Practical Aspects of Implementation of the Parallel Algorithm for Solving Problem of Ctenophore Population Interaction in the Azov Sea

Abstract

The paper covers the development and researching mathematical model of interaction processes between plankton and ctenophore populations based on the modern information technologies and computational methods, which leads to increase of the accuracy of predictive modeling of the ecology situation in shallow water in summer. The model takes into account the following: the transport of water environment; microturbulent diffusion; nonlinear interaction of plankton and ctenophore populations; biogenic, temperature and oxygen regimes; influence of salinity. The computational accuracy is significantly increased, and computational time is decreased at using the calculation method based on partially filled cells for discretization of model. The practical significance is the software implementation of the proposed model, the limits and prospects of its practical use are defined. Experimental software was developed based on multiprocessor computer system, which is intended for mathematical modeling of possible progress scenarios in shallow waters ecosystems on the example of the Azov Sea in summer. We used decomposition methods of grid domains in parallel implementation for computationally laborious convection-diffusion problems, taking into account the architecture and parameters of multiprocessor computer system. Целью работы является разработка и исследование математической модели процессов взаимодействия популяций планктона и гребневика на основе современных информационных технологий и вычислительных методов, позволяющей повысить точность прогнозного моделирования экологической обстановки мелководного водоема в летний период. Модель учитывает: движение водного потока; микротурбулентную диффузию; нелинейное взаимодействие популяций планктона и гребневика; биогенный, температурный и кислородный режимы; влияние солености. Использование метода частичной заполненности расчетных ячеек при дискретизации модели позволяет существенно повысить точность и сократить время вычислений. Практическая значимость работы состоит в том, что предложенная модель программно реализована, определены пределы и перспективы ее практического использования. На базе супер-ЭВМ разработано экспериментальное программное обеспечение, предназначенное для математического моделирования возможных сценариев развития экосистем мелководных водоемов на примере Азовского моря в летний период. При параллельной реализации были использованы методы декомпозиции сеточных областей для вычислительно-трудоемких задач диффузии-конвекции, учитывающие архитектуру и параметры многопроцессорной вычислительной системы.