快看，這群科學家已經“懶”到不自己動手做實驗了……

地震三點通

北京市防震減災宣教中心

圖：昂貴的風洞實驗和風洞數值模擬

另一方面，不斷取得突破的計算機技術使得更複雜的計算方法成為可能，在第54屆TOP500超算排行榜中，中國的神威·太湖之光位列第三，中國以227台超算的總數制霸，遠超美國的118台。

圖：神威·太湖之光

（峰值性能為12.5億億次/秒，持續性能為9.3億億次/秒）

數值模擬能做什麼？

中國科學院、工程院院士、中國兩彈一星功勳獎章獲得者錢學森在20世紀就指出：“在21世紀，力學加計算機
將成為工程設計的主要手段”。

在進入21世紀後，力學研究的對象日益廣泛，問題更趨複雜，規模也更趨龐大，而計算機科學和技術的發展，使應用計算機進行數值模擬逐漸成為解決這些關系國防、交通、能源、機械等領域的力學問題的強有力的工具。

在實際工程或科學應用中，往往依靠電子計算機，結合有限元或有限容積
的概念，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。

圖：利用某數值模擬軟件進行隧道開挖的模擬

另外，隨著交叉學科和工業合作的趨勢，物理在數值分析中的作用更加被強化，我們開始關注不同場作用下的物理行為，這也是多物理場
成為數值模擬的一個熱門方向和趨勢的原因。

圖：典型的多物理場耦合

（心髒瓣膜張合的數值模擬）

數值模擬能為災害預報做什麼？

氣象科學
對於數值方法的應用，有非常長的歷史，1961年，曾慶存在深入分析天氣演變過程的理論基礎上，首創半隱式差分法，在國際上首次成功求解大氣斜壓原始方程組，得到了世界上第一張用原始方程組畫出的天氣預報圖。而今天，我國的氣象預測早已進入數值天氣預報
階段。

中國科學家甚至走得更遠，希望預測未來一個月、一年，甚至幾十年的氣候，於是便有了“地球系統數值模擬裝置
”。該裝置於2018年在北京市懷柔科學城破土動工，並將於2022年完工。該裝置將為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環境治理等重大問題提供科學支撐。

圖：根據廣東台風數值模式

利用天河二號超級計算機模擬計算

另外，在工程地質災害方面，數值模擬可對滑坡、溜砂、滾石、垮塌
等地質災害的演化機理進行數值分析，對發生條件、漸近破壞過程以及成災規模進行三維動態顯示。

圖：滑坡過程的數值模擬

在地震科學中，也有科學家試圖利用數值模擬的方法研究地震的短臨預報這一世界公認的難題。

例如加州地震概率工作組（WGCEP）多年來一直試圖利用數值模擬的手段預測聖安得利斯斷裂各段的地震危險性。

他們提出了UCERF3-ETAS用於可操作地震預報的時空叢集模型（Spatiotemporal Clustering Model for OEF），目的是將UCERF3模型用於短臨預報。

基於數值模擬的Hayward斷層M 7.1地震後的平均風險概率分布圖。左側顯示UCERF3-ETAS結果，右側顯示純粹（無斷層）ETAS模型的結果。

針對這一難題，國家自然科學基金委員會—中國地震局地震科學聯合基金2018年度項目指南中首次列入了“地震數值預測探索”，相信地震數值預報的研究將在高性能計算和大數據分析的助力下，帶動地震科學和地震預報研究的發展。