高性能科学计算的基础算法与可计算建模等NSF项目.doc

高性能科学计算的基础算法与可计算建模 等NSF项目高性能科学计算的基础算法与可计算建模重大研究计划2011年度项目指南科学计算是20世纪重要科学技术进步之一，伴随着电子计算机的出现迅速发展并得到广泛应用。科学计算已与理论研究和实验研究相并列成为科学研究的第三种方法，成为促进重大科学发现和科技进步的重要手段。现今科学计算已是体现国家科学技术核心竞争力的重要标志，是国家科学技术创新发展的关键要素。国家重大战略需求中许多科学问题的解决高度依赖于科学计算中基础算法与可计算建模的发展水平。在国家自然科学基金的框架内，以实际需求为牵引，从基础研究入手，加强科学计算领域的重要基础科学问题研究，设计高效基础算法和建立满足实际精度要求的可计算模型以降低计算复杂度和计算量，显著提高利用计算机解决科学与工程问题的能力，满足实际应用不断增长的要求，是本重大研究计划设立的目的。因此，本重大研究计划的实施将为前沿科学研究和重大需求提供进一步的科学计算支撑，有力地促进科学计算硬、软件协调发展，促进数学与其它学科的交叉融合，培养一批高水平的科学计算复合型人才，推动科学计算乃至科学技术的跨越发展。一、科学目标本重大研究计划围绕基础算法与可计算建模这一主线，开展科学计算的共性高效算法、基于机理与数据的可计算建模和问题驱动的高性能计算与算法评价研究，推动我国高性能科学计算的发展，为解决科学前沿和国家需求中的瓶颈问题提供关键的数值模拟技术和方法支撑。1.在共性高效算法研究中取得原创性和系统性的成果，特别在偏微分方程高保真高效离散方法、非线性特征值问题算法、复杂目标优化方法等的构造、基础理论和并行实现技术方面取得突破。2.在重要科学问题的可计算建模和高性能计算方面，重点突破涉及多过程耦合、数据驱动以及模型和数据互补的建模难点，提出实用的可计算模型，实现高效使用数十万处理器核的大规模数值模拟。3.在学科建设与人才培养方面，聚集和造就一批站在国际前沿、具有创新能力的科学计算复合型人才，形成多个高水平的学科交叉研究团队，实现我国科学计算的跨越式发展。二、核心科学问题针对高性能科学计算的发展趋势和国家需求，更好地在本重大研究计划中体现有所为，有所不为的原则，根据所凝练的核心科学问题要能够体现基础性、前瞻性、交叉性的要求，本重大研究计划确定以高性能科学计算所涉及的基础算法与可计算建模问题作为研究主线。拟解决的核心科学问题为：(一)数值计算的共性高效算法。当前高性能科学计算面临的主要问题之一是如何发展高效高精度算法，以充分发挥高性能计算机的巨大能力，并满足大规模计算实际问题的模拟精度和置信度要求。主要研究内容如下：1.微分方程高效高精度的格式构造与分析非线性应用偏微分方程的高精度高效离散方法与理论；随机微分方程的高保真方法与理论；非线性特征值问题的算法与分析，大规模可扩展新型算法等。2.复杂数据处理的快速方法压缩感知的数学理论和快速算法，高通量异源数据的高效集成算法，基于小样本数据的高维系统重构理论与算法，构建多层次生物网络的理论与算法，二维投影数据重构高分辨三维图像的算法等。3.不确定与复杂目标函数的优化方法针对飞行器设计、天气和气候预测中资料同化、生物分子网络等研究中所出现的优化问题，发展复杂目标函数、随机目标函数、不可精确计算目标函数以及无目标函数的高效优化算法。(二)基于机理与数据的可计算建模。瞄准具有多时空尺度、多场耦合、各向异性、非平衡、超高维和不确定性等特征的问题，开展可计算建模研究。主要研究内容如下：1.典型物理模型的耦合与分析针对多物理多尺度耦合模型(如粒子输运过程的扩散输运耦合模型、材料位错与裂纹的多尺度耦合模型)等，依据问题精度和算法稳定性要求，着重研究具有相同内涵不同变量的相互表达和转换关系、耦合区域或界面的确定原则以及满足物理守恒律且易于计算的连接条件等。2.超高维数据的稀疏表达研究隐含在高维或海量数据中的中心流形，用低维变量或稀疏表示表征高维数据的主要特征，着重研究高维线性问题的低维非线性逼近模式，将高维线性问题转化为低维非线性问题，发展超高维数据降维的新方法。3.机理与数据的混合建模复杂物理与生命现象中的许多问题，需要将机理与数据相结合进行研究，如稀疏雷达成像、大气海洋科学中的资料同化、生物分子网络的构建等。基于已知机理，结合从数据中提取的敏感因素典型特征，探索建立可计算混合模型。着重研究基于机理的模型和数据典型特征的匹配，以及与之相关的数据需求分析。(三)问题驱动的高性能计算与算法评价。围绕国家重大需求、学科前沿领域亟需解决的，并且具有较好科学计算基础的重要问题，进行高性能计算，分析、评价算法和建模的有效性。主要研究内容包括：1.多物理过程耦合条件下的数值模拟与算法评价多个物理过程连续或同时发生是物理和材料等学科中许多问题的共同特征，例如惯性约束聚变过程涉及粒子输运、流体不稳定性等，材料的位错与裂纹涉及弹塑性和晶键破裂等。利用发展的可计算模型和基础算法，针对具体物理过程研究高效算法的实现技术，对其进行数值模拟，并评价模型和算法的有效性。着重研究扩散输运耦合与内爆压缩湍流混合的算法实现技术，有效利用上万处理器核进行惯性约束聚变物理全过程的大规模数值模拟；对材料位错与裂纹的多尺度模型进行大规模高效耦合计算，加深对材料损伤与失效机制的理解。2.基于数据提取和分析的计算与算法评价基于数据提取及其关联分析建立数学模型进而进行推断和预测是研究许多复杂问题的重要模式，例如生物调控网络中的细胞适应性控制网络、信号开关控制网络、高通或低通滤波控制网络等。利用发展的稀疏表示模型，针对具体超高维和多源数据，研究快速算法的实现技术，对其进行科学计算。着重研究生物海量数据的特征抽取及网络表征方法，开发高效调控网络推断算法，在对应的动力学方程的参数空间对系统实现大规模高效计算。通过科学计算认识生物网络拓扑结构与动力学参数之间的关系，探讨结构和功能的关系。3.模型和数据互补的计算与算法评价科学研究的发展涌现出许多不能单纯用模型或数据描述的科学问题。例如，对大气与海洋科学研究中非常重要的资料同化问题，一些影响天气与气候变化的机制的认识还不够，数值模式不尽完善，数据不完备、不同来源的资料之间不协调，需要模型和数据的互补与融合，利用建立的数值模式和海量资料开展资料同化方法和技术研究。选择一两个问题，譬如天气和气候预测中的资料同化问题、复杂介质中弹性波场的全波传播模拟，开展模型与数据互补的高性能计算研究三、2011年度拟重点资助的研究方向和研究项目(一)重点支持项目拟资助的研究方向。1.共性随机算法与数学理论针对实际问题中的典型随机现象，开展随机算法与理论分析研究，包括保持物理性质的随机微分方程离散方法，随机边界条件处理方法，稀有事件的随机算法，复杂网络的马尔科夫模型约化方法与理论等。发展高效实用的共性随机算法，特别是保持物理性质的新型随机算法，建立相关的数学理论基础。2.极端条件下物理过程的可计算建模与算法针对惯性约束聚变中的辐射输运过程，研究可计算建模，包括扩散输运耦合与内爆压缩湍流混合的可计算建模，研究相应的高效高精度算法及实现技术。建立符合物理要求的高效实用的扩散输运耦合算法与湍流混合可计算模型，有效利用上万处理器核实现惯性约束聚变物理全过程的大规模数值模拟。3.气候预测的陆面过程资料同化的数学方法研究基于气候数学物理模式，结合从观测数据及不同来源的资料中提取的敏感因素和典型特征，研究资料同化方案(可计算模型)和高效高精度的计算方法。提出科学合理的资料同化方案和新型数学方法，使之能够同化多种遥感观测以及常规观测数据；并将同化方案和获得的同化数据与气候模式预测系统结合，系统性地检验陆面过程资料同化对我国夏季降水异常预测效果的影响。4.材料物性的耦合模型与算法针对典型材料建立材料物性的多物理多尺度可计算模型，研究不同层次、不同物理机理耦合模型(特别是动力学耦合模型)中确定具有相同内涵不同变量的相互表达和转换关系、耦合区域或界面的原则，以及满足物理守恒律且易于计算的连接条件的数学表达等。发展材料物性耦合模型的高效算法，实现高效使用上万核处理器的大规模数值模拟。5.复杂介质中波传播反问题的理论、快速算法与应用结合实际应用中的复杂介质波传播问题(如复杂介质中电磁波、光波、弹性波传播等问题)，研究利用可测量数据反演重要物理量、提取重要几何(结构)参数以及效用评估的问题。在快速计算正问题的基础上，重点研究反问题特有的强非线性性和高度病态性难题。解决基于不同状态下、不同来源数据的约束条件与反问题算法的融合问题，提出计算高频场和非线性不适定问题的快速、可靠的求解方法，建立不完全数据处理的高效算法和数学理论，为相关的反问题及最优设计问题提供切实可行的新理论基础和计算方法。(二)培育项目拟资助的研究方向。1.新型有限元、有限体积方法；2.保持物理特性的自适应与无网格方法；3.非线性特征值问题的算法与分析；4.适用于大规模异构计算机系统的可扩展新型算法；5.强关联多体物理问题的新型计算方法；6.多介质大变形流体的高保真算法；7.飞行器高雷诺数流场高精度快速算法；8.高维数据的低维非线性逼近方法；9.多层次生物分子网络重构的模型与算法；10.基于生物分子网络数学模型及算法的疾病诊断、分级和预后；11.复杂疾病发生发展的恶性转化过程的建模；12.基于机理与数据的可计算建模与算法；13.难以计算的具体问题的可计算建模与算法探索。情感和记忆的神经环路基础重大研究计划2011年度项目指南情感和记忆是认知功能的核心，记忆是所有认知功能的基础。情感可以影响几乎所有的认知功能，是个体和种族生存和适应环境的基础。情感和记忆的神经环路的形成、修饰和维持的规律和调控途径是当前神经科学最活跃的焦点方向之一，也是人们理解大脑认知功能的关键。神经环路是情感和记忆的生物学基础，情感和记忆障碍与神经环路的解剖和功能异常有关。解析情感和记忆障碍相关神经精神疾病神经环路的结构和功能异常，将为新一代诊断、治疗技术方法提供科学依据和新的思路。近年来分子生物、物理、化学、计算机等领域新兴技术手段的迅速发展为深入研究情感和记忆神经环路提供了新契机。因此，以情感和记忆为主要研究对象，充分发挥医学科学、生命科学和信息科学等学科的特点以及学科交叉的优势，引入连接组、功能组等系统化的研究理念，结合临床情感和记忆障碍疾病特点，对情感和记忆的神经环路的结构和功能进行定量化描述，不仅是解决重大的科学问题，而且可揭示神经环路的整合机制与重大神经精神疾病发生发展中的变化规律，为提高相关疾病的临床诊断治疗水平和促进患者功能康复提供科学支撑和技术保证。一、科学目标本重大研究计划以情感和记忆神经环路为主要研究对象，在多模态、多尺度水平探讨情感和记忆相关的神经环路关键节点和路径及其与重大神经精神疾病特定临床表型之间的关系，揭示神经环路在重大神经精神疾病发生发展中的变化规律，为深入理解神经精神疾病的发病机制，发现新的预防、诊断和治疗手段提供科学依据，为提高我国国民的心理健康水平做出贡献。二、核心科学问题围绕情感和记忆及其障碍的神经环路机制这一核心科学问题，从不同尺度上探讨神经环路的关键节点和路径，具体包括以下4个方面：(一)情感的结构环路和功能环路基础及其相互关系。(二)记忆的结构环路和功能环路基础及其相互关系。(三)情感和记忆的相互作用及其机制。(四)遗传和环境因素对情感和记忆神经环路的调节机制。三、2011年度拟重点资助的研究方向和研究项目本重大研究计划围绕以上关键科学问题，分五个研究方向实施：(一)情感和记忆的结构环路与功能环路基础及其相互关系。1.在常用模式动物中，利用遗传学、电生理学、形态学和影像学等技术，在分子环路、细胞环路、核团环路以及大脑区域间环路等多个层次上解析情感与记忆的结构和功能环路基础。2.利用我国非人灵长类优势动物资源，开展全面影像学表征的连接组研究，建立完整的高精度数据库，为深入理解情感和记忆功能及相关疾病的机理构建系统框架。3.运用多模态神经影像等技术，解析人脑情感与记忆的结构和功能环路基础。(二)情感和记忆神经环路相互作用及其机制。1.在不同层次研究情感和记忆特异和共享环路的基础及其相互作用。研究情感和记忆神经环路中时空信息的编码、贮存、固化与消退、提取与发送、及信息整合的共同机制和专有特性。2.揭示情感和记忆环路间相互作用的关键节点和调控机制。研究不同时间尺度上，情感和记忆神经环路的多层次、多模态适应性改变及其相互影响，功能环路活动反馈调节结构环路重塑的机制。(三)遗传和环境因素对情感和记忆神经环路的调节机制。1.研究染色质重塑、DNA甲基化、蛋白修饰、非编码RNA调控等在情感和记忆信息的编码、存贮、提取和加工过程中的作用及其调控机制。2.探讨应激等环境因素影响情感和记忆神经环路的形成和调控机制。3.环境因素与遗传因素对情感和记忆神经环路可塑性的影响，及其在神经精神疾病发生、发展中的作用机制。(四)情感和记忆相关神经精神疾病的神经环路机制研究。1.研究轻度认知功能障碍、老年性痴呆、重性抑郁障碍、双相情感障碍、创伤后应激障碍、精神分裂症等常见重大神经精神疾病的神经环路机制。(五)与情感和记忆神经环路相关的新方法与新技术研究。1.寻找新的针对情感和记忆神经环路特异神经元的标记物。2.发展情感和记忆活动与功能过程中的生物活性分子的取样和检测方法。3.发展新型的针对情感和记忆神经环路的活体示踪和成像技术，以及图像自动标识、分割与可视化技术。4.发展有关情感和记忆神经环路信息处理和信息编码的新技术新方法，定量、精确描述神经环路的动态系统参数与行为和功能之间的关系。可交互人体器官数字模型及虚拟手术研究重大项目指南可交互人体器官数字模型及虚拟手术的基础研究将创新医疗人才培养模式，提高优质医疗资源利用率，缓解医患矛盾，推动外科手术的精准化、微创化和个性化。本重大项目围绕人体器官几何、物理(力学)、生理建模和虚拟手术等方面的基础科学问题，通过多学科交叉研究，构建刻画人体器官形态特性、物理特性、生理特性及其相互关系的高精度三维数字模型，建立具有切割、缝合、灼烧等功能的虚拟手术理论方法、技术体系和原型系统，为手术模拟训练、手术方案论证和手术远程协作奠定基础。一、科学目标可交互人体器官数字模型及虚拟手术研究是信息技术和现代医学技术发展的重大需求，也是数字建模、虚拟现实、人机交互等实现理论和技术突破的活跃领域。美、德、法、日等发达国家投入大量资金开展了相关研究，可实现60万个面片、5万个物理计算单元的人体器官三维数字模型的实时交互操作，力觉误差小于15%，一些成果已初步用于骨科、口腔、肝胆等手术模拟培训。我国在人体数据采集、骨骼生物力学建模、虚拟手术等方面开展了多年研究，具有技术和人才基础。本重大项目针对可交互人体器官数字模型及虚拟手术这一重大的信息科学和生命科学交叉的前沿问题，依托我国具有自主知识产权的数字化人体数据集，从基础科学理论和典型示范应用两个层次，开展基本科学问题和关键技术研究。1.基础理论和关键技术方面研究多模态数据特征自动提取、三维模型矢量化等人体器官多尺度几何建模；离体与在体相结合的物理特性获取、多生理系统相互作用模型等人体器官物理建模和生理建模；基于生物力学的力觉反馈机制、复杂因素作用下的人体组织器官响应模型等手术虚拟仿真与手术评价三个方面的科学问题，建立可交互的人体器官的几何、物理(力学)、生理模型，以及虚拟手术与评价理论；研究可为虚拟手术提供共性支撑的高真实感绘制方法和高精度力反馈交互等关键技术，形成具有较高可信度的虚拟手术支撑平台。研究成果在本领域顶级期刊和顶级国际会议发表，并产生重要影响。2.典型示范应用方面以心血管介入手术为研究对象，研制支持心血管介入手术模拟训练的原型系统，其中心脏等主要器官数字模型精细度不低于100万面片，物理计算单元不低于10万个；视觉仿真频率不低于24帧/秒，力反馈相对误差不大于10%。通过多学科交叉研究，带动微创外科和精准外科新理论、新技术和新医疗器械的研究。二、研究内容1.人体器官几何形态建模与矢量化根据人体器官的解剖结构特点，以及器官在不同个体间的形态学变化规律，依托我国具有自主知识产权的数字化人体数据集，辅以活体MRI或CT数据，研究人体器官几何形态建模与矢量化基础理论和关键技术。主要研究内容包括：人体器官几何形态高精度数字化；多模态数据特征的自动提取、配准和融合；人体器官表面模型的数学建模和统计分析；人体器官的形态学语义描述；人体器官三维模型矢量化；适于拓扑变化(切割、缝合、自碰撞和大尺度变形等)的人体器官多模态数据表示模型及其融合。2.人体器官物理和生理建模综合考虑人体器官物理特性(重点考虑生物力学特性)、生理特性的复杂性，特别是两者之间的相关性，研究人体组织器官物理和生理建模基础理论、方法与关键技术。主要研究内容包括：人体组织器官离体与在体相结合的物理特性获取；个性化器官的动态、多层次、自适应物理计算模型；人体组织器官在体物理特性的可感知性表达；多器官及组织的物理耦合模型；物理特性和生理特性的耦合建模方法；人体器官多生理系统的相互作用模型。3.手术虚拟仿真与手术评价方法基于可交互人体器官数字模型和力反馈操控装置，研究手术虚拟仿真和手术评价的基础理论和关键技术。主要研究内容包括：基于生物力学的力觉反馈机制；复杂因素作用下的人体组织、器官响应模型和改重建模拟方法；手术器械功能仿真与手术评价方法；手术作业行为与交互方式模拟。4.人体器官及手术现象的实时逼真绘制理论与医学数据可视化方法针对医疗对象模态多、数据量大、细节丰富等特点，研究医疗对象和医学现象的实时、逼真绘制理论和关键技术，主要研究内容包括：医学器官表面活性和管道流场的三维表现模型；软组织柔性、粘滑、黏弹性的实时全局光照绘制理论与方法；高精度个性化数据驱动的脏器体纹理合成和映射方法；流血、灼烧、病变等医学现象及手术特情的实时逼真表现方法与技术；多通道三维立体显示技术；特征驱动的医学数据可视化分析。5.可交互人体器官数字模型在临床诊疗中的典型应用面向手术模拟培训需求，基于本项目研究成果，开展集成创新研究，构建心血管介入手术应用验证系统。主要研究内容包括：软组织器官的大尺度形变、碰触与实时切割仿真；血液流动模拟；个性化信息自动获取与器官模型驱动；虚拟空间中手术模拟器械的高精度跟踪定位；高效率的力学模型解算；实时精确的流固体碰撞检测与响应；医学数据的统计分析及可视化。大规模风电接入电力系统运行与控制基础理论研究重大项目指南风能是一种清洁的可再生能源，主要发达国家、发展中国家都已经将发展风能作为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段。我国风能资源主要分布在东北、西北、华北等地区，与负荷中心呈逆向分布，大规模风电远距离输送将成为我国利用风能的主要途径，这也与欧美等发达国家分散开发、就地接入的模式截然不同。实现风电规模化利用，同时确保电力系统安全稳定运行，是我国当前迫切需要加以研究和解决的重大科学问题。风电对电力系统造成的影响是全时空跨度的，而且随风电比例的增加，其影响的区域也逐步扩大到全网。与常规能源发电的确定性功率输出相比，风电功率输出的随机性和波动性，使得现有的确定性电力系统演变为随机-确定耦合的复杂电力系统，将严重影响电力系统安全运行。建立一整套含大规模风电的复杂电力系统运行与控制基础理论(或者大规模风电接入电力系统运行与控制基础理论)体系，对于我国能源安全及可持续发展具有重要的理论和现实意义，研究成果将为大规模风电输送与接入奠定重要科学基础。一、科学目标通过电气科学与工程、自动化、数学、工程热物理与能源利用、大气科学等相关学科的交叉，研究随机多时空尺度非线性动力学系统的动态聚合理论，探索含大规模风电的随机-确定耦合电力系统优化运行、稳定性分析与控制理论，旨在基础理论、研究方法和调控途径的源头创新上有所突破。通过项目实施，实现以下目标：1.建立随机多时空尺度非线性动力学系统的动态聚合模型；2.提出含大规模风电的随机-确定耦合电力系统优化运行理论；3.实现含大规模风电的随机-确定耦合电力系统动态调控。二、研究内容1.随机多时空尺度非线性动力学系统的动态聚合理论研究基于微气象学的风资源数值模拟、数值天气预报同化和集合优化、短期和超短期风电功率预测及其误差综合评价方法，风电机组/风电场/风电场群多时空间尺度动态聚合、等效建模以及参数测辨理论与方法。2.含大规模风电的随机-确定耦合电力系统运行调控机制研究电力系统中确定性功率注入与随机性功率注入的相互作用机理，随机波动性电源、确定性电源、大功率多元复合储能与电网的稳态调控机制，平抑风功率波动需要的系统热备用及稳定储备评估方法，放松频率变化的可行性及经济影响评价方法，基于风能资源利用最大化和火电煤耗最小化的随机-确定耦合电力系统优化运行理论。3.含大规模风电的随机-确定耦合电力系统稳定机理和动态调控机理研究含大规模风电的随机-确定耦合电力系统的平衡点大幅度随机漂移机理，大规模风电接入导致的系统惯性下降对系统稳定性影响的机理，不同风电集中接入点和接入规模对系统电压稳定、小干扰稳定、低频振荡问题的影响机理，含大规模风电的随机-确定耦合电力系统的稳定性定义、稳定性判据以及动态调控机理。变化环境下工程水文计算的理论与方法重大项目指南近50年来我国长江上游、黄河、海河、淮河、珠江等流域的实测径流量都呈下降趋势。与此同时，我国水文极值事件发生频率明显增大。工程水文分析计算是确定水利工程建设规模及制定管理运行策略的重要依据。现有基于稳定环境背景下水文观测资料系列一致性假设或对下垫面变化情形下水文系列的还原、还现方法，无法准确描述变化环境下的流域水文情势演变规律，影响到已建工程的实际防洪/兴利效果和待建工程水文设计的可靠性。为提高我国水利工程安全，亟待开展变化环境下流域水文情势演变及工程水文计算理论与方法研究。本重大项目所凝练的关键科学问题包括：1.水文过程对环境变化的响应机理；2.水文极值时空分布的演变规律；3.非一致性水文系列概率分析理论。一、科学目标揭示气候变化及人类活动影响下的水文过程演变机理，建立水文要素变异的定量识别理论方法体系，提出一套适应变化环境的水文频率计算及风险分析方法。二、研究内容为了实现科学目标，针对关键科学问题，拟选择具有不同气候特点的渭河流域、淮河流域及北江流域典型研究区，开展相关的基础和应用基础研究。主要研究内容包括：1.气候及人类活动对水循环的影响机理；2.水文过程对环境变化响应模拟与预测；3.水文序列变异诊断和重构理论与方法；4.非一致性概率分布估计理论与方法；5.变化环境下水利工程设计风险评估。第三极地球系统中水体的多相态转换及其影响重大项目指南第三极地区是地球系统各子系统组成最集中的地区，也是相互作用最强烈的地区。第三极地区的冰冻圈-水圈-大气圈组合，更是全球陆地表层系统中最完整的水体的多相态存在形式。第三极水体的多相态转换，是大气圈、冰冻圈、水圈、岩石圈和生物圈多圈层相互作用与物质循环的纽带，影响着人类赖以生存的水资源，也带来了环境的风险与灾害。第三极地球系统中水体的多相态转换及其影响以地球系统科学为指导，需要多学科的融合，突出区域特色，聚焦关键科学问题，以台站为观测基础，以遥感为辅助手段，以模拟为集成方法，研究第三极地区冰川物质-能量平衡、河流与湖泊的水量平衡、大气能量平衡，揭示水相转换过程中的机制，阐明与冰川-湖泊-径流相关的水资源与水灾害问题。一、科学目标以第三极地区的冰川、湖泊、河流为主要对象，研究水体的多相态转换过程，建立水体转换过程中的物质和能量平衡模型以及不同尺度的水循环模型，揭示冰川-湖泊-河流相互关系及其对气候变化的响应，评估水体转换过程对水资源与水灾害的影响。二、研究内容1.冰川物质平衡与能量平衡在典型冰川分布地区开展野外强化监测，确定现代冰川变化的区域差异特征；通过物质-能量平衡观测、冰川运动测量、星-地观测等多种手段，研究现代冰川的年际冰川物质平衡变化过程及其年代际变化特征；利用冰芯记录，研究气候变化与冰川物质平衡的关系。2.湖泊水量平衡与冰川-湖泊相互关系在典型湖盆流域开展系统的气象要素观测，结合遥感反演，实现下垫面地气交换通量的高精度模拟；观测和模拟研究气候变化、冰川进退对湖泊水量平衡的影响，定量揭示气候变暖背景下湖泊消长的机制；利用冰芯和湖芯中的气候环境记录，揭示冰川与湖泊的相互作用历史及其与气候环境变化的关系。3.不同尺度冰川-河流水文过程模拟通过冰川径流观测、遥感影像判读和同位素水循环模型，分析冰川变化对地表径流的影响，建立冰川径流模型并预测未来不同气候情景下的响应；构建不同尺度的水文过程模型，研究气候变化对区域和广域水相转化和河川径流的影响；通过遥感反演与实地考察，揭示第三极地区水相转换过程中冰川泥石流和冰湖溃决洪水的影响；科学评估水相态转换的灾害特征与灾害风险并提出对策。4.水体多相态转换模型的综合集成研究在冰川物质-能量平衡、湖泊水量平衡、不同尺度水文过程模型研究的基础上，以能量转换为切入点，建立太阳辐射驱动下的冰-水-汽多相转换融合模型，揭示流域尺度和区域尺度的冰川、湖泊、河流的相互作用过程及其影响。面向碳排放与碳汇监测的大规模无线传感网理论与关键技术重大项目指南科学有效的碳排放与碳汇监测将提升我国在应对全球气候变化的国际事务中的话语权，并为国家发展低碳经济提供科学依据。由于城市和森林生态系统的时空异质性和尺度复杂性，大范围、长期、持续、同步监测城市和森林生态关键指标存在困难。作为沟通物理世界和数字世界的桥梁，无线传感网在碳排放和碳汇监测中具有得天独厚的技术优势。开展大规模传感网的基础理论与关键技术研究，构建相应的典型应用系统，可以为碳排放与碳汇监测向多站点联合、多系统组合、多尺度拟合、多目标融合的方向发展创造条件。在科学基金等项目的持续支持下，我国已经具备了开展相关研究的基础队伍和研究条件。本重大项目围绕大规模资源受限型无线网的组网、定位和诊断和海量进化型感知数据的认知和管理两大科学问题，通过多学科交叉研究，构建具有国际领先水平的开放共性实验平台，促进无线传感网基础理论、关键技术与规模化应用的有机结合，为建立与完善我国物联网理论和应用技术体系框架奠定基础。一、科学目标本重大项目从大规模无线传感网的基础科学理论、综合实验平台、典型应用示范三个层次开展基础科学问题和关键技术研究，力争在大规模无线传感网面临的大规模资源受限型无线网的组网、定位和诊断和海量进化型感知数据的认知和管理两大科学问题上取得突破，解决无线传感网传感失谐、诊判失据、模型失用和评测失调等基础理论和关键技术难题，为物联网应用发展提供理论与技术支撑。无线传感网在环境监测、灾害预警、工业控制、智能交通、远程医疗等领域，国内外已有诸多相关研究和系统部署，但无线传感网技术仍面临规模化应用壁垒：当前典型无线传感网系统的总规模不超过数百个节点，通常仅覆盖一个或几个较小的试验性区域，仅支持几跳甚至单跳数据收集；受制于能量效率、系统管理和网络维护技术，传感网可持续运转时间也无法满足对城市和森林进行长期持续监测的需求。本重大项目争取在基础理论和关键技术取得突破的基础上，结合生态定位观测站构建一个覆盖城市和森林的大规模多维碳排放与碳汇监测无线传感网实验平台，为碳排放与碳汇评测标准的建立提供科学依据。力争在综合实验平台和典型应用示范中实现传感网系统总规模达到上万个节点、网络覆盖面积超过100平方公里，以无线多跳自组技术实现10跳以上数据收集，单基站传感子网最大控制节点数超过1000个节点。二、研究内容1.非绑定自组织网络的弱状态路由与后IP寻址突破传统IP方式相对固定架构(绑定物理位置、绑定物理连接)的限制，研究动态环境下大规模无线传感网的非绑定路由模型与网络架构。2.持续进化型海量感知数据的量质融合管理面向碳排放和碳汇长期监测、测量的需求，针对传感网数据持续变化和质量低的特点，研究持续进化型海量感知数据的量质融合管理的基础理论和关键技术。3.规模型泛在系统非基于领域知识的自演化与自导向诊断针对野外监测环境复杂多变、节点和数据传输不可靠的特点，研究网络智能再生机制，非基于领域知识、具有鲁棒性的系统自演化技术，及自导向的节点自我诊断方法。4.规模型无线网络可定位性理论与非测距定位方法针对环境监测应用的特点，突破传统基于精确测距的定位方法带来的局限，探索复杂环境下无线网络的自组织定位方法。5.规模化自组织传感网在碳排放和碳汇监测中的典型应用突破传感网技术规模化应用壁垒，针对城市和森林的碳排放与碳汇监测开展典型应用，为碳交易、节能减排效果以及碳汇能力评估提供科学依据。Pangea的东亚重建重大项目指南Pangea是地球历史上最年轻的超大陆，它的主体是冈瓦纳古陆与劳亚古陆在250Ma拼合而成，其重建位置有大量可靠的地质、古地磁和古生物证据，因而得到国际地学界的广泛认可。然而，东亚陆块群在Pangea的古地理位置及其与Pangea主体的关系却存在很大争议。目前绝大多数重建方案认为，东亚陆块群在220Ma之前时仍游离于Pangea主体之外，没有成为Pangea主体的一部分。这些重建方案主要是基于上世纪90年代前的研究资料，并没有考虑