CPU-GPU异构并行计算在数字岩心线弹性静力学有限元模拟中的应用

线弹性静力学有限元模拟是计算数字岩心弹性模量的有效方法之一,已被用于研究数字岩心的弹性模量与其微观结构、物质组成之间的关系.若要形成解决实际问题的能力必须计算足够多的数字岩心样本,而有限元模拟的计算量较大,因此并行计算对于该方法的成功应用非常重要.本文将数字岩心线弹性静力学有限元模拟算法分解为在CPU和GPU上执行的两个部分,由CPU负责协调控制,GPU负责大规模数值计算,实现CPU-GPU异构并行计算,获得计算效率提升.采用该并行算法计算孔隙数字岩心、裂缝数字岩心和裂缝—孔隙数字岩心的弹性模量,得到的弹性模量—孔隙度关系符合一般的岩石物理规律.CPU-GPU异构并行的线弹性静力学有限元模拟能够迅速计算大量数字岩心的弹性模量,提供相当于物理实验的"观测数据",对岩石物理学研究具有重要的意义.     

地震正演数值模拟仿真计算的并行优化设计方法

目前使用有限差分对波动方程进行数值模拟是比较流行的方法,在理论研究和工作生产中已经广泛被使用.本文给出了一种组合使用多种并行优化设计方法对算法核心进行深入优化的方法,它充分挖掘算法的并行性及程序各阶段运行的智能监控,通过采用减少同步、边界重划、线程和处理器绑定、零复制,空间局部性、时间局部性及Pthreads多线程编程模型等一系列并行优化设计方法,实现二维波动方程正演模拟的优化,从而大幅提升程序的性能,使正演数值模拟达到实时仿真的效果.通过对有限差分数值模拟的并行调优前后试验数据比较,验证了该一系列深入并行优化方法能够较好地提高有限差分二维正演模拟的计算效率.     

任意起伏地形下重力异常三维正演及并行计算

为了进一步提高空间-波数域三维重力异常正演算法的适用范围和计算效率,本文采用任意傅里叶变换算法实现了空间-波数域三维重力异常正演,且在NVIDIA CUDA平台上进行CPU-GPU并行加速.任意傅里叶变换算法的基本思想是将二维傅里叶变换转化为两个一维傅里叶变换,一维傅里叶变换积分离散为多个单元积分累加和,离散单元中原函数采用二次插值形函数拟合,求出单元积分的解析表达式.相比现有的傅里叶变换算法,新方法具有采样灵活、积分精度高、计算速度快和傅里叶变换的截断效应小等优势.利用空间-波数域算法的高度并行性,采用CPU并行求解常微分方程,GPU并行计算任意傅里叶变换,实现了CPU-GPU并行加速方案,进一步提升了本文算法效率.利用常密度模型,对比数值解和解析解,结果表明本文算法正确;利用变密度模型对比了任意傅里叶变换算法与高斯快速傅里叶变换算法的计算效率与精度,在相近的数值精度下,本文算法波数选取少,效率高;测试CPU-GPU并行效果,结果表明相比CPU串行算法,CPU-GPU并行算法的计算效率大大提升,千万数量级节点数模型正演仅耗时数秒.最后利用实际地形数据进行三维重力异常场数值模拟,证明了新方法的高效性与实用性,对实现大规模复杂条件下重力异常精细化反演成像与综合解释有重要意义.

     

1679年三河-平谷8级地震近断层强地震动的有限元模拟

文中通过收集整理三河-平谷8级地震的历史记录、野外地质调查和区域地震等资料,建立了该地震的震源模型;以穿过研究区的12条测线和区域第四纪、新近纪、古近纪沉积等厚度图等资料为基础,建立了北京地区的传播介质模型;利用哈尔滨工程力学研究所的近断层强地震动有限元程序和40节点的高性能并行计算机计算了北京地区震后60s内地表各点的地震动速度时程和峰值速度。为检验模拟结果的质量,我们取2排测点的速度时程和水平向峰值速度等值线图进行了分析,发现计算结果与历史地震记录及实际地震观测资料吻合良好,说明了我们的模拟结果的可信性和模拟方法的客观性     

虚拟川滇——基于千万网格并行有限元计算的区域强震演化过程数值模型设计和构建

利用合理的数值模型,对区域性的强震活动性分析,是近些年来地震学研究领域的一个热点问题.但无论从时间还是空间角度来讲,区域性强震演化的理论与数值模拟模型都是多尺度问题,对该问题的充分研究需要借助于大规模并行数值模拟技术.侧重于基于千万有限元网格技术,采用大规模并行有限元计算手段,对该问题的理论建模与并行数值算法实现,以及如何应用到对川滇地区区域强震演化过程的模拟进行了具体论述.本研究的关键目标是为中长期地震危险性估计提供一个大规模数值预报模拟平台系统.     

虚拟川滇——基于千万网格并行有限元计算的区域强震演化过程数值模型设计和构建

利用合理的数值模型,对区域性的强震活动性分析,是近些年来地震学研究领域的一个热点问题．但无论从时间还是空间角度来讲,区域性强震演化的理论与数值模拟模型都是多尺度问题,对该问题的充分研究需要借助于大规模并行数值模拟技术．侧重于基于千万有限元网格技术,采用大规模并行有限元计算手段,对该问题的理论建模与并行数值算法实现,以及如何应用到对川滇地区区域强震演化过程的模拟进行了具体论述．本研究的关键目标是为中长期地震危险性估计提供一个大规模数值预报模拟平台系统．     

地震波传播的三维伪谱和高阶有限差分混合方法并行模拟

基于交错网格伪谱法和高阶精度有限差分方法,发展了模拟非均匀介质地震波传播的三维伪谱和有限差分混合算法.该方法在两个水平方向利用交错网格伪谱算子计算空间微分,保留了该方法高效、高精度的优势,在垂直方向采用交错网格高阶精度有限差分算子实现空间微分计算．利用有限差分方法的局部性特征,将三维计算区域在垂直方向上划分为一系列子区域,并分配给不同的处理器,实现了在并行计算机集群上的三维并行计算．通过模拟算例,与离散波数法比较,检验了该算法的精度．为了检验该方法的实用性,在64个处理器上,对三维沉积盆地模型进行了67108864个网格点的并行计算,模拟的波场主频率为1.25Hz,讨论了沉积盆地深度对三维沉积盆地地面运动的影响．      

三维粘弹介质地震波场有限差分并行模拟

有限差分法在三维粘弹性复杂介质正演模拟地震波的传播中对计算机内存和计算速度要求比较高,单个PC机或工作站只能计算较少网格内短时间的波场。本文介绍一种基于MPI的并行有限差分法,可在PCCluster上模拟较大规模三维粘弹性复杂介质中地震波传播时的波场;可预测地震波在此类条件下传播时的运动学和动力学性质。对于更好地理解波动传播现象,解释实际地震资料及反问题的解决等均具有重要的理论与实际意义。     

气候模式模拟中海量数据的并行抽取与可视化分析诊断

在地球动力学和气候模拟等领域, 数值模拟产生的数据规模达到Tb至Pb量级。 实现这些海量数据的实时可视化和实时诊断分析面临很大的困难, 时空多尺度数据抽取可以解决这一瓶颈。 高精度数据的可视化结果展示需要高分辨率的显示设备, 并行的大屏幕显示技术是解决这一问题的有效手段。 地球科学数值模拟、 并行数据抽取和高分辨率显示都需要搭建高性能计算机集群。 本文在基于Lagrange插值的多维度、 多尺度、 多分辨率并行数据抽取算法的同时, 利用并行计算节点及LCD显示器, 基于Rocks cluster系统搭建起一个176核, 4×10×1024×1280分辨率的高性能计算模拟、 数据抽取和并行显示输出的集成平台, 并将该平台成功应用到气候模式模拟产生的海量数据的并行抽取和并行显示。     

基于图形处理器的伪谱和高阶有限 差分混合方法地震波数值模拟

伪谱和高阶有限差分混合方法, 在垂直方向采用交错网格有限差分算子, 利用其并行程度高的特点, 在水平方向采用伪谱算子, 保留其高精度的优势, 是计算地震波场的有效方法. 图形处理器(graphic processing unit, 简写为GPU) 由于其高度并行性, 在计算此类问题中有显著的优势. 由英伟达(NVIDIA)公司推出的统一计算设备架构(compute unified device architecture, 简写为CUDA)平台极大地简化了GPU编程的难度. 为提高计算效率, 本文实现了基于CUDA 平台的混合方法二维地震波场模拟. 然后基于二维均匀介质模型将CPU与GPU版本的运行时间进行对比. 实际测试结果表明, 基于CUDA 的并行模拟方法在保证计算精度的同时显著地提高了计算速度, 为开展大规模非均匀地球介质地震波传播数值模拟提供了一种可选的方法.      

Simulation of Near-Fault Strong Ground Motion in the Beijing Region

On the basis of previous study of the 1679 Sanhe-Pinggu(M8.0) earthquake,the biggest event in history ever recorded in Beijing and its adjacent area,we made a 3-D strong ground motion simulation utilizing the staggered-grid finite differences method to study the distributions of peak ground velocity with different earthquake source models in the Beijing region.In the paper,earthquake source models and a transmission medium velocity model are established and the corresponding parameters are given in accordance to the results from a related previous study.Then,using a three-dimensional finite difference computing program of near-fault strong ground motion developed by Graves,the peak ground velocity caused by a destructive earthquake in the Beijing area is simulated.In our computation model,the earthquake source is 3km in depth,and a total number of 21,679 observation points on the ground surface are figured out.The transmission medium velocity model is composed of four stratums which are the Quaternary deposit,the upper crust,the upper part of the middle crust and the lower part of the middle crust.With the minimum grid spacing of 0.15km,a total of 2.28×106 grids are generated.Using a time step of 0.02 seconds we calculated the peak ground velocity for a duration of 8 seconds.After the analysis of the simulation results,we observed some basic characteristics of near-fault strong ground motion such as the concentration effect of near-fault peak ground velocity,rupture directivity effect,hanging wall effect,and basin effect.The results from our simulation and analysis suggest that the source and transmitting medium parameters in our model are suitable and the finite difference method is applicable to estimate the distribution of strong ground motion in the study region.     

芦山地震地震动上下盘效应研究

2013年4月20日的芦山7.0级地震是继2008年5月12日汶川8.0级特大地震之后,发生在龙门山断裂带上的又一次大震级逆冲型地震.与汶川地震相比,芦山地震的发震断层没有地表出露,断层的滑动角更大,其逆冲性质更强烈.本文挑选了芦山地震中断层距小于200km的45条强震动记录,基于地震动衰减关系进行统计分析,对比了上盘和下盘台站地震动参数相对于衰减关系的对数残差.结果表明：芦山地震的上下盘效应明显,近断层上盘地震动的高频成分要高于同断层距的下盘;上盘地震动衰减要明显快于下盘.地震动衰减关系用简单的一个距离参数很难描述近场断层尺寸效应的影响,也很难模拟地震动上下盘效应.因此,在近场强地面运动模拟中,应多考虑有限断层模型,以模拟断层的尺寸效应.     

近断层地震动的基本特征

本文对近断层地震动的基本特征作了详细分析,这些基本特征主要包括近断层强地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破裂的方向性效应、近断层速度大脉冲和上盘效应。这些特征虽然在一次地震中不一定同时出现,但它们是已经被强震观测资料和数值模拟证实了的,在模拟和预测近断层地震动时,必须充分考虑这些特点,合理的近断层地震动模拟或预测模型和方法应当在结果中再现这些特点。     

利用谱元法研究震源参数对于近断层地震动上盘效应的影响

国内外已有诸多学者基于强震记录或数值模拟方法开展了近断层地震动的上盘效应分析,并获得了初步的认识,但上盘效应随震源参数的变化规律仍有待深入探讨。本文使用运动学有限断层震源模型,运用高精度谱元法模拟逆断层破裂模式下近断层区域地震动,对比上、下盘地震动差异进而分析近断层地震动上盘效应。通过改变单一震源参数,研究断层上界埋深、震级大小以及断层倾角对地震动上盘效应的影响规律。研究结果表明：（1）使用运动学有限断层震源的谱元法数值模拟可以较好地反映近断层上盘效应;（2）上盘效应随测点到断层上界在地表投影的水平距离Rx的增加先增大后减小,最终趋于稳定。（3）上盘效应随断层上界埋深的增加先增大后减小,且随着断层上界埋深的增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展。（4）上盘效应受矩震级影响较小,但总体随矩震级的增大而增大;上盘效应峰值区到断层破裂迹线的距离不随矩震级的变化而变化。（5）随着断层倾角的增加,上盘效应先增大后减小,当断层倾角为45°时上盘效应最为明显;随着断层倾角增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展;当断层倾角为90°时不存在上盘效应。     

基于动力学震源模型的三维沉积盆地直下型断层地震动模拟

沉积盆地与近断层地震共同作用会增加地震破坏的风险水平,尤其是盆地下方直下型断层发震情况。采用动力学震源模型刻画断层破裂发震过程,开展沉积盆地直下型断层谱元法地震动模拟研究,探讨不同断层面初始剪应力和成核区位置下三维沉积盆地地表响应规律。研究结果表明,断层面应力降对盆地地表地震动的影响显著,在断层面强度一定的情况下,随着初始剪应力的增大,即应力降增大,盆地地表峰值响应增大,原因在于应力降的改变影响了断层破裂释放能量,进而引起断层破裂速度改变,最终导致盆地地表响应发生变化;改变断层面成核区位置会对盆地内部地震动分布规律产生影响,当成核区位置从断层中间向断层左侧移动时,盆地左侧地震动逐渐减小,而右侧地震动逐渐增大,最终表现为盆地右侧地震动显著高于盆地左侧,原因在于改变成核区位置后,导致近断层地震动的方向性效应发生变化。     

基于CPU-GPU异构并行的复杂场地近断层地震动谱元法模拟

在前人对三河—平谷地震研究的基础上,本文采用多震级、多破裂方式对三河—平谷地区进行地震动模拟,以开展三河—平谷地震的震级研究。首先,我们将研究区域的历史烈度曲线转化为峰值加速度（PGA）和峰值速度（PGV）,随后将其与多震级、多破裂方式下的模拟结果进行对比。通过分析差异值,初步确定最贴近三河—平谷地震震级的三个可能值,分别为M_W7.8,M_W7.9和M_W8.0。进一步比较这三个震级下的180种破裂模式及其产生的烈度空间分布形态与历史烈度形态的相似度,筛选出四种最相符的破裂模式。将这四种模式生成的烈度曲线与历史烈度进行对比,最终得出夏垫断裂在三河—平谷地区巨震的实际震级。研究结果显示,该震级小于人们通常认知的M_W8.0,更趋近于M_W7.9−或M_W7.8＋＋。

     

复杂场地条件下震源参数对断层附近长周期地震动的影响

基于显式有限元方法和运动学震源模型并利用昆明盆地三维地下构造模型,本文研究了震源参数对断层附近长周期地震动的影响.结果表明,断层的破裂方式、埋藏深度、破裂速度以及断层面上位错的不均匀分布对断层附近长周期地震动有重要影响.不同破裂方式下,破裂的方向性强的区域分布不同,由于破裂的方向性效应和复杂场地条件的共同作用,导致不同破裂方式的断层附近地震动分布差别很大.随着破裂速度的增加,方向性效应更加明显,断层附近的长周期地震动也随之增大;对于浅源地震,随着断层埋深的增加,地震动明显下降.对于埋藏深度很浅的断层,当Asperity靠近断层上沿时,会显著增大其在地表投影附近的长周期地震动.能否合理地估计这些基本震源参数,是预测未来发震断层周围地震动场的关键.     

北京地区近断层强地震动模拟

文中利用1679年三河-平谷8级地震的有关资料和北京地区地下三维结构的研究成果,建立了相应的震源模型和传播介质模型。利用Graves的三维有限差分程序,计算了北京地区震后的地面峰值速度。通过对计算结果的分析处理,获得了近断层强地震动的近断层效应、方向性效应、上盘效应和盆地效应等基本特征。同时,这些特征也反映了我们所设定的震源和传播介质参数的合理性,以及模拟方法的正确性。另外,分析处理中所获得的这些结果可为北京地区的城市规划和抗震设防提供客观的参考依据     

基于多尺度分析方法的近断层地震动特性分析

近断层长周期地震动是一类较特殊的破坏性地震动.为了深入探讨近断层地震动的低频分量组成及其脉冲特性,基于小波理论中的多尺度分析方法提出了一种地震动分量分解方法,据此可将一条地震动分解成频率各不相同的多条分量.首先从频域、时域以及动态响应三个方面阐述了该分解方法的有效性和精确性.进而采用这种方法对近期12次大地震中的53条典型近断层地震动进行了分解,共获得266条地震动分量.分析了近断层地震动中的长周期分量随场地、断层距等影响因素的变化特征;再以卓越分量作为最大脉冲的简化模型,探讨了速度幅值和脉冲周期随震级、断层距的变化关系.结果表明：近断层长周期地震动主要由周期为0.2~2 s的分量组成;近断层土层场地地震动中的长周期分量比岩石场地多;在0~15 km的近断层区域,随断层距的增加,地震动中长周期分量的比重明显减小;卓越分量的速度幅值PGVp约为原始地震动速度幅值PGV的0.6倍,且两者之间具有明显的线性关系;PGVp随断层距的增大而减小,随震级的增大而增大;卓越分量周期Tp随震级的增大呈对数线性增大趋势.