EuroHPC-prosjekt ChEESE-2P, Center of Excellence for Exascale in Solid Earth - Second Phase

ChEESE-2P er et Europeisk Senter for Fremragende Forskning som fokuserer på modellering av geofysiske prosesser som jordskjelv, vulkanutbrudd, og tsunamis ved hjelp av noen av Europas kraftigest regnemaskiner. Det er tre nøkkelområder som omfattes, i) modeller som beregner de mest komplekse geofysiske prosessene i tre dimensjoner ii) behovet for å gjennomføre beregninger raskt for akutte situasjoner, og iii) gjennomføring av mange beregninger for å tallfest usikkerhet. Formålet er at modellene i nær framtid skal være i stand til å unytte de kraftigste regnemaskinene vi har tilgjengelig, såkalte Exascale maskiner som utfører minst en milliard milliarder flyttallsoperasjoner (FLOP) per sekund for å løse problemstillinger vi ikke kan løse i dag. Den norske delen av prosjektet fokuserer på to problemstillinger knyttet til tsunamiberegninger. Aktivitetene i prosjektet omhandler primært uttesting av to nye piloter i) En global modell som tallfester sannsynlighet for tsunami oppskyllingshøyder generert av jordskjelv langs alle kystlinjer i verden ii) En multifysikkmodell som kobler sammen de ulike deler av kjedereaksjoner ved tsunamigenerering og bølgeutbredelse over havet. De ulike aktivitetene som er gjennomført så langt er beskrevet under for hver av de to pilotene: Den globale tsunamimodellen tar for seg modellering av ulike jordskjelv scenarier med ulike sannsynligheter for alle områder i verden der store jordskjelv opptrer (jordskjelv over magnitude 7). I ChEESE-2P har vi startet arbeidet med å dele opp de ulike sonene i delkomponenter som brukes som såkalte enhetskilder. Disse er videre satt sammen med ulike kombinasjoner slik for å modellere ulike utfall og sannsynligheter. Øvrige aktiviteter har omfattet analyse og oppsett av beregningsområder for alle verdenshav, samt utvikling av et nytt datasett som brukes som bakgrunn for å beregne oppskyllingshøyder over store havområder ved kystlokasjoner. Arbeidet så langt har lagt grunnlaget for senere i prosjektet sette opp storskala tsunamiberegninger globalt. Arbeidet er utført i nært samarbeid med forskningsinstituttet INGV i Italia. Multifysikkmodellen brukes til å modellere hendelser som involverer flere ulike fenomener som opptrer på samme tid og involverer kjedereaksjoner, som tidligere ikke har vært koblet sammen. Et eksempel på en slik hendelse er er globale tsunamien fra Tongautbruddet i 2022. Tonga-hendelsen involverte kollaps av vulkanen, skreddynamikk, og videre et enormt lufttrykk som ble registrert verden over. Lufttrykket beveget vannmassene og genererte en global tsunami. Fokuset i prosjektet har så langt vært å utvikle nøkkelkomponenter knyttet til de ulike prosessene. Den første av disse komponentene kobler sammen skredynamikk med tsunamiutbredelse lokalt. Den andre av disse komponentene er sammenkoblingen av akustisk trykk med tsunamiutbredelse globalt. NGI har her startet uarbeidelsen av en arbeidsflytmodell som kobler den lokale modellen med den globale, og utredet hvordan relevant tungregneinfrastruktur i Europa kan brukes til å beregne dette effektivt. Arbeidet er utført i nært samarbeid med flere ulike forskningsinstitutter, Institut Rüder Boskovic i Kroatia, Universitetet i Malaga i Spania, Technische Universität München og Ludwig Maximilian-Universität i Tyskland, og INGV.

This project aims at implementing the second phase of the Center of Excellence for Exascale in Solid Earth (ChEESE-2P). Solid Earth (SE) sciences address fundamental problems in understanding the formation, composition, and the dynamics of the geosphere from its deep interior to the surface. This encompasses also the study of geohazardous phenomena that originate in the Earth’s interior but that manifest at the interface with the atmosphere, the hydrosphere, and the biosphere, causing a variety of natural hazards and geophysical extremes across all spatial and temporal scales. SE is extremely rich in computational challenges, requiring petascale and exascale infrastructures both to address fundamental scientific questions and to anticipate, mitigate, and manage the occurrence of geohazards and their impacts. The part of this project with Norwegian participation concerns adressing supercomputing challenges related to tsunami hazards. To this end, two novel computational pilot demonstrators within tsunami science will be established i) A global probabilistic tsunami hazard and uncertainty quantification development that allow users to carry out local probabilistic tusnami hazard analysis at high resolution at any location worldwide. ii) Complex multi-source tsunami modeling combining several multiphysics processes from earthquakes, landslides, volcanoes, and acoustic pressure and atmospheric forcing to tsunami generation and propagation in a single workflow that allows coupling of different flagship codes. Present tsunami prediction capabilities in use today use a single source representation. It is hence necessary to develop a coupled approach where all the different physics can be tied together, including complex earthquake rupture, landslides, volcanic explosions, acoustic pressure and explosions, as well as atmospheric tsunami sources.