Simulation globale des marées de tempêtes océaniques à grande échelle – LAGOON

Les zones côtières hébergent environ 10% de la population mondiale ainsi qu'une grande partie de l'activité économique. On s'attend à ce que le changement climatique augmente les risques d'inondations dans les années à venir. Dans ce projet, nous proposons de développer un outil numérique pour la prédiction des surcôtes dûes aux tempêtes.
Depuis quatre ans, un effort conjoint a été mené par plusieurs partenaires, dont les participants à ce projet, pour le développement d'un outil numérique capable de mener des calculs à l'échelle de la planète avec une haute résolution sur les zones côtières.
Le but de ce projet est d'améliorer notre plateforme de calcul afin de la mener à un niveau de performance et de précision suffisants pour la prédiction des ondes de tempêtes dans différents scénarios climatiques. Afin d'atteindre ce but et de produire des résultats dépassant l'état de l'art, nos efforts seront concentrés sur les développements informatiques et numériques suivants, dont le but est de diminuer le temps d'exécution du code en conditions opérationnelles.
(1) Dans l'océan profond, les ondes de marées et les surcôtes atmosphériques sont des processus essentiellement linéaires sous l'influence de la rotation de la terre. Dans le régime à bas nombre de Froude, les schémas numériques standards peuvent souffrir d'un excès de diffusion sur les éléments les plus grossiers (localisées typiquement au large), ce qui risquerait de fausser le niveau d'eau calculé. De même, le faible pas de temps requis pour assurer un calcul stable des ondes barotropes induit un temps d'exécution prohibitif avec une marche en temps explicite. Dans ce projet, le but est de développer une stratégie efficace implicite-explicite (ImEx) pour les schémas de Galerkin discontinu, afin d'augmenter radicalement le pas de temps.
(2) Le passage à l'échelle de la bibliothèque a déjà été obtenu pour une marche en temps explicite. L'utilisation de schémas implicites, nous mènera à nous attaquer à l'inversion efficace de systèmes (non)-linéaires. Comme la raideur d'un système à faible nombre de Froude est semblable à celui d'une équation de Laplace, une stratégie efficace consiste à développer une méthode de Krylov préconditionnée par une méthode multigrille. Cette méthode est séduisante car elle est basée sur le calcul du résidu (qui est déjà correctement parallélisé), mais sur un maillage agrégé. Les entrées-sorties (IO en anglais) à grande échelle est un autre aspect que nous devons résoudre. En considérent la taille des données, ainsi que la fréquence de sorties pour l'application de réanalyse, les IOs deviennent un goulot d'étranglement important du code. Des IOs à deux étapes, des stratégies de post-processing in-situ et in-transit seront évaluées avec les technologies existantes afin d'améliorer la performance du code de production lors de la réalisation des expériences numériques.
(3) Nous exploiterons les aspects numériques et haute performance proposés dans les paragraphes précédents pour évaluer l'impact du changement climatique sur les risques d'inondation à l'échelle globale sur des futurs scénarios climatiques. Pour cela, nous effectuerons des projections de niveau de la mer sous différents scénarios en utilisant une approche multi-modèles, qui est pour le moment hors de portée. La résolution que nous espérons obtenir (10km au large, 1km au niveau des côtes) dépassera également l'état de l'art pour les prédictions de niveau de la mer, et ne seront possibles que grâce à notre nouveau modèle haute performance. L'outil numérique sera validé sur le ré-analyse des niveau de la mer de 1979 à 2014, et seront utilisées pour la génération de bases de données de niveau d'eau sur les projections climatiques futures CIMP6.
Le code développé dans ce projet sera distribué librement. Les données générées de la ré-analyse et la base de données des projections de niveau de la mer seront mises à disposition de la communauté.