[논문 리뷰] 3D Acoustic-Elastic Coupling with Gravity: The Dynamics of the 2018 Palu, Sulawesi Earthquake and Tsunami

Lukas Krenz, Carsten Uphoff외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 13.

Seismic Imaging and Inversion Techniques참고 문헌 63인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 2018년 팔루, 수라웨시 지진과 쓰나미를 위한 처음으로 완전히 결합된 3차원 시뮬레이션을 제시한다. 고차수 불연속 갈레르킨 방법과 ADER 국소 시간 스텝핑을 사용하여 지구 및 해양 매질에서 탄성파, 음향파, 중력파의 상호작용을 모델링한다. 메시에 약 2610억 개의 자유도를 가진 시뮬레이션은 음향파장의 최대 15 Hz를 해상도로 확보하며, 해양 음향파가 쓰나미와 비교할 만한 진폭의 표면 변동을 일으킬 수 있음을 드러내어 전통적인 단방향 결합 모델의 가정에 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 음향파 영향과 수평 운동량 이행을 忽시하는 전통적인 단방향 결합 지진-쓰나미 모델의 한계를 극복하기 위해.
• 역동적 지진 균열에 의해 발생하는 탄성 및 음향 매질에서의 지진파, 음향파, 표면 중력파 전파를 완전히 결합된 3차원 모델로 개발하기 위해.
• 복잡한 3차원 기하구조, 현실적인 수심도 및 단층 구조를 가진 환경에서 고해상도의 물리 기반 쓰나미 생성 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 대규모 다물리적 지진-쓰나미 시뮬레이션을 위한 페타스케일 확장성과 고성능을 현대의 초고성능 시스템에서 입증하기 위해.

제안 방법

• 모델은 중력이 포함된 3차원 완전히 결합된 음향-탄성 시스템을 사용하며, 공간적으로 고차수 불연속 갈레르킨(DG) 유한요소법과 시간적으로 고차수 정확도를 확보하기 위한 ADER 시간 적분을 적용한다.
• 적응형 비정렬 삼각형 메쉬는 복잡한 기하구조, 특히 고해상도 수심도, 해안선, 분할된 단층을 해결하며, 요소 크기와 파동 속도의 큰 변화를 수용한다.
• ADER-DG 방법을 통한 국소 시간 스텝핑은 매우 다른 파동 속도와 시간 스텝을 가진 요소들 사이에서 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션은 SeisSol 지진 시뮬레이션 코드에 구현되었으며, 엑사스케일 수준의 시스템에서 확장성을 확보하기 위해 MPI+OpenMP 병렬화 기법을 활용한다.
• 이질적인 초고성능 시스템 아키텍처를 고려한 히우리스틱 다물리적 로드 밸런싱 전략이 성능과 효율성을 향상시켰다.
• 모델은 단일 시뮬레이션 내에서 역동적 지진 균열, 탄성파 전파, 해양 음향파, 쓰나미 중력파 생성을 자발적으로 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지진 초기 단계에서 해양 음향파가 표면 변동에 얼마나 기여하는가? 그리고 쓰나미 파와 진폭 측면에서 비교해보면 어떠한가?
• RQ2 초속도 균열 역학과 복잡한 3차원 수심도는 지진파장과 쓰나미 파장 간의 결합에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 표준 단방향 결합 3차원 지진 모델과 2차원 얕은 물 흐름 쓰나미 모델은 쓰나미 생성의 전체 물리적 메커니즘을 얼마나 잘 반영하는가?
• RQ4 완전히 결합된 3차원 모델은 단방향 연결 방식에 비해 알려진 기준 솔루션을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 현대의 페타스케일 초고성능 컴퓨터에서 완전히 결합된 3차원 음향-탄성 모델의 확장성과 성능은 어떠한가?

주요 결과

• SuperMUC-NG의 768개 노드에서 1298 GFLOPS, 3072개 노드에서 996 GFLOPS의 성능를 기록하였으며, 병렬 효율은 약 76.8%였다.
• 가장 큰 메시는 약 2610억 개의 자유도를 가지며, 최소 15 Hz의 음향파장 해상도를 확보하였다.
• 지진에 의해 생성된 해양 음향파는 쓰나미 파와 비교할 만한 진폭의 표면 변동을 일으켰지만, 훨씬 높은 주파수에서 발생하였다.
• 초속도 균열에 의해 형성된 매크 원뿔은 음향 응답에서 명확하게 관측되었으며, 이는 균열 역학과 해양파 생성 간의 강력한 결합을 시사한다.
• 완전히 결합된 모델은 단방향 연결 시뮬레이션과는 상당한 차이를 보였으며, 특히 초기 시점의 파장 구조와 운동량 이행 측면에서 뚜렷했다.
• 구현은 뛰어난 단일 노드 성능(AMD 로메에서 예측기 계산 단계에서 최대 피크의 63%)을 보였고, SuperMUC-NG에서 최대 1600개 노드, Mahti에서 최대 700개 노드까지 효율적으로 확장되었다.