高性能科学计算的基础算法与可计算建模

本重大研究计划以实际需求为牵引，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，建立满足实际精度要求的可计算模型，提高利用计算机解决科学与工程问题的能力，为前沿科学研究和国家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件、软件协调发展，促进数学与其他学科的交叉融合，推动科学计算乃至科学技术的跨越发展。

一、科学目标

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提供关键的数值模拟技术和方法支撑。

二、核心科学问题

1. 数值计算的共性高效算法

（1）微分方程高效高精度的格式构造与分析

（2）复杂数据处理的快速方法

（3）不确定与复杂目标函数的优化方法

2. 基于机理与数据的可计算建模

（1）典型物理模型的耦合与分析

（2）超高维数据的稀疏表达

（3）机理与数据的混合建模

3. 问题驱动的高性能计算与算法评价

（1）多物理过程耦合条件下的数值模拟与算法评价

（2）基于数据提取和分析的计算与算法评价

（3）模型和数据互补的计算与算法评价

三、20xx年度重点资助的研究方向

20xx年度是本重大研究计划受理项目申请的第5年，根据前期资助布局和整体发展的需要，将进入集成升华阶段，主要以“集成项目”和少量“重点支持项目”予以资助。“集成项目”将在前期资助的“培育项目”和“重点支持项目”中遴选出优秀项目进行整合，为重大研究计划后期的总体集

成服务。与下面公布的重点资助方向关系不紧密的项目申请将不予支持。20xx年度总经费约2 000万元。

重点支持项目（资助期限为3年，资助强度约300万元/项）

气候预测资料同化的数学方法研究

主要研究内容：针对气候预测等典型的初值问题，发展资料同化方案中的高效数学优化方法，建立新型同化方案，突破现有资料同化方案维数高、计算量巨大或样本代表性差等瓶颈，缓解背景误差协方差低估和与流依赖有关的一些关键数学问题，使之能够高效同化多源观测数据；利用新的同化方案在气候预测重大应用问题上得到验证。

本年度重点集成方向（资助期限为3年）

1. 航天器再入全流域超大规模计算与验证

主要研究内容：结合全流域（稀薄、过渡与连续介质区）可计算建模、统一快速算法的研究成果，针对航天器再入复杂动力学过程，开展100P级大规模高效计算实现技术的集成，实现航天器再入过程全流域的统一模型、统一算法的大规模数值模拟，并通过实验数据等验证建模、算法与模拟的置信度。

2. 高维多层次生物大数据整合与降维

主要研究内容：结合生物和医学复杂问题的可计算建模、生物大数据降维、特征选择和网络构建的研究成果，开展基于小样本、高维多层次生物系统特征发现理论与算法的集成，针对重大疾病发生发展机制的复杂性，研究生物网络动态变化规律，揭示复杂生命现象，并通过实验数据等验证建模与算法的置信度。

延续资助

对20xx年年底结题、有突破苗头的培育项目，可进行延续资助。延续资助申请人应为20xx年年底结题的培育项目负责人。延续资助的申请采取自由申请与指导专家组推荐的方式进行。

四、遴选项目的基本原则

为确保实现总体目标，本重大研究计划在择优支持的基础上，要求不同研究领域的人员（鼓励由从事算法、问题、软件3个领域研究的人员结合）组织队伍进行项目申请，优先支持具有如下特征的项目申请：

（1）具有原始创新思路和独具特色的探索性研究；

（2）从建模、算法到数值模拟的融合研究；

（3）能够真正发挥数学在交叉研究中的作用、有别于现有做法的研究。

五、申请注意事项

（1）申请人在填报申请书前，应认真阅读本《指南》。必须在该重大研究计划20xx年度拟资助的研究方向和该计划确定的核心科学问题内进行选题，同时要体现学科交叉研究的特征以及对解决核心科学问题和实现计划总体目标的贡献，尤其是要体现发展算法与解决实际科学问题的结合，明确和突出所申请研究问题的特色，不符合本《指南》的申请将不予受理。如果申请人已经承担与本重大研究计划相关的国家其他科技计划项目，应当在报告正文的“研究基础”部分论述申请项目与其他相关项目的区别与联系。

（2）申请书中的资助类别选择“重大研究计划”，亚类说明选择“重点支持项目”或“集成项目”，附注说明均须选择“高性能科学计算的基础算法与可计算建模”，以上选择不准确或未选择的项目申请将不予受理。根据申请的具体研究内容选择相应的申请代码（譬如生命科学领域的项目选择生命科学部的申请代码、地球科学领域的项目选择地球科学部的申请代码、信息科学领域的项目选择信息科学部的申请代码等）。

（3）申请书由数理科学部负责受理。

精密测量物理

精密测量物理是现代物理学发展的基础、着力点和前沿，是科学问题探索和精密测量技术相互融合的结果，是解决国家相关精密测量重大需求的基础。本研究计划旨在针对特定的精密测量物理研究对象，以原子分子、光子为主线，构建高稳定度精密测量新体系，探索精密测量物理新概念与新原理，发展更高精度的测量方法与技术，提高基本物理学常数的测量精度，在更高精度上检验基本物理定律的适用范围。

一、科学目标

总体科学目标：进一步提升我国在精密测量领域的研究能力，促进精密测量物理领域的发展，增强精密测量物理学科整体上在国际上的影响力，其中某些方面达到国际领先水平，扩大基本物理常数测量和基本物理量测定的国际话语权。在导航定位、守时授时、资源勘探、国防安全等国家需求方面提供关键概念、方法、技术基础。在精密测量领域，为国家发展的需求造就一支高水平的研究队伍。

具体科学目标：改进现有实验体系，提升测量精度；构建原子分子冷却新体系，提出原子分子冷却以及用于精密测量的新原理与新方法；实现突破标准量子极限的测量，噪声压缩达到国际领先水平；时频测量不确定度达到10–18水平，时频比对传递精度优于10–19；更多物理常数测量值进入CODATA；等效原理和牛顿反平方定律等物理定律检验取得国际领先的结果等；在实验测量研究的基础上，获取新发现、新认识、新机理，提出新概念、新观点等。

二、核心科学问题

1. 突破标准量子极限的测量原理、方法与技术

2. 突破现有原子频标精度水平的新原理与方法

3. 突破原子精密操控和分子冷却的新机理与技术

三、20xx年度受理与资助情况

20xx年度共收到申请29项，其中“重点支持项目”7项，“培育项目”22项。经专家组评审，有4项“重点支持项目”，8项“培育项目”获得资助，总资助经费2 599万元。

四、20xx年度重点资助领域和研究方向

本重大研究计划围绕核心科学问题，主要以“培育项目”和“重点支持项目”的形式予以资助。对探索性强、选题新颖的申请项目将以“培育项目”方式予以资助，对具有原创性、有一定工作积累、有望取得重要突破的申请项目将以“重点支持项目”的方式予以资助。本重大研究计划预计执行期为8年，立项资助工作主要在前5年进行。20xx年度拟安排资助经费5 500万元，重点支持项目平均资助强度400万～500万元/4年，培育项目平均资助强度100万～150万元/3年，资助的研究方向如下：

重点支持项目：申请人可根据实际情况，选择各研究方向全部或部分内容提出申请。主要研究方向如下。

1. 超越标准量子极限的量子关联测量研究

主要研究内容：

（1）基于光子、原子（含离子）等量子关联体系的量子精密测量：构建多粒子（光子和原子等）自旋压缩或纠缠态。利用粒子之间的量子关联及非线性相互作用演示对相位变化的超越标准量子极限的测量精度，达到甚至突破海森堡极限。

（2）量子精密测量的新原理与新方法：探索其他能超越标准量子极限的多粒子量子关联态和量子测量的新原理与新方法，包括（但不限于）：量子弱测量等新手段实现对微弱信号的放大及量子反馈控制技术，在实验上演示提升微小相位和量子信号的分辨能力等。研究目标是实现突破标准量子极限的测量，噪声压缩达到国际领先水平。

（3）量子关联精密测量技术的开拓：利用光子与原子等量子关联体系与原理，开拓相关的高精度、高灵敏、高分辨的精密测量技术。包括（但不限于）：新型量子干涉仪、重力仪、陀螺仪、磁力计等，从而实现对各种物理量（如时间、频率、重力、地球自转、磁场、速度、温度等）及量子态与量子操作等更高精度的测量。

2. 基于超冷原子与分子精密测量的原理与方法研究

主要研究内容：

（1）超冷分子（含分子离子）体系的制备以及用于精密测量的原理与方法；发展利用分子特有的能级性质（手征，极性和近简并的双重态）在精密测量物理上的应用。

（2）双原子分子的精密光谱和超精细结构，基态双原子分子中最高束缚态序列的精密测量以及相应的低能碰撞性质标定。

（3）与精密测量相关的原子分子结构计算与实验研究。

3. 基本物理定律的高精度检验

主要研究内容：

（1）牛顿反平方定律的高精度实验检验，等效原理的高精度实验检验。

（2）量子电动力学的高精度检验的理论与实验（如氢与类氢原子光谱实验，氦与类氦光谱测量与量子电动力学计算，关联体系的兰姆频移实验与计算）。

（3）探索新的时间反演和宇称破缺的物理量或相互作用（如电子、中子和原子电偶极矩的高精度测量，自旋激化的原子和非激化的原子间在小尺度上的新相互作用力），低能反物质（如囚禁反氢原子）的光谱研究以及与相应正物质的光谱比对。

4. 物理常数与物理参量的高精度测量

主要研究内容：

（1）基本物理常数（如万有引力常数G，精细结构常数α，普朗克常数h，里德堡常数R，玻尔兹曼常数kB等）的高精度测量及其可能的随时间或空间变化研究。

（2）基本物理参量（如质子与电子质量比，质子电荷半径，原子分子的电荷、质量、磁矩、寿命、原子间相互作用参数等本征参数）的高精度测量。

5. 高精度时间频率产生传递与测量研究

主要研究内容：

（1）高精度时间频率产生。研究超越量子投影噪声，提高喷泉原子钟稳定度性能的超低相噪微波信号产生技术及方法；研究和解决影响原子频标不确定度和稳定度性能的物理和技术问题；建立完整的高性能光学原子钟系统（主要研究对象是钙、锶、铝以外的其他原子离子体系）；以及高精度自主测量基于地球自转的世界时UT1的方法和技术。

（2）高精度频率比对与传递。研究高性能光学频率源、光学频率信号传递路径影响和传递中继的技术及实现方法，构建超越目前光学频率原子钟稳定度性能的远程光纤或空间光学频率信号传递与比对系统；超高精度微波频率传递的新方法和新技术；以及高性能搬运钟频率比对测量技术。

培育项目

主要针对精密测量物理的科学问题，开展适合特定精密测量物理对象的新物理体系、新原理、新方法和新技术的前沿探索研究。项目申请需有明确的科学问题、新颖的物理思想和具体的解决途径。对于取得较好的研究成果并有明确的重要科学问题，需要进一步深入系统研究的培育项目将有望在后期以重点支持项目或集成项目的方式予以持续资助。主要研究方向如下：

1. 精密测量物理中的噪声机制与抑制方法

2. 高精度原子频标的新原理

3. 时间频率的高精度传输与比对

4. 原子分子结构及精密谱线研究

5. 量子测量的新原理与新方法

6. 超冷原子分子精密测量的原理与方法

7. 基本物理定律高精度检验的新方法

8. 物理常数和物理参量高精度测量的新方法

9. 精密测量物理关键单元技术攻关研究

五、遴选项目的基本原则

（1）研究内容必须符合项目指南要求，针对基于原子分子光子的精密测量物理研究的科学问题开展创新性理论和实验研究。

（2）鼓励开展前沿领域探索性研究，优先支持具有原创性的精密测量物理新概念、新体系、新方法和新技术的研究。

（3）以高精度实验研究为主、注重理论与实验有机结合，研究目标要体现更高的测量精度。

（4）鼓励多学科实质性交叉合作研究，特别是数理、信息和地球等学科间的相互交叉。

（5）鼓励开展国际合作研究。

六、申请注意事项

（1）申请人在填报申请书前，应认真阅读本《指南》。本重大研究计划旨在将相关领域研究进行战略性的方向引导和优势整合，成为一个协调的综合“项目群”。申请书须具有明确的关键科学问题，并应论述与项目指南最接近的科学问题的关系，以及对解决核心科学问题和实现项目总体目标的贡献。不符合本《指南》的申请将不予受理。如果申请人已经承担与本重大研究计划相关的国家其他科技计划项目，应当在报告正文的“研究基础”部分论述申请项目与其他相关项目的区别与联系。

（2）申请书中的资助类别选择“重大研究计划”，亚类说明选择“培育项目”或“重点支持项目”，附注说明均须选择“精密测量物理”，以上选择不准确或未选择的项目申请将不予受理。根据申请的具体研究内容选择相应的申请代码。

（3）申请书由数理科学部负责受理。

青藏高原地–气耦合系统变化及其全球气候效应

青藏高原是控制大气环流的重要因子；它通过全球动量能量和水分循环影响着区域和全球的气候变化。随着全球气候变化研究的深入，青藏高原地–气耦合系统变化及其全球气候效应的重要性越来越显现，已经成为一个重要的国际气候研究和地球系统科学研究前沿。青藏高原对中国灾害性天气气候变化影响的研究，将提升我国灾害性天气气候预报能力。

一、科学目标

实施本重大研究计划，旨在揭示青藏高原对全球气候及其变化的影响机制；提高亚洲及全球天气气候预测水平；培养一批优秀的领军人才；把我国青藏高原大气科学研究进一步推向世界舞台，使我国在领域的研究水平处于国际的领军地位；为社会的可持续发展作出贡献。总体科学目标是：认识青藏高原地–气耦合过程、青藏高原云降水及水循环过程以及对流层–平流层相互作用过程；建立青藏高原资料库和同化系统；完善青藏高原区域和全球气候系统数值模式；揭示青藏高原影响区域与全球能量和水分循环的机制。

二、核心科学问题

本重大研究计划的核心科学问题是：青藏高原地–气耦合系统变化如何影响亚洲和全球气候系统。该重大研究计划的组织实施将围绕以下三个关键科学问题开展。

1. 青藏高原大地形对全球大气环流的调控

研究青藏高原地表过程与地–气相互作用；青藏高原多尺度地形的动力效应及其影响；青藏高原大地形对大气环流变化的影响。

2. 青藏高原地–气耦合系统变化对全球能量、水分循环的影响

研究青藏高原云降水物理及大气水循环；青藏高原能量和水分循环的联系及其影响；高原地–气耦合过程影响季风与能量和水分循环的机制；青藏高原和海洋对区域和全球气候变化的协同影响；青藏高原对流层–平流层大气相互作用。

3. 青藏高原地–气耦合系统对我国灾害性天气气候的影响机理

研究高原地–气过程对我国灾害性天气的影响机制；高原多圈层相互作用对亚洲季风和中国旱涝的影响；青藏高原对全球季风及气候异常的影响；天气与气候系统模式、物理过程、再分析资料和数据同化关键技术。

三、20xx年度重点资助的研究方向和原则

20xx年度本重大研究计划资助经费约4 000万元。对有较好的创新研究思路或较好的前期结果，但尚需一段时间探索研究的申请项目将以“培育项目”方式予以资助，资助期限为3年，平均资助强度约100万元/项；对已有较好研究基础和工作积累，提出明确而新颖的重要科学问题进行深入系统研究的项目申请将以“重点支持项目”的方式予以资助，资助期限为4年，平均资助强度约400万元/项。

20xx年重点资助研究方向：

1. 青藏高原区域多源信息（特别是第三次青藏高原观测资料）融合以及地–气系统资料同化及再分析

2. 青藏高原地–气耦合系统数值模式的研究（如复杂地形处理，陆面过程、边界层、云降水物理过程、辐射过程与平流层物理化学过程）

3. 青藏高原陆面、边界层观测资料应用及陆–气相互作用机理

4. 青藏高原云降水物理观测资料应用与云物理模型理论

5. 青藏高原地–气耦合过程影响全球及区域能量和水分循环的机制

6. 青藏高原对流层–平流层大气相互作用观测资料应用及其机理

7. 青藏高原地–气耦合系统和海洋对全球气候的协同影响

8. 青藏高原动力、热力过程对我国灾害性天气气候的影响

20xx年度本重大研究计划优选项目的原则

（1）围绕本研究计划核心科学问题；

（2）鼓励具有新思路的探索研究；

（3）特别关注实质性的学科交叉，鼓励国际合作。

四、申请注意事项

（1）申请人在填报申请书前，应认真阅读《指南》。申请书选题应符合本重大研究计划的实施原则，并论述与《指南》最接近的科学问题，以及对解决核心科学问题和实现重大研究计划总体目标的贡献。项目申请书的目标和内容应瞄准重大研究计划的核心科学问题，突出有限目标，强调创新点与前沿基础科学问题的研究。不符合《指南》的申请将不予受理。如果申请人已经承担与本重大研究计划相关的国家其他科技计划项目，应当在报告正文的“研究基础”部分论述申请项目与其他相关项目的区别与联系。

（2）申请人可根据拟解决的具体科学问题，在分析国内外已有成果的基础上，明确新的突破点以及创新思路，自由确定项目名称、研究内容、研究方案和相应的研究经费。

（3）申请书中资助类别选择“重大研究计划”，亚类说明选择“培育项目”或“重点支持项目”，附注说明选择“青藏高原地–气耦合系统变化及其全球气候效应”，以上选择不准确或未选择的项目申请将不予受理。根据申请的具体研究内容选择相应的申请代码。

（4）申请书由地球科学部负责受理。