Proposition pour un modèle communautaire pour l’océanographie à fine échelle et composante d’un système

couplé

Colloque RESOMAR WIMEREUX, 21-23 novembre 2016

Coordination du groupementFrancis AUCLAIR (Université Toulouse III), MCS, UMR LA Rachid BENSHILA (CNRS), IR, UMR LEGOS.Laurent DEBREU (Inria), CR, Equipe Inria AIRSEA.Franck DUMAS (SHOM), CR, Département recherche du SHOM.Swen JULLIEN (Ifremer), CR, UMR LOPS.Patrick MARCHESIELLO (IRD), DR, UMR LEGOS.

Échelle régionaleCROCO

Dynamique littorale/proche

côtièreEchelle globale

ATMOSPHERE

Vagues

Biogéochimie / Ecologie

Sédimentologie

Positionnements

Surfaces Continentales

Model Vertical Grid Horizontal grid Momentum Tracers External mode Time Stepping

Symphonie NH Generalized+ALE

Arakawa – C curvilinear

Non hydrostatic

Upstream Third-Order

Time splitting with explicit scheme for barotropic mode Leapfrog

NEMO* Z /partial stepsSigma Arakawa – C

Energy and enstrophyconservative

Second order Implicit free surface or time splitting Leapfrog + asselin filter

MARS* Sigma Arakawa – C Third orderquickest

Third order(horizontal) and fifth ordercompact (vertical)

Mode splitting with implicit scheme for barotropic mode Second order

ROMS (AGRIF) sigma

Arakawa – C curvilinear withAGRIF refinement

Third-orderhorizontal advection; parabolic splinesvertical advection

Third orderadvection withrotated diffusion; Splines or 4th order Akimavertical advection

Split-explicit time stepping with 2nd order filter; density variation in 2D mode.

Third order LF-AM3

HYCOM*

Generelised Hybrid based on isopycnal approach and remapping

Arakawa – C Second or Third order

Second or Third order

Time splitting explicit schemes Leapfrog+Asselin filter

T-UGOm Genralized s, ALE-compatible

Unstructure, triangles and quadrangles

Element order dependent

Element orderdependent

Time splitting explicit or semi-implicit Leapfrog

Recensement des modèles utilisés dans la communauté nationale

• Ancien constat d’une communauté côtière des modélisateurs morcelée (mise en garde colloque CNFGG sur la modélisation côtière, 1995) : multiplicité des organismes, des missions, des enjeux et questions scientifiques.

• Manque d’outils fédérateurs pour l’océanographie côtière, (cf JF Minster au séminairehydrodynamique nationale côtière, Brest, 2003, cf remarques P Delecluse et P BougeaultProspective Scientifique Océanographie Opérationnell 2013).

• COMODO 2008 : groupe informel lancé à l’initiative d’Inria.

• ANR éponyme 2011/2016.

Contexte : historique

COMunauté de MODélisation Océanique

• Projet ANR COMODO (2011-2016)

• COMODO regroupement de la communauté nationale française :

• LJK, LEGOS, LA, Ifremer/Dyneco, LGGE, LOCEAN, LPO/LOPS

• Hauturier / côtier / littoral

• Disparité de modèles : Hycom, Mars, Nemo, Roms-Agrif, Simphonie, T-Ugo.

• Cadre d’échanges scientifiques et techniques qui manquait à la communauté

Contexte : COMODO

I.Evaluer les performances modèles existants (définition de cas tests) dans une infime partie des régimes dynamiques d’intérêts

II. Affiner les concepts de performances

III. Améliorer les modèles existantsIV. Guider les évolutions futures des modèles océaniques

Objectifs COMODO

Cas-tests de validation

TraceursQuantité de mouvementContinuité

Jet instable

Trajectoire vortex barotrope

Transport d’une lentille passive dans un champ dynamique prescrit

Lockexchange

Vortex barocline

Upwelling

Interaction courant-topographie

Coordonnée verticale

Ondes internesBancs découvrants

Mesure des performances

Définition pratique de la résolution effective :

Skamarock (2004): la résolution effective peut êtredéterminée à partir du spectre d’énergie cinétique de la solution numérique.

Cas test complexe : dynamique turbulente

Cas test complexe : étude du jet barocline

ROMS

NEMO

NEMOLF-RA

ROMSLF-AM3

€

w'b'Turbulent energy injection

Pourquoi ces différences ? ⇒Schéma temporel

(Soufflet et al. OM 2016)

Cascade énergétique

Spectre de dissipation de l’énergie cinétique turbulente

Pertinence du concept de résolution effective

10Δx>30Δx

Model Vertical Grid Horizontal grid Momentum Tracers External mode Time Stepping

Symphonie NH Generalized+ALE

Arakawa – C curvilinear

Non hydrostatic

Upstream Third-Order

Time splitting with explicit scheme for barotropic mode Leapfrog

NEMO* Z /partial stepsSigma Arakawa – C

Energy and enstrophyconservative

Second order Implicit free surface or time splitting Leapfrog + asselin filter

MARS* Sigma Arakawa – C Third orderquickest

Third order(horizontal) and fifth ordercompact (vertical)

Mode splitting with implicit scheme for barotropic mode Second order

ROMS (AGRIF) sigma

Arakawa – C curvilinear withAGRIF refinement

Third-orderhorizontal advection; parabolic splinesvertical advection

Third orderadvection withrotated diffusion; Splines or 4th order Akimavertical advection

Split-explicit time stepping with 2nd order filter; density variation in 2D mode.

Third order LF-AM3

HYCOM*

Generelised Hybrid based on isopycnal approach and remapping

Arakawa – C Second or Third order

Second or Third order

Time splitting explicit schemes Leapfrog+Asselin filter

T-UGOm Genralized s, ALE-compatible

Unstructure, triangles and quadrangles

Element order dependent

Element orderdependent

Time splitting explicit or semi-implicit Leapfrog

Contexte : COMODO

Des modèles différents…mais aussi semblables

Ccl sur les choix numériques : vers des schémas d’ordre élevé

Échelle régionaleCROCO

Dynamique littorale

Echelle globale

ATMOSPHERE

Vagues

Biogéochimie / EcologieSédimentologie

Positionnements

•Modélisation complexe réaliste

•LES / DNS

•Circulation forcée par les vagues

•Interaction avec l’atmosphère

•Couplage avec la biogéochimie et l’écologie

SEDIMENT

EAU

Dissolution

Diffusion

Si dissous

Si dissous

Sidétritique

Dissolution

Si détritique

Diffusion

N dissous

N dissous

MortalitéDépôt / Erosion

Chlorophycées en suspension

Biomasse quotaN quotaP

Chlorophycées en dépôt

Biomasse quotaN quotaP

AdsorptionDésorption

PdissousAdsorptionDésorptionP adsorbé

P dissous

P adsorbé

Minéralisation

Mortalité

N et Pdétritique

N et Pdétritique

Minéralisation

Mortalité

Dépôt / Erosion

Diatomées

AssimilationDiatoméesPseudo-Nitzschia

DinoflagellésKareniaNanoflagellés

Phaeocystis, Emiliana ExcrétionMicrozooplancton

BroutageMacrozooplancton

Couplage biogéochimie

Un des défis : le raffinement de grille

Emboîtement de grille

• Couplage complétement two-way (i.e. au niveau du mode barotrope)• Raffinement local en espace ET en temps• Complètement conservatif (volume et traceurs via refluxing)

Debreu et al 2012, Ocean Modelling

Vers des simulations à multirésolution

CROCO : grille C étagée, Surface libre (Mode/Time splitting), coordonnées verticales terrain-following (généralisées)

Que requiert la « vraie » multi- résolution ?

• Connection entre grille voisine• Algorithme de lissage de la bathymétrie

• Critère de raffinement • distance à la côte• Profondeur (CFL + grille verticale

• Sortie en ligne et visualisation

• Charge de calcul bien équilibrée en parallèle

Coût calcul

• Les grilles voisine se recouvrent d’une maille de grille grossière (niveau immédiatement supérieur dans la hiérarchie)

• Chaque grille comporte deux mailles tampons (« ghost cells » )

• Coût des échanges intergrilles :• Interpolation des valeurs du niveau de grille

grossière• Echange entre grille voisines.

• Pourcentage de points à terre(fonction de la taille minimum des emprises)

Pavage automatique

Surface relative couverte par chaque niveau de la hiérarchie :Niveau 1 : 100% (1 grille)Niveau 2 : 43 % (8 grilles)Niveau 3 : 18% (20 grilles)Niveau 4 : 7 % (46 grilles)

Paramètres de simulation:4 niveaux ( facteur de raffinement spatial : 2)

Pointe Bretagne

Nombre de grille par niveau hiérarchiqueNiveau 1 : 1Niveau 2 : 8Niveau 3 : 20Niveau 4 : 46

Résolution de chaque niveau de grille :Niveau 1 : 2,8kmNiveau 2 : 1,4kmNiveau 3 : 700mNiveau 4 : 350m

Pointe Bretagne

Nombre de point minimum par grille : 256 (16x16)

Pourcentage de point à terre au niveau le plus fin : 28%

Coût des opérations intergrille: 20%

Une application préliminaire

Ø Fines échelles internes

Non-Boussinesq/Non-hydrostatiqueTurbulence 3DLarge Eddy Simulation (LES)Direct Numerical Simulation (DNS)Paramétrisation sous-maillle

X [m]

De

pth

[m

]

Gravitational adjustment

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

−0.25

−0.2

−0.15

−0.1

−0.05

X [m]

De

pth

[m

]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

−0.25

−0.2

−0.15

−0.1

−0.05

X [m]

De

pth

[m

]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

−0.25

−0.2

−0.15

−0.1

−0.05

Enrichissement de la physique résolue par les modèles

Conservation de la masseSolveur global

Mode externe

Mode non-Boussinesq

{ } { }( ) !""

"+δρ+ρλ+−=

∂ρ∂ ghvdivhgradδρgradhctvh

z2s

s

Δtq

Solveur local Echelle de temps

Mode Interne

Hydrostatic

NH

interne

surface

acoustique

( ) ( ){ }x

uHtH

∂ρζ+∂−=

∂ζ+ρ∂( ){ } ( ) !+

∂∂

−∂ζ∂ζ+ρ−=

∂ρζ+∂ ∫

ζ

−H

'

0 dzxp

xHg

tuH

{ }vhdivth

ss

!ρ−=∂ρ∂

Chaleur, sel, état

{ }!+

∂∂−=

∂ρ∂

zs xph

tuh

{ }!+

∂∂−=

∂ρ∂

zph

twh

s

{ }ss

s

th

xuh

sv

∂ρ∂−

∂ρ∂−=

∂ρ∂

Grille

Principe et algorithme du solveur non-Boussinesq

Δte

Δti

€

ρ = ρbq +δρ

ØFines échelle internes

Régime de détroit : Contrôle hydraulique avec déferlement

0

Seuil de Camarinal

Tangier Basin

Resserrement deTarifa

Détroite de Gibraltar

50Distance (km)

Marée

Bq Density Anomaly (kg/m3)

Méditerranée

Atlantique

Prof

onde

ur (m

)

0

• Δx = 150 m, 80 niv.• Δtint = 0.8 s• Pas de frottement• LES• Init. «Lock-Exchange»• Onde M2 (ouest)• Eq. état linéaire (T,S)• f = 10-4 s-1 (cyclique)

ρbq(kg/m3)

Distance (km)70

Espagne

Maroc

Simulation de la dorsale océanique

HPCscalabilité

8 16 3264

Tile size(pts)

128

Algorithme Non-Boussinesq

Correction de pression

3264

128

Number ofCores

Objectifs

Ø Animation / Support pour la recherche littorale/côtière/régionale (CS -COMODO)

Dynamique des fluides géophysiques : A. Wirth, G. RoulletCycles Biogéochimiques : O. Aumont; C. Pinazo, M. SourisseauDynamique Sédimentaire : P. Le Hir, T. Garlan.Interface Air-Mer : J-L Redelsperger; F. Ardhuin, H. Giordani. Dynamique Littorale/très proche côtier : X. Bertin, R. Almar, Cyril LathuilièreGlace : M. VancoppenolleAssimilation de données : A. Vidard, P. De Mey, R. Baraille. Méthodes Numériques : F. Lemarié, G. Madec, P. Marsaleix, E. Audusse. Interface Hauturier/côtier : Jérôme Chanut, Rémy Baraille.Calcul Scientifique Haute-Performance (HPC) : M-A Foujols; L. Saugé(BULL/ATOS).

Objectifs

Ø Animation / Support pour la recherche littorale/côtière/régionale (CS -COMODO)

Ø Structuration de la communauté et gestion mutualisée (mutualisation de l’existant) :

• difficulté « d’enrôler » les équipes développeurs déjà dotées,• Intégrer le meilleur de chacun des codes existants

Objectifs

Ø Animation / Support pour la recherche littorale/côtière/régionale (CS -COMODO)

Ø Structuration de la communauté et gestion mutualisée (mutualisation de l’existant) :

• difficulté « d’enrôler » les équipes développeurs déjà dotées,• Intégrer le meilleur de chacun des équipes

Ø Stratégie nationale / européenne / internationale : partenariat avec les formations (Master), plateforme expérimentale.

Ø Construction du code (limite de l’outil « GdR » pour cela)Ø Formation et diffusionØ Label pour démarcher d’autres guichets (e.g. CMEMS Mercator, AO

littoral de la mission interdisciplinaire du CNRS, ANR Astrid)

Merci de votre aimable attention

https://www.croco-ocean.org/