Terre et climat

Modèles du système Terre

Atmosphère, océan, banquise, terres et cycle du carbone couplés sur une grille mondiale et exécutés sur des siècles.

Question à laquelle elle répond: De combien la planète se réchauffe-t-elle selon une trajectoire d’émissions donnée ?

Laisse de côté : Les nuages sont encore représentés par des paramétrisations, la plus grande source de désaccord entre les modèles.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif une grande part d’un supercalculateur national, pendant des mois.Depuis : 1969 Le premier modèle climatique couplé océan-atmosphère de Manabe et Bryan.Dans l’arbre des simulations: Océan et atmosphère couplés

Paléoclimat

Les mêmes modèles tournent sur les âges glaciaires et le temps profond, avec d’autres continents, d’autres orbites et d’autres atmosphères.

Question à laquelle elle répond: Qu’est-ce qui a déclenché les âges glaciaires, et que dit le passé de la sensibilité du climat ?

Laisse de côté : Les anciennes côtes, glaces et végétations sont reconstituées à partir de preuves éparses, puis traitées comme des données connues.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif comparable à une simulation climatique moderne, une part de supercalculateur pendant des mois.Depuis : 1977 La première simulation par modèle de circulation générale du climat de l’âge glaciaire, par Manabe et Hahn.

Calottes glaciaires et niveau de la mer

Des glaciers et des calottes glaciaires qui s’écoulent, fondent et vêlent dans la mer.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse les calottes glaciaires pourraient-elles faire monter le niveau de la mer ce siècle ?

Laisse de côté : La physique de la façon dont la glace se fracture et glisse soudainement reste mal saisie.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, de quelques jours à quelques semaines par siècle simulé.Depuis : 1976 Le premier modèle informatique aux différences finies d’une calotte glaciaire, par Mahaffy.

Modèles d’évaluation intégrée

Énergie, économie, usage des terres et climat reliés en un seul modèle, pour comparer des trajectoires politiques.

Question à laquelle elle répond: Quel mélange d’énergie et d’usage des sols maintient le réchauffement sous une limite donnée, et à quel coût ?

Laisse de côté : Réduit toute l’économie et le climat à une poignée d’équations, si bien que la réponse dépend fortement du taux d’actualisation choisi.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; une exécution complète prend de quelques secondes à quelques minutes.Depuis : 1992 Le modèle DICE de Nordhaus, premier modèle climat-économie largement utilisé.

Régionalisation du climat

La sortie grossière d’un modèle climatique mondial, utilisée pour piloter un modèle régional plus fin sur un pays ou une chaîne de montagnes.

Question à laquelle elle répond: Que signifie réellement le réchauffement climatique pour la météo de cette vallée ?

Laisse de côté : Hérite des biais du modèle global dans lequel il est emboîté, simplement à plus haute résolution.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster national, des semaines pour une projection régionale.Depuis : 1989 premiers modèles climatiques régionaux emboîtés exécutés sur une zone limitée.

Géo-ingénierie solaire

Des modèles climatiques exécutés avec une intervention délibérée ajoutée, comme des particules réfléchissantes injectées dans la haute atmosphère, pour voir ce qu’elle changerait.

Question à laquelle elle répond: Réduire délibérément la lumière solaire entrante pourrait-il compenser le réchauffement, et avec quels effets secondaires ?

Laisse de côté : Aucune intervention de ce genre n’a été menée à grande échelle, si bien que chaque résultat dépend de la façon dont le modèle représente des aérosols jamais observés dans un tel déploiement.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif une grande part d’un supercalculateur national, pendant des mois.Depuis : 1992 premières expériences de modèles climatiques qui testent une intervention hypothétique de type volcanique.

Modèles Terre-monde

Des modèles climatiques couplés à de simples représentations dynamiques du comportement humain, si bien que les émissions, les politiques et le changement social répondent à l’état de la planète.

Question à laquelle elle répond: Comment les basculements sociaux et les rétroactions climatiques interagissent-ils sur des siècles ?

Laisse de côté : Les règles de comportement sont des hypothèses, et le détail climatique spatial est grossier.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif Modèles à complexité réduite exécutés en grands ensemblesDepuis : 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) source

Modèles mondiaux résolvant les nuages

Des modèles d’atmosphère dont la grille est assez fine, quelques kilomètres, pour représenter explicitement la convection profonde sur tout le globe.

Question à laquelle elle répond: Peut-on simuler directement les systèmes nuageux tropicaux plutôt que par des paramètres ?

Laisse de côté : Les simulations sont courtes, et la turbulence et la microphysique des nuages sont encore approchées.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif Des semaines de temps simulé sur les plus grosses machinesDepuis : 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) sourceDans l’arbre des simulations: Modèle global résolvant les nuages

Superparamétrisation

Un petit modèle résolvant les nuages est intégré dans chaque colonne d’un modèle mondial grossier, à la place du schéma de convection habituel.

Question à laquelle elle répond: Une physique explicite des nuages peut-elle améliorer un modèle climatique sans grille globale fine complète ?

Laisse de côté : Les modèles intégrés sont petits et ne communiquent pas avec les colonnes voisines.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif Les modèles de nuages 2D intégrés multiplient le coût plusieurs foisDepuis : 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) source

Attribution des événements extrêmes

De grands ensembles de simulations climatiques avec et sans influence humaine donnent la probabilité d’une vague de chaleur, d’une crue ou d’une tempête précise dans chaque monde.

Question à laquelle elle répond: De combien les émissions humaines ont-elles modifié la probabilité de cet événement précis ?

Laisse de côté : Les résultats dépendent de la façon dont le modèle reproduit ce type d’événement à cette échelle.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif Des centaines à des milliers de membres d’ensembleDepuis : 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) source

Ensembles à physique perturbée calculés par des volontaires

Des milliers de copies d’un modèle climatique, chacune avec des paramètres physiques légèrement différents, exécutées sur des ordinateurs personnels donnés.

Question à laquelle elle répond: Quelle est l’ampleur de la plage de réchauffement compatible avec une physique de modèle incertaine ?

Laisse de côté : La structure du modèle est fixe ; seuls les paramètres varient.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif Des dizaines de milliers d’exécutions de modèleDepuis : 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) source

Grands ensembles à conditions initiales

Un même modèle climatique est exécuté des dizaines de fois à partir de départs légèrement différents pour séparer le changement forcé de la variabilité interne.

Question à laquelle elle répond: Quelle part d’une tendance régionale est le bruit propre du climat ?

Laisse de côté : Il rend la variabilité au sein d’un modèle, pas les différences entre modèles.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif Des dizaines d’exécutions couplées sur plusieurs sièclesDepuis : 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) source

Émulateurs climatiques appris

Un réseau de neurones entraîné sur la sortie de modèles climatiques fait avancer l’atmosphère sur des décennies ou des siècles pour une toute petite fraction du coût.

Question à laquelle elle répond: Un modèle de substitution entraîné peut-il reproduire vite les statistiques climatiques sur plusieurs décennies ?

Laisse de côté : Il hérite des biais de son modèle d’entraînement et peut échouer hors des climats qu’il a vus.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif Entraînement sur des archives de modèles, puis de longs calculs peu coûteuxDepuis : 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) source

Jumeaux numériques du système Terre

Des modèles de la planète à haute résolution, mis à jour en continu, alimentés par des observations et conçus pour répondre à des questions « et si » posées par les utilisateurs.

Question à laquelle elle répond: Que se passerait-il dans une région si telle décision ou tel événement survenait ?

Laisse de côté : Le jumeau n’est fidèle que dans la mesure de ses modèles et de ses données, et les scénarios interactifs sont limités.

Tourne sur : environ 10¹⁹ FLOPS approximatif Modèles globaux à l’échelle du kilomètre avec assimilationDepuis : 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) source

Modèle climatique radiatif-convectif

Une seule colonne d’atmosphère en équilibre entre rayonnement et convection, pour trouver de combien une planète se réchauffe quand le dioxyde de carbone ou l’humidité change.

Question à laquelle elle répond: De combien une colonne d’air se réchauffe-t-elle quand son gaz à effet de serre double ?

Laisse de côté : Il n’a ni vents, ni nuages, ni transport océanique ; il donne donc un réchauffement de référence plutôt qu’une prévision.

Tourne sur : environ 10⁴ FLOPS approximatif une colonne à une dimension, rapide sur un ordinateur portable.Depuis : 1967 L’équilibre thermique de l’atmosphère avec une distribution donnée d’humidité relative, par Manabe et Wetherald. source

Modèle climatique à bilan d’énergie

La Terre réduite à des bandes de latitude qui absorbent et émettent de la chaleur et se l’échangent par transport, assez pour montrer la rétroaction glace-albédo et le basculement entre états climatiques.

Question à laquelle elle répond: Un emballement de la couverture de glace pourrait-il geler toute la planète ?

Laisse de côté : L’image ignore la dynamique et la météo, si bien qu’elle éclaire sans prévoir.

Tourne sur : environ 10³ FLOPS approximatif une poignée d’équations ; quelques secondes sur n’importe quel ordinateur.Depuis : 1969 Le modèle climatique global de Sellers fondé sur le bilan énergétique du système Terre-atmosphère. source

Modélisation dynamique de la végétation mondiale et du cycle du carbone

Des plantes, des sols et leurs échanges de carbone simulés à l’échelle du globe, avec des types de végétation qui se font concurrence et se déplacent à mesure que le climat change.

Question à laquelle elle répond: Quelle quantité de carbone les terres absorberont-elles ou libéreront-elles à mesure que le climat se réchauffe ?

Laisse de côté : Les types de plantes sont regroupés en quelques classes fonctionnelles, et les rétroactions des nutriments et des perturbations sont grossières.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif des simulations globales sur plusieurs siècles, souvent sur une grille grossière.Depuis : 1996 Le modèle intégré de biosphère des processus de surface terrestre, du bilan du carbone terrestre et de la dynamique de la végétation de Foley et ses collègues. source

Simulation couplée du cycle du carbone et du climat

Un modèle climatique qui contient le cycle du carbone des terres et des océans, si bien que le réchauffement peut modifier la quantité absorbée par la Terre et se renforcer lui-même.

Question à laquelle elle répond: Le réchauffement fera-t-il passer les terres et l’océan de l’absorption du carbone à son émission ?

Laisse de côté : La réponse du carbone terrestre varie beaucoup d’un modèle à l’autre à cause des hypothèses sur le sol et la végétation.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des simulations climatiques couplées sur plusieurs siècles sur un supercalculateur.Depuis : 2000 L’accélération du réchauffement planétaire due aux rétroactions du cycle du carbone dans un modèle climatique couplé, par Cox, Betts, Jones, Spall et Totterdell. source

Modélisation de l’écosystème et de la biogéochimie océaniques

Des nutriments, du plancton et des détritus advectés et recyclés dans l’océan, pour prédire la productivité et le carbone emporté vers les profondeurs.

Question à laquelle elle répond: Quelle quantité de carbone la vie océanique transporte-t-elle vers les grands fonds ?

Laisse de côté : Les groupes de plancton sont quelques compartiments regroupés avec des taux ajustés.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un module biogéochimique au sein d’un modèle de circulation générale océanique.Depuis : 1990 Le modèle fondé sur l’azote de la dynamique du plancton dans la couche mélangée océanique de Fasham, Ducklow et McKelvie. source

Paramétrisation sous-maille apprise

Un réseau de neurones entraîné sur un modèle résolvant les nuages remplace les règles écrites à la main pour les orages et les nuages trop petits pour un modèle climatique mondial grossier.

Question à laquelle elle répond: Un modèle climatique grossier peut-il bien rendre les nuages de petite échelle en les apprenant d’un modèle plus fin ?

Laisse de côté : Le réseau peut dériver vers des états instables ou non physiques quand le climat sort des conditions sur lesquelles il a été entraîné.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif entraînement sur un petit ensemble de simulations fines, puis usage peu coûteux dans le modèle climatique.Depuis : 2018 La représentation par apprentissage profond des processus sous-maille dans un modèle climatique, par Rasp, Pritchard et Gentine. source

Prévision numérique du temps

L’atmosphère observée aujourd’hui, avancée de quelques heures à quelques jours, généralement sous forme d’un ensemble de points de départ légèrement différents.

Question à laquelle elle répond: Pleuvra-t-il ici jeudi, et à quel point en sommes-nous sûrs ?

Laisse de côté : La précision s’effondre au-delà d’environ dix jours, aussi fine que soit la grille.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif le supercalculateur d’un centre météo national, quelques pour cent pendant quelques heures.Depuis : 1950 La première prévision numérique de Charney, Fjørtoft et von Neumann.Dans l’arbre des simulations: Première prévision par ordinateur

Météo par apprentissage automatique

Des réseaux de neurones entraînés sur des décennies de météo passée, qui produisent des prévisions en secondes plutôt qu’en heures.

Question à laquelle elle répond: Un émulateur appris peut-il prévoir aussi bien que la physique sur laquelle il a été entraîné ?

Laisse de côté : Il apprend les motifs de la météo passée, et a donc du mal avec le genre d’événement extrême qu’il n’a jamais vu.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un seul GPU haut de gamme ; des prévisions en quelques secondes plutôt qu’en quelques heures.Depuis : 2022 premiers modèles météo appris à égaler la qualité de prévision des modèles fondés sur la physique.

Cyclones tropicaux

Ouragans et typhons à haute résolution : leurs trajectoires, leur intensité et leurs pluies.

Question à laquelle elle répond: Où la tempête touchera-t-elle terre, et avec quelle force ?

Laisse de côté : L’œil et le mur de l’œil sont encore plus petits que ce que la plupart des modèles savent résoudre correctement.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif le cluster d’un centre national de prévision, exécuté pour chaque tempête active.Depuis : 1969 Le premier modèle numérique d’Ooyama du développement d’un ouragan.

Qualité de l’air et dispersion

Des polluants, de la fumée et des cendres volcaniques transportés, mélangés et transformés chimiquement par le vent.

Question à laquelle elle répond: Où va le panache, et peut-on respirer l’air ou le traverser en vol sans danger ?

Laisse de côté : Les inventaires d’émissions, la donnée dont dépend toute la prévision, sont souvent périmés ou estimés.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par épisode de pollution.Depuis : 1970 premiers modèles informatiques de panache gaussien pour la pollution des cheminées.

Prévision saisonnière

Un ensemble d’exécutions de modèles à durée climatique, lancées depuis l’océan et l’atmosphère d’aujourd’hui, visant les probabilités pour toute une saison plutôt que pour un seul jour.

Question à laquelle elle répond: Cet hiver sera-t-il plus chaud ou plus humide que la moyenne ?

Laisse de côté : Ne peut pas dire quel temps il fera tel jour, seulement comment les probabilités se déplacent.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif le supercalculateur d’un centre national de prévision, un ensemble d’exécutions chaque saison.Depuis : 1986 premières prévisions saisonnières dynamiques avec des modèles couplés à l’océan.

Orages convectifs violents

Un seul orage ou une seule supercellule, résolus jusqu’à l’échelle de son courant ascendant et descendant, pour voir s’il engendre une tornade ou laisse tomber de gros grêlons.

Question à laquelle elle répond: Cet orage produira-t-il une tornade, et où ?

Laisse de côté : Exige une grille assez fine pour voir une tornade, ce qui est trop coûteux à exécuter partout où un orage pourrait se former.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster national, quelques heures pour une tempête à très haute résolution.Depuis : 1975 premiers modèles informatiques en trois dimensions d’un seul orage.

Prévision météorologique d’ensemble générative

Un modèle de diffusion échantillonne de nombreux futurs météo plausibles pour les deux semaines suivantes, et donne des probabilités pour chaque variable à l’échelle du globe.

Question à laquelle elle répond: Un modèle appris peut-il fournir à bas coût une incertitude de prévision calibrée ?

Laisse de côté : Il est lié aux données de réanalyse et n’offre aucune garantie physique sur les extrêmes rares.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif Entraînement sur des décennies de réanalyses, des minutes par membre d’ensembleDepuis : 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) source

Prévision météorologique d’ensemble

Une prévision exécutée de nombreuses fois à partir d’états initiaux légèrement différents : la dispersion montre l’incertitude de la météo et la probabilité de chaque issue.

Question à laquelle elle répond: Quelle confiance accorder à une prévision météo, et que pourrait-il se passer d’autre ?

Laisse de côté : Les perturbations de l’état initial ne capturent qu’en partie l’erreur du modèle, si bien que la dispersion est souvent trop étroite.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif des dizaines de prévisions mondiales chaque jour, chacune une grande exécution.Depuis : 1974 La qualité théorique des prévisions Monte Carlo, par Leith. source

Réanalyse atmosphérique

Un modèle de prévision moderne figé, appliqué à des décennies d’observations passées, qui les fond en un enregistrement cohérent et sans lacune de l’atmosphère.

Question à laquelle elle répond: Quels étaient les vents, les températures et les pressions en tout lieu et à tout moment du passé ?

Laisse de côté : Les changements du système d’observation au fil du temps laissent des tendances artificielles dans l’enregistrement.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des décennies de cycles d’assimilation sur un supercalculateur.Depuis : 1996 Le projet de réanalyse de 40 ans NCEP/NCAR de Kalnay et ses collègues. source

Simulation des grandes échelles de la couche limite atmosphérique

Le kilomètre le plus bas de l’atmosphère, où des tourbillons turbulents brassent chaleur, humidité et polluants, les grands tourbillons étant résolus et les petits modélisés.

Question à laquelle elle répond: Comment les tourbillons turbulents portent-ils la chaleur et l’humidité du sol vers le haut ?

Laisse de côté : Les échanges de surface et le mélange sous-maille sont paramétrés, ce qui limite la précision près du sol.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif quelques kilomètres de domaine à une résolution de quelques dizaines de mètres.Depuis : 1972 L’étude numérique des couches limites planétaires neutres et instables par Deardorff. source

Simulation mondiale résolvant les tempêtes

Un modèle d’atmosphère de toute la planète à quelques kilomètres de résolution, si bien que les amas d’orages et les tempêtes tropicales apparaissent sans paramétrisation de la convection.

Question à laquelle elle répond: Que fait l’atmosphère quand les orages sont résolus au lieu d’être approximés ?

Laisse de côté : La microphysique des nuages et la turbulence en dessous de quelques kilomètres restent paramétrées, et les exécutions sont trop courtes pour étudier le climat.

Tourne sur : environ 10¹⁹ FLOPS approximatif des semaines sur les plus grosses machines pour quelques mois simulés.Depuis : 2008 Le modèle atmosphérique icosaédrique non hydrostatique de Satoh et ses collègues pour des simulations globales à nuages résolus. source

Émission et transport de poussières minérales

Du vent qui soulève la poussière du désert, la porte à travers les mers et la dépose, pour trouver son effet sur le rayonnement, les nutriments de l’océan et la qualité de l’air.

Question à laquelle elle répond: Quelle quantité de poussière du désert entre dans l’air, et où va-t-elle ?

Laisse de côté : Les seuils d’émission dépendent des propriétés du sol et de la surface, mal cartographiées.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un module de poussières au sein d’un modèle atmosphérique sur plusieurs années.Depuis : 1994 Le modèle de poussière minérale dans l’atmosphère de Tegen et Fung : sources, transport et épaisseur optique. source

Modélisation du bilan énergétique des surfaces urbaines

Rues, toits et murs traités comme un canyon qui échange chaleur, humidité et quantité de mouvement avec l’air, pour prédire les îlots de chaleur urbains et les besoins de refroidissement des bâtiments.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi une ville est-elle plus chaude que la campagne qui l’entoure ?

Laisse de côté : Les villes sont réduites à des canyons idéalisés, si bien que le détail des bâtiments et la chaleur du trafic sont approchés.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un schéma de canyon urbain au sein d’un modèle atmosphérique couvrant une métropole.Depuis : 2000 Le schéma physique de Masson pour le bilan énergétique urbain dans les modèles atmosphériques. source

Modélisation de la thermosphère et de l’ionosphère

La haute atmosphère entre 100 et 600 kilomètres, chauffée par la lumière du Soleil et par des particules, avec des vents et des courants électriques qui modifient la traînée des satellites et les signaux radio.

Question à laquelle elle répond: Comment l’activité solaire modifie-t-elle la haute atmosphère et la propagation des ondes radio ?

Laisse de côté : La limite inférieure et l’énergie venue d’en haut sont imposées à partir de données éparses.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif une simulation couplée de la haute atmosphère sur des jours de météo spatiale.Depuis : 1988 Le modèle de circulation générale couplé thermosphère/ionosphère de Roble, Ridley, Richmond et Dickinson. source

Circulation océanique

Courants, tourbillons, chaleur et sel qui circulent dans les océans du monde.

Question à laquelle elle répond: Les grands courants de retournement de l’Atlantique pourraient-ils ralentir ?

Laisse de côté : Les tourbillons qui brassent chaleur et carbone sont pour la plupart plus petits que la grille, si bien que leur effet doit être paramétré.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un grand cluster, des semaines pour une exécution sur plusieurs décennies.Depuis : 1969 Le premier modèle informatique de la circulation océanique mondiale par Bryan.

Tsunamis et ondes de tempête

Des vagues soulevées par des séismes ou des tempêtes, qui traversent l’océan et remontent sur la côte.

Question à laquelle elle répond: Jusqu’où l’eau montera-t-elle, et quelles rues seront inondées en premier ?

Laisse de côté : Les défenses côtières et le drainage sont généralement simplifiés bien en deçà de la résolution de la remontée des vagues sur le rivage elle-même.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ; quelques minutes pour une exécution d’alerte côtière.Depuis : 1969 Les premières expériences numériques d’Aida pour modéliser un tsunami.

Rivières et crues

De la pluie qui tombe sur un bassin versant, s’infiltre ou ruisselle vers les ruisseaux, les rivières et les plaines inondables.

Question à laquelle elle répond: Quelle crue cette tempête provoque-t-elle, et où ?

Laisse de côté : Le sol et l’usage des terres sont moyennés sur le bassin versant, ce qui cache le champ ou le ravin précis qui déborde réellement.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; une exécution sur un bassin versant prend quelques minutes.Depuis : 1966 Le modèle pluie-débit Stanford Watershed de Crawford et Linsley.

Eaux souterraines

De l’eau qui se déplace lentement dans le sol et la roche des aquifères.

Question à laquelle elle répond: Combien de temps peut-on pomper cet aquifère avant que les puits ne s’assèchent ?

Laisse de côté : Les propriétés de la roche et du sol en profondeur sont cartographiées à partir de forages distants de centaines de mètres, si bien que la majeure partie de l’aquifère est déduite.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ou un poste de travail ; de quelques minutes à quelques heures par aquifère.Depuis : 1968 Le premier modèle aux différences finies d’un aquifère, par Pinder et Bredehoeft.

Banquise

De la glace flottante à la surface de l’océan, qui se fissure, se plisse, dérive et fond sous le vent, les vagues et la chaleur.

Question à laquelle elle répond: Quelle part de l’océan Arctique sera encore couverte de glace à la fin de l’été ?

Laisse de côté : Traite un champ hétérogène de floes fissurés et en crêtes comme une nappe continue et lisse.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire ou national, des semaines couplées à une exécution océanique.Depuis : 1969 premiers modèles informatiques de la dérive de la banquise arctique.

Prévision des vagues océaniques

Du vent qui souffle sur l’eau libre, engendre et oriente la houle et le clapot, suivi pour prévoir la hauteur et la direction des vagues pour les navires et les côtes.

Question à laquelle elle répond: Quelle sera l’agitation de la mer ici demain ?

Laisse de côté : Donne de mauvais résultats sur les crêtes les plus raides, celles qui déferlent, qui comptent le plus pour la sécurité maritime.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif le cluster d’un centre national de prévision, exécuté plusieurs fois par jour.Depuis : 1956 premières prévisions numériques des vagues, à la suite des méthodes de prévision de la houle en temps de guerre.

Modélisation de l’inondation

L’eau d’une rivière ou d’une tempête qui s’étale sur une plaine inondable sur une grille de terrain, pour cartographier profondeur et étendue pour l’assurance et l’aménagement.

Question à laquelle elle répond: Quelles rues et quels champs sont sous l’eau lors d’une crue ?

Laisse de côté : La précision du terrain et l’hydrogramme d’entrée dominent l’erreur, et non les méthodes numériques.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif modèles d’un bassin fluvial en eaux peu profondes ou matriciels, en deux dimensions.Depuis : 2000 Le modèle simple sur trame de Bates et De Roo pour simuler l’inondation. source

Modélisation de la circulation côtière et estuarienne

Marées, rivières et vents qui déplacent eau, sel et sédiments dans des baies et des estuaires sur une grille qui suit le terrain.

Question à laquelle elle répond: Comment les marées et les fleuves mélangent-ils l’eau le long d’une côte ?

Laisse de côté : Les erreurs de mélange à petite échelle et de bathymétrie limitent la précision près du rivage.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif modèle régional en trois dimensions avec des calculs sur un an.Depuis : 1987 La description d’un modèle tridimensionnel de circulation océanique côtière par Blumberg et Mellor. source

Modélisation des débris marins et de la dérive lagrangienne

Des particules virtuelles portées par des courants océaniques simulés ou observés pour trouver où vont les plastiques flottants, le pétrole ou les larves.

Question à laquelle elle répond: Où finissent les plastiques flottants venus d’une côte ?

Laisse de côté : L’effet du vent, la dérive des vagues et le naufrage ou la fragmentation des particules sont mal connus.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif des millions de particules advectées sur une année de courants océaniques.Depuis : 2012 L’origine, la dynamique et l’évolution des plaques de déchets océaniques à partir de bouées dérivantes de surface observées, de van Sebille, England et Froyland. source

Simulation de réservoirs de pétrole et de gaz

Du pétrole, du gaz et de l’eau qui s’écoulent dans les pores d’un réservoir rocheux vers des puits, pour planifier les forages et prédire la quantité récupérable.

Question à laquelle elle répond: Combien de pétrole un champ donnera-t-il, et où faut-il placer les puits ?

Laisse de côté : Les propriétés de la roche entre les puits sont déduites de données clairsemées, si bien que l’incertitude est généralement plus grande que celle du calcul numérique.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif écoulement multiphasique dans un modèle géologique de millions de cellules.Depuis : 1955 La solution numérique des équations différentielles paraboliques et elliptiques de Peaceman et Rachford, à la base des premiers simulateurs de réservoirs. source

Ajustement isostatique glaciaire et empreintes du niveau de la mer

La croûte terrestre qui se relève quand les calottes fondent et que les océans se redistribuent, pour prédire l’évolution régionale du niveau de la mer et le champ de gravité.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi le niveau de la mer baisse-t-il à certains endroits quand la glace fond, et monte-t-il à d’autres ?

Laisse de côté : La viscosité du manteau sous les plaques est mal contrainte et varie d’une région à l’autre.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif modèles viscoélastiques de la Terre résolus sur une sphère.Depuis : 1976 Le calcul du niveau de la mer postglaciaire de Farrell et Clark. source

Simulation du stockage géologique de dioxyde de carbone

Du dioxyde de carbone injecté qui s’étale, monte et se dissout dans une formation rocheuse saline, avec le piégeage par la roche de couverture, la capillarité et les réactions minérales suivis sur des siècles.

Question à laquelle elle répond: Le gaz restera-t-il sous terre, et où va-t-il ?

Laisse de côté : La roche sous le forage n’est connue que par quelques puits et relevés, si bien que la perméabilité et les failles sont devinées avec une large incertitude.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif des semaines sur une grappe pour un modèle à l’échelle d’un bassin sur des milliers d’années.Depuis : 2002 La comparaison de Lawrence Berkeley de codes numériques pour le stockage géologique du CO2. source

Transport réactif dans le sous-sol

De l’eau qui transporte des produits chimiques à travers la roche ou le sol pendant que des minéraux se dissolvent, précipitent et échangent des ions, résolue avec l’écoulement.

Question à laquelle elle répond: Comment la chimie et la plomberie d’un aquifère ou d’un site de stockage se modifient-elles l’une l’autre avec le temps ?

Laisse de côté : Des vitesses de réaction mesurées en laboratoire sont appliquées à une roche dont la surface réactive dans le sol est inconnue.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif des jours sur un cluster pour un site de terrain en trois dimensions.Depuis : 1985 Le modèle continu de Lichtner pour les réactions chimiques couplées et le transport de masse dans les systèmes hydrothermaux. source

Convection du manteau et tectonique des plaques

De la roche chaude qui flue à l’intérieur de la planète sur des centaines de millions d’années, en emportant les plaques qui la recouvrent.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi la Terre a-t-elle une tectonique des plaques alors que ses voisines n’en ont pas ?

Laisse de côté : Fait tourner des millions d’années simulées d’un coup, si bien qu’il ne peut pas montrer aussi un seul séisme.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, des semaines pour une longue exécution.Depuis : 1974 Le premier modèle numérique de convection du manteau, par McKenzie, Roberts et Weiss.

Séismes et ondes sismiques

Des failles qui se rompent et les ondes qui se propagent dans la croûte pour secouer le sol.

Question à laquelle elle répond: Quelle sera la violence des secousses dans cette ville si cette faille se rompt ?

Laisse de côté : Le point de départ de la rupture et la rugosité exacte de la faille sont encore supposés plutôt que connus d’avance.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster national ou universitaire, des jours pour une grande rupture de faille.Depuis : 1968 Le premier modèle aux différences finies des ondes sismiques d’Alterman et Karal.

Éruptions volcaniques et coulées de lave

Du magma qui monte, entre en éruption et coule le long des pentes sous forme de lave, de cendres ou de nuées chaudes rapides.

Question à laquelle elle répond: Quels villages se trouvent sur le trajet si le volcan entre en éruption ?

Laisse de côté : Ne peut pas prédire le début d’une éruption, seulement ce qui se passe une fois qu’elle a commencé.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par scénario.Depuis : 1980 premiers modèles informatiques de lave qui dévale depuis un évent.

Évolution des paysages

Des rivières qui creusent des vallées, des versants qui rampent et des côtes qui s’érodent sur des milliers à des millions d’années.

Question à laquelle elle répond: Comment ce paysage a-t-il pris sa forme ?

Laisse de côté : Comprime des millions d’années en une exécution, si bien qu’une tempête ou un éboulement isolé est lissé.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ; des jours pour un paysage d’un million d’années.Depuis : 1991 Le premier modèle calculé d’évolution du paysage de Willgoose et ses collègues.

Propagation des feux de forêt

Un feu qui progresse à travers le combustible, le terrain et le vent, cellule par cellule.

Question à laquelle elle répond: Où sera le front de l’incendie dans six heures ?

Laisse de côté : Le vent, premier moteur du comportement d’un vrai feu, est généralement simplifié en une moyenne constante.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ou un ordinateur portable ; quelques minutes pour un front de feu qui se propage.Depuis : 1972 Les équations de propagation du feu de Rothermel, vite informatisées pour la prévision.

Lancer le modèle interactif

Glissements de terrain et coulées de débris

Une pente de sol, de roche ou de boue qui cède et dévale, suivie pendant qu’elle accélère, s’étale et ensevelit le terrain en contrebas.

Question à laquelle elle répond: Jusqu’où ce versant ira-t-il une fois rompu, et à quelle vitesse ?

Laisse de côté : Le moment précis où une pente cède est encore plus difficile à prédire que ce qui se passe ensuite.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par scénario de pente.Depuis : 1980 premiers modèles informatiques de distance de propagation d’une pente qui cède.

Aléa sismique fondé sur la physique

Des simulations de rupture sismique et de propagation d’ondes remplacent les règles empiriques d’atténuation pour donner les secousses en chaque site.

Question à laquelle elle répond: Avec quelle force le sol tremblerait-il ici pour chaque rupture possible ?

Laisse de côté : Exige un modèle de vitesse connu, et les hautes fréquences sont difficiles à résoudre.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif De nombreux scénarios de rupture, chacun une simulation d’ondes 3DDepuis : 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) source

Simulation de la géodynamo

La convection du fer liquide dans le noyau terrestre qui engendre et entretient le champ magnétique, y compris ses inversions aléatoires.

Question à laquelle elle répond: Comment le noyau de la Terre produit-il son champ magnétique, et pourquoi s’inverse-t-il ?

Laisse de côté : Les valeurs de viscosité et de conductivité sont très éloignées du réel, si bien que l’écoulement est bien plus lisse qu’à l’intérieur de la Terre.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif des mois sur un supercalculateur pour une dynamo qui tourne encore loin des conditions terrestres.Depuis : 1995 La simulation tridimensionnelle autocohérente d’une inversion du champ géomagnétique de Glatzmaier et Roberts. source

Inversion sismique de forme d’onde complète

Des ondes sismiques qui traversent à répétition un modèle d’essai de la Terre, ajusté jusqu’à ce que les ondes synthétiques et enregistrées concordent, pour imager la structure des roches.

Question à laquelle elle répond: À quoi ressemble la roche sous nos pieds, vue par les ondes qui l’ont traversée ?

Laisse de côté : L’inversion peut se bloquer sur de mauvaises solutions si le modèle de départ n’est pas proche.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des milliers de simulations d’ondes dans une boucle d’optimisation.Depuis : 1984 L’inversion de données de sismique réflexion dans l’approximation acoustique de Tarantola. source

Propagation d’ondes sismiques par éléments spectraux

Des ondes sismiques qui se propagent dans un modèle tridimensionnel de la croûte ou de toute la Terre, avec des éléments d’ordre élevé qui suivent le relief et les couches.

Question à laquelle elle répond: Comment les ondes se propagent-elles dans la vraie Terre, pleine d’irrégularités ?

Laisse de côté : Les modèles de la Terre sont incertains pour la structure à petite échelle et l’atténuation, si bien que les courtes périodes sont moins fiables.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif calculs de la Terre entière résolvant des périodes de quelques secondes.Depuis : 1998 La méthode des éléments spectraux de Komatitsch et Vilotte pour la réponse sismique de structures à deux et trois dimensions. source

Simulation du cycle sismique

Une faille chargée lentement par le mouvement des plaques, avec un frottement qui accroche et glisse, simulée sur de nombreux cycles d’accumulation silencieuse et de rupture soudaine.

Question à laquelle elle répond: Comment les séismes se répètent-ils sur une faille au fil des siècles ?

Laisse de côté : La loi de frottement est tirée du laboratoire et extrapolée à des profondeurs et des vitesses jamais mesurées.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif des cycles de failles à vitesse et état sur des milliers d’années.Depuis : 1986 L’instabilité sismique de la croûte de Tse et Rice en lien avec la variation en profondeur des propriétés de glissement par frottement. source

Modèles stochastiques de catalogues de séismes

Des séquences sismiques synthétiques générées à partir d’un modèle statistique où chaque secousse augmente la probabilité de répliques, pour prévoir les regroupements et l’aléa.

Question à laquelle elle répond: Quelle est la probabilité de répliques après un grand séisme ?

Laisse de côté : Le modèle capte le regroupement statistique, mais n’a aucune physique de la contrainte sur les failles.

Tourne sur : environ 10⁶ FLOPS approximatif les catalogues stochastiques coûtent peu, et un long ensemble tourne sur un poste de travail.Depuis : 1988 Les modèles statistiques d’Ogata pour l’occurrence des séismes et l’analyse des résidus pour les processus ponctuels. source

Modèle de surface terrestre

Les échanges d’eau, de chaleur et de dioxyde de carbone entre sol, plantes et air, écrits comme une composante de surface pour les modèles d’atmosphère et de climat.

Question à laquelle elle répond: Comment les plantes et le sol contrôlent-ils la chaleur et l’eau qui circulent entre le sol et l’air ?

Laisse de côté : La végétation est décrite par quelques paramètres par cellule, et le mouvement de l’eau dans le sol est très simplifié.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif une colonne à une dimension par cellule de grille dans les modèles climatiques.Depuis : 1986 Le modèle simple de biosphère de Sellers, Mintz, Sud et Dalcher, à utiliser dans les modèles de circulation générale. source

Modèles couplés du feu et de l’atmosphère

Un front de feu et le vent qu’il crée sont résolus ensemble : la chaleur du feu aspire l’air, modifie l’écoulement et change à son tour la façon dont le feu se propage et projette braises et fumée.

Question à laquelle elle répond: Comment un incendie remodèle-t-il le vent qui l’alimente ?

Laisse de côté : La combustion et le combustible sont représentés par de simples lois de vitesse, si bien que les comportements extrêmes, comme les feux de cime et les sautes de feu, ne sont saisis que grossièrement.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif des jours sur un cluster pour un grand incendie à une résolution de quelques dizaines de mètres.Depuis : 1996 Le modèle couplé atmosphère-feu de la dynamique de front de feu de Clark, Jenkins et Coen. source