Вычислительные аспекты математического моделирования гидробиологических процессов в мелководном водоеме

Abstract

Статья посвящена изучению нелинейных эффектов в динамике популяции промысловой рыбы пиленгас Азовского моря при низкой и высокой ее численности с учетом эффекта Олли, конкуренции за ресурсы, таксиса, вылова, пространственного распределения биогенных веществ и детрита на основе многовидовой модели взаимодействия планктона и рыб. Дискретный аналог разработанной модельной задачи водной экологии, входящей в состав программного комплекса, получен на основе схем второго порядка точности с учетом частичной заполненности расчетных ячеек. Возникающая в процессе дискретизации система сеточных уравнений большой размерности была решена на основе модифицированного попеременно-треугольного метода, имеющего наибольшую скорость сходимости при условии асимптотической устойчивости разностных схем для параболических уравнений, эффективность которого была улучшена на основе уточненных спектральных оценок. Разработка эффективных параллельных алгоритмов численной реализации поставленной задачи биологической кинетики, ориентированных на многопроцессорную вычислительную систему (МВС) и графический ускоритель NVIDIA Tesla K80 с модификацией формата хранения данных, позволила анализировать процессы воспроизводства популяций биогидроценоза в режиме реального и ускоренного времени. Paper covers the research of nonlinear effects in population dynamics of the pelengas commercial fish of the Azov Sea taking into account the Allee effect, competition for resources, taxis, catching, spatial distribution of biogenic matter and detritus based on a multi-species model of plankton and fish interaction. Discrete analogue of developed model problem of water ecology, included in a software complex, were calculated using schemes of second order of accuracy taking into account the partial filling of computational cells. The system of grid equations of large dimension, arising at discretization, has been solved on the basis of adaptive modified alternately triangual variational method. Effective parallel algorithms were developed for numerical implementation of biological kinetics problem and oriented on multiprocessor computer system and NVIDIA Tesla K80 graphics accelerator with the data storage format modification. Due to it, the reproduction processes of biogeocenose populations have been analyzed in real and accelerated time.