Сотрудничество помогает геофизикам лучше понять риски сильных землетрясений и цунами

Исследователи из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) и Мюнхенского технического университета (TUM) почти десять лет развивают сотрудничество между геофизиками и компьютерными специалистами для решения одной из сложнейших проблем. Несмотря на прогресс, возможность прогнозировать время и место землетрясений остается крайне ограниченной. Особую опасность представляют подводные землетрясения, способные порождать разрушительные цунами, иногда наступающие уже через несколько минут после сейсмических толчков.

Для лучшего понимания фундаментальной динамики этих событий команда с 2014 года использует моделирование на высокопроизводительных вычислительных (HPC) ресурсах Суперкомпьютерного центра имени Лейбница (LRZ). Как отметила профессор LMU и руководитель проекта Алис-Аньес Габриэль, рост мощности HPC-оборудования сделал эту работу возможной. Исследователям необходимо понять основы работы систем меганадвиговых разломов, чтобы оценивать риски в зонах субдукции. В результате многолетней работы команда разработала высокодетальные симуляции прошлых событий и, интегрируя различные наблюдательные данные, определила три ключевых фактора, влияющих на потенциал землетрясения вызвать цунами: напряжение вдоль разлома, жесткость пород и прочность осадочных слоев. Результаты опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Команда моделировала прошлые события, такие как землетрясение и цунами в Суматре-Андамане 2004 года магнитудой 9, чтобы проверить точность симуляций. Моделирование таких быстрых и сложных явлений требует огромных вычислительных ресурсов. В 2017 году команда использовала большую часть мощности суперкомпьютера SuperMUC Phase 2 для одной высокодетальной симуляции. Сотрудничество с компьютерными учеными TUM привело к разработке метода «локального шага по времени», который позволил сократить время моделирования того же события с 8 дней до 14 часов. Дальнейшая оптимизация кода и запуск более мощного суперкомпьютера SuperMUC-NG в 2018 году позволили объединить в одной модели симуляцию самого землетрясения, движения тектонических плит и реалистичное распространение цунами.

«Это действительно оптимизация с учетом аппаратного обеспечения, — подчеркнула Габриэль. — Достижения в области компьютерных наук необходимы для развития вычислительной геофизики. С дальнейшей оптимизацией мы сможем выполнять множество сценариев для анализа чувствительности и выявления наиболее значимых начальных условий». Эти разработки также соответствуют растущему в сообществе HPC запросу на «вычисления быстрого реагирования» во время стихийных бедствий. Так, команда смогла быстро смоделировать землетрясение и цунами в Палу (Индонезия) 2018 года, унесшие более 2000 жизней, и предоставить анализ произошедшего в течение нескольких недель. Команда также работает над применением методов искусственного интеллекта для анализа больших данных моделирования и участвует в проекте ChEESE, направленном на подготовку кодов HPC для экзафлопсных систем следующего поколения.