Modèles

Éditeur: Direction – Mis à jour le 27/05/2021

Place de la modélisation numérique au laboratoire

Le calcul scientifique et la modélisation numérique en particulier occupent une part croissante de nos activités, tant comme utilisateurs que développeurs de logiciels scientifiques.  Ces activités peuvent être structurées en 2 catégories :

  1. Modélisation pour la recherche
  • Développement de modèles numériques 
    • Modélisation hydrodynamique et/ou biogéochimique
    • Modélisation « hybride » : multi-paramètres, multidisciplinaire, multi-échelles
    • Modélisation couplée : atmosphère, biogéochimie, géochimie, vagues, sédiment, hydrologie
  • Développement d’outils de pré-/post-traitement des modèles
  • Développement d’outils numériques en accompagnement de missions spatiales (p.ex. simulateur de l’altimètre SWOT)
  1. Outils de prévision et d’apprentissage
  • Développement de codes numériques d’assimilation de données
  • Outils de prévision ensemblistes/stochastiques
  • Méthodes probabilistes, de détection/attribution
  • Identification et/ou optimisation de paramètres
  • Systèmes complexes, Machine Learning/Deep Learning.

Dans ces différentes catégories, le LEGOS contribue activement au développement de codes numériques pour la recherche à la fois comme concepteur, contributeur, intégrateur de codes hétérogènes, et utilisateur expert.  Le laboratoire contribue notamment de manière très active aux codes suivants: NEMO (modélisation de grande emprise), CROCO (modélisation régionale et côtière), PISCES (biogéochimie globale), BioEBUS (biogéochimie des zones d’upwelling), et est concepteur des codes suivants: T-UGOm (modélisation par éléments finis), FES (modélisation spectrale des marées), SYMPHONIE (modélisation de circulation océanique), ECO3M-S (modélisation biogéochimique), SpEnOI (assimilation pour  les marées), la Tidal Toolbox, SDAP (assimilation ensembliste de données), DREAM (modélisation semi-empirique pour études climatiques), et plusieurs algorithmes de Machine Learning.

Vorticité de surface (1/s) au 13 janvier 2000 simulé par le modèle NEMO dans une configuration sub-kilométrique (1/108).
Evolution saisonnière des Sargasses dans l’Atlantique pour l’année 2017 obtenue à partir d’observations satellites (gauche) et du modèle de transport et physiologie de Sargasses NEMO-Sarg1.0 développé au LEGOS (droite). Figure adaptée de Jouanno et al. GMD (2021).

En plus des outils cités ci-dessus, le laboratoire est utilisateur expert des codes OASIS, WRF, HYCOM, SCHISM, des modèles biogéochimiques de type « NPZD », des modèles hydrologiques, outils prédictifs et probabilistes, méthodes de détection/attribution, et méthodes de contraintes émergentes.

Étendue de la zone de minimum d‘oxygène au large du Pérou, simulée par un modèle régional à haute résolution à 410 m de profondeur (haut); Carte de l’activité de sous-méso échelle (Adapté de Bettencourt et al., (2015)).

Ces différentes activités sont menées en phase avec le contexte prospectif de nos tutelles (notamment INSU/OA, INSU/SIC, IRD/OCEANS et IRD/DISCO), du Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche (notamment réseau 3IA sur l’intelligence artificielle), services Copernicus (notamment CMEMS et C3S), et nourrissent une collaboration active et riche avec nos collègues de Mercator Ocean International (MOi).

L’Atelier Numérique de l’unité

Une entité transverse de coordination et de soutien sur ces activités dans les équipes du  laboratoire est l’Atelier Numérique du LEGOS, créé en 2018. L’Atelier Numérique a pour mission de répondre progressivement à un certain nombre de besoins :

  • développement d’une plate-forme de modélisation océanique commune au LEGOS, dotée d’un responsable de plateforme recruté en 2018 ;
  • assistance numérique aux équipes de recherche: adoption de la plateforme de modélisation, adaptation aux nouvelles architectures, accès aux nouveaux centres de calcul, aide aux configurations de modélisation régionales, information sur les configurations disponibles
    (https://git.outils-is.ird.fr/legos_atnum/repos/nemo_configs/wikis/Configurations ) ;
  • animation sur le thème du calcul scientifique, comprenant des discussions et une coordination thématiques et basées sur des outils ;
  • interface coordonnée avec l’Atelier numérique de l’OMP, notamment autour du programme ANITI et du chantier ENV’IA (machine Learning) ;
  • interface coordonnée avec les partenaires: Mercator Océan International, SHOM, NEMO, CROCO, COMODO, groupes ad hoc au sein des tutelles, etc.

Code Communautaire (CC) labellisé SIROCCO

Le Code Communautaire labellisé SIROCCO (https://sirocco.obs-mip.fr/ ) est hébergé au laboratoire depuis 2020. SIROCCO contribue à plusieurs activités clés du LEGOS, notamment en ce qui concerne la modélisation des marées, la modélisation littorale, côtière et régionale, un nombre important de collaborations au Sud.  Il comprend les modèles de marée T-UGOm et FES, les codes d’assimilation SDAP (https://sourceforge.net/projects/sequoia-dap/) et SpEnOI, le modèle de circulation océanique SYMPHONIE,  ainsi que des couplages (biogéochimie, sédiment, atmosphère, vagues, transport lagrangien p.ex. de larves et microplastiques) et des outils d’analyse, de visualisation, de construction de nouvelles configurations, de validation et d’évaluation de réseaux d’observation et d’atlas de marée. En tant que CC labellisé, SIROCCO est aussi un service interactif, permettant le transfert d’outils numériques, de produits et d’expertise (notamment mise en place de nouvelles configurations), et également de faire émerger et satisfaire des besoins de nouveaux développements d’intérêt général. Le code T-UGOm et la Tidal Toolbox sont utilisés pour la génération de simulations de corrections de dé-aliasing et le traitement des observations spatiales altimétriques et gravimétriques, en collaboration avec le CNES (AVISO) et le CTOH. Ces codes figurent à présent dans les chaînes de traitement opérationnelles (CNES/ESA/NASA pour l’essentiel) et dans les standards internationaux GNSS (ITRF).

Groupement de Recherche (GdR et GDRI-Sud) CROCO

Le laboratoire participe de manière active comme concepteur et développeur du système CROCO (http://www.croco-ocean.org/ ), au sein du GdR (CNRS/SHOM/IRD/Ifremer/Inria) du même nom qui vise à apporter une offre en réponse à la fragmentation de la communauté française de modélisation régionale et côtière. Ce GdR est complété par un GDRI-Sud (IRD) piloté au LEGOS et incluant plus spécifiquement les partenaires du Sud désirant avoir un rôle plus actif sur les outils de modélisation. La plate-forme de modélisation CROCO se veut complémentaire de celle de NEMO pour les très fines échelles et la modélisation côtière et littorale. Le LEGOS contribue notamment à son cœur numérique non-hydrostatique permettant de résoudre avec précision la turbulence tridimensionnelle, les vagues de surface générant notamment la circulation littorale, ou encore les ondes internes de grande amplitude. Par ailleurs, le LEGOS participe activement au développement d’un système couplé régional autour de la composante océanique CROCO, et comprenant: atmosphère, vagues, transport sédimentaire, morphodynamique, biogéochimie et biologie. Une autre ambition des développeurs de CROCO au LEGOS est de fournir un code portable pour l’assimilation de données et l’océanographie opérationnelle. Les développements numériques communautaires sont menés en collaboration étroite au sein de l’OMP (LAERO), mais aussi avec les développeurs de CROCO à Grenoble, Brest, Marseille, Los Angeles, et progressivement dans d’autres pays du Nord (Europe, USA) et du Sud (GDRI-Sud CROCO). 

Représentation 3D des vagues de surface dans CROCO. Un batteur génère un spectre de vagues réalistes au large, qui se propagent vers le rivage où elles déferlent, générant une circulation turbulente complexe.
Champ de vorticité littorale 3D dans CROCO, montrant une instabilité nouvelle pour le littorale, avec des structures cohérentes similaires aux rouleaux et filaments d’une couche de mélange verticale.

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Equipes de recherche

CTOH: Centre d’études topographiques de l’océan et de l’hydrosphère

DYNOTROP: DYNamique des Oceans TROPicaux

ECHOS : Étude de la Cryosphère et de l’Hydrosphère par Observations Spatiales

ECOLA: Echanges Côte-Large

EMC2: Energie, Masse et Changement Climatique

LITTORAL

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