Calul haute performance pour la quantification des impacts du changement climatique sur les régions boréales – HiPerBorea

Notre approche consiste à dévelloper un outil OpenFOAM® (openfoam.com) pour la modélisation en calcul parallèle de la dynamique thermo-hydrique des surfaces continentales froides. L’équipe du projet à récemment produit un solveur haute performance pour les transferts couplés thermo-hydrologiques dans le sol avec gel/dégel de l’eau porale, le solveur permaFoam (Orgogozo et al., 2019). Ce solveur présente une bonne scalabilitée, testée sur supercalculateurs tier-2 et tier-1 jusqu’à 4000 coeurs, et permet de traiter des problèmes de grande taille, comme par exemple un cas test avec un maillage de 1,2 milliard de cellules (Orgogozo et al., 2015). Dans ce projet nous développerons encore les capacités HPC de permaFoam et les appliquerons à la réalisation de premières en simulations cryo-hydrologiques, en modélisant les dynamiques thermo-hydriques de bassins versants boréaux en 3D pour des périodes centennales. Le but est de démontrer l’intérêt de l’utilisation d’outil de calcul à HPC pour les sciences et l’ingénieurie des milieux froids.

Actuellement les premiers résultats consistent en :
- une version mise a jour de l'outil numérique développé permaFoam (Orgogozo et al., 2019) avec l'aide d'ESI-Group - OpenCFD, l'industriel qui maintient OpenFOAM (openfoam.com). Cette nouvelles versions a été soumises pour publication dans la Computer Physics Communications code library (Orgogozo, soumis).
- des premières simulations 3Dd de permafrost à l'échelle du bassin versant dans le bassin versant de la Kulingdakan (Orgogozo et al., 2020, 2021)
- la constitution du jeu de données complet à utilisé pour simuler le permafrost près de la station Interact d'Abisko en Suède (mission de terrain de fin septembre 2020 (https://hiperborea.omp.eu/field-mission-in-abisko-northern-sweden/)

A court terme, le post-doc recruté au GET va commencer les simulations de l'impacts du changement climatique sur le bassin versant de la Kulingdakan, puis son effort de modélisation va ensuite rapidement portée sur la Suède nordique (Abisko). Il utilise pour l'instant les ressources du CINE) (Occigen) et du TGCC (IRENE-ROME). Le doctorant à l'IMFT concentre actuellement ces forces sur l'étude des tourbières de Khanymey (Sibérie occidentale). Il calcul principalement sur le méso-centre CALMIP (Olympe). Par ailleurs un stagiaire de master a commencer le travail de modélisation sur Syrdakh, en SIbérie Orientale, ou les partenaires LSCE du projet sont actuellement en mission (il calcul sur les ressources interne du LSCE).

1. 2020 L. Orgogozo, C. Grenier, E. Mouche, M. Marcoux, M. Quintard. Numerical modeling of coupled heat and water transport for the study of permafrost dynamics: High Performance Computing simulations for watershed scale analysis. 12th International Conference on Porous Media, Août-Septembre 2020, Tsingtao, Chine (conférence virtuelle). hal.archives-ouvertes.fr/hal-02931744
2. 2021 L. Orgogozo, O. Pokrovsky, C. Grenier, E. Mouche, M. Marcoux, M. Quintard. Modeling of water fluxes in boreal peatlands : perspectives offered by High-Performance Computing techniques. Accepté pour le VIth International Field Symposium West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: Past and Present, 28 Juin – 7 juillet 2021, Khanty-Mansiysk, Russie
3. 2021 S. J. Cazaurang, M. Marcoux, S. Loiko, A. Lim, S. Audry, L. Shirokova, O. Pokrovsky, L. Orgogozo. Numerical Estimation of Effective Hydraulic Properties of Sphagnum Moss, Lichen and Peat From Western Siberian Lowlands. Accepté pour le VIth International Field Symposium West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: Past and Present, 28 Juin – 7 juillet 2021, Khanty-Mansiysk, Russie
4. 2021 C. Grenier, A. Séjourné, E. Pohl, P. Konstantinov, A. Fedorov, A. Saintenoy, I. Khristoforov, L. Orgogozo, F. Costard. Study of Thermo-hydrological river-ground transfer processes in the context of permafrost environments – the Syrdakh study site in Central Yakutia (Siberia, Russia). Accepté pour le congrès international Advancing critical zone science. Ozcar-Tereno meeting, 5-7 Oct. 2021, Strasbourg, France
5. (submitted) L. Orgogozo. RichardsFoam3: a new version of RichardsFoam for continental surfaces hydrogeology modeling.
6. (submitted) L. Orgogozo. permaFoam: an extension of RichardsFoam for cryohydrogeological modeling.

HiPerBorea a pour objectif de parvenir à la modélisation quantitative et prédictive de l’évolution thermo-hydrologique des environnements froids à pergélisols (25% des terres de l’hémisphère nord) sous changement climatique. La fonte du pergélisol est associée a des rétroactions majeures sur les cycles des gaz à effet de serres, et est donc un facteur clé de l’évolution du climat. Les phénomènes physiques impliqués sont fortement couplés et non-linéaires, leur simulation à l’échelle de bassin versant nécessite donc le développement d’outils de modélisation numérique en calcul à hautes performances. Les champs d’applications potentiels sont nombreux, par exemple l’hydro-bio-géochimie des zones froides, la stabilité des infrastructures en environnements froids ou les cryo-barrières pour sites industrielles pollués.
Notre approche consiste à développer un outil OpenFOAM® (openfoam.com) pour la modélisation en calcul parallèle de la dynamique thermo-hydrique des surfaces continentales froides. L’équipe du projet à récemment produit un solveur haute performance pour les transferts couplés thermo-hydrologiques dans le sol avec gel/dégel de l’eau porale, le solveur permaFoam (Orgogozo et al., 2019). Ce solveur présente une bonne scalabilité, testée sur supercalculateurs tier-2 et tier-1 jusqu’à 4000 cœurs, et permet de traiter des problèmes de grande taille, comme par exemple un cas avec un maillage de 1,2 milliard de cellules (Orgogozo et al., 2015). Dans ce projet nous développerons encore les capacités HPC de permaFoam et les appliquerons à la réalisation de premières en simulations cryo-hydrologiques, en modélisant les dynamiques thermo-hydriques de bassins versants boréaux en 3D pour des périodes centennales. Le but est de démontrer l’intérêt de l’utilisation d’outil de calcul à HPC pour les sciences et l’ingénierie des milieux froids.
Afin d’utiliser cette puissance de calcul de manière pertinente, le dévellopement du solveur permaFoam sera poursuivi pour prendre en compte les processus determinants pour l’hydrologie et l’hydrogéologie en zone boréale. Ainsi permaFoam :
1) intégrera efficacement les processus externes qui controlent l’hydrologie des pergélisols, comme la dynamique des couvertures bryophytiques (mousses et lichens), la pénétration des radiations solaires et l’isolation thermique du à la neige;
2) sera validé pour la modélisation à l’échelle du bassin versant selon les standards internationaux, et paramétrisé sur la base de données de terrain de stations boréales de suivi environnemental à long terme (eu-interact.org, IRN CAR WET SIB);
3) sera utilisé pour réaliser des modélisations 3D à l’échelle du bassin versant de réponses au changement climatique de pergélisols boréaux, et ce grâce à ces bonnes performances parallèles, qui seront optimisées au cours du projet pour les supercalculateurs actuels (du méso-centre régional Tier-2 aux infrastructures européennes de calcul PRACE Tier-0).
Le projet HiPerBorea se déroulera en trois étapes principales :
1) le développement et la validation de l’outil numérique nécessaire;
2) l’application de cet outil au bassin versant de la Kulingdakan, qui a déjà été étudié numériquement par l’équipe (Orgogozo et al., 2019), afin d’établir une méthodologie consolidée et efficace pour la modélisation cryohydrologique 3D à l’échelle du bassin versant pour des échelles de temps centennales;
3) la simulation des réponses à divers scénarios IPCC de changement climatique (projections CMIP5) de quatre bassins versants boréaux de suivi environnemental à long terme.
Techniquement parlant le but est de tester la taille limite des applications qui peuvent être traités avec les performances actuelles de permaFoam (possibilité de traiter des maillages d’un milliard de mailles, avec jusqu’à 4000 cœurs sur supercalculateur Tier-1), et d’aller au delà de ces limites au cours du projet – vers la dizaine de milliards de mailles, et les dizaines de milliers de cœurs sur supercalculateurs Tier-0.