[english below]
Juillet 2025 - Offre de post-doctorat au CNRM (18 mois)
Contact : najda.villefranque@meteo.fr
Ce projet fait partie de MCMET, un projet de calcul scientifique multidisciplinaire financé par l'Agence Nationale de la Recherche. MCMET est mené par le consortium EDStar qui regroupe une cinquantaine de chercheurs travaillant sur la physique de l'énergie et du climat dans différents laboratoires français.
La proposition est double, et dans ses deux axes elle est à l'intersection physique/informatique :
- profiter de la dynamique conjointe avec RAYFLAM (projet INRIA porté par l'équipe Feu du LEMTA à Nancy) pour travailler sur la structuration spectro-spatiale de la donnée atmosphérique 3D dans le code Monte Carlo htrdr, avec les chercheur.e.s de EDStar et de l'entreprise Meso-Star
- travailler à la suite des travaux de Raphaël Lebrun et Paola de Truchis de Varennes sur le couplage transfert radiatif / modèle statistique de nuages. En fonction du profil de la personne, on pourra soit tenter d'étendre ce modèle couplé à la 3D soit travailler les questions informatiques qui se posent déjà pour à une implémentation de ce couplage en 1D.
Bibliographie
- N. Villefranque et al. In : Science Advances 8.27 (2022). Accès
- M. Galtier et al. In : JQSRT 125 (2013). Accès
- Y. Nyffenegger-Péré et al. Dans : PNAS 121 (2024). Accès
- N. Villefranque et al. In : JAMES 11.8 (2019). Accès
- Rapport de stage de Paola de Truchis de Varennes
- Chapitre 4 de la thèse de Raphaël Lebrun
Juillet 2025 - Post-doctoral offer at CNRM (18 months)
Contact : najda.villefranque@meteo.fr
This project is part of MCMET, a multi-disciplinary, scientific computing project funded by the Agence National de la Recherche. MCMET is conducted by the EDStar consortium, which consists of about fifty researchers working on the physics of energy and climate in various French laboratories.
The proposal is twofold, and each axis is at the intersection of physics and computer graphics:The questions that will be addressed first, as well as the balance between the two disciplines, can be adjusted to the candidate's profile.
- benefit from similar questions raised in the RAYFLAM project funded by INRIA and led by the Fire team of the LEMTA lab in Nancy, to work on spectro-spatial data structuration in Monte Carlo 3D radiation code htrdr, together with other researchers of EDStar and of the Meso-Star company.
- continue the work begun by Raphaël Lebrun and Paola de Truchis de Varennes on coupling the radiative transfer equation with a statistic model of cloud geometry. Depending on the candidate interests and background, we could either try to extend this coupled model to 3D, or work on the computer science questions already raised by the implementation of the 1D version.
Bibliography
- N. Villefranque et al. In : Science Advances 8.27 (2022). Access
- M. Galtier et al. In : JQSRT 125 (2013). Access
- Y. Nyffenegger-Péré et al. Dans : PNAS 121 (2024). Access
- N. Villefranque et al. In : JAMES 11.8 (2019). Access
- Internship report of Paola de Truchis de Varennes
- Chapter 4 in PhD thesis of Raphaël Lebrun
Juin 2024 - Formation au logiciel htrdr
Dans le cadre du Groupe de Travail Thématique Transverse sur le rayonnement à Météo-France, une session de formation aux méthodes de Monte Carlo pour le rayonnement atmosphérique incluant un tutoriel au code htrdr (https://www.meso-star.com/projects/htrdr/htrdr.html) se tiendra le jeudi 27 juin 2024 de 9h30 à 12h30, sur le site de la Météopole à Toulouse et sur le site du CEMS à Lannion. Une visio sera mise en place entre les deux sites et ouverte à l'extérieur. Le support de formation sera publié à posteriori. La formation est ouverte aux inscriptions extérieures. Contact : najda.villefranque@meteo.fr
Programme : après une phase d'accueil des participant.e.s au cours de laquelle nous nous assurerons que les installations de htrdr ont bien été réalisées, nous donnerons les bases du rayonnement atmosphérique et de sa résolution par les méthodes de Monte Carlo. Ensuite, nous exposerons les fonctionnalités principales du logiciel htrdr, et décrirons ses données d'entrées et sorties. Le reste de la session sera consacrée à la pratique.
L'intention de cette session est triple : rassembler des personnes intéressées par l'utilisation voire par le développement de htrdr, fournir quelques bases théoriques sur la physique du rayonnement atmosphérique et sa simulation, et proposer une première prise en main du logiciel par les participant.e.s.
htrdr training session
As part of the Transverse Thematic Working Group on Radiation at Météo-France, a training session on Monte Carlo methods for atmospheric radiation, including a tutorial on the htrdr code (https://www.meso-star.com/projects/htrdr/htrdr.html), will be held on Thursday 27 June 2024 from 9.30 a.m. to 12.30 p.m. at the Météopole site in Toulouse and the CEMS site in Lannion. A video link will be set up between the two sites and will be open to the outside world. The training material will be published afterwards. The course is open to external registrations. Contact: najda.villefranque@meteo.fr
Program: After welcoming the participants, at which time we will make sure that the htrdr installations have been carried out, we will give the basics of atmospheric radiation and its simulation by Monte Carlo methods. We will then explain the main features of the htrdr software and describe its input and output data. The rest of the session will be devoted to practical exercises.
The intention behind this tutorial session is threefold : to gather persons who are interested in using and/or developing htrdr, provide a few theoretical basis about the physics and simulation of radiative transfer in cloudy atmospheres, and offer participants the opportunity to learn how to use the software.
Janvier 2024 - Couplage non linéaire entre le transfert radiatif et la spectroscopie des gaz
Nos travaux portant sur la méthode de Monte Carlo pour la prise en compte, raie par raie, de la spectroscopie quantique moléculaire dans l'analyse du rayonnement terrestre ont fait l’objet d’une publication dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America), au format Brief Report ( Spectrally refined unbiased Monte Carlo estimate of the Earth’s global radiative cooling).
Nous nous situons à l'interface entre la physique statistique et l'informatique graphique. Les deux phénomènes présents, le rayonnement et la spectroscopie, sont chacun traduits dans un espace de chemins. Pour le rayonnement, il s'agit de chemins de photons usuels qu'il est assez facile de se représenter. Pour la spectroscopie, nous travaillons dans un espace structuré comme un arbre de classification binaire de l'ensemble de toutes les transitions possibles d'une molécule d'un état énergétique à un autre.
La principale originalité réside dans le fait que le couplage est non linéaire et qu'il est possible de gérer cette non-linéarité à l'aide d'une version adaptée d'un algorithme à collision nulle. L'article ne présente que les idées fondatrices : les détails théoriques et algorithmiques ne sont pour l'instant publiés que dans la thèse de doctorat de Yaniss Nyffenegger-Péré. En revanche, la performance calculatoire résultante est pleinement illustrée. Nous reproduisons ici les trois courbes prouvant que le temps de calcul n'est pas plus long pour estimer une grandeur radiative intégrée sur une bande spectrale étroite ou sur tout le domaine infrarouge, intégrée sur une seule colonne atmosphérique ou sur toute la Terre, intégrée sur un jour ou sur dix années. Et surtout, ces temps de calcul sont de l'ordre d'une dizaine de secondes, sur un ordinateur portable, pour une précision relative de 1/1000.
Nonlinear coupling of radiative transfer and gas spectroscopy
Our work on the Monte Carlo method for handling quantum molecular spectroscopy on a line-by-line basis, with the objective of analyzing terrestrial radiation, has been published in PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) in the Brief Report format ( Spectrally refined unbiased Monte Carlo estimate of the Earth’s global radiative cooling).
We are at the interface between Statistical Physics and Computer Graphics. The two phenomena involved, radiation and spectroscopy, each undergo a translation into a path-space. For radiation, standard photon paths are introduced that can be envisioned quite straightforwardly. In the case of spectroscopy, the space considered is structured as a binary tree classifying the set of all possible energy transitions from one molecular state to another.
What mainly gives the procedure its originality is the fact that the coupling is nonlinear, and this nonlinearity can be managed with an adapted version of a null-collision algorithm. The PNAS article focuses on the core ideas; at this stage, theoretical and algorithmic details are only published in the doctoral dissertation of Yaniss Nyffenegger-Péré. However, you will find a comprehensive demonstration of the resulting computational efficiency. Here, we reproduce the three plots that demonstrate that computation time is not higher when estimating a radiative quantity integrated over a narrow spectral band or over the entire infrared range, integrated over an atmospheric column or over the entire Earth, integrated over one day or over ten years. Most importantly, these computational requirements are on the order of ten seconds on a laptop, achieving a relative accuracy of 1/1000.
Septembre 2023 - Diffusion d'ondes par des objets ayant des géométries complexes, distribuées
Dans la revue Optics Letters nous avons récemment proposé une approche statistique pour la diffusion d'une onde par un objet 3D (Wave-Scattering processes: path-integrals designed for the numerical handling of complex geometries ), avec un focus sur l'obtention des propriétés radiatives de particules complexes par résolution d'un problème d'électromagnétisme (sections efficaces d'absorption, de diffusion et fonction de phase). Nous avons produit des procédures d'échantillonnage insensibles à la complexité géométrique pour les processus stochastiques associés à trois modèles - l'approximation de Schiff, l'approximation de Born et une série de Born infinie, rigoureuse - permettant ainsi de traiter toute particule à faible contraste.
Nous avons mis en oeuvre cette approche pour l'approximation de Schiff dans un logiciel libre et à code source ouvert (le site du code de calcul schiff). Nous reproduisons ici un graphique qui illustre deux propriétés essentielles de cette nouvelle approche :
- le temps de calcul n'augmente pas quand on complexifie la géométrie des particules ;
- le temps de calcul n'augmente pas quand on raffine la description géométrique d'une particule donnée.
D'autres résultats présentés dans l'article montrent que le temps de calcul n'augmente pas non plus quand on ajoute des prises de moyennes sur les distributions de la forme, la taille et l'orientation des particules.
Les avantages usuels de la méthode de Monte Carlo sont maintenant disponibles lors de la résolution de problèmes d'électromagnétismes. Ce faisant, nous sommes maintenant en mesure de produire les propriétés radiatives agulaires et spectrales de la microalgue Arthrospira platensis en 20 minutes, là où plusieurs mois étaient nécessaires avec des méthodes déterministes.
Wave-scattering by complex and distributed three-dimensional objects
We recently presented a new statistical perspective on wave single-scattering by complex three-dimensional objects in Optics Letters (Wave-Scattering processes: path-integrals designed for the numerical handling of complex geometries ), with special emphasis on obtaining the radiative properties of complex shaped particles by solving electromagnetic scattering (absorption and scattering cross-sections; phase function). We have produced sampling procedures insensitive to geometric complexity for the stochastic processes associated with three models - Schiff's approximation, Born approximation and an infinite, rigorous, Born series - thus enabling us to handle any low-contrast particle.
We fully implemented this probabilistic approach for Schiff’s approximation in a free and open-source software application (Schiff software website ). We reproduce here a graph illustrating two properties of this new approach:
- calculation time doesn't increase as particle geometry becomes more complex;
- computation time does not increase as the geometric description of a given particle is refined.
Other results presented in the article show that the computation time does not increase when we add averaging on particle shape, size and orientation distributions.
Commonly recognized features of the Monte Carlo method can now be available when solving electromagnetic scattering. In so doing, we are able to produce spectral and angular radiative properties of helical-shaped microalgae Arthrospira platensis in 20 min, whereas this required several months with a straight cylinder model using deterministic methods.
Juillet 2023 - Méthode de Monte Carlo Symbolique pour l'analyse de l'effet de l'albédo sur le rayonnement solaire en milieux nuageux
Dans la revue Journal of Advances in Modeling Earth Systems, nous discutons de la conception et de l'utilisation d'un algorithme de Monte Carlo dit Symbolique pour analyser la façon dont l'albédo de la surface terrestre influe sur les flux radiatifs solaires réfléchis par l'atmosphère nuageuse (A Functionalized Monte Carlo 3D Radiative Transfer Model: Radiative Effects of Clouds Over Reflecting Surfaces). Ici, la conception de l'algorithme passe par une approche d'échantillonnage par importance. La première étape est d'écrire la formulation intégrale associée à l'algorithme standard puis d'isoler le paramètre d'intérêt (ici l'albédo de la surface) en le reportant dans le poids des chemins afin que la procédure d'échantillonnage des chemins ne dépende plus explicitement du paramètre. Ensuite, une simulation est réalisée et suffisamment d'information est conservée le long des chemins pour pouvoir corriger les poids a posteriori, pour toute nouvelle valeur du paramètre d'intérêt.
Dans nos expériences précédentes autour des algorithmes symboliques basés sur de l'échantillonnage par importance, nous avons rencontré des problèmes de variance lorsque la valeur de paramètre pour lequel la fonction est évaluée est trop éloignée du paramètre ayant été utilisé lors de la simulation. Ici, nous démontrons qu'il existe une valeur du paramètre de simulation qui est optimale au sens où les chemins échantillonnés pour cette valeur (1) contiennent toute l'information nécessaire à l'évaluation des flux pour toutes les autres valeurs du paramètre. En effet, plus les chemins échantillonnés sont longs (constitués de nombreux rebonds) et plus complète est l'information associée à chaque chemin. Les chemins courts, préférentiellement rencontrés aux valeurs faibles d'albédo, peuvent être vus comme une sous partie des chemins plus longs échantillonnés pour les valeurs fortes d'albédo.
En fait, cette valeur optimale correspond à une configuration sans paramètre c'est à dire sans échantillonnage par importance. En partant d'une conception basée sur de l'échantillonnage par importance, on tombe en fait sur une autre famille d'algorithmes symboliques. Dans ce cas particulier, cette nouvelle approche aboutit à des estimateurs à faible variance. Dans quelles situations cette famille d'algorithmes pourra être déployée ? Peut on concevoir ces algorithmes autrement que comme un cas limite d'algorithmes basés sur de l'échantillonnage par importance ?
Symbolic Monte Carlo methods for analysing the effect of surface albedo on solar radiation in cloudy atmospheres
In the Journal of Advances in Modeling Earth Systems, we discuss the design and use of a so-called Symbolic Monte Carlo algorithm to analyse how the albedo of the Earth's surface affects the solar radiative fluxes reflected by the cloudy atmosphere (A Functionalized Monte Carlo 3D Radiative Transfer Model: Radiative Effects of Clouds Over Reflecting Surfaces). Here, the algorithm is designed using an importance sampling approach. The first step is to write the integral formulation associated with the standard algorithm and then to isolate the parameter of interest (in this case the surface albedo) by transferring it to the path weights so that the path sampling procedure no longer depends explicitly on the parameter. A simulation is then carried out and sufficient information is retained along each path to be able to correct the weights a posteriori, for any new value of the parameter of interest.
In our previous experiments with symbolic algorithms based on importance sampling, we encountered variance problems when the value of the parameter for which the function is evaluated is too far away from the parameter used in the simulation. Here, we show that there is a value of the simulation parameter that is optimal in the sense that the paths sampled for this value (1) contain all the information needed to evaluate the flows for all the other values of the parameter. In fact, the longer the paths sampled (made up of numerous bounces), the more complete the information associated with each path. The short paths, preferentially encountered at low albedo values, can be seen as a sub-part of the longer paths sampled for high albedo values.
In fact, this optimal value corresponds to a configuration without parameters i.e. without importance sampling. Starting from a design based on importance sampling, we actually fall into another family of symbolic algorithms. In this particular case, this new approach leads to estimators with low variance. In what situations could this family of algorithms be deployed? Can these algorithms be conceived as anything other than a borderline case of algorithms based on importance sampling?
Avril 2023 - Transferts thermiques
Suite à notre article de perspective dans Science Advances (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling), nous initions aujourd'hui une série d'articles plus techniques. Ils ont comme objectif de détailler les implications à la fois théoriques et applicatives du points de vue renouvelé que nous essayons de porter sur la physique des transferts de chaleur. Le premier de ces articles est co-écrit par 44 auteurs dans 17 institutions de recherche. Il est disponible dans la revue Plos One. Nous y proposons une image physique et un ensemble d'intuitions concernant une statistique de chemins thermiques qui traversent continuement le système d'étude en alternant d'un mode de transfert à un autre de façon itérative (rayonnement, conduction et convection). Dans un premier temps nos rappelons le cadre théorique des propagateurs et des fonctions de Green pour en proposer une lecture probabiliste. Ensuite nous les étendons, notamment en termes d'opérationnalité, en faisant appel au formalisme de Feynmann, donc aux processus stochastiques. Enfin, ce cadre théorique est complété par la proposition d'une approximation du mouvement brownien en espace confiné qui passe à l'échelle en terme de rafinement de la description géométrique.
Heat Transfer
After our perspective article in Science Advances (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling), we are now launching a series of technical papers. They detail both the theoretical and practical implications of an alternative view of heat transfer. The first, co-authored by 44 researchers at 17 institutions, is available in Plos One. It supports the intuitive pictures of continuous thermal paths that run through the different physics at work (radiation, conduction and convection). First, the theoretical frameworks of propagators and Green’s functions are used to demonstrate that a coupled model involving different physical phenomena can be probabilized. Second, they are extended and made operational using the Feynman-Kac theory and stochastic processes. Finally, the theoretical framework is supported by a new proposal for an approximation of coupled Brownian trajectories compatible with highly refined geometry.
Mars 2023 - Optimiser la conception géométrique des systèmes énergétiques lorsqu'ils impliquent du rayonnement
Dans le revue Solar Energy, le 17 février 2023, nous avons publié un article décrivant un outil d'analyse conçu pour les ingénieurs confrontés à la conception de systèmes d'un haut niveau de complexité géométrique (Monte-Carlo estimation of geometric sensitivities in Solar Power Tower systems of flat mirrors). Les bibliothèques de calculs correspondantes sont toute accessibles sous licence libre et gratuite et nous organisons des sessions de formation pour les ingénieurs qui souhaitent les utiliser ou les adapter à leur environnement de développement de façon spécifique.
La figure illustre le travail de recherche de Zili He qui a réussi à quantifier les sensitibilités de la puissance récoltée par Sierra SunTower (une centrale solaire à concentration à Lancaster, Californie) à chacun des paramètres de ses 6090 heliostats. Son approche à consisté à faire appel au modèle de sensibilité proposé par Paule Lapeyre dans "Monte-Carlo and sensitivity transport models for domain deformation". Paule Lapeyre a observé que les sensibilités se propagent dans l'espace exactement de la même façon que le rayonnement. Les algorithmes de Monte Carlo communément employés en transfert radiatif peuvent donc être également employés pour l'analyse et la quantification des sensibilités. Toute la subtilité réside alors dans la définition des conditions à la limite et dans leur gestion informatique. Zili He a revisité cette proposition à la fois physiquement et informatiquement. Il en résulte un formalisme vectoriel qui est compatible avec les avancées les plus récentes de l'informatique graphique et permet le calcul simultané d'un très grand nombre de sensibilités tel que présenté dans la figure (chacun des points de chacune des sous-figures correspond à la sensibilité au paramètre d'un héliostat).
Tuning the geometric design of energetic systems when they involve Radiative Transfer
One of our energy analysis tools, designed for engineers facing highly complex geometries, was published on 17 February 2023 in Solar Energy (Monte-Carlo estimation of geometric sensitivities in Solar Power Tower systems of flat mirrors). All the associated computation libraries are available under a free license and we organize training sessions for engineers that wish to make use of such analysis and adapt our Monte Carlo development framework to their specific needs.
The picture illustrates the work of Zili He who has successfully quantified how the solar power collected by Sierra SunTower (a Concentrated Solar Plant in Lancaster, California) is sensitive to each geometrical parameter of each of 6090 heliostats within the field. He achieved this using the geometric sensitivity model of Paule Lapeyre ("Monte-Carlo and sensitivity transport models for domain deformation"). The main observation of Paule Lapeyre is that sensitivities propagate in space the exact same way radiation does. The same Monte Carlo tools as those commonly used to compute the collected solar power can therefore be also used to quantify sensitivities. But then all the subtlety is in the boundary conditions and in the way they are computationally handled. Zili He revisited this proposition both physically and computationally. A vectorial formalism is now available that can be combined with advanced computer graphics to perform the simultaneous computation of the huge number of all the sensitivities displayed in the present figure (each dot in each plot is one heliostat sensitivity).
Mars 2023 - La plateforme EDStar
Le CNRS héberge maintenant notre site web à l'adresse suivante : http://www.edstar.cnrs.fr. Au stade actuel nous publions seulement le rapport final du projet «Démonstrateur» qui a été financé par la Région Occitanie il y a quelques années (http://www.edstar.cnrs.fr/prod/fr/). Vous verrez que ce site «n'a pas pris une ride». Nous essairons tout de même de le mettre à jour et d'en proposer une version en langue anglaise le plus rapidement possible. Mais vous pouvez déjà jouer avec notre simulateur thermique 2D interactif et lire les vidéos de description correspondantes.
Amusez vous ! C'est un très bon moyen de comprendre ce que nous entendons lorsque nous parlons de thermique statistique, avant de consulter nos publications plus détaillées (e.g. The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling) qui renvoient de plus vers les avancées récentes de l'informatique graphique pour la gestion de descriptions géométriques 3D d'un très haut niveau de rafinement. Vous pouvez aussi garder en tête que vous êtes les bienvenus lors des sessions de formation que nous organisons dans nos locaux, à destination des ingénieurs qui souhaitent utiliser nos outils de simulation statistique et les adapter à leur environnement de développement. Tous ces outils sont distribués sous licence libre et gratuite.
The EDStar platform
CNRS is now hosting our website at http://www.edstar.cnrs.fr. At this stage we have only published the final report of the demonstrator projet financed by French Occitanie Region a few years ago (at http://www.edstar.cnrs.fr/prod/fr/). You will see that it has not aged a day («n'a pas pris une ride») but is only in French. We will update the publication list and also publish an English version as soon as possible. But you may already play with our 2D interactive heat-transfer simulator and watch the corresponding tutorial videos.
Have fun ! This is a quite efficient way to understand what we mean by statistical heat transfer before looking at our more detailed publications (e.g. The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling) that further include advanced computer graphics to deal with highly refined 3D geometrical descriptions. Keep also in mind that you are welcome to the training sessions that we organize for engineers that wish to make use of such statistical simulation tools and adapt our Monte Carlo development framework to their specific needs. Everything is distributed under a free license.
Février - Simuations thermiques au sein de géométries dont la description est très rafinée avec de faibles coûts de calcul
Dans la revue Science Advances nous avons récemment proposé un changement de paradigme dans la modélisation du climat urbain qui est rendu possible par de récentes avancées dans le domaine des simulations statistiques par la méthode de Monte Carlo (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling). Il est aujourd'hui possible de réaliser des simulations 3D instationnaires directes de systèmes thermiques aussi étendus qu'une ville, dans laquelle chaque détail de chaque maison est décrit à toutes les échelles.
Des informations complémentaires sont disponibles sur le site du code de calcul stardis. Nous reproduisons ici un graphique qui illustre deux propriétés essentielles de cette nouvelle approche :
- le temps de calcul n'augmente pas quand on rafine la description géométrique ;
- lors d'une simulation Monte Carlo, les chemins thermiques échantillonnés peuvent être archivé et on peut ensuite les rejouer pour d'autres conditions à la limite, d'autres sources, d'autres temps d'observation, sans devoir reconstruire de nouveaux chemins, réduisant ainsi les temps de calcul de plusieurs ordres de grandeur (Green usage).
Heat-transfer simulation in refined geometries at low computational expenses.
In Science Advances we recently announced a paradigm shift in urban climate modeling allowed by recent Monte Carlo advances (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling). Direct 3D transient simulation of heat transfer in such large scale systems as cities, including all housing details at all scales, is now feasible.
You may find useful complementary information on stardis website. We here reproduce a plot indicating two main features of this new approach:
- computation time does not increase when refining the geometrical description;
- once a first Monte Carlo simulation is performed, all the sample thermal paths have been stored and the simulation can be replayed for other boundary conditions, other sources, other observation times, without reconstructing the paths, typically reducing computation times of three orders of magnitude (Green usage).
Juillet 2022 - La physique de l’énergie s’enrichit des outils de la synthèse d’image pour ouvrir de nouveaux services climatiques
Tous les professionnels des systèmes énergétiques l’expriment dans leur cœur d’activité : faire mieux que produire des prédictions qualitatives de comportements thermiques relève du défi quasi-inextricable. Du millimètre d’un joint thermique ou de l’épaisseur d’une vitre à la dizaine de kilomètres de l’extension d’une zone urbaine ; de la minute de la fluctuation du vent ou de l’ensoleillement aux cinquante années de durée de vie d’une installation : lorsqu’un système énergétique implique de tels rapports d’échelles, son analyse, son dimensionnement, son optimisation sont réputés impossibles. On est alors amenés à faire des compromis descriptifs dont seuls les experts mesurent l’impact. Ces difficultés sont au coeur des tentatives actuelles de développement des services climatiques qui, déclinés dans le secteur de l’énergie, doivent faire le lien entre la prévision du changement climatique et les choix politiques d’installation de systèmes anticipant les conditions environnementales futures.
Dans cet article de perspective, nous proposons un nouveau paradigme pour la modélisation des systèmes énergétiques sous un climat changeant : le « teapot in the city ». « City », car la démonstration de ce paradigme porte sur la ville qui est un enjeu phare de l’adaptation au changement climatique; « teapot » en référence au concept du « teapot in the stadium » en synthèse d’image, une communauté qui, pour l’industrie du cinéma et du jeu vidéo, a attaqué et résolu la question de la gestion de grands rapports d’échelles pour la modélisation de la propagation de la lumière dans des scènes virtuelles détaillées à l’infini.
Cette révolution informatique est à l’origine de notre proposition qui s’enrichit ensuite de deux éléments : d’une part des avancées théoriques majeures en physique statistique permettant, au delà de la seule lumière, d’étendre les outils de la synthèse d’image à la propagation de l’énergie au sens large; d’autre part l’intégration de données issues des simulations climatiques permettant de tenir compte des fluctuations des conditions météorologiques à toutes leurs échelles.
The physics of energy is enriched by the tools of image synthesis to open up new climate services
All energy systems professionals express this in their core business: doing better than producing qualitative predictions of thermal behaviour is an almost impossible challenge. From the millimetre of a thermal seal or the thickness of a pane of glass to the ten kilometres or so of urban sprawl; from the minute of fluctuating wind or sunshine to the fifty-year lifespan of an installation: when an energy system involves such scale ratios, its analysis, sizing and optimisation are deemed impossible. We are then forced to make descriptive compromises whose impact can only be measured by experts. These difficulties lie at the heart of current attempts to develop climate services, which, when applied to the energy sector, are intended to provide a link between climate change forecasting and the political choices made when installing systems that anticipate future environmental conditions.
In this perspective article, we propose a new paradigm for modelling energy systems in a changing climate: the "teapot in the city". "City", because the demonstration of this paradigm concerns the city, which is a key issue in adapting to climate change; "teapot" refers to the concept of the "teapot in the stadium" in computer graphics, a community which, for the film and video game industry, has tackled and resolved the issue of managing large scale ratios for modelling the propagation of light in infinitely detailed virtual scenes.
This IT revolution is at the root of our proposal, which has since been enriched by two elements: on the one hand, major theoretical advances in statistical physics enabling us to extend the tools of computer graphics beyond light alone to the propagation of energy in a broader sense; on the other hand, the integration of data from climate simulations enabling us to take account of fluctuations in weather conditions on all scales.
