[论文解读] 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 9

一句话总结

本论文首次实现了对2018年帕卢苏拉威西地震与海啸的全耦合三维模拟，采用高阶间断伽辽金方法与ADER局部时间推进技术，模拟地球与海洋介质中弹性波、声波与重力波的耦合。模拟在包含约2610亿自由度的网格上解析了高达15 Hz的声波场，揭示海洋声波可产生与海啸波幅值相当的表面扰动，挑战了传统单向耦合模型的假设。

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.

研究动机与目标

• 克服传统单向耦合地震-海啸模型忽略声波效应与水平动量传递的局限性。
• 开发基于动态地震破裂源的弹性与声学介质中地震波、声波与表面重力波传播的全耦合三维模型。
• 实现在复杂三维几何结构中、具有真实海底地形与断层结构的高分辨率、物理驱动的海啸生成模拟。
• 在多种超算平台上展示千万亿次量级可扩展性与高性能，适用于大规模多物理场地震-海啸模拟。

提出的方法

• 模型采用包含重力的三维全耦合声-弹性系统，空间离散采用高阶间断伽辽金（DG）有限元方法，时间推进采用ADER格式以实现高阶时间精度。
• 自适应非结构化四面体网格可解析复杂几何结构，包括高分辨率海底地形、海岸线与分段断层，元素尺寸与波速变化显著。
• 通过ADER-DG格式实现局部时间推进，高效处理波速与时间步长差异巨大的单元。
• 模拟在SeisSol地震模拟代码中实现，采用MPI+OpenMP并行化，可在百亿亿次量级系统上实现可扩展性。
• 采用启发式多物理场负载均衡策略，适应异构超算架构，提升性能与效率。
• 模型在单次模拟中自洽地再现动态地震破裂、弹性波传播、海洋声波与海啸重力波生成过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 海洋声波在海啸早期生成阶段对表面扰动的贡献程度如何？其幅值与海啸波相比如何？
• RQ2 超音速破裂动力学与复杂三维海底地形如何影响地震波场与海啸波场之间的耦合？
• RQ3 标准单向耦合三维地震模型与二维浅水海啸模型在捕捉海啸生成完整物理机制方面存在哪些局限性？
• RQ4 与单向连接方法相比，全耦合三维模型在再现已知基准解方面表现如何？
• RQ5 在现代千万亿次量级超算上，全耦合三维声-弹性模型的可扩展性与性能表现如何？

主要发现

• 在SuperMUC-NG的768个节点上达到1298 GFLOPS，在3072个节点上达到996 GFLOPS，并行效率约为76.8%。
• 最大网格具有约2610亿自由度，可解析至少15 Hz的声波场。
• 地震激发的海洋声波产生与海啸波幅值相当的表面扰动，但频率显著更高。
• 超音速破裂形成的马赫锥在声响应中清晰可见，表明破裂动力学与海洋波生成之间存在强烈耦合。
• 全耦合模型与单向连接模拟相比显示出显著差异，尤其在早期波场结构与动量传递方面。
• 实现优异的单节点性能（AMD Rome处理器上预测步最高达峰值性能的63%），并在SuperMUC-NG上实现1600个节点、在Mahti上实现700个节点的高效扩展。