Суперкомпьютерное прогнозирование заморных явлений и распространения загрязнений в прибрежных системах с использованием данных космического зондирования

Активная деятельность человека и естественные процессы пагубно влияют на гидросферу, вызывая загрязнение природных вод из-за попадания в ручьи, реки, озера, моря и океаны различных химических веществ, твердых отходов или размножения в них микроскопических живых организмов (бактерий, грибов, водорослей). Нарушение экологического баланса в сложившихся экосистемах дельт и прибрежных систем приводит к негативным изменениям в них и в регионе в целом. При осаждении взвешенных частиц на дно водоема наблюдается угнетение организмов зообентоса, являющихся неотъемлемым компонентом питания рыб, а также заиление мест нереста. В результате такого воздействия может наступить эвтрофикация водоёма, когда фитопланктон, в том числе токсичный и вредоносный, и другие представители гидрофлоры продуцируются в объемах, существенно превышающих нормы, за счет чрезмерного обогащения рек, озёр и прибрежных систем биогенами. Возникает необходимость прогнозирования изменения экологического состояния мелководных водоемов вследствие возникновения в них явлений природного и техногенного характеров на основе методов и средств математического моделирования в прибрежных системах с различным пространственным разрешением от десятков метров – до нескольких километров. В соответствии с нормативными документами, время принятия решения для устранения ЧС (чрезвычайной ситуации) природного или техногенного характеров должно составлять от нескольких часов до 2 – 3 суток, т.е. время, отведенное на построение прогнозов экологического состояния водных экосистем при возникновении в них чрезвычайных событий и катастрофических явлений природного и техногенного характеров, является ограниченным. Поэтому для построения оперативных прогнозов влияния загрязняющих веществ, попавших в прибрежную систему, на продукционно-деструкционные процессы в ней, возникает необходимость в использовании высокопроизводительных вычислительных систем, параллельных алгоритмов и программ, позволяющих на три порядка и более уменьшить время расчетов. Целью работы является прогнозирование процессов распространения загрязнений и заморных явлений в прибрежных системах с использованием данных космического зондирования Земли, на основе разработки комплекса взаимосвязанных прецизионных 3D моделей гидрофизики и биологической кинетики, учитывающих специфику прибрежных систем Юга России. Для достижения этой цели будут исследованы механизмы первичного и вторичного загрязнений прибрежных систем с учетом течений, режимов распределения солености и температур водной среды, солнечной радиации и процессов биоразложения, влияния волнения и штормовых нагонов на вторичное загрязнение и механическую деструкцию загрязнений, взмучивания донных отложений и транспорта взвесей. Будут созданы модели прогноза цветения фитопланктонных водорослей, типичных для Азовского моря (Aphanizomenon flos-aquae, Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aquae и др.), вызывающих заморные явления основных промысловых рыб. Разрабатываемые математические модели являются более точными, по сравнению с известными, т.к. будут учитывать факторы, оказывающие существенное влияние на характер протекания гидробиологических процессов в мелководных водоемах. Для высокопроизводительных (многопроцессорных, на базе графических ускорителей и гибридной архитектуры) вычислительных систем будет разработано экспериментальное программное обеспечение, предназначенное для математического моделирования возможных сценариев развития экосистем прибрежных систем Юга России при возникновении в них опасных природных и техногенных явлений. Для численной реализации этих моделей на расчетных сетках, согласованных со сложной формой береговой линии, а также при использовании современных технологий дистанционного зондирования, в том числе из космоса, возникает потребность применения сеток, имеющих характерные шаги по горизонтальным направлениям 50-100 м, а по вертикальному направлению 0,2м-1м. В этих условиях прогностические расчеты требуют использования сеток, содержащих от 10 в 8 степени до 10 в 11 степени узлов; число временных слоев может достигать 10 в 4 степени и более, если ориентироваться на ограничения вычислительной устойчивости и точности дискретных моделей. Следует также принять во внимание, что используемые дискретные модели могут включать, в зависимости от перечисленных выше задач, от 6-8 до более чем 20 нелинейных уравнений диффузии-конвекции-реакции; в ряде случаев, например, при выбросе опасных загрязнителей (нефтепродуктов, фенолов, хлорсодержащих веществ и пр.) прогностическое моделирование необходимо осуществлять как минимум на порядок быстрее, чем протекают процессы распространения загрязнений и их воздействие на экосистему. Сказанное приводит к необходимости создания высокоэффективных алгоритмов и программных средств, позволяющих с должной разрешающей способностью решать данный класс задач с одновременной обработкой и усвоением данных космического зондирования, ориентированных на супер-ЭВМ. Оценки требуемых вычислительных производительностей – 50 тфлопс и выше, объемов оперативной памяти от 20 Тбайт и более. Поэтому при параллельной реализации будут разработаны методы декомпозиции сеточных областей для вычислительно-трудоемких задач диффузии-конвекции, учитывающие архитектуру и параметры многопроцессорной вычислительной системы (МВС): кластера К-60, расположенного на базе объекта инфраструктуры (ОИ) ИПМ им. М. В. Келдыша РАН.