistes de la modélisation géométrique en infographie.

Le projet MCG-Rad s'appuie sur un algorithme prototypique existant et déjà testé sur des profils atmosphériques de type ciel clair. Dés le démarrage du projet, cet algorithme sera implémenté informatiquement de façon à pouvoir initier des calculs climatiques réalistes, en particulier dans le cadre du projet d’inter comparaison RFMIP (Radiative Forcing Model Intercomparison Project). Au delà de ce premier niveau de praticabilité, un élément essentiel du projet concerne l'amélioration des convergences : l’intérêt pour la communauté de disposer de calculs de référence en transfert radiatif à l’échelle climatique sera très dépendant des exigences en termes de ressources informatiques. De fait, nous allons concentrer une part importante de ce travail à l'exploration théorique de toutes les pistes visant à réduire la variance de l'estimateur Monte-Carlo à partir des propositions les plus avancées de la physique du transport corpusculaire et de l'informatique graphique (évaluer la même grandeur, avec la même précision, en utilisant un nombre réduit de générations aléatoires).

Ces considérations théoriques permettrons d’étendre considérablement les objectifs et les possibilités de l'algorithme original (qui était restreint au configurations ciel clair uni-colonne). La véritable question étant assurément le passage à l'échelle, nous pensons spécifiquement :
- à la complexité des véritables champs 4D produit par les modèles de circulation générale (GCM), et notamment aux effets de diffusion multiples dans les nuages à l'échelle sous-maille (nuages reconstruit à partir des sorties GCM).
- à toute les observables d’intérêt du transfert radiatif, telles que définies par les contraintes d'analyse de la communauté du changement climatique, d'une part en tenant compte des besoins important de précision sur le forçage radiatif (cette grandeur pouvant être faible devant les flux solaires et infrarouges, son évaluation peut s’avérer difficile), et d'autre part en incluant le calcul des sensibilités à la concentration des gaz absorbants.

Trois domaines scientifiques voisins seront connectés à ce projet de part la similarité des questions ouvertes qu'ils soulèvent : l'ingénierie de la combustion et des transferts de chaleur, l'étude des atmosphères planétaires, la dynamique des nuages. Ainsi un second cercle d'expertise scientifique s’insère dans le projet, notamment à travers la participation à toutes les rencontres et tous les séminaires annuels. Ils permettrons en particulier d'orienter les choix du design informatique de façon à assurer que ce travail s'inscrive dans une perspective plus large, en illustrant la mise en œuvre effective d'un échantillonnage conjoint des énormes bases de données spectroscopiques et des champs 3D/4D dans un objectif de calcul de transfert radiatif sans concession de précision.