Forschung im HLRN-Verbund 2011

56Tsunami-SimulationModellierung und Simulation von Tsunami-Ausbreitung und -ÜberflutungW. Hiller, N. Rakowsky, S. Harig, A. Fuchs, Zentrumfür Technomathmatik, Universität Bremen undAlfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung,BremerhavenKurzgefasst• Simulation der Tsunamiausbreitung und -Überflutung u.a. für das indonesische Tsunami-Frühwarnsystem• Innovatives Finite-Elemente-Modell mit einemRechengitter, das die Geografie besonders gutauflöst.• MPI-paralleler Ansatz zur Steuerung OpenMPparallelerModellläufe zu Parameterstudien undsomit optimale Nutzung der Rechnerarchitekturdes HLRN.Die Tsunami-Arbeitsgruppe am Alfred-Wegener-Institut ist Teil des BMBF-Projekts ”German-Indonesian Tsunami Early Warning System GI-TEWS“, das nach dem verheerenden Tsunamiam 26.12.2004 im Indischen Ozean ins Lebengerufen wurde. Gemeinsam mit deutschen undindonesischen Projektpartnern (u.a. GFZ, DLR)wird in Jakarta ein Tsunami-Warnzentrum installiert.Über Lehrveranstaltungen, Praktikums- sowieAbschlussarbeiten und Dissertationen ist dieTsunami-Modellierung und -Simulation mit demZentrum für Technomathematik der UniversitätBremen verbunden.Im Entwicklungsprojekt am HLRN wird das imRahmen von GITEWS entstandene Modell zurTsunami-Ausbreitung, TsunAWI (Referenzen siehe1,2), weiter entwickelt. Damit können für dasWarnzentrum in Jakarta als auch für andere GebieteTsunami-Szenarien mit verbesserter Modellphysikerstellt werden.Im indonesischen Warnzentrum dient eine Datenbankmit prototypischen Szenarien sowohl derRisikoanalyse zur Überflutungsgefährdung indonesischerKüstenabschnitte als auch der schnellenVorhersage im Warnfall. Erfasst das Sensor-System ein Seebeben, werden anhand der MessdatenTsunami-Szenarien aus der Datenbankgewählt und ein wahrscheinlicher Verlauf desTsunamis bestimmt. So kann rechtzeitig mit derEvakuierung der Bevölkerung in den betroffenenKüstenregionen begonnen werden. Wie wichtig GI-TEWS ist, hat zuletzt am 25.10.2010 das untermeerischeBeben der Stärke 7,8 vor der Küste vonSumatra gezeigt.TsunAWI zeichnet sich u.a. durch den Finite-Elemente-Ansatz aus, der es erlaubt, mit unstrukturiertenRechengittern zu arbeiten, die auch komplexeBathymetrie und Topographie gut darstellenkönnen. So kann im tiefen Ozean rechenzeitsparendmit einer groben Auflösung gerechnetwerden, und zugleich in Gebieten von besonderemInteresse und im sensiblen Flachwasser- undKüstenbereich mit sehr feiner Auflösung.Das Programmpaket TsunAWI wird ständig weiterentwickelt.Aktuell wird unter anderem daszugrundeliegende, auf den Flachwassergleichungenbasierende mathematisch-physikalische Modelldurch Berücksichtigung nichtlinearer Advektion,nicht-hydrostatischer Korrekturterme und Interaktionmit Tiden verfeinert und verbessert. Eineweitere Aufgabe ist die Durchführung von Vergleichsstudienauf Grundlage immer umfangreichererrealer Datensätze zur Anpassung von Parameternwie Reibungskoeffizienten. Die Simulationsrechnungenfür ein derart komplexes Modellkönnen im notwendigen Umfang nur aufHöchstleistungsrechnern wie dem HLRN-II durchgeführtwerden.Bisher ist TsunAWI OpenMP-parallel, d.h. proModelllauf kann nur ein Rechenknoten genutztwerden, dessen Prozessorcores gemeinsam arbeiten.Da umfangreiche Parameterstudien gerechnetwerden müssen, verteilt und kooordiniertein MPI-Skript mehrere Läufe gleichzeitig auf verschiedeneRechenknoten, so dass die Rechner-Ressourcen optimal genutzt werden. Um künftignoch komplexere Modellphysik auf noch feinerenRechengittern simulieren zu können, ist die Erweiterungvon TsunAWI auf hybride Parallelisierung(eine Kombination aus OpenMP und MPI) oder einvollständiger Umstieg auf MPI geplant.Umgekehrt werden zudem Sensitivitätsstudiendurchgeführt, die zeigen sollen, wie weit Modellund Rechengitter vereinfacht werden können, ummit schnellen und dennoch realistischen Rechnungenim Warnfall die Vorhersage präzisieren zukönnen.Mit TsunAWI werden auch Simulationen zu anderenSeegebieten, etwa dem Mittelmeer unddem Pazifischen Ozean, und zu untermeerischenLandrutschen als Tsunami-Auslöser gerechnet. ImRahmen von GITEWS ist die Ausweitung derSzenarien-Datenbank auf den gesamten IndischenOzean und die nordöstlichen Seegebiete Indonesiensgeplant.Im Berichtszeitraum wurde zunächst der Open-MP-parallele Programmcode TsunAWI optimiert,Geowissenschaften