合作有助于地球物理學(xué)家更好地了解嚴(yán)重的地震海嘯風(fēng)險
導(dǎo)讀 近十年來，慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué) (LMU) 和慕尼黑工業(yè)大學(xué) (TUM) 的研究人員促進了地球物理學(xué)家和計算機科學(xué)家之間的健康合作...
近十年來，慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué) (LMU) 和慕尼黑工業(yè)大學(xué) (TUM) 的研究人員促進了地球物理學(xué)家和計算機科學(xué)家之間的健康合作，試圖解決人類最可怕的問題之一。盡管近幾十年來取得了進展，但研究人員在很大程度上仍無法預(yù)測地震可能發(fā)生的時間和地點。
在適當(dāng)?shù)那闆r下，幾分鐘的劇烈震動可能預(yù)示著更大的威脅——海底某些類型的地震會迅速取代大量的水，從而產(chǎn)生巨大的海嘯，在某些情況下，這些海嘯只會在幾分鐘內(nèi)到達(dá)地震本身結(jié)束后造成嚴(yán)重破壞 。
不過，極端劇烈的地震并不總是會引發(fā)海嘯。相對溫和的地震仍有可能引發(fā)危險的海嘯情況。LMU 地球物理學(xué)家決心通過更好地了解導(dǎo)致這些事件的基本動力學(xué)來幫助保護脆弱的沿海人口，但他們認(rèn)識到來自海洋、陸地和大氣傳感器的數(shù)據(jù)不足以描繪整個畫面。因此，該團隊在 2014 年轉(zhuǎn)向使用建模和仿真來更好地了解這些事件。具體來說，它開始在萊布尼茨超級計算中心 (LRZ) 使用高性能計算 (HPC) 資源，該中心是組成高斯超級計算中心 (GCS) 的三個中心之一。
“HPC 硬件的發(fā)展首先使這項工作成為可能，”LMU 教授兼該項目研究員 Alice-Agnes Gabriel 博士說。“我們需要了解大型逆沖斷層系統(tǒng)如何工作的基本原理，因為它將幫助我們評估俯沖帶的危害。目前尚不清楚哪些地質(zhì)斷層實際上可以產(chǎn)生 8 級及以上地震，以及產(chǎn)生海嘯的最大風(fēng)險?！?/p>
通過在 LRZ 多年的計算工作，該團隊開發(fā)了對先前劇烈地震海嘯事件的高分辨率模擬。LMU 研究人員整合了許多不同類型的觀測數(shù)據(jù)，現(xiàn)已確定了在確定地震引發(fā)海嘯的可能性方面發(fā)揮重要作用的三個主要特征——沿斷層線的應(yīng)力、巖石硬度和沉積層強度。LMU 團隊最近在Nature Geoscience上發(fā)表了其研究結(jié)果。
過去的教訓(xùn)
該團隊之前的工作對過去的地震海嘯事件進行了建模，以測試模擬是否能夠重現(xiàn)實際發(fā)生的情況。該團隊花費了大量精力來模擬 2004 年蘇門答臘-安達(dá)曼地震——這是有記錄以來最猛烈的自然災(zāi)害之一，包括 9 級地震和高達(dá) 30 多米的海嘯波。這場災(zāi)難造成近 100 萬人死亡，并造成數(shù)十億美元的經(jīng)濟損失。
模擬這樣一個快速移動的復(fù)雜事件需要大量的計算能力。研究人員必須將研究區(qū)域劃分為一個細(xì)粒度的計算網(wǎng)格，他們在其中求解方程以確定每個空間中水或地面(或兩者)的物理行為，然后非常緩慢地及時推進他們的計算，以便他們可以觀察如何和當(dāng)發(fā)生變化時。
盡管處于計算建模工作的最前沿，但該團隊在 2017 年使用了 SuperMUC 第二階段的絕大多數(shù)，當(dāng)時 LRZ 的旗艦超級計算機，并且只能以高分辨率對單個地震模擬進行建模。在此期間，該小組與TUM 的計算機科學(xué)家合作開發(fā)了一種“本地時間步進”方法，該方法實質(zhì)上允許研究人員將時間密集型計算集中在快速變化的區(qū)域上，同時跳過事情發(fā)生變化的區(qū)域。在整個模擬過程中不變。通過采用這種本地時間步進方法，該團隊能夠在 14 小時內(nèi)運行其蘇門答臘-安達(dá)曼地震模擬，而不是之前需要 8 天。
該團隊繼續(xù)改進其代碼以更高效地運行，改進輸入/輸出方法和節(jié)點間通信。同時，LRZ 于 2018 年安裝了其下一代 SuperMUC-NG 系統(tǒng)，比上一代功能強大得多。結(jié)果?該團隊不僅能夠?qū)⒌卣鹉M本身與構(gòu)造板塊運動以及巖石如何破碎和滑動的物理規(guī)律統(tǒng)一起來，而且還能夠真實地模擬海嘯波的生長和傳播。Gabriel 指出，如果沒有像 LRZ 那樣的 HPC 資源，這些模擬都是不可能的。
“這確實是我們正在利用的硬件感知優(yōu)化，”她說?！坝嬎銠C科學(xué)成就對于我們推進計算地球物理學(xué)和地震科學(xué)至關(guān)重要，這些科學(xué)數(shù)據(jù)越來越豐富，但模型仍然很貧乏。隨著進一步優(yōu)化和硬件進步，我們可以執(zhí)行盡可能多的這些場景，以允許敏感性分析找出哪些初始條件對理解大地震最有意義?！?/p>
在獲得模擬數(shù)據(jù)后，研究人員開始著手了解哪些特征似乎在使這次地震具有如此破壞性方面發(fā)揮了最大作用。在確定應(yīng)力、巖石硬度和沉積物強度在確定地震強度及其引發(fā)大海嘯的傾向方面發(fā)揮最大作用后，該團隊幫助將 HPC 納入科學(xué)家和政府官員的跟蹤、緩解和準(zhǔn)備手冊中為地震和海嘯災(zāi)難向前發(fā)展。
HPC時代的緊急計算
Gabriel 表示，該團隊的計算進步完全符合 HPC 社區(qū)中的一種新興意識，即這些世界級資源需要在災(zāi)難或緊急情況下以“快速響應(yīng)”的方式提供。由于與 LRZ 的長期合作，該團隊能夠快速模擬 2018 年尼西亞蘇拉威西島附近的帕盧地震和海嘯，造成 2,000 多人死亡，并提供有關(guān)發(fā)生情況的見解。
“我們需要了解水下斷層系統(tǒng)如何工作的基本原理，因為它將幫助我們評估它們的地震以及級聯(lián)次生災(zāi)害。具體來說，帕盧地震的致命后果讓科學(xué)家們完全感到驚訝，”加布里埃爾說?！拔覀儽仨殦碛谢谖锢淼?HPC 模型來進行快速響應(yīng)計算，這樣我們才能在發(fā)生危險事件后快速做出響應(yīng)。當(dāng)我們對帕盧地震進行建模時，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好第一個數(shù)據(jù)融合模型來嘗試解釋在幾個周。如果科學(xué)家們知道哪些地質(zhì)結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，我們可以相信這些模型中的某些模型能夠為危險評估和操作危險緩解提供信息。
除了能夠以略有不同的輸入運行相同場景的許多排列之外，該團隊還專注于利用新的人工智能和機器學(xué)習(xí)方法來幫助梳理團隊在模擬過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)訂單有助于清理來自團隊模擬的不相關(guān)且可能分散注意力的數(shù)據(jù)。
該團隊還參與了 ChEESE 項目，該項目旨在為 exascale 系統(tǒng)或下一代系統(tǒng)準(zhǔn)備成熟的 HPC 代碼，每秒可進行 10 億次計算，或者是當(dāng)今最強大的超級計算機 Fugaku 的兩倍以上的制度。
