Le Laboratoire de météorologie dynamique : 60 ans d’exploration scientifique pour se projeter collectivement dans l’avenir

Début mars sortait un numéro spécial de la revue Histoire de la Recherche Contemporaine (HRC), consacré au Laboratoire de météorologie dynamique. Pourquoi était-il important de retracer cette aventure maintenant ?

Le Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) est l’un des principaux laboratoires de l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), pôle de référence en sciences du climat en région parisienne. Par ailleurs, au sein de l’ENS–PSL, le LMD entretient des liens étroits avec les sciences fondamentales. Grâce à cette double insertion, il joue un rôle majeur dans le paysage des sciences du climat, tant à l’échelle nationale qu’internationale.

Les sciences du climat connaissent aujourd’hui de profondes transformations. D’une part, elles doivent répondre à une demande croissante de la société face aux enjeux liés aux changements climatiques, qu’il s’agisse d’atténuation ou d’adaptation. D’autre part, elles évoluent au rythme des nouvelles opportunités et des défis associés à l’essor de l’intelligence artificielle dans les domaines de la modélisation et de l’observation du climat.

Dans ce contexte de mutation rapide et d’enjeux majeurs, l’éclairage historique fournit par ce livre de la revue Histoire de la Recherche Contemporaine apporte des clés d’analyse et de compréhension indispensables pour mieux éclairer les choix présents et se projeter collectivement dans l’avenir.

« Cette capacité à se situer en permanence à la pointe de l’innovation scientifique, portée par de fortes dynamiques collectives, constitue l’une des marques de fabrique du LMD. »

Le LMD a été créé en 1968. En parcourant cet ouvrage historique, quel héritage ou quelle « marque de fabrique » spécifique du laboratoire vous semble la plus vivace aujourd'hui ? 

Le Laboratoire de météorologie dynamique s’est toujours distingué par sa position à l’avant-garde des développements scientifiques. Du côté des observations, il est né avec la mission pionnière EOLE, fondée sur l’utilisation de ballons surpressurisés pour mesurer directement les propriétés physiques de l’atmosphère. Il a, depuis, constamment joué un rôle de premier plan dans le développement des techniques de télédétection, qu’elles soient spatiales — via les satellites — ou déployées au sol.

En matière de modélisation, le LMD figure parmi les précurseurs dès les années 1970, avec la mise en œuvre de modèles numériques de l’atmosphère et, plus largement, du système climatique, fondés sur les lois physiques. Actuellement, le modèle de climat de l’IPSL est un des meilleurs. Le Laboratoire de météorologie dynamique est responsable de la composante atmosphérique du modèle, et participe activement aux composantes gérant les surfaces continentales et la chimie. Les chercheuses et chercheurs du laboratoire ont également produit des avancées théoriques majeures, en utilisant les mathématiques et les sciences des données. Un exemple caractéristique a été la participation au développement dans les années 1970 et 1980, des méthodes d’assimilation de données — une approche qui peut être considérée comme une forme d’intelligence artificielle avant l’heure — visant à reconstituer des états météorologiques précis en combinant observations et principes fondamentaux de la dynamique.

Enfin, le Laboratoire de météorologie dynamique s’est engagé précocement, dès les années 2000 et 2010, dans des démarches de recherche pour les enjeux sociétaux, avec des approches interdisciplinaires et transdisciplinaires dédiées aux transitions écologiques, face aux changements climatiques.

Cette capacité à se situer en permanence à la pointe de l’innovation scientifique, portée par de fortes dynamiques collectives, constitue l’une des marques de fabrique du laboratoire.
 

« Nous souhaitons renforcer cette dynamique collective afin de mobiliser pleinement cet environnement scientifique théorique exceptionnel, en l’articulant étroitement avec les transformations en cours liées à la révolution de l’IA au service des sciences du climat. »

Le LMD est au carrefour de la physique, des mathématiques et des sciences de l'environnement. En quoi cet ancrage pluridisciplinaire, typique de l'ENS-PSL, est-il indispensable pour aborder la complexité des phénomènes atmosphériques et océaniques ?

Les sciences du climat sont, par nature, profondément pluridisciplinaires. Dans ce contexte, le Laboratoire de météorologie dynamique bénéficie de l’écosystème de l’ENS–PSL, qui constitue un appui exceptionnel, en particulier du côté des sciences théoriques.
Nous développons ainsi plusieurs collaborations avec des collègues mathématiciens, notamment dans le cadre du projet CLIMATHS du programme de recherche Maths-Vives, autour de thématiques telles que la théorie des équations aux dérivées partielles et des systèmes dynamiques, l’analyse numérique, les probabilités ou encore la théorie des grandes déviations.

Dans ce même cadre — ainsi qu’à travers des projets ANR ou des initiatives de l’Institut des Mathématiques pour la Planète Terre — nous travaillons également avec des spécialistes des sciences des données sur des questions liées à l’intelligence artificielle, en particulier pour la simulation et la compréhension de champs aléatoires et de dynamiques complexes. 
Par ailleurs, des liens étroits nous unissent aux physiciens, notamment sur des problématiques de mécanique des fluides, de physique statistique et d’intelligence artificielle.

Pour l’avenir, nous souhaitons renforcer cette dynamique collective afin de mobiliser pleinement cet environnement scientifique théorique exceptionnel, en l’articulant étroitement avec les transformations en cours liées à la révolution de l’intelligence artificielle au service des sciences du climat. Nous construisons un grand projet collectif pour développer l’IA pour le climat.

À l'origine centré sur la dynamique de l'atmosphère, le LMD a élargi son champ à la compréhension globale du système Terre. Comment vos outils de modélisation ont-ils évolué pour intégrer les projections climatiques de long terme et répondre aux besoins d'expertise sur le changement climatique ?

La compréhension de la dynamique du système Terre suppose d’intégrer l’ensemble de ses composantes : les océans, la cryosphère, c’est-à-dire les glaces de mer et continentales, ainsi que les surfaces continentales – les sols, la végétation, le cycle de l’eau, etc. À l’ENS–PSL, le Laboratoire de météorologie dynamique a ainsi recruté au fil des années des chercheuses et chercheurs de tout premier plan dans ces différents domaines, tant en modélisation qu’en observation.

Leurs travaux portent notamment sur la dynamique océanique, les cycles biogéochimiques et les interactions avec la glace de mer, ainsi que sur les processus propres aux surfaces continentales. En amont, des théoriciens, spécialistes de mécanique des fluides, contribuent à approfondir la compréhension des mécanismes dynamiques fondamentaux qui sous-tendent ces phénomènes. En aval, des experts en sciences des données analysent et interprètent les jeux de données issus de ces systèmes complexes. La combinaison de toutes ces compétences, mise au service de l’analyse des événements extrêmes climatiques et de leurs impacts, permet au LMD et à l’ENS-PSL d’être un acteur de référence dans ce domaine.

Le LMD est aux avant-postes de la recherche climatique qui irrigue les travaux du GIEC. Comment le travail de vos chercheurs passe-t-il de l'équation mathématique à la décision politique mondiale ? Quel rôle joue le laboratoire pour éclairer les choix de nos sociétés face au réchauffement ?

Plusieurs auteurs principaux français du GIEC, en particulier au sein du groupe 1 consacré aux bases physiques du climat, sont en effet issus du Laboratoire de météorologie dynamique. Pour relier les lois fondamentales de la physique, de la chimie et de la biologie aux observations, et produire les projections climatiques synthétisées par le GIEC, la modélisation constitue l’outil central. Les mathématiques y jouent un rôle transversal, à toutes les étapes, de la formulation des modèles à l’analyse des résultats.

À une échelle plus locale, afin d’éclairer les décisions des territoires et des autres parties prenantes, nous développons des services climatiques. Ceux-ci visent à fournir aux acteurs non académiques des données climatiques à la fois précises et contextualisées. Ils contribuent également à l’émergence d’approches scientifiques nouvelles, à la fois théoriques — par le développement de nouveaux outils mathématiques — et tournées vers l’action, dans une approche transdisciplinaire, afin d’accompagner les enjeux d’adaptation et d’atténuation face aux changements climatiques. Un autre objectif essentiel est le transfert de compétences, pour renforcer l’autonomie des acteurs.

Dans ce cadre, le LMD à l’ENS–PSL collabore par exemple avec des assureurs, notamment au sein d’une chaire portée avec la MACIF, ainsi qu’avec RTE, gestionnaire du réseau de transport d’électricité français, afin d’analyser la résilience actuelle et future de ces systèmes face aux évolutions climatiques. L’ensemble de ces actions tournées vers la société contribue aux bases scientifiques qui conduisent à l’évolution des politiques publiques. Tous ces sujets sont coordonnés par une dynamique collective, dans le cadre du Centre Climat et Société à l’échelle de l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL).

« Notre ambition est de demeurer parmi les leaders, en garantissant la maîtrise des outils les plus avancés au service de l’intérêt public et des missions régaliennes de l’État. »
 

Le 25 septembre prochain, l'ENS-PSL organise la Nuit des Sciences autour des données. Quelle place occupe aujourd'hui la science des données et l'intelligence artificielle dans les recherches au LMD ? Peut-on parler de « révolution » pour la prédictibilité climatique ? 

Au cours des trois dernières années, des avancées majeures en matière de prévision météorologique ont émergé à l’échelle internationale, portées par l’intelligence artificielle et impulsées par les grands acteurs technologiques mondiaux. Des modèles IA peuvent maintenant prédire certains aspects de la météo à l’échelle de deux semaines, avec une précision comparable aux modèles physique mais à un coût de calcul réduit d’un facteur de l’ordre de 1,000. Dans ce contexte, le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF), représentant de nombreux États européens et reconnu comme le meilleur au monde grâce à ses modèles physiques, s’est pleinement mobilisé pour développer un modèle fondé sur l’IA capable de faire mieux que les solutions des acteurs privés et de reprendre l’initiative.

Dans le domaine du climat, nous nous trouvons dans une situation comparable : une transformation d’ampleur équivalente est attendue. Le Laboratoire de météorologie dynamique s’engage résolument à être à l’avant-garde de cette révolution, fidèle à sa tradition d’excellence face aux grandes ruptures technologiques. Notre ambition est de demeurer parmi les leaders, en garantissant la maîtrise des outils les plus avancés au service de l’intérêt public et des missions régaliennes de l’État.

C’est dans cette perspective que j’ai initié et que je coordonne « L’initiative de l’IPSL pour l’intelligence artificielle », une dynamique fédératrice qui mobilise aujourd’hui plus de 100 chercheurs et ingénieurs au sein de l’institut. Parallèlement, à l’échelle de l’ENS-PSL, nous développons, au sein du LMD en collaboration avec le département de géosciences, le Centre des Sciences des Données et l’initiative Normalesup.ai, un projet structurant et ambitieux. Ce projet vise à opérer la convergence entre deux révolutions majeures : celle de l’intelligence artificielle et celle de la physique contemporaine. De cette convergence émergera une troisième révolution scientifique, centrée sur l’étude des systèmes naturels complexes, dont la modélisation du climat constitue l’exemple paradigmatique.

Pour mener à bien cette ambition, nous nous appuyons pleinement sur l’environnement interdisciplinaire exceptionnel de l’ENS-PSL, à l’interface des mathématiques, des sciences des données, de l’informatique, de la physique et des géosciences. L’ensemble de ces initiatives bénéficie par ailleurs d’un soutien fort, constant et particulièrement efficace de la direction de l’École.
Ces démarches seront également présentées lors de la Nuit des Sciences autour des données, en septembre prochain.