Årsrapport for 2002 Beregningsorientert matematikk i anvendelser (BeMatA)

Transkript

1 Årsrapport for 2002 Beregningsorientert matematikk i anvendelser (BeMatA) 1. Sammendrag Med beregningsorientert matematikk menes utvikling og analyse av matematiske modeller, numeriske teknikker og metodeorientert programvare for å løse problemstillinger innen naturvitenskap og teknologi ved hjelp av datamaskin. Beregningsorientert matematikk er dermed en syntese mellom matematiske fag og informatikk. Bruken av slik matematisk teknologi er i sterk vekst i hele den industrialiserte verden. Ikke bare dreier dette seg om anvendelser i naturvitenskap og teknologi, men også vitenskaper som biologi, medisin og samfunnsfag anvender i dag vesentlig mer matematikk enn før. Utviklingen av datamaskiner har snarere øket enn redusert behovet for forskning i matematiske fag, og har dreid deler av denne forskningen mot metoder som kan nyttiggjøre seg moderne beregningsteknologi. Programmet er fokusert mot grunnleggende metodeutvikling. Samtidig er det viktig å få til synergieffekt mellom metodeutvikling og anvendelsesorienterte problemstillinger. Programmets hovedmål er: Utvikle og analysere matematiske modeller, numeriske teknikker og metodeorientert programvare som spenner fra grunnforskning til verktøyutvikling innen naturvitenskap og teknologi. Studere anvendelser innen naturvitenskap og teknologi der det er spesielt behov eller potensiale for beregningsorienterte metoder, herunder problemstillinger knyttet til marine ressurser. Bidra til overføring mellom metodeutviklerne og brukere av tyngre beregningsverktøy, samt stimulere til nettverksbygging innen programmets kjerneområder. Programperioden er I 2002 har bevilgningen kommet fra KUF (8 mill. kr) og NHD (4 mill. kr). Disponibelt budsjett i 2002 var 17,9 mill. kr, og forbruket var 14,3 mill. kr. Aktivitetsrapport Programmet er i driftsfasen. Programstyrets tid har hovedsakelig gått med til søknadsbehandling, oppfølging av framdrift og løpende behandling av saker i prosjektene. Det har vært avholdt ett programstyremøte i 2002 og programstyret har behandlet 17 saker. Programstyret har behandlet totalt 19 søknader i Høring har vært gjennomført for 5 prosjekter. En informasjonskampanje for å tiltrekke seg søkere til programmet har vært gjennomført. Vinterskole i beregningsorientert matematikk har vært avholdt. To prosjekter har vært omtalt i media. Alle bevilgede prosjekter vedlikeholder egen internett hjemmeside med lenke til programmets egen internettside. Faglige resultater Første doktorkandidat har disputert i programmet. 51 vitenskapelige artikler publisert i løpet av siste rapporteringsperiode. Vinterskole i beregningsorientert matematikk har vært avholdt innen moderne numeriske metoder. Vurdering av måloppnåelse og fremdrift Programmet har kommet godt igang med en prosjektportefølje av høy kvalitet innenfor viktige anvendelsesområder. Rekruttering av stipendiater har gitt en viss forsinkelse av fremdriften, men de fleste prosjektene har nå god fremdrift.

2 2. Programledelse Programstyret har i 2002 bestått av: Professor Helge Holden (leder), Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Daglig leder Erlend Arge, Numerical Objects AS Professor Jarle Berntsen, Universitetet i Bergen Førsteamanuensis Ingrid Glad, Universitetet i Oslo Professor Bertil Gustafsson, Universitetet i Uppsala Seniorforsker Alf Harbitz, Fiskeriforskning AS Dr.Scient. Elisabeth Nøst, Miros A/S Programstyret har i 2002 avholdt ett møte og behandlet 17 saker. I tillegg til programstyrets ene møte har mange saker vært diskutert og behandlet ved bruk av internett og elektronisk post. Programsekretariatet har bestått av ekstern programkoordinator Gudmund Høst og konsulent Bente Gjelsnes i Forskningsrådet. Axel Andersen har vært Forskningsrådets kontaktperson. 3. Programmets mål Utvikle og analysere matematiske modeller, numeriske teknikker og metodeorientert programvare for å løse problemstillinger innen naturvitenskap og teknologi ved hjelp av datamaskin. Hovedmålet skal oppnås ved å: Øke antallet høyt kvalifisert personale ved målrettet forskerutdanning. Velge forskningsoppgaver gjennom samspill mellom metodemiljøer og brukere. Etablere samarbeidsprosjekter på tvers av fagområder og institusjoner Delmål Programmets mål er delt opp i tre deler metodiske mål, sentrale anvendelser samt formidlingsmål: Metoder: Utvikle og analysere matematiske modeller, numeriske teknikker og metodeorientert programvare som spenner fra grunnforskning til verktøyutvikling innen naturvitenskap og teknologi. Anvendelser: Studere anvendelser innen naturvitenskap og teknologi der det er spesielt behov eller potensiale for beregningsorienterte metoder, herunder problemstillinger knyttet til marine ressurser. Formidling: Det er en sentral oppgave for programmet å bidra til overføring mellom metodeutviklerne og brukere av tyngre beregningsverktøy, samt stimulere til nettverksbygging innen programmets kjerneområder. Programmet skal utdanne minimum 40 kandidater på doktor- og postdoktorgradsnivå med høy kompetanse innen beregningsorientert matematikk.

3 4. Budsjett og finansiering Programmet er planlagt med et omfang på ca. 78 mill. kr fra Forskningsrådet. Tabellen nedenfor viser hvordan årets bevilgning er disponert. Aktiviteter Inntekter Budsjettering Regnskapstall Overføring Bevilgning til programmet FoU-prosjekter Administrasjon av progr. - Drift av prog.styret: Programmets sekretariat Faglige reiser for PS/PK Informasjon Evaluering 0 0 Avsetninger Andre avsetninger (+/-) SUM Alle beløp i tabellen er i kr. Noen prosjekter har hatt vesentlige problemer med å tilsette stipendiater i henhold til planene. Dette har medført mindre forbruk enn budsjettert på prosjektene. 5. Aktivitetsrapport Programstyrets arbeid har i hovedsak vært tilknyttet søknadsbehandling, oppfølging av prosjekter og behandling av løpende saker på prosjektene. Prosjektene har vært fulgt opp både gjennom rutinemessig framdriftsrapportering og ved høringer for programstyret. Det har vært avholdt ett programstyremøte i Bergen i løpet av I den anledning ble det foretatt en høring av prosjekter fra Bergens-området, og det ble også gitt presentasjoner av relevante aktiviteter innen beregningsorientert matematikk i Bergensområdet. Programstyret har satt fokus på å få inn søknader av høy kvalitet. Egne trykksaker har derfor blitt distribuert for å ytterligere å øke interessen for deltakelse i programmet. Denne informasjonskampanjen resulterte i 19 søknader, mange med svært høy faglig kvalitet. Søknadene har først vært vurdert av 2-3 internasjonale eksperter. Programstyret har deretter vurdert søknadene ut fra faglig kvalitet og relevans for programmet. Samarbeidsprosjekter mellom universitet og forskningsinstitutter har vært gitt prioritet. Vinterskole i beregningsorientert matematikk ble avholdt april med 45 deltakere fra universiteter, høgskoler og forskningsinstitutter. Temaet for denne vinterskolen var Moderne beregningsmetoder i CFD, metoder som ikke undervises ved norske universiteter. Dette tiltaket er et viktig bidrag til å fremme målene om kompetanseoverføring mellom metodeutviklerne og brukere av tyngre beregningsverktøy, samt nettverksbygging innen programmets kjerneområder. Programmet har fått ny internett-hjemmeside med ny og forbedret profil. Alle bevilgede prosjekter vedlikeholder egen internett hjemmeside, som er lenket opp til programmets egen internett side

4 Resultater fra prosjektet innen hjertesimulering og fiskeadferd har vært formidlet via forskning.no. Prosjektportefølje antall prosjekter innen følgende 4 kategorier: < > Beløpene er i kroner pr år. Fordeling mellom kvinner og menn i stipendiat- og postdoc-stillinger er vist i tabellen nedenfor. Antall 2002 Årsverk Doktorgradsstipendiater (herav kvinner) 23 (3) 20,6 (2,7) Postdoktorstipendiater (herav kvinner) 7 (1) 4,4 (0,8) Programmet har nå stor aktivitet med mange prosjekter og stipendiater. Det er for tiden liten tilgang på kvinnelige kandidater innen matematiske fag, noe som gjenspeiles i tabellen over. 6. Resultatrapport Det er for tiden stor publiseringsaktivitet i programmet, noe som fremgår av tabellen under. Joakim Sundnes disputerte som første doktokandidat fra BeMatA våren Avlagte doktorgrader (herav kvinner) 1(0) Artikler i internasjonale tidsskrift m/referee-ordning Tilstandsvurdering Programmet er midt i driftsfasen, og det er høy aktivitet med mange prosjekter og mange kandidater under utdanning. Programmet er trolig på god vei til å lykkes med målet om å utdanne 40 kandidater på doktor- og postdoktornivå. Prosjektene spenner fra generiske til anvendelsesorienterte prosjekter, herunder marinrelaterte problemstillinger. Det er kontinuerlig trykk på formidling og nettverksbygging mellom brukere og utviklere av beregningsorienterte metoder, spesielt gjennom den årlige vinterskolen i beregningsorientert matematikk. I prosjektene har det vært stor aktivitet for å rekruttere stipendiater, men det har vist seg vanskelig å rekruttere kvinner til programmet. Her er situasjonen generelt vanskelig innen realfagene. 8. Populærvitenskapelig fremstilling av høydepunkter fra programmet Hvorfor meandrerer elver? I slakt terreng danner elver ofte store slynger (meandre). Elveløpet flytter seg kontinuerlig, fordi vannet graver ut materiale i yttersving og avsetter materiale i innersving. Meandrering skaper erosjon og kan gi problemer for bebyggelse, broer veier og kultivert land i nærområdene til elva. Både observasjoner og teori viser at erosjonsskader i forbindelse med meandrering ikke skjer sakte og gradvis, men oftest skjer med nokså dramatisk omfang i forbindelse med flommer. Under slike flomepisoder er effektive mottiltak gjerne vanskelige å sette ut i livet.

5 Forskere ved Institutt for vann og miljøteknikk, Simulering av meanderdannelse NTNU er nå igang med å beskrive meandrering ved beregningsorienterte matematiske metoder. I dette tilfellet må ligninger for vannstrømmen løses i tid og i tre rom-dimensjoner, og elveløpets kompliserte geometri må beskrives og oppdateres etterhvert som det endres. I tillegg må transport av sedimenter av ulik størrelse gis en realistisk beskrivelse. Selv om ligningene som inngår er kjent er det svært krevende å tilpasse disse slik at man får en rimelig beskrivelse Simulering av meanderdannelse av meandreringsprosessen. Men en god matematisk modell vil kunne gi fornyet innsikt i landskapsutvikling og kan være til stor nytte for elveingeniører. Ekstrembølger En gruppe forskere ved universitetene i Bergen, Oslo og Trondheim, samt SINTEF arbeider med å forstå hvordan ekstremt store bølger kan oppstå også under værforhold som ikke kan karakteriseres som ekstreme. Ekstrembølger (freak waves) observeres oftere enn antatt ut fra fremherskende teori, og sjøfolk som beretter om slike monsterbølger har ofte ikke blitt trodd. Følgene for skipsfart og oljeinstallasjoner kan være katastrofale. Ved bruk av nøyaktige beregningsmetoder og simulering på datamaskin forsøker forskergruppen å gjenskape noe av det som forgår under en virkelig storm på havet. De har allerede oppnådd viktige resultater. Stormsjø består av bølger med forskjellige bølgelengder. Fordelingen av energi mellom disse bølgelengdene har en form som er kjent fra observasjoner, men som ikke tidligere har latt seg beregne fra teoretiske modeller. Forskergruppen har simulert dannelse av havbølger på datamaskin med en mer nøyaktig modell og resultatene har vekket internasjonal oppsikt. Det viser seg at beregninger basert på fremherskende teori gir urealistisk stor sannsynlighet for ekstrembølger. Derimot gir den norske forskergruppens resultater mye bedre samsvar med observasjoner i havet, og representerer et viktig skritt nærmere forståelse av hvordan ekstrembølger kan oppstå.

6 Vedlegg til årsrapport

7 Kontraktspartnere Beregningsorientert Matematikk i Anvendelser 2002 Beløp Antall Universitetet i Bergen Universitetet i Oslo Universitetet i Tromsø NTNU Instituttsektoren Utlandet Norges forskningsråd (administrasjonsutgifter + avsetn.) Total sum

8 Økonomisk oversikt Beregningsorientert Matematikk i Anvendelser (BeMatA) Prosjekttype Prosjektnr. Prosjekttittel Prosjektleder Ansvarlig inst. Fra dato Til dato Rev.budsj. Forbruk Administrasjon BeMatA - Ekstern programkoordinator Høst, Gudmund - Norsk Regnesentral Norsk Regnesentral Administrasjon BeMatA - Drift av programmet Høst, Gudmund Naturvitenskap og teknologi Administrasjon BeMatA - Faglige reiser for PK Høst, og PS Gudmund (møter, konferanser Naturvitenskap og andre faglige og reiser) teknologi Delsum Andre BeMatA - Formidling Høst, Gudmund Naturvitenskap og teknologi Delsum Avsetning BeMatA - Avsetning Vislie, Tone Naturvitenskap og teknologi Delsum Prosjektstøtte Vinterskole i beregningsorientert Lie, matematikk Knut-Andreas SINTEF Anvendt matematikk Prosjektstøtte Structured Stochastic Models and Rue, Computer-Intensive Håvard Inference IT., mat. in og Biological elektro., Fak. Marine for Systems NTNU Prosjektstøtte Nonlinear partial differential equations Holden, of Helge evolution type - IT., theory mat. and og numerics elektro., Fak. for NTNU Prosjektstøtte Optimaliserte tidevannsmodeller Gjevik, med Bjørn høy romlig oppløsning Matematisk for norske institutt kystfarvann UiO Prosjektstøtte Computational Methods for Stratified Owren, Flows Brynjulf Involving Internal Matematiske Waves fag, Institutt for NTNU Prosjektstøtte Modellering av ekstreme havbølger Dysthe, og Kristian havbølgeklima Barstadpå Matematisk mesoskalainstitutt UiB Prosjektstøtte GI4PDE - Geometric Integration Munthe-Kaas, for Partial Differential Hans Equations Informatikk, Institutt for UiB Prosjektstøtte Ikke-lineære modeller for samvirke Stansberg, mellom Carl bølger Trygve og konstruksjoner MARINTEK Prosjektstøtte Latent variable models handled Skaug, with optimization Hans Juliusaided by Havforskningsinstituttet automatic differentiation; application to marine resource assessments Prosjektstøtte Turbulence and turbulent heat/mass Alendal, transfer Guttormin oceanic boundary Avdeling for layers beregn. UNIFOB Delsum Stipend Software for Partial Differential Tveito, Equations Aslak(SPDE) Informatikk, Inst. for UiO Stipend Robust Numerical Methods for Winther, partial Differential Ragnar Equations Informatikk, Inst. for UiO Stipend Wavelet-baserte metoder for feature-analyse Flå, Tor av jordobservasjonsdata Mat.-nat. fak. i form av satellittbilder UiTø Stipend Finding features from dependent Godtliebsen, data Fred Mat.-nat. fak. UiTø Stipend Statistiske metoder for generering Andersson, av turbulente Helge strømningsfelt I. Ingeniørvit. og tekn., Fak. NTNU Stipend Biologisk fluiddynamikk Skotheim, Jan Marcel Skotheim, Jan Marcel Stipend Reduced basis modeling of hierarchical Rønquist, Einar flow systems Malvin Matematiske fag, Institutt for NTNU Stipend Hedonic models of fish behaviour Giske, Jarl Fiskeri- og marinbio., Inst. for UiB Stipend Modelling of meandering river Olsen, evolution Nils using Reidar CFDBøe Vassbygging, Institutt for NTNU Delsum Totalsum

9 Administrasjonsutgifter Beregningsorientert Matematikk i Anvendelser 2002 Prosjekt /431: Programstyret Konto Sum Beløp budsjett Generell drift Møtehonorar inkl. arbeidsgiveravgift Honorar referees Representasjon- og møtekostnader Reisekostnader Annonser 548 SUM Prosjekt /431: Programkoordinator Konto Sum Beløp budsjett Generell drift Programledelse SUM Prosjekt /431: Formidling Konto Sum Beløp budsjett Generell drift Diverse SUM Prosjekt /431: Faglige reiser Konto Sum Beløp budsjett Generell drift Reisekostnader SUM