Tsunami after the March 11, 2011, as well as the other recent events, have shown that destructive tsunami waves generated by earthquakes continue to pose a significant risk to coastal populations adjacent to subduction zones, where most of tsunami sources are located. In some places along these coasts, the tsunami run-up heights can reach 30 m or more, causing destruction and casualties. However, the wave heights maxima are distributed very nonuniformly along the coast with sharp local peaks in amplitude. Since for near-shore events the tsunami wave arrival time at the nearest coastal point after an earthquake is on the order of 20 minutes, a quick (within 1-2 minutes) correct assessment of the distribution of maximum wave heights along the coast will allow warning services take evacuation actions exactly where needed. Modern modelling tools allowing quickly calculate wave parameters with sufficient accuracy if the wave characteristics at the initial time instance are known. However, this requires calculations in spatial steps of several meters, which is time-consuming even when using supercomputers. In addition, in the case of a strong earthquake, power outages are possible, which does not guarantee that numerical modelling can be started immediately after the seismic event. The use of large, hundreds of meters resolution calculation grid does not allow estimate correctly the tsunami wave heights near the shore. Fine grids entail the growth of the duration of computing time. The resolution of this contradiction dictates the necessity to choose the optimal correlation between grid spacing (results precision) and calculation time. In this paper the dependence of the calculated tsunami wave parameters depending on the grid spacing is studied. Obtained results will be used for optimal selection of application zones of meshes with different spacing. Computational experiments were carried out on a personal computer (PC) using hardware acceleration - a specialized FPGA-based microchip (FPGA being Field Programmable Gates Array), used with the computer as a coprocessor. As a result, a sufficiently high performance of calculations is achieved. Calculation of wave parameters near the shore on the computational grid of 3000×2500 nodes takes less than 1 min. In addition, the proposed solution does not depend on possible power supply failures.
Цунами, произошедшее 11 марта 2011 года, а также другие недавние события показали, что разрушительные волны цунами, вызванные землетрясениями, продолжают представлять значительный риск для населения прибрежных районов, прилегающих к зонам субдукции, где расположено большинство источников цунами. В некоторых местах вдоль этих побережий высота подъема цунами может достигать 30 м и более, что приводит к разрушениям и человеческим жертвам. Однако максимумы высоты волн очень неравномерно распределены вдоль побережья с резкими локальными пиками амплитуды. Поскольку для прибрежных событий время прибытия волны цунами в ближайшую прибрежную точку после землетрясения составляет порядка 20 минут, быстрая (в течение 1-2 минут) правильная оценка распределения максимальной высоты волн вдоль побережья позволит службам оповещения принять меры по эвакуации именно там, где это необходимо. Современные инструменты моделирования позволяют быстро рассчитать параметры волны с достаточной точностью, если известны характеристики волны на начальный момент времени. Однако для этого требуются расчеты с шагом в несколько метров, что отнимает много времени даже при использовании суперкомпьютеров. Кроме того, в случае сильного землетрясения возможны перебои в подаче электроэнергии, что не гарантирует, что численное моделирование можно будет начать сразу после сейсмического события. Использование большой расчетной сетки с разрешением в сотни метров не позволяет корректно оценить высоту волн цунами вблизи берега. Мелкие сетки приводят к увеличению продолжительности вычислительного времени. Разрешение этого противоречия диктует необходимость выбора оптимального соотношения между шагом сетки (точность результатов) и временем расчета. В данной работе исследуется зависимость расчетных параметров волны цунами от шага сетки. Полученные результаты будут использованы для оптимального выбора зон применения сеток с различным шагом. Вычислительные эксперименты проводились на персональном компьютере (ПК) с использованием аппаратного ускорения-специализированной микросхемы на базе программируемых вентильных матриц (Field Programmable Gate Array - FPGA), используемой с компьютером в качестве сопроцессора. В результате достигается достаточно высокая производительность вычислений. Расчет параметров волн вблизи берега на расчетной сетке из 3000 × 2500 узлов занимает менее 1 минуты. Кроме того, предлагаемое решение не зависит от возможных сбоев в электроснабжении.