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Simulation HPC pour l’environnement et les risques industriels

Le monitoring des systèmes environnementaux repose sur des capacités de simulation haute fidélité combinées à des approches de modélisation basées sur les données, telles que l’assimilation de données, l’analyse d’incertitude/sensibilité et, plus généralement, l’apprentissage machine. La combinaison des approches de modélisation physique et de modélisation par les données (data-driven modeling) est un domaine de recherche très actif au CERFACS pour un large éventail d’applications liées aux questions d’environnement et de sécurité.

 

Atmospheric chemistry

Data assimilation for global-scale atmospheric composition around the MOCAGE chemistry-transport model is a well-established activity at CERFACS, both in support of Météo-France operational forecasts and for computation of chemical re-analyses.

CERFACS contributes to the continuous design, implementation and validation of new methodologies specific to chemical data assimilation, for instance to account for model error within the data assimilation process and to directly assimilate satellite radiances in the infrared and ultraviolet spectral areas from instruments such as IASI and GOME-2. Such data assimilation capability provides a way to produce global re-analyses of trace gases using satellites for climate applications and to improve operational air quality forecasts.

This research is done in strong collaborations with CNRM/Météo-France and for instance as part of TOSCA/COPERNICUS research projects.

Regional-to-global air quality forecasts using MOCAGE and data assimilation

 

Simulations atmosphérique à micro-échelle pour la dispersion et les incendies

Cartographier la concentration de polluants dans les premières dizaines ou centaines de mètres d’une source ponctuelle d’émission survenant lors de catastrophes environnementales majeures (accidents industriels ou incendies de forêt par exemple) est un défi du point de vue de la simulation. À la pointe de la mécanique des fluides numérique, les simulations à grande échelle (LES) sont prometteuses pour représenter la variabilité temporelle et spatiale des flux atmosphériques turbulents et évaluer l’exposition du public à court terme, en particulier dans les zones urbaines, les sites industriels et les zones montagneuses.

Le CERFACS contribue à l’émergence des LES pour les simulations environnementales en concevant des capacités de simulation haute-fidélité basées sur AVBP et MesoNH (en collaboration avec le CNRM/Météo-France). La résolution spatiale sub-métrique peut être utilisée au CERFACS pour représenter les modèles d’écoulement turbulent et la dynamique du panache à l’échelle d’un événement dans la couche limite atmosphérique. De nouvelles méthodologies (méthode multi-échelle, métamodélisation et assimilation de données par exemple) sont développées en combinaison avec la LES pour concevoir des outils efficaces et précis. Par exemple, une capacité de simulation couplée feu/atmosphère a été conçue et validée pour représenter les interactions entre un incendie et l’atmosphère, et donc les rétroactions atmosphériques sur le comportement de l’incendie. Des capacités d’assimilation de données impliquant un métamodèle de la LES et une estimation conjointe des paramètres d’état sont en cours de développement pour produire la meilleure représentation possible d’un événement.

Ces recherches sont menées en collaboration avec le CNRM/Météo-France, l’ONERA et le CEREA, et dans le cadre de projets de recherche nationaux à européens (STAE, TOSCA, ANR, MSCA). Des collaborations spécifiques sont poursuivies avec l’INRIA et le LISN sur les aspects méthodologiques. Les calculs massifs sont effectués sur des plates-formes GENCI et constituent d’excellentes références pour élargir la gamme d’applications des outils de calcul intensif du CERFACS.

 

LES de la campagne de terrain MUST utilisant l’AVBP (dispersion des traceurs en milieu urbain idéalisé) avec une résolution sub-métrique

Simulation couplée atmosphère/feu utilisant MesoNH-BLAZE basée sur une LES pour l’atmosphère (MesoNH) et un modèle de suivi du front de l’incendie à la surface du sol (BLAZE)

Hydrodynamics and floods

Estimating and forecasting the flow of rivers is an important issue for institutions involved in water resource management and in charge of civil security. To observe and understand the dynamics of river flows, we rely on a heterogeneous observation network consisting of in situ and satellite measurements. This network is enriched through the deployment of innovative instruments (in-situ stations, airborne measurements, UAVs, high-resolution altimetry, radar and optical space missions, …) on a local and global scale. In addition to these observations, the water community uses numerical models that solve Navier-Stokes equations under various simplifying assumptions. Their capabilities are limited by several factors of uncertainty related to the description of bathymetry/topography, hydraulic or hydrological parameters or forcing terms such as hydrological inputs and precipitation. In order to overcome the limits of deterministic simulation, an ensemble approach is favoured. In this context, the impact of input uncertainties on the simulated and predicted variables is estimated with methods inherited from the field of uncertainty quantification. In order to improve the quality and lead time of forecasts, the main sources of uncertainty are then reduced with data assimilation methods. The computational cost related to the quantification and reduction of uncertainties must respect the computational limits of operational flood forecasting, thus, the use of a reduced model in place of the direct model is favoured.

As of today, assimilation of in-situ and remote sensing water level data for operational forecast is a key research activity done at CERFACS to reduce modeling and parametric uncertainties and provide insights into flood and inundation events. CERFACS also contributes to adapting data assimilation algorithms to new types of observations coming from remote sensing (SWOT, Sentinel, Pléïades). This research is done in strong collaboration with CNES, EDF, Météo-France, IRSTEA, SCHAPI, CEREMA, ARTELIA, JPL and INRIA and as part of national-to-international research projects (TOSCA, SCO, H2020).

Water Surface Elevation with Telemac (colored), in-situ observation (green dots), SWOT like nodes (blue palet) and SWOT like reaches (yellow dots). Assimilation of in-situ and remote sensing observation with MASCARET.

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Oceanography

Data assimilation at CERFACS has its historical roots in physical oceanography, when CERFACS played a leading role in the early development of operational oceanography for Mercator-Océan. Ocean data assimilation underpins many research and operational applications in forecasting and climate reanalysis where accurate ocean state estimates are required for ocean and coupled models.

Central to the ocean data assimilation activity at CERFACS is the variational data assimilation system NEMOVAR, which is developed jointly by CERFACS, ECMWF, Met Office and INRIA. CERFACS contributes to NEMOVAR mainly through developments to the minimization algorithms, the balance operators, and the covariance operators used for representing errors in the background state and the assimilated observations. Making optimal use of ensemble forecasts to improve estimates of the background error covariances is another active area of research.

The ocean data assimilation activity benefits from collaborative work with the NEMOVAR partners (ECMWF, Met Office, INRIA), CNRM/Météo-France and IRIT. This work is supported by the Copernicus Climate Change Service (C3S).

Sécurité industrielle : prévision des explosions

Depuis 5 ans, le CERFACS mène un programme scientifique innovant sur la thématique des explosions gazeuses. Ce sujet est un domaine d’étude important pour de nombreuses applications liées à la sécurité des bâtiments et des sites industriels. Aujourd’hui, des codes URANS tels que FLACS sont utilisés pour prédire les conséquences d’un allumage accidentelle d’un noyau de flamme dans les bâtiments ou installations, mais ces codes sont principalement basés sur un important retour d’expérience et peu sur la résolution déterministe et précise des équations de Navier-Stokes. Des méthodes plus précises telles que la simulation aux grandes échelles (LES), associées au développement du calcul haute performance, permettent de prédire très précisément les principales caractéristiques des déflagrations dans des environnements confinés ou semi-confinés.

 

Simulation aux grandes échelles d’une explosion gazeuse dans un environnement semi-confiné

Ce travail est réalisé avec le solveur AVBP, et a été initié dans des configurations assez simples avec des dimensions relativement petites. Le projet LEFEX (LES For Explosions) mené par le CERFACS en collaboration avec Air Liquide, GRTgaz et Total vise à surmonter cette limitation aux domaines de petite taille en développant les modèles, les méthodes numériques, les algorithmes et les méthodologies nécessaires à la mise à l’échelle du code AVBP pour des applications à l’échelle industrielle. L’objectif final du projet est d’effectuer des calculs d’explosion avec AVBP dans des conditions de déflagration dans des géométries réalistes et donc de grandes dimensions. Pour atteindre cet objectif, plusieurs voies sont identifiées dans le projet, telles que le raffinement du maillage adaptatif, la modélisation de l’interaction turbulence-chimie aidée par des approches basées sur les données.

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