DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v24r105

Параллельная реализация алгоритма восстановления сейсмического источника по серии статистически идентичных моделей среды с применением Fortran Coarray

Авторы

  • В. В. Койнов

Ключевые слова:

конечно-разностные схемы
декомпозиция расчетной области
параллельные вычисления
Fortran Coarray
MPI
распространение волн
случайно-неоднородные среды

Аннотация

Рассматривается задача параллельной реализации алгоритма определения сейсмического источника внутри случайно-неоднородной среды. Алгоритм определения исходной позиции источника использует данные записанных сейсмограмм на свободной поверхности и информацию о статистических свойствах случайной среды. Предложенный подход требует решения большого количества задач динамической теории упругости для различных статистически эквивалентных скоростных моделей, идентифицированных по статистическим параметрам исходной среды. Это наиболее трудоемкая часть алгоритма решения. Чтобы ускорить расчеты, используется двухуровневая стратегия распараллеливания с помощью создания групп, каждая из которых решает свою задачу динамической теории упругости с декомпозицией расчетной области внутри группы. Реализация программы выполнена с использованием Fortran Coarray. Также приводится сравнение используемых конструкций расширения Fortran Coarray с функциями MPI.

Загрузки

Опубликован

2023-02-18

Выпуск

Том 24 (2023): Выпуск 1.

Раздел

Параллельные программные средства и технологии

Автор

В. В. Койнов

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН),
просп. Лаврентьева, 6, 630090, Новосибирск
• инженер

Библиографические ссылки

  1. C. Yoshimura, J. Bielak, Y. Hisada, and A. Fernández, “Domain Reduction Method for Three-Dimensional Earthquake Modeling in Localized Regions, Part II: Verification and Applications,” Bull. Seismol. Soc. Am. 93 (2), 825-841 (2003).
    doi 10.1785/0120010252.
    https://www.crossref.org/iPage?doi=10.1785
  2. P. Moczo, J. Kristek, M. Galis, et al., “3-D Finite-Difference, Finite-Element, Discontinuous-Galerkin and Spectral-Element Schemes Analysed for Their Accuracy with Respect to P-Wave to S-Wave Speed Ratio,” Geophys. J. Int. 187 (3), 1645-1667 (2011).
    doi 10.1111/j.1365-246X.2011.05221.x.
  3. B. Fornberg, “The Pseudospectral Method: Accurate Representation of Interfaces in Elastic Wave Calculations,” Geophysics. 53 (5), 625-637 (1988).
    doi 10.1190/1.1442497.
    https://library.seg.org/doi/10.1190/1.1442497.
  4. H. Takenaka, Y. Wang, and T. Furumura, “An Efficient Approach of the Pseudospectral Method for Modelling of Geometrically Symmetric Seismic Wavefield,” Earth Planets Space 51 (2), 73-79 (1999).
    doi 10.1186/BF03352212.
    https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/BF03352212.
  5. E. Chaljub, D. Komatitsch, J.-P. Vilotte, et al., “Spectral-Element Analysis in Seismology,” Adv. Geophys. 48, 365-419 (2007).
    doi 10.1016/S0065-2687(06)48007-9.
    https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0065268706480079.
  6. P. Moczo, J. Kristek, and L. Halada, “3D Fourth-Order Staggered-Grid Finite-Difference Schemes: Stability and Grid Dispersion,” Bull. Seismol. Soc. Am. 90 (3), 587-603 (2000).
    doi 10.1785/0119990119.
    https://www.crossref.org/iPage?doi=10.1785
  7. J. Virieux, “P-SV Wave Propagation in Heterogeneous Media: Velocity-Stress Finite-Difference Method,” Geophysics. 51 (4), 889-901 (1986).
    doi 10.1190/1.1442147.
    https://library.seg.org/doi/10.1190/1.1442147.
  8. A. R. Levander, “Fourth-Order Finite-Difference P-SV Seismograms,” Geophysics 53 (11), 1425-1436 (1988).
    doi 10.1190/1.1442422.
    https://library.seg.org/doi/10.1190/1.1442422.
  9. E. Tessmer, “Seismic Finite-Difference Modeling with Spatially Varying Time Steps,” Geophysics. 65 (4), 1290-1293 (2000).
    doi 10.1190/1.1444820.
    https://library.seg.org/doi/10.1190/1.1444820.
  10. P. Moczo, J. Kristek, V. Vavrycuk, et al., “3D Heterogeneous Staggered-Grid Finite-Difference Modeling of Seismic Motion with Volume Harmonic and Arithmetic Averaging of Elastic Moduli and Densities,” Bull. Seismol. Soc. Am. 92 (8), 3042-3066 (2002).
    doi 10.1785/0120010167.
    https://pubs.geoscienceworld.org/ssa/bssa/article-abstract/92/8/3042/103016/3D-
  11. M. Dumbser, M. Käser, and J. De La Puente, “Arbitrary High-Order Finite Volume Schemes for Seismic Wave Propagation on Unstructured Meshes in 2D and 3D,” Geophys. J. Int. 171 (2), 665-694 (2007).
    doi 10.1111/j.1365-246X.2007.03421.x.
    https://academic.oup.com/gji/article/171/2/665/656710.
  12. D. Peter, D. Komatitsch, Y. Luo, et al., “Forward and Adjoint Simulations of Seismic Wave Propagation on Fully Unstructured Hexahedral Meshes,” Geophys. J. Int. 186 (2), 721-739 (2011).
    doi 10.1111/j.1365-246X.2011.05044.x.
    https://academic.oup.com/gji/article/186/2/721/590417.
  13. P. Cupillard, E. Delavaud, G. Burgos, et al., “RegSEM: A Versatile Code Based on the Spectral Element Method to Compute Seismic Wave Propagation at the Regional Scale,” Geophys. J. Int. 188 (3), 1203-1220 (2012).
    doi 10.1111/j.1365-246X.2011.05311.x.
    https://academic.oup.com/gji/article/188/3/1203/686715.
  14. V. I. Kostin, V. V. Lisitsa, G. V. Reshetova, and V. A. Tcheverda, “Finite Difference Simulation of Elastic Waves Propagation through 3D Heterogeneous Multiscale Media Based on Locally Refined Grids,” Sib. Zh. Vych. Mat. 16 (1), 45-55 (2013) [Numer. Anal. Appl. 6 (1), 40-48 (2013)].
    doi 10.1134/S1995423913010059.
    https://link.springer.com/article/10.1134/S1995423913010059.
  15. M. Fink, “Time Reversal in Acoustics,” Contemp. Phys. 37 (2), 95-109 (1996).
    doi 10.1080/00107519608230338.
    https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00107519608230338.
  16. M. Fink, “Time Reversed Acoustics,” Phys. Today 50 (3), 34-40 (1997).
    doi 10.1063/1.881692.
    https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.881692.
  17. M. Fink, G. Montaldo, and M. Tanter, “Time-Reversal Acoustics in Biomedical Engineering,” Annu. Rev. Biomed. Eng. 5, 465-497 (2003).
    doi 10.1146/annurev.bioeng.5.040202.121630.
    https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.bioeng.5.040202.121630.
  18. G. Reshetova, V. Cheverda, and V. Koinov, “Comparative Efficiency Analysis of MPI Blocking and Non-blocking Communications with Coarray Fortran,” in Communications in Computer and Information Science (Springer, Cham, 2021), Vol. 1510, pp. 322-336.
    doi 10.1007/978-3-030-92864-3_25.
    https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-92864-3_25.
  19. R. W. Graves, “Simulating Seismic Wave Propagation in 3D Elastic Media Using Staggered-Grid Finite Differences,” Bull. Seismol. Soc. Am. 86 (4), 1091-1106 (1996).
    doi 10.1785/BSSA0860041091.
    https://pubs.geoscienceworld.org/ssa/bssa/article-abstract/86/4/1091/120141/
  20. F. Collino and C. Tsogka, “Application of the Perfectly Matched Absorbing Layer Model to the Linear Elastodynamic Problem in Anisotropic Heterogeneous Media,” Geophysics 66 (1), 294-307 (2001).
    doi 10.1190/1.1444908.
    https://www.researchgate.net/publication/228544899_Application_
  21. H. Sato, M. C. Fehler, and T. Maeda, Seismic Wave Propagation and Scattering in the Heterogeneous Earth (Springer, Berlin, 2012).
    doi 10.1007/978-3-642-23029-5.
    https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-23029-5.
  22. H. A. Schwarz, “Über einige Abbildungsaufgaben,” J. für die Reine und Angew. Math. 1869 (70), 105-120 (1869).
    doi 10.1515/crll.1869.70.105.
    https://eudml.org/doc/148076.
  23. S. L. Sobolev, “Schwarz’s Algorithm in Elasticity Theory,” in Selected Works of S.L. Sobolev (Springer, Boston, 2006), pp. 399-403.
    doi 10.1007/978-0-387-34149-1_12.
    https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-0-387-34149-1_12.
  24. J. Reid, “The New Features of Fortran 2018,” ACM SIGPLAN Fortran Forum 37 (1), 5-43 (2018).
    doi 10.1145/3206214.3206215.
    https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/

Лицензия

Copyright (c) 2023 В. В. Койнов

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.