數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

1、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)課程教學(xué)大綱課程編號(hào)1140011學(xué)分3.5總學(xué)時(shí)64理論54實(shí)驗(yàn)/上機(jī)10英文課程名Numerical Weather Prediction開課院（系）水產(chǎn)學(xué)院開課系環(huán)境科學(xué)系修訂時(shí)間2006年12月1日課 程 簡(jiǎn) 介數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是大氣科學(xué)中近50年來迅速發(fā)展的一個(gè)分支學(xué)科，已經(jīng)成為氣象業(yè)務(wù)中天氣預(yù)報(bào)的基本手段之一。本課程主要講述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基本原理和方法，并適當(dāng)介紹近年來數(shù)值預(yù)報(bào)領(lǐng)域中的一些新進(jìn)展和新成果。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，要使學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中最常用的基本概念和基本方法，具備從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作的基本技能。課 程 大 綱一、課程的性質(zhì)與任務(wù)：本課程是大氣

2、科學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)課，本課程主要介紹數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和基本方法；本課程的教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生系統(tǒng)地理解數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基本原理；切實(shí)地掌握制作數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的方法；初步具備設(shè)計(jì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的能力；為從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用、數(shù)值模擬研究等打下基礎(chǔ)。二、課程的目的與基本要求：通過本課程的理論教學(xué)和教學(xué)實(shí)習(xí)，使學(xué)生加深理解數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基本理論，掌握在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用簡(jiǎn)單的模式制作數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的方法，提高編制大型計(jì)算程序和操作計(jì)算機(jī)的能力，提高認(rèn)真、踏實(shí)的科學(xué)素質(zhì)，為學(xué)生今后從事氣象業(yè)務(wù)工作和科研工作打下良好的基礎(chǔ)。三、面向?qū)I(yè)：大氣科學(xué)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)本科生。四、先修課程：高

3、等數(shù)學(xué)、計(jì)算方法、程序設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、氣象學(xué)、天氣學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)。五、本課程與其它課程的聯(lián)系：本課程直接建立在天氣學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)基礎(chǔ)之上，因此要扎實(shí)掌握這兩門基礎(chǔ)課程的知識(shí)；同時(shí)要能夠熟練操作計(jì)算機(jī)，應(yīng)用高級(jí)編程語言編程計(jì)算。本課程為現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)提供主要手段，也為進(jìn)一步開展氣象科研奠定基礎(chǔ)。六、教學(xué)內(nèi)容安排、要求、學(xué)時(shí)分配及作業(yè)：第一章 大氣運(yùn)動(dòng)方程組 （6 學(xué)時(shí)）1、教學(xué)內(nèi)容：1 基本方程組（A）。2 球坐標(biāo)系方程組（B）。3 鉛直坐標(biāo)變換（C）。4 地圖投影坐標(biāo)系（B）。5 地圖投影放大系數(shù)（A）。6 在Lambert投影圖上計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的m值（A）。2、基本要求：熟悉各種形式的大氣運(yùn)動(dòng)方程

4、組；掌握有關(guān)大氣運(yùn)動(dòng)方程組垂直坐標(biāo)變換的有關(guān)概念、基本方法和技巧，重點(diǎn)掌握大氣運(yùn)動(dòng)方程組在P坐標(biāo)下的坐標(biāo)變換和表示方法；了解大氣運(yùn)動(dòng)方程組的簡(jiǎn)化和 坐標(biāo)系中大氣運(yùn)動(dòng)方程組的表示方法。掌握地圖投影的基本知識(shí)，熟悉常見的三種正形投影的定義、特點(diǎn)，掌握不同地圖投影下放大系數(shù)的計(jì)算方法；了解地圖投影坐標(biāo)系中的基本方程組的寫法。第二章 大氣運(yùn)動(dòng)的整體性質(zhì)與能量約束（4 學(xué)時(shí)）1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 全球大氣的某些守恒性質(zhì)（A）。第二節(jié) 靜力平衡對(duì)能量關(guān)系的約束（B）。第三節(jié) p 坐標(biāo)系中的能量方程（A）。第四節(jié) 坐標(biāo)系中的能量方程（C）。第五節(jié) Lorenz能量積分約束（C）。2、基本要求：掌握全球大氣具

5、備的基本的守恒性質(zhì)；掌握p坐標(biāo)系中大氣運(yùn)動(dòng)的能量方程；了解靜力平衡對(duì)能量關(guān)系的約束特征；了解坐標(biāo)系中的能量方程和Lorenz能量積分約束關(guān)系。第三章 大氣中的波動(dòng)（2 學(xué)時(shí)）1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 大氣中的混合波解（B）。第二節(jié) 各種波動(dòng)特征（C）。第三節(jié) 正壓模式中的波動(dòng)特征（C）。2、基本要求：了解大氣中的各種混合波解及其波動(dòng)特征；了解正壓模式中包含的波動(dòng)的特征。第四章 數(shù)值計(jì)算法 （10 學(xué)時(shí)）1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 有限差分和截?cái)嗾`差（B）。第二節(jié) 平流方程初值問題的數(shù)值解（A）。第三節(jié) 相容性、收斂性、穩(wěn)定性（B）。第四節(jié) 分析計(jì)算穩(wěn)定性的方法（A）。第五節(jié) 某些積分格式的性能和穩(wěn)定性（

6、B）。第六節(jié) 平滑與濾波（A）。第七節(jié) 非線性計(jì)算不穩(wěn)定（C）。第八節(jié) 橢圓型方程與張馳法（選講）（C）。2、基本要求：理解差分方法的主要思想，掌握差分格式的構(gòu)造方法，熟悉并能夠應(yīng)用常用的差分格式；了解差分格式的基本性質(zhì)；掌握確定差分格式穩(wěn)定性判據(jù)的方法，能夠?qū)Σ煌愋偷牟罘指袷降姆€(wěn)定性進(jìn)行分析；掌握時(shí)間積分方法，熟悉常用的時(shí)間積分格式及其特點(diǎn)；了解有限差分格式所引起的各種誤差；熟悉非線性計(jì)算不穩(wěn)定的概念，了解其常用的抑制方法；理解平滑濾波的原理并熟練掌握濾波的方法。第五章 正壓原始方程模式 （16 學(xué)時(shí)）1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 過濾模式（B）。第二節(jié) 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式的數(shù)值解法及其模式程序的設(shè)計(jì)

7、（A）。第三節(jié) 正壓原始方程組及其積分性質(zhì)（B）。第四節(jié) 差分格式與地轉(zhuǎn)適應(yīng)（A）。第五節(jié) 守恒空間差分格式的構(gòu)造（A）。第六節(jié) 正壓原始方程模式的計(jì)算方案（C）。2、基本要求：了解準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式的設(shè)計(jì)思想、模式的基本特點(diǎn)以及模式所具有的積分性質(zhì)；掌握模式的基本原理和模式數(shù)值求解的方法；能夠根據(jù)模式的基本原理，編制準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式，完成模式的預(yù)報(bào)運(yùn)轉(zhuǎn)；了解正壓原始方程模式的設(shè)計(jì)思想、模式的基本特點(diǎn)、模式具有的積分性質(zhì)以及與準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式的差別，能夠應(yīng)用有關(guān)假設(shè)，導(dǎo)出模式的預(yù)報(bào)方程，并掌握模式的基本原理；了解模式的線性計(jì)算穩(wěn)定性討論，理解模式時(shí)間積分步長(zhǎng)的選擇依據(jù)；掌握并能夠熟練應(yīng)用模式空間守恒格

8、式；熟悉模式的時(shí)間積分方法的具體做法和各自的特點(diǎn)；掌握模式數(shù)值求解的方法；能夠根據(jù)模式的基本原理，編制正壓原始方程模式，完成相應(yīng)的預(yù)報(bào)工作。第六章 斜壓原始方程模式 （6 學(xué)時(shí)）1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 斜壓原始方程組及積分性質(zhì)（B）。第二節(jié) 變量配置與垂直差分格式（A）。第三節(jié) 水平氣壓梯度力的計(jì)算方法（A）。第四節(jié) 斜壓原始方程模式的計(jì)算方案（B）。2、基本要求：理解斜壓模式與正壓模式的差別；了解設(shè)計(jì)斜壓模式的基本思想，熟悉斜壓模式所采用的基本方程組及其積分性質(zhì)；掌握斜壓模式的垂直分層和守恒的垂直差分格式的構(gòu)造方法；掌握數(shù)值求解斜壓原始方程模式的主要內(nèi)容。第七章 初始條件與邊界條件（4 學(xué)時(shí)）

9、1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 初值形成的原理與方法（A）。第二節(jié) 靜力初始化方法（A）。第三節(jié) 動(dòng)力初始化方法（選講）（C）。第四節(jié) 正規(guī)模初始化方法（選講）（C）。第五節(jié) 變分初始化方法（選講）（C）。第六節(jié) 初始化方法的比較與存在的問題（選講）（C）。第七節(jié) 水平側(cè)邊界條件（A）。2、基本要求：掌握模式初始化的基本概念、基本方法；了解資料同化的概念和基本方法；掌握模式水平側(cè)邊界條件的概念以及建立側(cè)邊界條件的基本方法。第八章 模式中物理過程的處理方法（2學(xué)時(shí)，可選講）1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 平均運(yùn)動(dòng)方程組及次網(wǎng)格過程（B）。第二節(jié) 大尺度凝結(jié)降水的計(jì)算方法（C）。第三節(jié) 積云對(duì)流參數(shù)化（B）。第四節(jié)

10、邊界層過程的處理方法（C）。2、基本要求：了解次網(wǎng)格過程、物理過程參數(shù)化方法等基本概念；了解處理次網(wǎng)格過程方法的基本思想；了解幾種典型的物理過程參數(shù)化的方法。第九章 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的釋用（4 學(xué)時(shí)）1、教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的釋用概述（C）。第二節(jié) 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的天氣學(xué)釋用（A）。第三節(jié) 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)釋用（A）。2、基本要求：掌握數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用的基本含義及方法；掌握數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的天氣學(xué)釋用方法；掌握數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)學(xué)釋用方法并可以進(jìn)行計(jì)算、分析。七、實(shí)驗(yàn)名稱與類別：序號(hào)實(shí)驗(yàn)名稱學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類別1地圖投影坐標(biāo)系下的地圖投影放大系數(shù)的計(jì)算2設(shè)計(jì)型2準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式制作天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)2設(shè)計(jì)型

11、3數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的天氣學(xué)釋用2操作型4數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)釋用2設(shè)計(jì)型5數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的綜合釋用2綜合型注：實(shí)驗(yàn)類別指：演示型、操作型、驗(yàn)證型、綜合型、設(shè)計(jì)型、研究創(chuàng)新型八、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容與要求實(shí)驗(yàn)1 地圖投影坐標(biāo)系下的地圖投影放大系數(shù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆盏貓D投影坐標(biāo)系下放大系數(shù)的計(jì)算方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編程計(jì)算Lambert投影方式下經(jīng)緯網(wǎng)格和正方形網(wǎng)格中不同的放大系數(shù)實(shí)驗(yàn)要求：利用相關(guān)公式編程計(jì)算；保存計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)2 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式制作天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鉁?zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式的設(shè)計(jì)思想、掌握模式的基本原理和模式數(shù)值求解的方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：根據(jù)模式的基本原理，編制準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式程序，完成相應(yīng)的

12、預(yù)報(bào)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)要求：編制準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式程序，完成調(diào)試、計(jì)算任務(wù)，并分析預(yù)報(bào)結(jié)論實(shí)驗(yàn)3 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的天氣學(xué)釋用實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆绽锰鞖鈱W(xué)的方法對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行分析、應(yīng)用的方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在Micaps系統(tǒng)中針對(duì)多種不同的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)要求：熟練運(yùn)用天氣學(xué)的方法，對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)4 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)釋用實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆绽媒y(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行因子分析、選取的方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用相關(guān)分析的方法，編程計(jì)算、選取對(duì)某一預(yù)報(bào)量有意義的預(yù)報(bào)因子實(shí)驗(yàn)要求：能夠熟練利用相關(guān)公式編程計(jì)算因子間的相關(guān)性，并能夠驗(yàn)證其可靠度實(shí)驗(yàn)5 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的綜合釋用實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誐OS預(yù)報(bào)法的基本原理及其MOS預(yù)報(bào)的制作方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：以逐步回歸為例，綜合天氣學(xué)釋用技術(shù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)釋用技術(shù)，選擇復(fù)合因子建立某地逐日最高氣溫的MOS預(yù)報(bào)方程實(shí)驗(yàn)要求：自行編程建立MOS預(yù)報(bào)方程（或采用EXCEL進(jìn)行計(jì)算），并對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析九、教材與參考書：本課程選用教