54、高性能海啸波传播建模

高性能海啸波传播建模

1. 引言

浅水近似（包括线性和非线性）在全球范围内被视为海啸波精确的传播模型。这些模型能合理地描述波浪参数，只要给定源处的初始海床位移，即使对于相当粗糙的数字测深数据，也能较好地描述所有记录源与可用测量站之间的传播时间和振幅。目前已有多个软件包用于模拟海洋和淹没区域的波浪传播，对应不同的实现方法。

有方法旨在创建一个并行混合海啸模拟器，通过结合重叠域分解和面向对象编程实现不同模型、方法和网格的混合，甚至可能整合“外来软件”，不过计算性能并非该方法的主要目标。还有研究使用八种不同的浅水方程并行实现来模拟海啸模型，采用了从基于线程的共享内存到分布式内存，再到虚拟共享内存的混合模式编程模型，但可扩展性问题突出，若节点内存不足，线程会成为显著瓶颈。

TUNAMI - N2是一个海啸数值模拟程序，在深海采用线性理论，在浅海和陆地采用浅水理论，且整个区域网格大小恒定。MOST（分裂海啸方法）由美国太平洋海洋环境实验室开发，可结合检测浮标的实时数据进行实时海啸淹没预测，其新的Web接口名为ComMIT，因此加速MOST软件包的可执行代码能为海啸减灾争取更多时间。

本文主要研究通过并行技术对MOST软件中用于计算深海海啸波传播部分进行细粒度并行化所获得的性能提升，重点关注OpenMP平台和IBM Cell BE架构的并行算法设计与比较分析。

2. 理论背景和数据集分析

MOST应用的首批算法于20世纪80年代末由Titov在俄罗斯科学院西伯利亚分院设计，如今它是先进的海啸模拟工具之一。MOST环境包含能模拟海啸演化所有过程（地震、越洋传播和陆地淹没）的数值模拟代码，本文仅讨论其计算深海波浪传播的部分。