计划任务完成情况

1、 计划任务

　　复杂流动演化及湍流规律的正确预测与主动控制是当前国际流体动力学的一个最新发展方向。数值计算是解决这些问题的主要途径。复杂流动计算将在环境科学及过程工业领域得到广泛作用。

　　本课题将针对气候变化、军事科技与过程工业等国家重大需求问题中的一些典型复杂流动，开展原创性的数值方法研究，揭示复杂流动中的新现象、新规律，最终在这些国家重大需求问题中得到成功的应用，并发挥重要作用。

2、完成情况

　　围绕课题的总体目标，经过五年的努力，取得了重要的进展，独自提出了一批原创的数值方法，并揭示了复杂流动的新现象、新规律，解决诸如气候数值模拟、武器数值模拟和磁力偏析布料数值模拟等复杂流动的高精度计算问题，圆满完成了计划任务。课题组五年期间共发表标注973项目资助的学术论文202篇，其中SCI收录102篇，中英文专著各1本。在国际会议上做特邀报告30人次，国内会议上做特邀报告34次。相关研究工作有的在影响因子大于10的高档次杂志上发表论文1篇，有的被国际权威杂志审稿人给予了高度评价。获IT国际大奖1项，军队科技进步一等奖1项，教育部科技进步二等奖1项，陕西省科学技术奖1项，中国科协求是杰出青年奖一项和中国科协首届优秀期刊论文奖1项。代表性的成果有：

（1）新一代大气环流模式的建立及其重要应用

　　气候变暖对我国的社会环境和经济发展已经并将继续产生重大的影响。近10年中，我国每年由气象灾害引起的直接经济损失约在600-1800亿之间。面对气候变暖带来的巨大挑战，我们应该采取什么对策？这已成为政府决策部门和科学界不可回避的重大问题。当前一个重要的战略部署就是加速发展气候系统模式。其中，大气环流模式的发展是最关键的环节之一。

　　中科院大气所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（英文缩写：LASG）经过十几年的努力，到1999年本项目启动时在大气环流模式的研发方面已经有了很好的基础，先后建立起两代大气环流模式。但由于种种条件的限制，当时的模式分辨率还比较低，其模拟性能和能研究的科学问题还非常有限。显然，发展新一代高分辨率的大气环流模式成为当时急需开展的重要课题。正因为如此，这一难度非常大且富有挑战性的课题被本课题组列为重要研究任务之一。

　　求解大气方程组是建立大气环流模式的前提基础。国际上最常用的方法是有限差分法和谱方法。由于大气方程组中包含有复杂的地形和因凝结造成突然间断的水汽变量，使得谱方法在求解时存在难以克服的困难，而差分法的优势非常明显。然而，差分法在极地附近存在严重的高频效应和计算不稳定性，这个一直未解决的问题使得谱方法在近20年来反而成为最普遍使用的方法。本课题组针对这个问题，通过艰辛的探索找到了导致差分法在极区存在困难的两个主要成因：由靠近极区越来越小的纬圈格距导致的高频效应和接近音速的重力外波沿极区纬圈快速传播导致的计算不稳定，尤其找到了克服这两个主要困难的有效方法，解决了久未解决的问题，使基于有限差分法的格点模式获得新生。

　　为了克服极区高频效应的影响，本课题组独自提出了带权等面积网格剖分方法，有效缓解了极区的高频效应，既具备滤波器的功能，同时又不破坏总体守恒性。对于传播速度高达300米/秒的重力波，在靠近极地的纬圈上传播时， 一个时间步内可以传播十多个甚至几十个格距，从而导致严重的计算不稳定。为此，本课题组首次提出半解析能量守恒格式，能使得重力波的求解无条件稳定。进而首次将辛的概念推广到球面大气方程组，率先建立起求解大气方程组的Hamilton算法，最终形成一套全新的完整求解大气方程组的时空离散方案，并成功地应用于新一代大气环流模式的设计。其中，求解大气方程组的Hamilton算法这一工作于2003年荣获第一届中国科协期刊优秀学术论文奖。

　　采用上述新发展的数值方法，完成了新一代高分辨率大气环流模式（GAMIL 1.0）的建立，其垂直分层从老模式的9层提高到新模式的26层，模式大气层顶高度从老模式的30公里提高到新模式的40公里，水平分辨率从老模式的400公里×500公里的格距提高到新模式的200公里×200公里的格距。这些性能指标与著名的美国国家大气研究中心（NCAR）的大气环流模式（CAM 2，谱模式）完全相当。尤其，采用世界公认的国际大气模式比较计划（AMIP）的权威标准，我们用新模式GAMIL和美国的模式CAM进行了40年实况的模拟比较，结果表明，新模式对降水和环流场的模拟有明显的提高，尤其是西太平洋地区与青藏高原附近区域，改进尤其显著。这充分表明了采用有限差分法求解大气方程组在克服极区的困难后模拟效果明显优于谱展开法，对模式性能的改进有着重要作用。

　　为了检验新一代大气环流模式（GAMIL 1.0）的季节预报能力，同时也本着科研工作面向国家防灾减灾重大需求的宗旨，我们于2004年夏天在时间紧、计算量大的情况下参加了国际季节预报模式比较计划（SMIP）。全世界有能力参加国际比较计划的国家很少，通常只有发达国家参加，其主要原因是绝大多数国家缺乏发展自己的大气环流模式的能力。此次参加SMIP的模式全世界只有9个，我们的模式GAMIL是代表中国的惟一模式，其他的模式均来自发达国家（如美国、日本等）。

　　以新模式GAMIL为大气分量模式的气候系统模式代表中国正在参加政府间气候变化委员会（IPCC）第四次评估报告（AR4）的情景预测实验。IPCC评估报告旨在预测分析未来可能发生的气候变化及其影响并为各国政府决策提供科学依据。但由于情景预测实验计算量和存储量都非常巨大，对计算机的性能提出很高的要求，同时因气候系统模式的建立需要有很强的基础研究综合实力，所以世界上有能力参与IPCC 情景预测实验的国家为数很少。正在参加IPCC第四次评估报告情景预测实验的国家目前只有10个，其中8个是欧美发达国家，另外2个国家就是中国和俄罗斯，我们的模式就是代表中国的模式。参加这项工作具有重要的科学意义和政治意义，一方面可为我国政府重大决策和长远规划提供重要科学依据，另一方面在世界气候外交中为中国争取自己的发言权。因此，该项工作不仅瞄准着国际科学前沿，而且也符合国家的重大需求。

　　另外，新模式GAMIL被国家海洋环境预报中心采纳，作为“厄尔尼诺数值预测模式”中的大气模式，将用于海洋环境的业务预测。

　　由于我们在数值模式发展与应用方面取得的成绩，尤其是在本项目的支持下在求解大气方程组数值方法方面取得的原创性成果，由本课题组撰写的研究案例“Atmospheric Research”于2003年荣获计算机世界荣誉奖科学类最佳奖：21世纪成就奖。这是中国科学家首次获得这样的大奖。计算机世界荣誉奖因其规格高、竞争激烈、影响大、评奖方式与电影界的“奥斯卡”奖类似，而被视为国际ＩＴ业的“奥斯卡”奖。2003年，全世界被提名参评“计算机世界荣誉奖”科学类奖项的研究案例共有139项，经过评委的严格评选，本课题组提交的研究案例脱颖而出，先后进入前10名（金牌）和前5名（提名奖），最终获得最佳奖（21世纪成就奖）。

（2）新尾迹转捩动力学过程与机制的研究

　　尾迹流动关联到柱体结构受力、振动等，具有广泛和大量的工程应用背景。研究尾迹流动能够深入了解湍流发展机制，并在此基础上可进一步对湍流控制提供技术途径，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的应用价值，被本课题列为重要研究任务之一。

　　本课题组在尾迹转捩动力学这一复杂问题上做了大量深入、系统的数值研究，首先提出了N-S方程Fourier谱-高阶紧致差分法，并对Re＝200-300进行大量直接数值模拟，获得了阐明尾迹向湍流转捩的非线性动力学及旋涡形态的新的理论结果--三维不稳定性非线性发展，揭示了粘性流动中两类典型大尺度旋涡位错的形成、特征、空间发展及内部真实的复杂结构和旋涡重联，克服了无粘涡动力学不能反映真实结构的理论局限性和解释，阐明了一类新的尾迹转捩的动力学过程和机制，在国际上属首创。相关工作已发表在流体力学界国际权威杂志 Physics of Fluid、Fluid Dynamic Research 和 Physica D上，并在国际会议上作大会特邀和Key-Note报告。

（3）二维拉氏自适应数值模拟程序（LAD2D）以及重要应用

　　武器设计研究中的流体动力学问题是用数值模拟进行武器设计必须首先解决的关键问题之一，是典型的多物质大变形流动模型问题，要求数值模拟达到高分辨、三维、全物理和全系统的水平，难度很大，对国家安全有着重大意义，因此被本课题组列为又一个重要研究任务。它主要包括适用于大规模并行计算机的高效计算方法研究和先进数值模拟应用程序的研发，以解决严重制约武器物理数值模拟的若干瓶颈问题和基础问题。

　　并行计算是充分利用多处理器计算机系统开展大规模科学计算的有效方法，本课题组针对武器物理数值模拟中的并行计算进行了深入研究，取得重要进展。首先，构造了一类求解粒子输运方程离散纵标方程组的基于界面修正的源迭代并行计算方法，其稳定性、精度、并行度、简单性诸方面均优于原有的并行离散纵标方法。其次，针对辐射流体力学--中子输运方程耦合问题，构造了基于界面修正的迭代并行计算格式和具有活动界面的并行格式，能有效加速迭代收敛，能比较明显地减少计算耗费。关于这方面的研究成果曾于2001年荣获军队科技进步一等奖。

　　研制完成了适用于高温高压多介质流体动力学问题的二维拉氏自适应数值模拟程序（LAD2D），其先进性体现在结构与非结构网格耦合体系和区域分解计算策略，在这个程序平台上，可广泛开展许多数值模拟研究，特别是针对多介质、多尺度大变形问题，有利于提高数值模拟精度及程序开发效率，对国防尖端科技研究具有重要意义。经过大量的数值实验和实际模型测试，LAD2D已开始应用于武器物理数值模拟。

（4）近程作用离散动力系统方法及其重要应用

　　我国工业产值的近一半来自过程工程，而从实验室到产业化的过程放大是其瓶颈问题，过程和设备中动态多尺度结构的广泛存在是研究过程放大规律的难点。采用传统的单尺度平均方法不但忽略了小尺度结构，而且造成了对大尺度结构的描述不够精确，特别是传递和反应等受小尺度结构影响更大的过程。因此，从不同尺度上描述过程及尺度间耦合的多尺度方法是克服上述困难的有效途径，也是本课题的重要研究任务之一。

　　为了从源头上分析和论证多尺度结构的形成机理和统计规律，本课题发展了将流体离散为微小物理粒子的拟颗粒方法，为复杂多相系统的高精度微观模拟找了一条简便而可靠的思路，显示了比依旧从连续介质方程出发进行数值离散的网格或粒子方法更多的优越性。并以此为基础建立起近程作用离散动力系统模拟方法及其并行计算。相关研究成果发表在化学工程领域影响因子最高的SCI杂志之一的《Chemical Engineering Science》上，被审稿人评价为“treats the very basic problem of flow around particles in a very innovative way! It opens a new way to simulate … The paper ranks without doubt in the first quartile of chemical engineering papers. It shifts the frontline in fluid/particle simulation quite a remarkable step ahead!”

　　基于近程作用离散动力系统方法，建立了一个实用的离散模拟平台，并应用该平台圆满完成了宝钢关于矿石落料中磁力分选的数值模拟，为宝钢分析和优选了几种磁场分布方案，由此设计的布料装置显著提高了矿石的烧结质量，取得明显的经济效益。

（5）GPS资料同化省时10000倍

　　近十年来，全球定位卫星系统 (GPS)“掩星”技术的研究和应用已成为大气遥测中的国际前沿课题，采用变分同化的方法从GPS掩星观测中获取大气要素的信息，将为数值天气预报提供一个新的有生命力的资料来源。但由于联系GPS掩星观测与大气要素的观测算子计算量非常巨大，使得GPS资料同化一直达不到实用的地步，大规模减少GPS观测算子的计算量成为迫切需要解决的问题，被本课题组列为重点研究的中心问题之一。

　　本课题组围绕这一中心问题开展了深入细致的研究，从理论方法上，成功地设计出求解GPS 观测算子的辛几何算法和变步长算法，节省计算时间10倍，继而从并行技术方面，考虑到大规模优化问题巨大信息量交换的困难，发展了分块优化、整体收敛的并行优化方法，在国产超级计算机神威-4上，利用1420个CPU并行运行GPS同化系统，同化1420个站点的资料，提高计算速度1092倍。理论方法与并行技术的结合，可使GPS资料同化的计算时间比原来节省10000倍，很好地解决了GPS变分资料同化系统因计算巨大而不能实用的困难，为在数值天气预报与气候研究中充分利用GPS这一新的气象资料来源打下了坚实的基础。相关研究工作发表在影响因子大于10的高档次学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences （PNAS）上，并在2002年世界数学家大会在西安举行的关于科学计算的卫星会议上做大会特邀请报告。

（6）其它成果

　　此外，由本课题组研制的厄尔尼诺预测系统已被国家海洋环境预报中心采纳并将用于业务预测，建立的中国近海海洋资料同化系统被北京大气环境研究所应用于区域海洋预报。提出的用自由基组元的质量分数的对数做自适应权函数的新网格自适应移动技术，不仅提高了激波和反应面的分辨率，而且还提高了整体计算效率，可以算出合理的爆轰波流场。基于杂交元方法设计的克服Locking不稳定的新方法是一种辛格式，在数值计算中获得很好的收敛性。建立的基于时滞近似惯性流形概念上的一步Newton校正算法具有类似于椭圆方程Newton迭代的快速收敛速度和高精度，并只需进行一次校正，即可达到最优逼近效果，相关成果分别获得2004年教育部科技进步二等奖和2003年陕西省科学技术二等奖。