Compte rendu des utilisations du calculateur TITAN au LACy
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Le
Laboratoire de l’Atmosphère et des Cyclones (LACy)
UMR (8105) Université de la Réunion – CNRS – Météo France
15 avenue René Cassin, 97715 Saint Denis messag. ,Cedex 9
Compte rendu des utilisations du calculateur TITAN au LACy
Le calculateur TITAN est utilisé par deux équipes du laboratoire. L’équipe « Troposphère » l’utise
dans le cadre de la thèse de doctorat de Dorothée Lesouef pour réaliser des simulation des
écoulement atmosphérique à haute résolution au niveau de l’île ainsi que la diffusion de traceurs
passif pour simuler la dispersion de polluants. L’équipe modélisation des cyclones l’utilise
également en en tests actuellement pour des simulation d’analyse de cyclones en présence de relief
avec le même modèle Méso-NH. Le modèle Méso-NH est un code parallélisé, il s’agit d’un outil
complexe qui nécessite des supercalculateurs performants pour fonctionner dans de bonnes
conditions. Les paragraphes suivants décrivent les travaux effectués avec le calculateur Titan et
soulignent aussi les difficultés rencontrées.
1- Etude numérique des circulations locales à la Réunion : application au transport de
polluants et à la dispersion du panache volcanique du Piton de La Fournaise
Utilisation du modèle MesoNH sur TITAN
Le modèle météorologique anélastique MesoNH a été installé sur le supercalculateur Titan. Ce
modèle est utilisé pour simuler sur une large gamme d'échelle des écoulements atmosphériques
réels ou académiques multidimensionnels.
En particulier, cet outil numérique a permis d'effectuer une modélisation dynamique à méso-
échelle et à haute résolution (1 km) des écoulements atmosphériques dans les basses couches
au niveau de La Réunion dans le but d'étudier l'action du relief et du rayonnement sur ceux-ci. Les
simulations ont aussi été appliquées à la diffusion de traceurs passifs censés représenter la
dispersion de polluants. Ce travail rentre dans le cadre des études préparatoires à la mise en place de
la future station d'observation de l'OPAR (Observatoire de Physique de l’Atmosphère de la
Réunion) sur le site du Piton Maïdo à l'horizon 2010 et vise à documenter les différents types
d'observation qui y seront effectués.
Configuration numérique
L'objectif a été de réaliser des simulations sur cas idéalisés en ne retenant que les forçages
principaux à savoir le chauffage radiatif et le forçage par du vent synoptique d'ESE représentatif de
l'alizé. La méthode a donc consisté à imbriquer (en mode 1-way) deux modèles centrés sur La
Réunion.
Les modèles extérieur et intérieur avaient une résolution horizontale de 4 km et 1 km, couvraient
une superficie de 320*320km2 et 100*100km2 respectivement (figure 1).
1Figure 1: Schéma d'imbrication des modèles (échelle de couleurs relative à l'altitude du terrain)
Le run a été lancé sur 8 des processeurs du calculateur TITAN et sa durée était de 48 heures (soit 8
segments temporels de 6 heures). Les pas de temps étaient de 20 s pour le modèle extérieur et de 5 s
pour le modèle intérieur. Pour adapter le modèle à l’étude de ces cas idéalisés, plusieurs
paramètrisations ont été nécessaires, notamment l’activation des schémas d’advection (du second
ordre défini positif, décentré en temps et en espace, de turbulence (d’ordre 1,5 avec l’énergie
cinétique turbulente comme variable pronostique), de transfert radiatif, de surface, de condensation
sous-maille etc. Le temps réel de calcul avec TITAN pour un segment de 6H était de 17H30
approximativement. A titre de comparaison, le temps réel de calcul avec le calculateur du centre de
calcul IDRIS du CNRS (NEC SX8 de type vectoriel possédant 10 nœuds et 8 processeurs par
noeud) dans la même configuration était de 4H (Tableau 1).
TITAN BRODIE
Temps CPU/point/pas de temps-MODELE 4km (µs) 126.04 8.139
Temps CPU/point/pas de temps-MODELE 1km (µs) 132.842 6.650
Temps CPU (s) 62775.570 14401
Tableau 1: Comparaison des temps de calcul des calculateurs TITAN et BRODIE
Principaux résultats obtenus
Les résultats ont alors permis de mettre en évidence la modulation par le forçage radiatif de la
séparation du flux d'alizé de part et d'autre de l'île (figure 2) et le développement plus favorable des
brises côtières sur la côte ouest abritée du vent synoptique. Les expériences numériques ont aussi
souligné l'impact des recirculations engendrées par le flux synoptique dans le sillage de l'île au NE
sur les panaches qui sont alors rabattus sur la côte ouest, le rôle des plaines alluviales (par ex., la
rivière des Galets) qui canalisent ces panaches en agissant comme des cheminées (figure 3) et la
dispersion du panache volcanique susceptible d'induire une contamination jusqu'au Piton Maïdo
(figure 4). Un traceur passif de couche limite et un traceur esquissant le cycle diurne de l'ozone ont
été définis et ont permis de marquer de façon simple les masses d'air ayant transité dans les basses
couches et dont la composition est susceptible d'avoir été influencée par la surface. Ainsi sur le
sommet du Piton Maïdo, les expériences numériques ont révélé d’une part l’influence de la couche
limite selon un cycle journalier et d’autre part un cycle diurne inversé de l’ozone (c’est-à-dire
présentant un minimum de concentration en journée à l’inverse de la couche limite où l’on observe
en général un cycle de production diurne/destruction nocturne). Les brises thermiques peuvent
expliquer ce phénomène : en effet, le jour sous l’action de la brise montante, de l’air des basses
2couches arrive progressivement au sommet de la montagne, c’est pourquoi au sommet du Piton
Maïdo (figure 5), la teneur en traceur de couche limite augmente jusqu’à des valeurs supérieures à
90% en journée. Cet air des basses couches étant moins concentré en ozone que l’air au sommet, il
se produit au sommet un phénomène de dilution qui provoque ainsi la baisse de la concentration du
traceur ozone. La nuit, dès lors que la brise descendante est amorcée, la teneur du traceur de couche
limite diminue tandis que celle du traceur ozone augmente pour retrouver sa valeur de fond.
Figure 2: Séparation du flux des alizés. Représentation des lignes de courant à 20m au-dessus du sol sous l'effet
de la convergence (à gauche) et de la divergence (à droite) thermiques (échelle de couleurs relative à l’altitude du
terrain).
Figure 3: Coupes horizontales illustrant la répartition spatiale du panache de traceur issu de la ville de St Denis
(simulation ALIZ5)
3Figure 4: Coupe horizontale illustrant la répartition spatiale du panache issu du Piton de La Fournaise à 00:00
locales (simulation ALIZ5).
Traceur CL Traceur pseudo-O3
100 38
90
36
80
Traceur CL %
Traceur O3 ppb
70
34
60
50 32
40
30
30
20
28
10
0 26
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
He ure locale
Figure 5: Evolution temporelle des traceurs passifs de couche limite et pseudo-O3 au Piton Maïdo (simulation
ALIZ0)
Projets
En vue de l'extension de cette étude, il est prévu d'effectuer et d'analyser une série de simulations à
partir de cas réels basés sur une typologie de situations météorologiques. D'autre part, l'éruption
récente du Piton de La Fournaise (Avril 2007) a montré que des panaches fortement chargés en
dioxyde de soufre et autres gaz acides ainsi qu'en fines particules de lave et cendres volcaniques
étaient susceptibles d'atteindre des zones habitées et d'y poser des problèmes de santé publique.
C'est pourquoi nous avons engagé la modélisation de cet épisode de pollution à l'aide du modèle
MésoNh afin d'approfondir l'étude des mécanismes de la diffusion du panache volcanique à l'origine
des contaminations observées. Ceci devrait permettre d'abord de mettre au point un système
numérique de modélisation de la dispersion de panaches de polluants et de déboucher à terme sur un
système de prévision de dispersion de panache volcanique, voire d'alerte en cas d'éruption
importante.
42- Modélisation des Cyclones.
La qualité des prévisions d’intensité cyclonique stagne depuis 20 ans, contrairement à celle de
trajectoires. L'intensité est gouvernée par une large gamme d'échelles, contrairement à la trajectoire,
et la prise en compte des phénomènes de petite échelle (de méso-échelle et même d'échelle
aérologique) est nécessaire pour bien représenter les processus physiques la régissant. L’utilisation
du modèle non-hydrostatique Méso-NH est alors un outil indispensable pour la simulation de ces
phénomènes, dont la capacité à simuler de façon réaliste un cyclone mature a pu être démontrée
(Thèse de S. Jolivet, 2008) et dont les évolutions vers un modèle couplé sont en cours (Thèse de G.
Samson en cours).
Utilisation. Titan a été utilisé pour MésoNH (configuration à 3 domaines imbriqués avec toutes les
différentes étapes de MésoNH). Il s'agissait, pour le moment, principalement de test d'utilisation cad
vérification du bon fonctionnement de MésoNH (programme et outils dérivés comme les outils de
compression et autre conversion), mise en place de script d’utilisation et test de performance sur
une simulation aussi réalisée sur le calculateur de Météo-France. Par conséquent, il n'y a pas encore
vraiment de résultats scientifiques. Par contre, on a tout ce qu'il faut pour travailler maintenant sur
les cyclones.
Les difficultés ont été nombreuses lors des premiers essais. Il s’agissait essentiellement des prob-
lèmes d'installation de MésoNH résolus par Delphine Ramalingom et Juan Escobar (Un ingénieur
d’un groupe aynat développé le modèle) et des problèmes de lenteur de connexion résolus par
l'installation du PC ADSL à la DIRRE. Les performances sont assez décevantes pour l'utilisation de
MésoNH mais au vu des performances théoriques de la machine et de "l'efficacité" du code Mé-
soNH, ces performances décevantes sont normales! L'avantage c'est que la machine n'est pas sur-
chargée et qu'une classe d'utilisation a été spécialement définie pour les longues simulations Me-
soNH.
Projets
En perspective des 2 ans à venir, l'utilisation va réellement commencer avec le travail de thèse de
Guillaume Samson utilisant MésoNH couplé à un modèle simplifié d'océan (ce modèle va faire par-
tie intégrante de MésoNH donc il ne devrait pas avoir de pb d'installation). Pour ma part, le début
d'un travail sur la cyclogénèse et les changement d'intensité des cyclones donc des simulations à très
fines échelles (1km voire inférieure). Et peut-être la venue d'un post-doctorant travaillant sur la mi-
crophysique dans les cyclones. A cela, la fin de thèse de Samuel Jolivet, qui peut être amené à utili-
ser dans les 6 mois le calculateur pour clore ces dernières études sur Dina et le relief de la Réunion.
Beaucoup d'heures (de mois plutot!) de calcul sont prévues ... peut être trop pour les performances
de Titan. Il ne faudrait pas que le remplacement du calculateur ralentisse les travaux scientifiques à
venir! Il faudrait donc probablement une période de "double" avec les deux calculateurs
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