Modélisation atmosphérique hautement efficace – HEAT

Les modèles atmosphériques de dernière génération comme le coeur dynamique icosaédrique DYNAMICO font entrevoir la résolution de problèmes hors d'atteinte avec les modèles actuels. Mettre ces modèles au service d'un questionnement scientifique nécessite néanmoins un effort significatif et une collaboration entre experts du numérique, du calcul et de l'usage scientifique de ces modèles. HEAT met en place un telle collaboration afin d'aborder des applications extrêmes de modélisation atmosphérique et de relever les prochains défis en matière de schémas numériques et de calcul.
Nous défricherons la modélisation de la circulation générale des planètes géantes et franchirons des jalons significatifs vers la modélisation du système Terre à l'échelle de millénaires, pertinente pour la paléoclimatologie. En termes de schémas numériques et de calcul, nos objectifs sont la montée en ordre massivement parallèle pour le transport et la dynamique, ainsi que la modélisation non-hydrostatique, notamment la résolution des problèmes elliptiques associés.

Les atmosphères de Jupiter et Saturne sont animées de vents puissants et d'une intense activité convective et ondulatoire. L'ambition de HEAT est de constituer une équipe de spécialistes capable de concevoir et réaliser des simulations sans précédent de la circulation de Jupiter et Saturne, dans lesquelles se développe une forte activité ondulatoire, à même d'élucider comment ces ondes forcent la circulation générale, un processus dynamique clé également pour le climat terrestre. Dans une perspective longue, cet effort dotera la France et l'Europe d'un modèle de premier plan pour interpréter les résultats des missions JUNO (NASA) et JUICE (ESA) vers Jupiter.
Afin de comprendre les importantes réorganisations climatiques de la dernière déglaciation, nous développerons graduellement un nouveau modèle de système Terre basé sur DYNAMICO, le modèle de surface ORCHIDEE, le modèle d'aérosols INCA et le modèle d'océan NEMO, en portant une attention particulière aux contraintes-clés de conservation. Outre des simulations longues, à l'équilibre, des simulations courtes à 30km de résolution de périodes clés du passé offriront de nouvelles possibilités d'affiner la comparaison modèle - observations paléoclimatiques régionales.
Du côté numérique nous explorerons des schémas de transport précis, non-oscillants de type WENO ainsi que la méthode de Galerkin discontinue afin d'offrir une gamme de compromis précision/efficacité pour DYNAMICO, ce qui peut être important en présence de forts fronts et d'interactions non-linéaires. Pour la dynamique l'ordre de précision est crucial pour réduire l'empreinte du maillage causée par son irrégularité. Nous poursuivrons l'approche par éléments finis mixtes, qui donne d'excellentes propriétés de conservation discrète.
Enfin, à mesure que la capacité de calcul exascale approchera, la modélisation globale deviendra possible à des échelles où l'approximation hydrostatique devient problématique. Nous visons à étendre DYNAMICO vers la dynamique non-hydrostatique tout en maintenant son parallélisme, sa capacité à abandonner certaines approximations terrestres et à conserver exactement masse, énergie, vorticité pour des simulations longues. Nous explorerons des solutions innovantes pour améliorer le parallélisme et la faisabilité de méthodes à grand pas de temps.

Au-delà de HEAT, le travail fourni par toutes les tâches et l'expertise accumulée contribuera à renforcer la capacité de premier plan de la communauté française de modélisation du temps et du climat à s'attaquer à une gamme élargie de futurs défis scientifiques aux échelles globale et régionale. En associant des experts de géosciences et de mathématiques appliquées, et en contribuant à des évènements tels que l'école d'été CEMRACS et la conférence PDEs on the Sphere, HEAT renforcera la communauté française de mathématiques appliquées dédiée à la modélisation atmosphérique et son insertion dans la communauté internationale.