Незадолго до 8:00 утра по местному времени 26 декабря 2004 года люди в Юго-Восточной Азии начинали свои дни, когда третье по силе зарегистрированное землетрясение в истории разорвало 1500-километровую трещину на дне океана у побережья. индонезийского острова Суматра.
Землетрясение длилось от 8 до 10 минут (одно из самых продолжительных из когда-либо зарегистрированных) и подняло дно океана на несколько метров, вызвав цунами с 30-метровыми волнами, которые опустошили целые населенные пункты. Это событие унесло жизни почти 200 000 человек в 15 странах и высвободило столько же энергии над и под землей, сколько несколько столетий энергопотребления в США.
Суматра-Андаманское землетрясение, как его называют, было столь же удивительным, сколь и сильным. Несмотря на значительные достижения в области систем мониторинга и оповещения о землетрясениях за последние 50 лет, ученые-геологи не смогли предсказать их, потому что существует относительно мало данных о таких крупномасштабных сейсмологических событиях. У исследователей есть огромное количество информации, касающейся полурегулярных землетрясений слабой и средней силы, но такие бедствия, как Суматра-Андаманское, - события, которые случаются только раз в пару сотен лет, - слишком редки, чтобы создавать надежные наборы данных.
Чтобы лучше понять эти события и, как мы надеемся, предложить лучшие методы прогнозирования и смягчения последствий, группа исследователей из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Мюнхенского технического университета (TUM) использует ресурсы суперкомпьютеров. в Суперкомпьютерном центре Лейбница (LRZ), чтобы лучше понять эти редкие и чрезвычайно опасные сейсмические явления.
«Наша общая мотивация состоит в том, чтобы лучше понять весь процесс, почему некоторые землетрясения и возникающие в результате цунами намного сильнее, чем другие», - сказал профессор ТУМ д-р. Майкл Бейдер. «Иногда мы видим относительно небольшие цунами во время сильных землетрясений или удивительно большие цунами, связанные с относительно небольшими землетрясениями. Моделирование - один из инструментов, позволяющих получить представление об этих событиях».
Команда стремится к «связанному» моделированию как землетрясений, так и последующих цунами. Недавно было завершено крупнейшее в истории моделирование землетрясения. Используя суперкомпьютер SuperMUC в LRZ, команда смогла смоделировать 1500 километров нелинейной механики разрушения - очага землетрясения - в сочетании с сейсмическими волнами, достигающими Индии и Таиланда, в течение немногим более 8 минут Суматра-Андаманского землетрясение. Благодаря нескольким внутренним вычислительным инновациям команда добилась 13-кратного сокращения времени решения. В знак признания этого достижения проект был номинирован на награду за лучшую статью на SC17, одной из ведущих мировых конференций по суперкомпьютерам, проходившей в этом году 12-17 ноября в Денвере, штат Колорадо.
Мегаупорные землетрясения, крупномасштабные симуляции
Землетрясения случаются, когда горная порода под поверхностью Земли внезапно разрушается, часто в результате медленного движения тектонических плит.
Одним грубым предиктором способности землетрясения в океане вызвать сильное цунами является то, трутся ли плиты друг о друга или сталкиваются лоб в лоб. Если две или более плит сталкиваются, одна плита часто толкает другую под себя. Области, в которых происходит этот процесс, называются зонами субдукции и могут содержать очень большие пологопадающие разломы - так называемые «меганадвиги». Высвобождение энергии в таких огромных зонах слабости имеет тенденцию создавать сильные цунами, поскольку дно океана значительно поднимается, временно вытесняя большие объемы воды.
До недавнего времени исследователи, занимающиеся вычислительной геофизикой, сталкивались с большими трудностями при моделировании субдукционных землетрясений с необходимым уровнем детализации и точности. Моделирование крупномасштабных землетрясений обычно затруднено, но события субдукции еще более сложны.
«Моделирование землетрясений - это многомасштабная проблема как в пространстве, так и во времени», - сказала доктор Элис Габриэль, ведущий исследователь группы LMU. «Реальность сложна, а это означает, что включение наблюдаемой сложности очагов землетрясений неизменно требует использования численных методов, высокоэффективного программного обеспечения для моделирования и, конечно же, высокопроизводительных вычислений (HPC). Только используя HPC, мы можем создавать модели, которые могут оба разрешают снятие динамического напряжения и разрывы, возникающие при землетрясении, а также моделируют смещение морского дна на тысячи километров».
Когда исследователи моделируют землетрясение, они используют вычислительную сетку, чтобы разделить моделирование на множество мелких частей. Затем они вычисляют конкретные уравнения для различных аспектов симуляции, таких как генерируемое сейсмическое сотрясение или смещение дна океана, среди прочего, по «временным шагам» или моментальным снимкам симуляции с течением времени, которые помогают привести ее в движение, подобно книжке-раскладушке.
Чем мельче сетка, тем точнее симуляция, но тем сложнее она становится в вычислительном отношении. Кроме того, чем сложнее геометрия землетрясения, тем сложнее становится сетка, что еще больше усложняет вычисления. Для моделирования субдукционных землетрясений ученые-вычислители должны создать большую сетку, которая также может точно отображать очень малые углы, под которыми встречаются две континентальные плиты. Это требует, чтобы ячейки сетки вокруг области субдукции были очень маленькими и часто тонкой формы.
В отличие от континентальных землетрясений, которые лучше задокументированы с помощью расчетов и наблюдений, события субдукции часто происходят глубоко в океане, а это означает, что гораздо сложнее ограничить моделирование наблюдениями за сотрясениями грунта и подробными, надежными данными, полученными непосредственно наблюдения и лабораторные эксперименты.
Кроме того, расчет связанного крупномасштабного моделирования землетрясения и цунами требует использования данных из самых разных источников. Исследователи должны учитывать форму морского дна, форму и прочность границы плиты, разорванной землетрясением, и поведение материала земной коры на каждом уровне, среди других аспектов. Команда провела последние несколько лет, разрабатывая методы более эффективной интеграции этих разрозненных источников данных в непротиворечивую модель.
Чтобы сократить огромное время вычислений, команда использовала метод под названием «локальный шаг по времени». В областях, где моделирование требует гораздо большего количества пространственных деталей, исследователи также должны «замедлить» моделирование, выполняя больше временных шагов в этих областях. Другие разделы, требующие меньшего количества деталей, могут выполняться гораздо дольше и, следовательно, гораздо меньше временных шагов.
Если бы команде пришлось запустить всю симуляцию с одинаковым небольшим временным шагом, потребовалось бы примерно 3 миллиона отдельных итераций. Однако такой шаг по времени требовался лишь для нескольких ячеек расчетной сетки. Основные части могут быть вычислены с гораздо большими временными шагами, для некоторых требуется всего 3000 временных шагов. Это значительно снизило потребность в вычислениях и привело к 13-кратному ускорению команды. Это продвижение также привело к тому, что симуляция команды стала самой крупной и продолжительной симуляцией землетрясения такого типа на основе первых принципов.
Поступательное движение
Благодаря тесному сотрудничеству с персоналом LRZ у команды была возможность использовать всю машину SuperMUC для моделирования. Бадер указал, что эти чрезвычайно крупномасштабные прогоны бесценны для команды, поскольку они позволяют глубже понять свои исследования. «Существует большая разница, работаете ли вы на четверти машины или на полной машине, поскольку последний коэффициент 4 часто выявляет критические узкие места», - сказал он.
Способность команды в полной мере использовать ресурсы суперкомпьютеров текущего поколения заставляет ее с энтузиазмом смотреть в будущее. Не обязательно важно, чтобы машины следующего поколения давали исследователям LMU-TUM возможность запускать «более крупные» симуляции - текущие симуляции могут эффективно моделировать достаточно большую географическую область. Скорее, команда рада возможности изменять входные данные и запускать гораздо больше итераций в течение заданного количества вычислительного времени.
«Мы провели одно индивидуальное моделирование, пытаясь точно угадать начальную конфигурацию, такую как начальные напряжения и силы, но все они все еще неопределенны», - сказал Бейдер. «Поэтому мы хотели бы запустить нашу симуляцию со многими различными настройками, чтобы увидеть, как небольшие изменения в системе отказов или других факторах повлияют на исследование. Это будут исследования более крупных параметров, что является еще одним уровнем производительности, который должен обеспечить компьютер.."
Габриэль также упомянул, что машины следующего поколения, как мы надеемся, смогут моделировать срочные сценарии в реальном времени, которые могут помочь предсказать опасности, связанные с вероятными регионами афтершоков. Команда рада видеть архитектуры следующего поколения в LRZ и других центрах суперкомпьютеров Гаусса, Центре высокопроизводительных вычислений в Штутгарте и Центре суперкомпьютеров в Юлихе.
По мнению Бадера, недавняя работа команды представляет собой не только самое крупномасштабное моделирование на сегодняшний день, но и все более тесное сотрудничество между учеными в предметной области и учеными-вычислителями в группе. «В этой статье есть сильный компонент сейсмологии и сильный компонент HPC», - сказал он. «Это действительно статья 50 на 50 для нас. Наше сотрудничество идет хорошо, и это потому, что речь не идет о том, чтобы получить нашу или их. Обе группы получают прибыль, и это действительно хорошая совместная работа».