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Model-Driven Software Engineering for Computational Science Applied to a Marine Ecosystem Model
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Datum
2016
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Verlag
Geselllschaft für Informatik e.V.
Zusammenfassung
Diese interdisziplinäre Arbeit leistet Beiträge sowohl in der Softwaretechnik als auch in der ökologischen Modellierung. In der Disziplin der Softwaretechnik führen wir mit Sprat einen modellgetriebenen Entwicklungsansatz speziell für das wissenschaftliche Rechnen ein. In dem Gebiet der ökologischen Modellierung präsentieren wir mit dem Sprat Marine Ecosystem Model ein räumlich explizites Modell für Fischpopulationen im Kontext der end-to-end Modellierung von marinen Ökosystemen. Die steigende Komplexität von in silico Experimenten in den Naturwissenschaften spiegelt sich in einer beständig größer werdenden Komplexität der Simulationssoftware, die diese Experimente ermöglicht. Aufgrund dieser Entwicklung besteht zusehends die Notwendigkeit, dass NaturwissenschaftlerInnen verschiedener Disziplinen kollaborieren, um derart komplexe Simulationssoftware entwickeln zu können. Da die WissenschaftlerInnen in diesem Entwicklungsprozess jedoch nur selten moderne Methoden der Softwaretechnik verwenden, wird die Wartbarkeit und Performance der Software sowie die Zuverlässigkeit der mit ihrer Hilfe erzeugten Ergebnisse negativ beeinflusst. Dieser Herausforderung begegnen wir mit unserem Sprat-Ansatz, der verschiedene domänenspezifische Sprachen hierarchisch miteinander integriert. Unser Entwicklungsansatz vereinfacht die Kooperation von NaturwissenschaftlerInnen aus verschiedenen Disziplinen und unterstützt sie darin, qualitativ hochwertige Software zu erstellen, ohne eine umfassende Softwaretechnik-Ausbildung absolvieren zu müssen. Um den Sprat-Ansatz zu evaluieren, setzen wir ihn im Rahmen einer explorativen Fallstudie für die Implementierung des Sprat Marine Ecosystem Model ein. Das Sprat Marine Ecosystem Model ist ein Bestandsmodell für Fische, welches mit biogeochemischen Ozeanmodellen gekoppelt wird, um alle trophischen Ebenen eines Ökosystems abbilden zu können. Das Modell verwendet einen neuartigen Modellierungsansatz, der auf Populationsbilanzgleichungen aufbaut. Dieser Ansatz vereinigt die Vorzüge von existierenden end-to-end Modellierungsansätzen und vermeidet ihre wesentlichen Nachteile. Um die partiellen Differentialgleichungen des Sprat-Modells zu lösen, entwickeln wir eine flux-corrected transport FiniteElement-Methode, die explizite Mehrschrittverfahren für die Zeitintegration verwendet. In dieser Arbeit evaluieren wir das Sprat-Modell, indem wir es für das östliche Scotian Shelf Ökosystem mit seinen verwobenen direkten und indirekten Interaktionen parametrisieren, die vormals nicht zufriedenstellend modelliert werden konnten. Unsere Simulationsergebnisse bieten neue Erkenntnisse über Regimeumbrüche in marinen Ökosystemen.