Linux-Rechen-Cluster für geowissenschaftliche Kapazitätssimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Lehrstuhl für Geophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München ist primär auf die geowissenschaftliche Modellrechnung ausgerichtet. Daher ist die dauerhafte Bereitstellung einer Simulationsinfrastruktur mit hoher Rechenkapazität zum Verständnis komplexer Geoprozesse durch numerisch extrem aufwendige Computersimulationen von besonderer Wichtigkeit für nahezu alle Forschungsarbeiten. Im Zentrum der wissenschaftlichen Studien am Lehrstuhl für Geophysik steht das quantitative Zusammenführen von Modellen und Beobachtungen über das Zusammenspiel von Hochleistungsrechnen und Datenexplosion (d.h. dem immensen Anwachsen von Datenbeständen verschiedenster Modalitäten, welche aus Messungen und Modellrechnungen stammen). Dabei nehmen die besonders aufwendigen Simulationsverfahren der Datenassimilation eine zentrale Rolle ein. Da viele geophysikalische Probleme von ihrer Natur her inverse Probleme sind, werden Optimierungsverfahren zur Bestimmung komplexer Modellzustände aus den gegebenen Beobachtungen verwendet. Linux-Rechen-Cluster ermöglichen heute die Lösung diskreter Systeme mit mehr als 10^10 Freiheitsgraden, was es den Forschungsgruppen ermöglicht, Skaleninteraktionen geophysikalischer Prozesse über drei Größenordnungen hinweg modellieren zu können. Der Linux-Rechen-Cluster wird vor allem als Durchsatzsystem mit hoher Kapazität zur Abdeckung des Grundbedarfs und zur Abarbeitung systematischer Parameterstudien am Lehrstuhl für Geophysik eingesetzt und ist somit ein zentraler Bestandteil der Simulationsinfrastruktur. Viele der durchzuführenden Einzelstudien bedürfen dabei oft einiger Monate an ununterbrochener Rechenzeit. In diesem Segment mit mittlerem Anforderungsbereich (Mesoscale-Computing) und sehr hoher Durchsatzleistung (Capacity-Computing) besteht in den drei am Lehrstuhl für Geophysik forschenden Arbeitsgruppen (Geodynamik, Geomagnetik und Seismologie) ein hoher Rechenzeitbedarf. Der Linux-Rechen-Cluster wird dabei vorwiegend bei folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen/Projekten eingesetzt: • Inversionsverfahren zur Rekonstruktion dynamischer Fließprozesse des Erdmantels in der Vergangenheit mit Hilfe adjungierter Modelle • Assimilierung tektonischer und seismischer Informationen in globalen geodynamischen Erdmodellen • Parameterstudien zum Verhalten von Plattengrenzen (plate boundary forces) und Störungszonen mit Hilfe gekoppelter, hochaufgelöster lithosphärischer und geodynamischer Modelle • Entwicklung komplexer numerischer Simulationsverfahren zur Berechnung der seismischen Wellenausbreitung und von Bruchprozessen • Entwicklung tomographischer Simulationsverfahren, welche es erlauben, den dreidimensionalen Charakter der Erde und der Wellenfelder zu berücksichtigen und Einsatz dieser Programme für die seismische Tomographie in Reservoiren, an Vulkanen und der gesamten Erde, sowie der Berechnung von Erdbebenszenarien • Aufbereitung großer seismischer Datensätze und automatisierte Durchführung von ersten Prozessierungsschritten • Durchführung rechenintensiver mikromagnetischer Simulationen mit dem Ziel, die optimale Kornstruktur für neuartige Permanentmagneten zu ermitteln, sowie den Einfluss von kristallographischen Defekten zu studieren • Modellrechnungen zur optimalen Anordnung von Bits in zukünftigen magnetischen Speichermedien, um trotz hoher Packungsdichte die magnetischen Wechselwirkungen zwischen Bits weitgehend zu minimieren • Simulationsrechnungen zu den magnetischen Eigenschaften des Minerals Greigit, um durch Vergleich mit experimentellen Daten intrinsische Materialparameter zu extrahieren und Domänenzustände vorherzusagen • Modellierung des Dynamo-Effekts im flüssigen Erdkern mit Hilfe der numerischen Simulationsanwendung "PaRoDy", wobei durch sehr lange Simulationen (welche das Äquivalent von mehreren Dutzenden von Millionen Jahre darstellen) besonderes die statistischen Eigenschaften des Geodynamos hinsichtlich der Häufigkeit und Morphologie der Feldumpolungen untersucht werden • Simulation zum Verständnis, wie Ozeanwellen mit dem festen Erdkörper interagieren, wobei das aufgezeichnete Hintergrundrauschen dem berechneten verglichen wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013), Full waveform tomography of the upper mantle in the South Atlantic region: Imaging a westward fluxing shallow asthenosphere? Tectonophysics, 604, 26-40
Colli, Lorenzo & Andreas Fichtner & Hans-Peter Bunge
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(2013), Quantifying paleosecular variation: Insights from numerical dynamo simulations. Earth and Planetary Science Letters, 382, 87–97
Lhuillier, F. & S. A. Gilder
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(2013), Regional wave propagation using the discontinuous Galerkin method. Solid Earth, 43-57
Wenk, Stefan & Christian Pelties & Heiner Igel & Martin Käser
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(2013), Statistical properties of reversals and chrons in numerical dynamos and implications for the geodynamo. Phys. Earth Planet. Inter., 220, 19–36
Lhuillier, F. & G. Hulot & Y. Gallet
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(2014), Fully probabilistic seismic source inversion - Part 1: Efficient parameterisation. Solid Earth, 5(2), 1055–1069
Stähler, S. C. & K. Sigloch
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(2014), Reducing non-uniqueness in finite source inversion using rotational ground motions. J. Geophys. Res. Solid Earth, 119(6)
Bernauer, M. & A. Fichtner & H. Igel
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(2014), Restoring past mantle convection structure through fluid dynamic inverse theory: regularisation through surface velocity boundary conditions. GEM - International Journal on Geomathematics
Vynnytska, Lyudmyla & Hans-Peter Bunge
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(2014), The adjoint method in geodynamics: derivation from a general operator formulation and application to the initial condition problem in a high resolution mantle circulation model. GEM - International Journal on Geomathematics, 5(2), 163-194
Horbach, André & Hans-Peter Bunge & Jens Oeser
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(2014), Verification of an ADER-DG method for complex dynamic rupture problems. Geoscientific Model Development, 7(3), 847-866
Pelties, Christian & Alice-Agnes Gabriel & Jean- Paul Ampuero
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(2015), On the role of thermal heterogeneities on the rheology of MgO under conditions of the Earth's lower mantle. Phys. Earth Planet. Int., 242, 1-8
Amodeo, Jonathan, Bernhard Schuberth, Hans- Peter Bunge, Philippe Carrez, and Patrick Cordier
