[論文レビュー] 3D Acoustic-Elastic Coupling with Gravity: The Dynamics of the 2018 Palu, Sulawesi Earthquake and Tsunami

Lukas Krenz, Carsten Uphoff+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2021

Seismic Imaging and Inversion Techniques参考文献 63被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、2018年パルア＝スラウェシ地震および津波の、最初の完全な3次元カップリングシミュレーションを提示する。高次不連続ガラーキン法とADER局所時間ステッピングを用いて、地球と海洋媒画における弾性波、音響波、重力波のカップリングをモデル化した。メッシュには約2610億の自由度を有し、音響波動場の15 Hzまでの高周波数成分を解像可能であり、海洋音響波が津波と同等の振幅の表面摂動を生じることを明らかにした。これは、従来の片方向カップリングモデルの仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

We present a highly scalable 3D fully-coupled Earth & ocean model of earthquake rupture and tsunami generation. We model seismic, acoustic and surface gravity wave propagation in elastic (Earth) and acoustic (ocean) materials sourced by physics-based non-linear earthquake dynamic rupture. Complicated geometries, including high-resolution bathymetry, coastlines and segmented earthquake faults are discretized by adaptive unstructured tetrahedral meshes. A Discontinuous Galerkin discretization with ADER local time-stepping (ADER-DG) yields petascale computational efficiency and high-order accuracy in time and space. We compare the 3D fully-coupled approach to a benchmark problem for 3D-2D linked models that use 2D shallow-water modeling. We present a large-scale fully-coupled model of the 2018 Sulawesi events that links the dynamics from supershear earthquake faulting to elastic and acoustic waves in Earth and ocean to tsunami gravity wave propagation in the narrow Palu Bay. And we demonstrate scalability and performance of the MPI+OpenMP parallelization on three petascale supercomputers.

研究の動機と目的

• 音響波の効果と水平運動量の伝達を無視する従来の片方向カップリング地震津波モデルの限界を克服すること。
• 動的地震断層発生を源とする、弾性媒画および音響媒画における地震波、音響波、表面重力波の完全な3次元カップリングモデルの開発。
• 複雑な3次元幾何形状、実際の水深および断層構造を有する、高解像度の物理ベースの津波生成シミュレーションの実現。
• 大規模なマルチフィジックス地震津波シミュレーションにおいて、現代のペタスケールスーパーコンピュータプラットフォームで、スケーラビリティと高性能を実証すること。

提案手法

• 3次元完全カップリング音響-弾性系に重力項を含め、空間的離散化に高次不連続ガラーキン（DG）有限要素法、時間的精度に高次ADERS時間積分を用いる。
• 適応的非構造的四面体メッシュが、複雑な幾何形状（高解像度水深、海岸線、セグメント化された断層）を解像可能であり、要素サイズおよび波速の大きな変動を扱える。
• ADER-DGスキームによる局所時間ステッピングにより、著しく異なる波速および時間ステップを持つ要素間での効率的計算が可能。
• SeisSol地震シミュレーションコードに実装され、MPI+OpenMP並列化によりエクサスケールクラスのシステムでスケーラビリティを確保。
• 異種のスーパーコンピュータアーキテクチャに対応するヒューリスティックなマルチフィジックス負荷分散戦略により、性能と効率が向上。
• 動的地震断層発生、弾性波伝播、海洋音響波、津波重力波生成を、一度のシミュレーションで自己一貫的に再現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地震発生直後の津波生成段階において、海洋音響波が表面摂動にどの程度寄与しているか、また津波波と振幅で比較してどうか。
• RQ2 超音速断層発生ダイナミクスおよび複雑な3次元水深が、地震波場と津波波場の間のカップリングにどのように影響するか。
• RQ3 標準的な片方向カップリング3次元地震モデルと2次元浅水域津波モデルが、津波生成の全物理的メカニズムをどの程度正しく捉えられるか。
• RQ4 完全カップリング3次元モデルは、片方向リンク手法と比較して、既知のベンチマーク解をどの程度正確に再現するか。
• RQ5 現代のペタスケールスーパーコンピュータ上で、完全カップリング3次元音響-弾性モデルのスケーラビリティと性能はどの程度か。

主な発見

• SuperMUC-NGの768ノードでは1298 GFLOPS、3072ノードでは996 GFLOPSを達成し、並列効率は約76.8%であった。
• 最大メッシュでは約2610億の自由度を有し、音響波動場の少なくとも15 Hzまで解像可能であった。
• 地震によって生成された海洋音響波が、津波波と同等の振幅の表面摂動を生じさせたが、周波数ははるかに高かった。
• 超音速断層発生によって形成されたマッハ錐が、音響応答において明確に可視化され、断層ダイナミクスと海洋波生成との強いカップリングを示した。
• 完全カップリングモデルは、片方向リンクシミュレーションと比較して、特に初期時刻の波動場構造および運動量移動に顕著な差を示した。
• 実装は優れた単一ノード性能（AMD Romeで予測ステップでピークの63%まで）を示し、SuperMUC-NGで1600ノード、Mahtiで700ノードまで効率的にスケーリングした。