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130 000 coeurs pour une modélisation météorologique sans couture avec MESO-NH

Grâce à la puissance de calcul qu'elle apporte, la nouvelle génération de calculateurs massivement parallèles(1) permet de réaliser sur de grandes grilles(2) une modélisation "sans couture"(3) des phénomènes météorologiques, mais elle demande aux modèles une grande capacité de calcul parallèle. Suite à des améliorations apportées dans ce sens au modèle MESO-NH de recherche météorologique mésoéchelle communautaire français, une performance de calcul dépassant 4 Téraflop/s(4) a été obtenue avec 130 000 coeurs(5) sur la machine du centre de calcul européen PRACE. Il s'agit d'une première en France pour un code météorologique. Une simulation haute résolution, couvrant l'Atlantique et l'Europe, du cyclone tropical Hélène et de son interaction avec une onde planétaire a également été réalisée, dont l'excellent résultat laisse espérer à terme une amélioration de la prévision du temps en Europe.
Le code communautaire MESO-NH est le modèle de recherche météorologique mésoéchelle communautaire français, développé conjointement par le Laboratoire d'aérologie (UPS/CNRS) et le GAME/CNRM (CNRS / Météo-France). Ce code intègre un système d'équations non hydrostatiques, permettant de traiter avec le même outil une vaste gamme de phénomènes atmosphériques, depuis les ondes planétaires (quelques milliers de kilomètres) jusqu'aux tourbillons (quelques mètres). Il est également doté d'un jeu complet d'équations physiques permettant une représentation des nuages et des précipitations. Enfin, le tout est couplé à des modèles de chimie et d'aérosols. Ce modèle offre ainsi un cadre privilégié pour toute simulation des processus physicochimiques dont l'atmosphère est le siège.
L'ensemble des logiciels de ce code représente environ un million de lignes de code. Le système fonctionne depuis quelques années sur les machines scalaires parallèles du GENCI(6) et de Météo-France et depuis peu sur celle du centre européen pétaflopique PRACE(6). Jusqu'à présent, les puissances de calcul de ces machines ont conduit les chercheurs à se focaliser soit sur des phénomènes météorologiques de petite taille, soit sur des phénomènes météorologiques de taille plus grande bien que limitée, les processus de plus petite échelle étant alors grossièrement représentés et leur impact sur la circulation de plus grande échelle mal étudié.
L'avènement récent, en France et en Europe, de calculateurs massivement parallèles, utilisant des centaines de milliers de coeurs, ouvre de nouvelles perspectives. Elle va notamment permettre de réaliser, sur de grands domaines spatiaux (grandes grilles), une modélisation "sans couture" des phénomènes météorologiques qui s'y produisent et d'étudier leurs interactions d'échelle

Cependant, ces nouveaux calculateurs demandent aux modèles une haute performance de calcul parallèle. Bien qu'une grande partie du modèle MESO-NH soit parallèle depuis 1999, il a néanmoins été nécessaire de l'adapter aux nouveaux calculateurs (encart). Ce faisant, une excellente scalabilité(7) de Méso-NH a été obtenue et le Téraflop/s a été atteint sur toutes les machines nationales où le code a été testé, démontrant que ce dernier peut s'adapter à tout type de machines. Il a également pu tourner avec succès sur la machine de PRACE avec des grilles de 2048 x 2048 x 128 points (500 millions de points) et dépasser les 4 Téraflop/s avec 130 000 coeurs sur les 300 000 qu'elle possède. C'est la première fois qu'une telle puissance de calcul est atteinte pour un code météorologique de recherche sur un supercalculateur européen.
La première application scientifique utilisant le code MESO-NH modifié a porté sur le cas de la transition extratropicale du cyclone Hélène en Atlantique Nord. L'interaction d'un cyclone tropical avec une onde planétaire est mal prise en compte par les modèles actuels de prévision numérique du temps, à cause en partie de la taille relativement grossière de leur maille horizontale (une vingtaine de kilomètres) qui ne permet qu'une représentation approchée des nuages, ce qui peut conduire à de mauvaises prévisions du temps en Europe. Le modèle MESO-NH a été lancé avec une résolution spatiale beaucoup plus fine (4 km) sur une grille de 3072 x 1536 x 64 points (300 millions de points). À cette résolution, la vitesse verticale des masses d'air et donc les nuages peuvent être prédits explicitement. Une bonne correspondance a ainsi été obtenue entre observation (analyse météorologique des observations in situ et satellitaires) et simulation sur tout le domaine et au voisinage du cyclone, dont le creusement (minimum de pression au niveau de la mer) est correctement prévu. Ces travaux sont donc prometteurs et devraient conduire à terme à une amélioration de la prévision du temps en Europe.

Ces simulations ont été réalisées sur les machines du CALMIP, sur celles du GENCI dans le cadre des projets 0569, 1065 et 1076 et sur la première composante pétaflopique de l'infrastructure PRACE dans le cadre du projet 3656.

 

 

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