Сибирские ученые разработали технологию для быстрого расчета цунами

Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН совместно с коллегами из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН создали инструмент для быстрого численного моделирования распространения волны цунами — сопроцессор для персонального компьютера, по производительности сопоставимый с суперкомпьютерными вычислениями. Технология поможет в течение нескольких минут после землетрясения получать оценку ожидаемого распределения высоты волны вдоль побережья. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Ocean Modelling. Публикацию в газете "Наука в Сибири" подготовила журналист Диана Хомякова. 

«Модель, которая хорошо описывает распространение волны, известна давно, это достаточно простая система уравнений мелкой воды. Скорость распространения равна корню квадратному из глубины, то есть чем больше глубина, тем быстрее будет двигаться волна. Средняя глубина Тихого океана — четыре километра, там скорость распространения волны составляет 200 метров в секунду или 720 километров в час (примерно как у современного авиалайнера). Если в запасе много времени, можно привлекать суперкомпьютерные ресурсы и проводить детальные расчеты по моделям, учитывающим большое число параметров. Нас же заинтересовали случаи, когда очаг землетрясения находится близко к суше, что характерно для побережья Камчатки, Сахалина, Курильских островов и Японии. В этих случаях время, за которое волна проходит от очага землетрясения до ближайшей точки берега, составляет всего 25—30 минут, и на первый план выходит скорость расчетов», — рассказывает заведующий лабораторией программных систем машинной графики ИАиЭ СО РАН доктор физико-математических наук Михаил Михайлович Лаврентьев.
Когда происходит землетрясение, геофизические службы определяют всего два параметра: координаты эпицентра и магнитуду (характеристику количества выделившейся энергии). При этом известно немало случаев, когда при одинаковой магнитуде сейсмических событий, происходящих примерно в одной и той же точке, одни вызывали разрушительные волны, а другие нет. На то, произойдет ли цунами, влияют профиль глубин, над которыми распространяется волна, и вызванное землетрясением возмущение поверхности морского дна.
«Мы пользуемся измерениями уже сформировавшейся волны. Эта технология сейчас активно развивается во многих странах. На дне океана размещаются датчики, они определяют высоту столба воды над ними с точностью до одного сантиметра. Таких датчиков в океане уже достаточно много, значительная часть из них расположена у побережья Японии. Многие расчеты мы сейчас делаем именно для побережья Японии, поскольку там имеется большая база исторических наблюдений и подробные данные по профилю морского дна. Предполагаем, когда появится готовый продукт, его смогут эффективно использовать и наши службы МЧС», — говорит Михаил Лаврентьев.
По профилю волны исследователи научились приблизительно определять форму возмущения поверхности воды в источнике цунами. Такое измерение не дает точный результат, но показывает хорошее приближение. «В отличие от медицины, где при прочтении снимка зачастую нельзя ошибиться и на несколько пикселей, здесь погрешность в 10 % вполне допустима. Нет существенной разницы между волной высотой 2 метра или 2,20 метра, а волны высотой 20 или 22 метра почти одинаково опасны», — комментирует исследователь.
Поскольку датчики не всегда оказывается в той точке, где происходит сейсмическое событие, в модель закладывается время, за которое волна доходит до них от эпицентра. Здесь тоже есть свои сложности, ведь при землетрясении волны бегут и в земной коре, и в жидкости, и по поверхности раздела между дном и водой. Последние называют волнами Рэлея — как правило, они двигаются гораздо быстрее и их измерение требует другой аппаратуры, которая в настоящее время в глубоководных датчиках не применяется. Однако при грамотном, основанном на расчетах, расположении датчиков вполне реально добиться того, чтобы волна цунами после землетрясения была зарегистрирована через 10 минут. Затем необходимо как можно быстрее понять, куда и как быстро эта волна пойдет дальше. Существенно сократить время такого прогноза помогают современные средства аппаратного ускорения расчетов.
Ученые ИАиЭ СО РАН и ИВМиМГ СО РАН разработали специализированный аппаратный ускоритель для быстрого численного моделирования распространения цунами. Он работает на базе кристалла так называемой программируемой логики — Field Programmable Gates Array (FPGA). Специальная печатная плата в составе обычного персонального компьютера позволяет добиться производительности, сопоставимой с суперкомпьютером, при решении конкретной задачи расчета распространения волны. Алгоритмы загружаются в память при каждом включении компьютера, то есть их можно активировать по необходимости. Эта плата спроектирована в ИАиЭ СО РАН, она изготавливается и паяется на предприятиях Академгородка и Новосибирска.
«К чему мы стремимся? Землетрясение в Японии в 2011 году, вызвавшее аварию на АЭС “Фукусима-1”, привело к частичной остановке электроснабжения. В этих условиях невозможно воспользоваться суперкомпьютером, даже если он есть. В отличие от него, персональный компьютер значительное время может работать от источника бесперебойного питания. Если каждый поселок или промышленный объект в потенциально опасной зоне снабдить ПК с этой специальной платой, то специалисты на местах, как только будут получены данные из центра, смогут сами в течение нескольких минут рассчитать, какая амплитуда волны ожидается именно здесь, на конкретном участке побережья», — рассказывает Михаил Лаврентьев.

В статье, опубликованной в Ocean Modelling, ученые показали возможность применения разработанной платы и для расчета трансокеанских цунами. В качестве примера рассматривалась возможность оперативной оценки максимальных высот волн цунами у побережья юга полуострова Камчатка в зависимости от места расположения источника цунами у побережья Чили.

Здесь важна не только скорость технологии, но и ее энергетическая эффективность. Когда в Тихом океане происходит землетрясение, несколько десятков человек из разных стран по всей акватории начинают рассчитывать ожидаемые параметры волны на разных участках побережья. На это тратятся огромные суперкомпьютерные ресурсы. Разработанная сибирскими учеными технология позволяет на персональном компьютере за 25 минут рассчитать движение волны через весь Тихий океан с шагом сетки в одну географическую минуту. Это поможет осуществлять большинство расчетов на ПК и привлекать суперкомпьютерные мощности только в тех случаях, когда какому-то населенному пункту грозит опасное цунами и требуется более точная оценка параметров волны. 

Сейчас ученые совершенствуют разработку. «Во-первых, нужно довести до ума технологию предсказания начальной формы возмущения. Во-вторых, важно понять, как рассчитывать зоны затопления. Здесь есть разные подходы, многие из которых требуют огромных вычислительных ресурсов, неподъемных даже для суперкомпьютера. Мы пытаемся выбрать оптимум, чтобы ошибка в амплитуде волны не превышала допустимых значений, но при этом делать такие расчеты очень быстро и экономно. Также нужно собрать систему, способную работать в автономном режиме. Предполагается, что она будет мониторить сайты сейсмических служб, на которых сообщается, где и какой силы произошло землетрясение, и в случае опасных событий самостоятельно подавать запросы на датчики и производить расчеты. Кроме того, датчики на дне океана периодически ломаются. Для надежности нужно просчитать такую систему, чтобы, если один-два из них выйдут из строя, это не нарушало бы работоспособность всей системы, и через десять минут волна гарантированно была бы зарегистрирована», — говорит Михаил Лаврентьев.

Так, исследователи уже обнаружили, что не обязательно ждать, пока весь профиль волны пройдет над датчиком. Они предложили алгоритм, который дает оценку амплитуды волны в источнике после прохода четверти профиля волны. Это экономит время: если вся волна проходит над датчиком две минуты, то здесь можно получить информацию уже через 35 секунд. Ученые надеются, что в конечном итоге все наработки можно будет собрать в единую систему, которая сможет надежно предсказывать, какому участку побережья угрожает опасность.

«Если после землетрясения посмотреть на высоту волны, которая дошла до берега, можно увидеть, что в разных местах эти высоты распределяются крайне неравномерно. Наша идея — научиться предсказывать, на каких именно участках побережья эта волна может достигать опасных размеров. Если в этом месте нет населенных пунктов, железной дороги, предприятий, то ничего страшного. Если же там живут люди или работает какое-то производство, то важно хотя бы за несколько минут до прихода волны объявить тревогу, чтобы люди успели укрыться и остановить опасные производства. Это конечная цель, до которой пока достаточно далеко, но мы сделали первые шаги, которые показывают, что это возможно», — говорит Михаил Лаврентьев.