面向地球系统过程模拟的流形空间元胞自动机方法

Cellular automaton is an effective way of solving non-linear problem of earth system process simulation. Aiming at large-scale earth system process simulation, this project is to develop a manifold cellular automaton method and its prototype based on the intrinsic space of earth system and Earth System Spatial Gird(ESSG). The points of research includes: a) methods of preprocessing for earth system data based on ESSG; b) cellular neighbour model and the calculation methods of cellular neighbour; c) parallel algorithms for the manifold cellular automaton and its parallel prototype; d) experiments on the earth interior heat transfer simulation based on the manifold cellular automaton. The model of ESSG triple(C,T,A) is taken as a medium to make a mapping between the source data and the initial cellular data by models transfer. The parallel algorithms for the manifold cellular automaton are desinged by the strategies of data paralleling, load balancing, and so on. The manifold cellular automaton open parallel prototype is then developed at the guide of self-defined rules. Finaly, earth interior heat transfer is taken as an example to carry out an experiment for the developed cellular automaton,and then make an verification by the comparison with the numerical simulation results.

元胞自动机是研究非线性复杂系统过程的有效手段，但目前尚无一种与地球系统空间特征相称的元胞自动机。本项目旨在面向大尺度的地球系统过程模拟，基于地球系统的本质空间-球体流形空间以及地球系统空间格网(ESSG）发展一种流形空间元胞自动机方法及其原型系统,内容包括：1)基于ESSG的地球系统数据预处理方法；2)ESSG元胞邻居模型及邻居计算方法;3）流形空间元胞自动机并行算法及其原型系统;4)基于流形空间元胞自动机的地球内部热传递模拟实验。拟以ESSG三元组（C,T,A）为纽带，基于模型转换建立现有数据与元胞初始数据的映射,并针对ESSG的邻近关系以现有邻居模型为原型设计新的元胞邻居模型，并结合数据并行、负载均衡等策略对有关算法并行化，以可自定义元胞规则为目标开发开放的流形空间元胞自动机并行原型系统，最后以地球内部热传递为例结合具体物理规律定义相应的元胞规则开展应用试验，并与数值模拟结果比较检验。

元胞自动机是研究非线性复杂系统过程的有效手段，具有结构简单且具备模拟复杂系统的能力，已被广泛应用于大气、流体力学、地球物理等领域。然而，现有元胞自动机以欧氏空间为约束进行地球系统过程模拟，忽略了地球重力等天然约束,导致模拟计算过程中元胞状态的传递方向与真实运动的趋势方向不相符，一定程度上扭曲了最终的模拟结果，急需发展一种与地球系统空间特征相称的元胞自动机模型。本项目基于地球系统的本质空间以SDOG-ESSG这种全球三维格网为基础发展了一种地球系统空间元胞自动机模拟方法，该方法可为全球变化及地球系统科学的地球系统过程模拟服务。主要研究内容包括：1)基于ESSG 的地球系统数据预处理方法；2)ESSG 元胞邻居模型及邻居计算方法;3）流形空间元胞自动机并行算法及其原型系统;4)基于流形空间元胞自动机的地球内部热传递模拟实验。最终取得了如下研究成果：1)提出了SDOG-ESSG与现有常见坐标系的转换算法及基于区域填充的SDOG-ESSG三维对象快速建模方法；2）提出了基于SDOG-ESSG的面邻近计算算法及对应的元胞邻居模型；3）提出了基于SDOG-ESSG的体绘制及并行算法；4）提出了地壳热传递地球系统元胞自动机模拟方法；5）开发了SDOG-ESSG并行体绘制原型系统及基于SDOG-ESSG的地球系统元胞自动机原型系统;6)开展了地球热传递元胞自动机模拟实验。