LA MAQUETTE ADOMOCA A. Piacentini, S. Massart et al. Atelier ADOMOCA – Paris 13-14 novembre 2006.

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1 LA MAQUETTE ADOMOCA A. Piacentini, S. Massart et al. Atelier ADOMOCA – Paris 13-14 novembre 2006

2 LA NOUVELLE QUI TUE Moins 1 heure “check-in avec nouvelles normes de sécurité” Moins 1 heure “la première fois que je vais à l’aéroport de Turin en voiture” Moins 30 minutes “lavage, rasage, caféinage, explications avec le chat”  Reveil à 3h45. Reveillez-moi avant de me poser des questions!

3 Historique Présentation de la version 2 Comment obtenir la maquette Les travaux en cours pour la version 3 Perspectives d’évolution ultérieure PLAN

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5 Historique Le 3DFGAT pour Asset (S. Massart) Mocage V1.0.0 (V.H. Peuch) Développements Pour MOCAGE // (H. Le Berre) Nouvel op. obs. (NOVELTIS) Unification avec MOCAGE Climat (CNRM) Maquette V1 (juillet 2005) Maquette V2 (novembre 2006) Nouveau B (S.Massart) Maquette V3 (plus tard…)

6 La maquette est basée sur le modèle global 2º x 2º de chimie transport MOCAGE (avec 3 schémas chimiques différents et deux résolutions verticales) et sur la méthode variationnelle dite 3D-FGAT (3D VAR with First Guess at Appropriate Time) implémentée grâce au coupleur dynamique PALM. Les cas test concernent la journée du 1 juillet 2003 avec assimilation de profils satellitaires d'ozone, de type MIPAS. MAQUETTE V1 - Rappel

7 MOCAGE est un code de chimie transport modulaire : choix du schéma chimique. Trois possibilités dans la maquette : Le schéma CARIOLLE v2.1 : schéma linéaire avec une seule espèce (ozone stratosphérique). Le schéma REPROBUS : 38 espèces transportées et 16 espèces à courte durée de vie adapté à la stratosphère. Le schéma RACMOBUS : associe à REPROBUS le schéma RACM troposphérique. Avec 89 espèces transportées et 29 à courte durée de vie.

8 Deux configurations pour chaque schéma : Domaine global - grille horizontale régulière 2º x 2º (180 x 90 mailles) - 47 niveaux hybrides sigma sur la verticale. Forçages dynamiques issus de Arpège à 41 niveaux (interpolation verticale en pression de type exponentiel) ou forçages issus du modèle IFS du CEPMMT. Domaine global - grille horizontale régulière 2º x 2º (180 x 90 mailles) - 60 niveaux hybrides sigma sur la verticale. Forçages dynamiques issus du modèle IFS du CEPMMT à 60 niveaux (interpolation verticale en pression de type demi-somme)

9 Environnements de compilation et de production : trois plates-formes représentatives : le Fujitsu VPP 5000 de Météo - France PC linux avec compilateur Portland Group pgf90 ou compilateur gratuit g95 et LAM MPI pour le message passing Cray XD1 du CERFACS avec compilateur Portland Group pgf90 et mpich pour le message passing

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11 Travail préliminaire (au CERFACS) pour la parallélisation de MOCAGE Déclaration avec IMPLICIT NONE de toutes les variables Allocation dynamique de la mémoire (avec modules f90) Optimisation de l'utilisation mémoire dans le modèle direct et dans la chaîne d'assimilation Parallélisation avec MPI des routines de chimie (la parallélisation avec OpenMP est plus efficace sur certaines machines  passage, un jour, à PALM_MP) Domaines imbriqués pour le modèle direct MAQUETTE V2 – La voilà

12 Utilisation mémoire modèle direct : schéma REPROBUS 60 niv. V2 V1

13 Utilisation mémoire 3D-FGAT : schéma CARIOLLE 60 niv. V0 vs. V2 vs. modèle direct 3D V1 3D V2 DIR V2

14 Calcul automatique de la taille du buffer Sauvegarde du restart (la c.i. à laquelle ajouter l’incrément) sur disque (moins de mémoire) ou via buffer (plus rapide) Sélection des paramètres à exporter dans les fichiers palm_user_param.[f90|h] PrePALM_RESEARCH version 2.2.4 PrePALM  Constants  User constants editor

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18 Quelques autres broutilles et optimisations Par exemple : vorticité potentielle en sortie dans le Netcdf retouches scripts ferret e.g. plot 1D en coord verticale log(p) Autres portages Opteron IBM (délicat)

19 Maquette accessible sous mot de passe à partir du site de la base ether http://ether.ipsl.jussieu.fr Pour le mot de passe et les instructions, contacter massart@cerfacs.fr ou cariolle@cerfacs.fr

20 MOCAGE_2_0_0.tgz sources de MOCAGE et routines d'assimilation MOCAGE_DATA_47NIV.tgz fichiers d'entrée (pour le 1 juillet 2003) pour 47 niveaux sur la verticale (forçages d'Arpège) MOCAGE_DATA_60NIV.tgz fichiers d'entrée (pour le 1 juillet 2003) pour 60 niveaux sur la verticale (forçages de l'ECMWF) MOCAGE_EXT_LIBS.tgz sources et instructions pour les librairies FA/LFI et GRIBEX MOCAGE_VISU.tgz scripts python pour le changement de coordonnées verticales et "go-files" ferret pour la visualisation des fichiers NetCDF. Contient aussi quelques exemples de résultats. prepalm.tcl la version 2.2.4 de PrePALM_RESEARCH

21 Travaux en cours pour la Version 3 Diffusion horizontale spectrale Corrélation verticale gaussienne Opérateur d’observation NOVELTIS Pilotage modèle direct et traitement des observations Propagation des incréments en vue du 4D-INC Minimiseur CONGRAD

22 Les nouvelles variances/covariances Rappel : multiplication matrice var/cov erreur ébauche * vecteur remplacée par la solution d’une équation de diffusion sur la sphère. Dans les versions V1 et V2, solution par différences finies. Formulation anisotrope (tenseur de directions). Condition de stabilité du schéma temporel : instabilité aux pôles, assimilation entre 80 degrés sud et 80 nord. Code auto-adjoint. Diffusion verticale non implémentée. Dans la version V3, passage en spectral. Solution rapide. Assimilation sur toute la sphère. Formulation isotrope. Quelques problèmes d’auto-adjonction à l’étude. Corrélation verticale gaussienne (optimisation des calcul des exponentiels.

23 Les nouvelles variances/covariances

24 Les nouveaux opérateurs d’observation Pluriel : operateurs direct, linéaire tangent, adjoint. Versions V1 et V2 : MADONA = opérateur de sélection et d’interpolation (hor. bicubique, vert. cubique, temp. linéaire) dérivé du schéma semi-lagrangien. Coïncide avec l’opérateur linéaire tangent. Opérateur adjoint par adjonction du code direct. Version V3 : opérateur NOVELTIS matriciel. Direct : construction d’une matrice creuse d’interpolation + multiplication * vecteur d’état. Linéaire tangent : multiplication même mat. * vecteur δx. Adjoint : multiplication mat. transposée * vecteur r.

25 Opérateur généraliste : pour le moment “palmé” pour le cas des profils sans averaging kernel, mais il peut prendre en compte l’averaging kernel. Il peut, donc, être utilisé pour des colonnes totales ou des quantités intégrées. (Nouveau format des fichiers d’obs). Interpolation horizontale bilinéaire, verticale linéaire et linéaire en temps aussi. Écart en précision par rapport à MADONA, mais gain en rapidité dans le direct. Pour le linéaire tangent et l’adjoint le gain en temps est encore plus sensible car la matrice n’est plus à recalculer. (Prix = un peu de stockage en plus). Les nouveaux opérateurs d’observation

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27 Données indépendantes de vérification : Le fichier HDAT contient les données à assimiler, traitées par l’opérateur NOVELTIS. Écarts dans les fichiers HPALM. Le fichier HOBS contient les données de vérification, traitées par l’opérateur MADONA. Écarts dans les fichiers HDIAG. Appel des opérateurs d’observation quand tous les champs sont à jour, après un pas d’une heure de dynamique et 4 pas de 15 minutes de chimie. Remarque : le stem des interpolations linéaires est plus petit que celui des cubiques. Dans δx a = BH T (…) -1 d, la distribution de la correction aux points voisins de l’observation sera différente.

28 Points affectés par l’assimilation B diagonal, H = MADONA

29 Points affectés par l’assimilation B diagonal, H = NOVELTIS

30 Points affectés par l’assimilation B diagonal, H = MADONA, détail

31 Points affectés par l’assimilation B diagonal, H = NOVELTIS, détail

32 Points affectés par l’assimilation B horizontal, H = NOVELTIS, détail

33 Pilotage du modèle et du traitement des observations Dans la V1 et la V2, l’unité MODEL correspond à un pas de temps de chimie du modèle. Elle est lancée 12 fois sur une fenêtre de 3 heures, 24 fois quand on redémarre après insertion de l’incrément au début de la fenêtre Rappel : l’allocation de ressources dans PALM_RESEARCH

34 Pilotage du modèle et du traitement des observations Dans la V3 et la V2, l’unité MODEL correspond à une intégration continue du modèle entre un temps de départ et un temps de fin. L’unité reçoit l’indication des temps initial et final entre lesquels elle doit fournir des vecteurs états à la branche des observations. La branche des observations gère une boucle sur les slots d’observations entre le temps initial et le temps final. N.B. pour les plus attentifs : c’est la raison pour laquelle H direct semble être plus coûteux en temps elapsed. La branche active H pour le premier slot, pendant que le modèle fait le rééquilibrage et ensuite intègre la première heure. Ce temps d’attente apparaît dans l’elapsed, mais H est sur un Palm_Get

35 V2 V3 Branch_one

36 V2 V3 Branch_obs

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38 Propagation des incréments en vue du 4D-INC Dans la formulation du 3D-VAR, l’incrément d’analyse calculé n’as pas un temps associé. Il est calculé pour la fenêtre d’assimilation courante et l’instant auquel le rajouter est un choix lié au rééquilibrage. Dans la formulation 4D-INC, l’incrément d’analyse calculé est une correction de la condition initiale pour la fenêtre d’assimilation. Il est propagé aux instants suivants par le modèle linéaire tangent, et les r sont ramenés au temps t 0 par le modèle adjoint. Il est possible de reformuler le 3D-FGAT que nous utilisons avec le même formalisme que le 4D-INC en choisissant M LT = Id et M ADJ = Σ On aura ainsi la même structure et les mêmes interfaces pour 3D et 4D.

39 Propagation des incréments en vue du 4D-INC

40 Minimiseur CONGRAD Problème de minimisation théoriquement quadratique : gradient conjugué plus efficace que quasi-Newton

41 Minimiseur CONGRAD Mais, dans la pratique, de petits problèmes d’adjonction peuvent rendre le problème non quadratique.

42 Minimiseur CONGRAD De plus, la version actuelle du code est gourmande en mémoire. Une nouvelle version est en préparation. Néanmoins, il est très intéressant pour la perspective du 4D, car le préconditionnement entre itérations de la boucle de mise à jour non linéaire le rend très efficace

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44 Schéma linéaire version 2.3 : schémas pour CO et HNO 3 Utilisation de la nouvelle version de MOCAGE unifié, avec schéma RELACS strato-troposphérique « léger » Observations avec averaging kernel, colonnes totales et quantités intégrées (issues de IASI), multi-capteurs pour une èspece, multi-espèces 4DINC avec modèle linéaire tangent et adjoint avec schéma CARIOLLE et possiblement modèle direct avec chimie complète. Boucle externe (à l’étude) Utilisation de différents modèles directs (MSDOL/LMDz…) Etc…. Perspectives pour la suite

45 MERCI