Parameter estimates for marine ecosystem models in 3-D

Piwonski, Jaroslaw

The aim of this work is to provide a computational-science-based foundation for the parameter identification of marine ecosystem models. For this purpose a general programming interface is introduced to enable a flexible coupling of marine ecosystems to fluid dynamics on source code level. This interface fits into the biogeochemical model structure as well as into an optimization context. Moreover, a parallel simulation and solver software is implemented that combines the introduced interface with an efficient, transport-matrix-based simulation. The software is founded on a free and portable programming library. It is written from scratch, basically validated and exemplary used for a derivative-based optimization experiment. Part of the software additionally provides a basis for the numerical experiments carried out subsequently. They address an approach used for the computation of sensitivities with respect to model parameters and an alternative optimization approach that does not require model evaluations, respectively. In addition, results are included in this work that has been achieved in collaboration with other authors. The first joint work is about porting the software to graphic processing units, the second is about its usage for surrogate-based optimization.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine informationstechnische Grundlage für die Parameteridentifikation bei marinen Ökosystemmodellen zu schaffen. Dazu wird eine Programmierschnittstelle vorgestellt, die es allgemein ermöglicht, marine Ökosysteme auf Quelltextebene an Strömungsmodelle zu koppeln. Diese Schnittstelle fügt sich sowohl in die biogeochemische Modellstruktur als auch in den Optimierungskontext ein. Des weiteren wird eine parallele Simulations- und Lösungssoftware implementiert, die eine effiziente, transportmatrixbasierte Strömungssimulation und die vorgestellte Schnittstelle miteinander kombiniert. Die Software wird auf der Grundlage einer freien und portablen Bibliothek neu erstellt, grundsätzlich validiert und exemplarisch für ein ableitungsbasiertes Optimierungsverfahren eingesetzt. Ein Teil der Software bildet zusätzlich eine Basis für die im weiteren Verlauf der Arbeit durchgeführten numerischen Experimente. Dabei handelt es sich um einen Ansatz zur Berechnung von Sensitivitäten bezüglich der Modellparameter, beziehungsweise um einen alternativen Optimierungsansatz, der ohne Modellauswertung auskommt. Zusätzlich werden Resultate in die Arbeit aufgenommen, die in Zusammenarbeit mit anderen Autoren erzielt wurden. Es handelt sich dabei um die Portierung der Software auf Grafikkarten und um deren Einsatz im Bereich der surrogat-basierten Optimierung.

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Piwonski, Jaroslaw: Parameter estimates for marine ecosystem models in 3-D. 2015.

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