SURF : un projet pionnier en simulation océanographique

Comprendre la dynamique des océans est un enjeu scientifique fondamental. En matière d’aménagement du littoral, de régulation du trafic maritime ou de prévention de risques écologiques, météorologiques et industriels par exemple, les applications sont nombreuses. Si le calcul scientifique est devenu de nos jours l’un des outils les plus utilisés pour expliquer ou prédire les évolutions de l’océan, les outils de simulation restent encore cantonnés à des usages spécifiques. Plusieurs équipes Inria, fédérées au sein de SURF, unissent leurs expertises afin de développer une plateforme commune de calcul des écoulements océaniques littoraux et côtiers.

 « Avec SURF, lancé début 2019, nous souhaitons intégrer différentes compétences d’Inria pour nous doter d’outils de simulation océanographique couplant des modèles globaux et locaux, et définir les stratégies de simulation adaptées aux situations étudiées », synthétise Arthur Vidard, porteur du projet au sein de l’équipe Airsea à Grenoble. Ce projet pionnier répond aux enjeux actuels, en particulier ceux de l’écologie, puisqu’il pourra contribuer par exemple à la détection des phénomènes météorologiques extrêmes.

Les tempêtes littorales sont dévastatrices et à ce jour difficilement prédictibles parce qu’elles combinent différents événements : fortes marées, vents, crues, etc. Évaluer et anticiper leurs conséquences au moyen de la simulation demande d’associer différentes modélisations, à diverses échelles (golfe, côtes, estuaire, etc.).

SURF aborde trois problématiques scientifiques : le couplage d’outils numériques, la réduction des temps de simulation et l’évaluation des incertitudes des calculs.

Coupler des outils numériques

Le couplage d’outils numériques destinés à des configurations spécifiques est l’une des questions auxquelles s’attellent les chercheurs de SURF. « Nous disposons de différents outils de calcul des écoulements océaniques », explique Arthur Vidard.

« Croco », par exemple, donne accès aux grandeurs de l’écoulement (pression, vitesse, etc.) en résolvant les équations de la mécanique des fluides (déduites du modèle de Navier-Stokes) avec une méthode numérique particulière (les différences finies). « Uhania » intègre ces quantités dans une direction donnée (la profondeur) et utilise une autre méthode (les éléments finis). Il permet ainsi de prendre en compte les effets plus locaux du littoral. Ces outils de simulation sont donc dédiés à des géométries et des méthodes numériques diverses. « Nous devrons les qualifier en délimitant leurs domaines de validité respectifs, tout en développant des ‘stratégies de couplage’, c’est-à-dire les associer afin d’opérer des simulations réalistes, détaille le chercheur. Ces outils seront renforcés par d’autres modèles, comme ‘Freshkiss3d’, plus rigoureux sur le plan mathématique, mais plus difficiles à mettre en œuvre sur des applications réalistes. »

Les enjeux climatiques et écologiques poussent à développer des outils couplant des modélisations côtières et littorales, voire fluviales. C’est l’une des originalités de ce projet. Les outils numériques, matures et efficaces, ainsi que les moyens de calcul haute performance (HPC), rendent possibles des simulations complexes, inimaginables encore il y a quelques années. Des données d’observations océanographiques, de plus en plus précises, sont maintenant disponibles en masse.

Toutes les conditions sont réunies pour développer des approches combinant différents outils numériques.

Développer des modèles à petites échelles

 Fondées sur des méthodes numériques, les simulations ne peuvent rendre compte de l’intégralité des phénomènes physiques en jeu dans les écoulements océaniques. Comme il n’est pas possible de représenter des tourbillons de taille inférieure à la grille de calcul, les simulations exploitent donc des « modèles sous-maille » : ils modélisent l’effet des petits tourbillons, négligés dans le calcul, sur les plus grands. SURF poursuit aussi l’objectif d’améliorer la précision des « modèles sous-maille ».

Nous exploiterons pour cela des observations radar à haute résolution sur les courants, les vagues, etc. Des techniques de traitement de données, dites ‘d’assimilation de données’, permettent l’analyse afin d’élaborer des modèles physiques des petits tourbillons.

Cependant, les observations radar produisent une très grande quantité de données, qui peuvent par ailleurs être altérées par des bruits potentiels. Les chercheurs doivent donc développer des méthodes de traitement adaptées : l’assimilation de données est ainsi une thématique forte de SURF.

Quantifier les incertitudes des calculs

Dernier volet du projet, la quantification des incertitudes. « Il s’agit de comprendre les sources d’erreurs ou d’imprécisions dans les calculs. Un traitement statistique permet de quantifier la fiabilité des résultats d’une simulation. En particulier, nous chercherons à comprendre l’influence des simplifications introduites par les ‘modèles sous-maille’ sur la précision des calculs », détaille Arthur Viard.

Quantifier les incertitudes d’un calcul nécessite d’analyser les données de nombreuses simulations, couvrant le plus grand nombre de cas possibles. L’enjeu est alors de limiter au maximum les temps de calcul pour chaque cas. Des techniques spécifiques, dites de « réduction de modèle », consistant à représenter au mieux la physique des écoulements avec un minimum d’inconnues à calculer, permettent de diminuer considérablement les temps de simulation.

Cela sera décisif dans l’évaluation des incertitudes. Nous pourrons par exemple rapidement évaluer l’influence d’un paramètre incertain sur les résultats d’un calcul. Par ailleurs, si les modèles réduits s’avèrent performants pour prédire la dynamique océanique dans les situations courantes, nous ne savons pas encore comment ils se comportent dans des moments plus exceptionnels (tempêtes, grandes marées, crues, etc.), ce qui est un point à étudier spécifiquement.

Des équipes complémentaires pour un projet pionnier

Avec la multitude des questions scientifiques qu’il soulève, SURF nécessite la mobilisation de compétences variées. Le projet implique des équipes complémentaires, intervenant chacune à des étapes spécifiques du projet. Airsea, à Grenoble, apporte son expertise sur les modélisations océaniques et le couplage des modèles aux échelles spatiales et temporelles très différentes. Cardamom, à Bordeaux, travaille sur les modélisations et les méthodes numériques, ainsi que sur les incertitudes associées à ces dernières. Ange à Paris et Lemon à Sophia Antipolis sont sollicités pour la modélisation des écoulements côtiers en eaux peu profondes, ou pour le couplage entre les modèles d’océans et de fleuves. Fluminance, à Rennes, développe les techniques de traitement statistique des images pour alimenter les
« modèles sous-maille ». S’ajoutent enfin les compétences théoriques sur la quantification d’incertitudes et les équations aux dérivées partielles, expertises respectives de Defi à Saclay et de Mingus à Rennes.

Numériciens, physiciens, statisticiens : plus d’une quinzaine de chercheurs Inria dans les équipes citées, rejoints par trois doctorants, un post-doctorant et un ingénieur de recherche, contribuent à cet SURF. Pendant les quatre ans du projet, ils collaboreront en outre avec le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), le Service hydrographique de la Marine (Shom) et l’Ifremer, qui participeront au développement et à la validation des modèles et interviendront sur les questions de sécurité littorale.

Pour Inria, les résultats attendus sont multiples. SURF contribuera à améliorer la qualité et la fiabilité des simulations et prédictions, à développer les moyens de qualification des modèles et à mettre en place des méthodes plus robustes pour contribuer aux choix du système de prévision en océanographie.

Nous pourrons aussi rationaliser notre usage des outils de simulation : il s’agira de conserver la diversité des approches, tout en développant des pratiques et des interfaces communes à une large communauté scientifique.

*Bureau de recherches géologiques et minières

** Service hydrographique et océanographique de la Marine