数值天气预报
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课程评价
spContent=数值天气预报课程是气象科学的一门专业课,主要介绍数值天气预报的基础知识、基本原理和基本方法。通过学习,使学生系统地理解数值天气预报的基本原理;切实地掌握制作数值天气预报的方法;初步具备设计数值天气预报模式的能力;为从事数值天气预报业务、数值预报产品释用、数值模拟研究等打下基础。
—— 课程团队
课程概述

课程目标:

通过对数值天气预报基本原理的系统讲解;使学生切实掌握制作数值天气预报的方法,初步具备设计数值天气预报模式的能力,为未来从事数值天气预报业务、数值预报产品释用、数值模拟研究等打下基础。

 

课程性质与定位:

数值天气预报方法是学生未来从事天气预报业务必须熟练掌握的基本技能。作为大气科学专业的一门专业主干课,本课程强调数学物理知识在大气科学专业的具体应用,强调知识应用的综合性,是一门兼容基础知识、专业知识以及现代计算技术的课程。

 

专业岗位要求及人才培养目标:

在目前的现代化气象业务中,数值天气预报技术占有举足轻重的位置,因此要求学生必须掌握数值天气预报的基本原理,了解数值预报业务现状和数值预报产品释用方法,对数值模拟研究有一定的认识。

本课程旨在通过对数值天气预报原理的深入系统讲解,使学生能够全面认识和理解这一现代预报手段,使学生在数值预报方面既具有扎实的基础知识及理论知识,又具有初步的从事气象业务和科研的能力。

 

课程设计思路、与前后课程的关系:

本课程一方面强调数学物理知识的综合应用,另一方面强调对现代计算技术,特别是计算机编程能力的锻炼,因此在课程设计时既体现基础理论的学习,又注重实践能力的培养,在安排充足的理论教学的同时,安排了大量的实习实践学时。整个课程主要包含:各种坐标系的大气运动方程组、数值计算方案、正压原始方程模式、初边条件和物理过程参数化等模块。

本课程先修课程包括高等数学、普通物理学、计算方法、Fortran程序设计、流体力学、天气学原理和动力气象。有了本课程作为基础,学生就具备了开展天气预报综合实习的基本能力。

 

课程特色:

1.在注重基础理论系统性的同时,强调理论联系实际,加强实践教学环节。课程教学密切结合我校大气科学系学生所具有的数学物理基础、流体力学、热力学、数理方程等知识,与其他专业课程也衔接较好,是一门系统介绍数值天气预报的课程。在教学中安排了多次实习,使学生能加深理解数值天气预报的原理,并提高制作数值天气预报的能力。

2.紧密联系国内外最新科学技术的发展。教学中能反映国内外数值天气预报理论研究和业务应用的最新进展。例如教材中介绍了当前国内外较普遍使用的MM5模式和WRF模式,谱方法,以及目前国际上为提高预报水平所采用的最有效手段之一四维同化技术等,此外,还介绍了我国新一代数值预报模式技术基础等。

3.注重教材建设。参与编写本课程教材的编者都是我国长期从事数值天气预报研究和教学的专家,有着扎实的基础与丰富的经验,使这本书能高质量的完成。例如参加编写教材的除我校专家外,还有南京大学葛孝贞教授,及中国气象科学研究院的著名数值预报专家陈德辉研究员(他主持我国新一代数值天气预报模式的研制工作),2010年后出版教材的专家队伍不断壮大,出版新书的作者又增加了南京大学的孙旭光副教授,北京城市气象研究所梁旭东研究员。

 

教学条件:

为本课程授课的教师均具有气象学博士学位,主讲教师均具有多年的本课程教学经验,深受学生欢迎。目前本课程已形成一个经验丰富、新老结合、稳定的教学队伍。通过学校实施的督导制度和青年教师导师制,老教师在为本科生授课的同时,还要求青年教师作为助教参与到教学中,通过随堂听课和辅导学生等过程,积累教学经验。青年教师必须通过学校的主讲教师资格认定,在对对外专业多次授课,并取得良好反响的前提下,才具备为大气科学专业学生授课的资格。这一过程一般需要3-5年。

本课程的学习场地良好,完全能够满足教学需求。教学设施设备方面,除了传统的板书教学设施外,还配备了现代化教学设备,如电脑、投影仪等。

本课程选用的教材为十一五国家规划教材数值天气预报。该教材自1970年以讲义形式为本专业使用以来,共经过8次改版,每次改版均增加了目前有关数值天气预报的最新进展。除上述教材外,还为学生提供国内外有关数值天气预报的经典教材,供学生自学之用。

本课程注重实习实践教学。配套实验教材已经正式编入教科书中,使学生学习基本内容时就能参阅,这样可以在实习时做到心中有数。学校为本课程提供了良好的实践教学环境,包括:具有中央气象台技术装备水平的校气象台向学生全面开放,学生通过收看中国气象局天气预报会商等,了解数值天气预报的作用;学生可以在学校统一管理的机房中上机实习,且保证一人一机,通过精心安排的实践教学内容,确保学生将课堂所学的理论知识尽快转化为实际的动手能力。

 

获精品课程后的教学沿革

数值天气预报教学团队原有7人,之后不断发展壮大,目前有15人。教师与学生的比例由118,逐渐变为110,至现在的18.

教学方法由原来的板书改进为板书和多媒体课件讲授以及实验实习等方法相结合。对于基础知识仍采用课堂板书的方法,这样便于推导方程,便于学生记笔记,加深他们的印象,使基础知识掌握地比较牢固;而对于近代数值天气预报发展的相关内容,则采用多媒体放映的方法,因为其生动活泼,提高了学生的兴趣。另外学生可通过精品课程网站方便地做到课前预习和课后复习,故可取得更好的教学效果。

由于使用了各种教学方法,以及多媒体教学手段的使用,使得这门课生动活泼,提高了学生的兴趣及教学效果,再加上这门课能为学生走上工作岗位打下坚实的基础,因此,每年除了大气科学专业近400人上这门课外,还吸引许多外专业学生来旁听。

获精品课程以来,无论是校内同事还是校外专家、校内督导组以及学生都反映该门课程的教学形式采用多媒体播放结合板书的方式,不仅使学生能够有条不紊的掌握重、难点知识,而且课程讲授过程形象直观,重点突出,信息量也更丰富,开阔了学生的视野,为他们进一步走上工作岗位打下了坚实的基础。使得学生的业务能力有很大提高,现在不少教师反映在毕业论文中已有相当多的学生使用了数值模式进行诊断分析或数值模拟。

 


授课目标
由于数值天气预报水平是衡量世界各国气象业务现代化水平的标准,所以该课程已成为气象学专业最重要的专业课程之一,且该课程在教学中能反映国内外数值天气预报理论研究和业务应用的最新进展。故本课程以全国与气象专业有关的高校教师和学生为服务主体,同时面向气象台站的社会学习者开放。
课程大纲

1单元  大气运动基本方程组及垂直坐标变换 6学时)

1.1 引言(1学时)

1)了解数值天气预报的发展历史和现状;

2)了解本课程的主要目的、主要内容和学时安排。

 1.2 旋转参考系中的大气运动基本方程组(1学时)

1)熟悉矢量形式的大气运动方程组及其各方程的物理意义。

1.3 球坐标系、局地直角坐标系、p坐标系和Sigma坐标系中的大气运动基本方程组(1学时)

 1)掌握上四种坐标系的定义及其这些坐标系方程组的优缺点;

1.4 数值模式的分类

 1)了解数值模式的基本分类,理解过滤模式和原始方程模式的区别。

重点:

(1) 球坐标系、局地直角坐标系、p坐标系和Sigma坐标系的大气运动方程组的优缺点;

(2) 数值模式的分类。


2单元  地图投影坐标系的基本方程组 6学时)

 2.1 地图投影(2学时)

 1)掌握地图投影的基本知识,尤其掌握正形投影的基本概念;

2)熟悉常见的三种正形投影的定义、特点;

3)熟悉不同地图投影下放大系数的计算方法。

2.2 正交曲线坐标系的基本方程组

(1)掌握拉密系数的概念

(2)掌握正交曲线坐标系的特点

2.3 地图投影坐标系中的基本方程组(1学时)

1)掌握为什么要用到地图投影坐标系的方程组。

2了解如何导出地图投影坐标系中的基本方程组;

 重点:

(1) 地图投影的基本知识及其地图投影放大系数的计算;

难点

1 为什么要用到地图投影坐标系的基本方程组?

2 地图投影坐标系中的基本方程组的推导思路。

 

3单元  数值计算方案 10学时)

  3.1 差分方法和差分格式(2学时)

   (1)理解差分方法的主要思想,掌握差分格式的构造方法;

2)熟悉并能够应用常用的差分格式。

3.2 差分格式的基本性质(2学时)

 (1)理解差分格式的基本性质;

 (2)掌握确定差分格式线性稳定性判据的方法,能够对不同类型的差分格式的稳定性进行分析;

3.3 时间积分方法和积分格式(2学时)

1)掌握构造常用的时间积分格式的方法;

2)熟悉常用的时间积分格式的特点。

3.4 有限差分格式的误差分析(2学时)

1)了解有限差分格式所引起的各种误差;

2)熟悉减小各种误差的办法。

3.5 非线性计算稳定性(2学时)

 (1)熟悉非线性计算不稳定和混淆误差的概念;

 (2)理解非线性计算不稳定产生的原因,并熟悉其常用的抑制方法。

重点:

(1) 差分方程的构造;

(2) 利用冯纽曼稳定性判别方法确定差分格式的线性稳定性判据;

(3)  常用的时间积分格式及其特点;

(4)   非线性计算不稳定、混淆误差的概念;

难点:

1 当时间积分格式设计到3层时确定差分格式线性稳定性判据的方法;

2 混淆误差引起非线性计算不稳定原因的讨论;

 

 4单元  正压原始方程模式 12学时)

   4.1 引言(1学时)

   1)了解正压原始方程模式的设计思想、模式的基本特点;

   2)了解本章要介绍的主要内容。

4.2正压原始方程组及其积分性质(2学时)

   1)熟悉应用有关假设,导出模式的预报方程;

2)掌握正压原始方程模式具有的积分性质。

4.3正压原始方程组的线性计算稳定性(1学时)

1)了解模式的线性计算稳定性讨论;

2)理解模式时间积分步长的选择依据。

4.4正压原始方程模式的空间差分格式(4学时)

1)理解守恒差分格式的概念;

2)掌握差分算符的表示方法;

3)掌握一次守恒格式和二次守恒格式的概念及其构造方法,熟悉正压原始方程模式二次守恒格式的构造方法;

4.5 空间平滑滤波(2学时)

 1)掌握三点平滑、五点平滑和九点平滑的方法;

 2)掌握响应函数的物理意义;

 4.6 正压原始方程模式的时间积分格式(2学时)

1)掌握三步法时间积分格式的构造方法;

2)掌握正压原始方程模式显式时间积分方案的设计方法;

3)熟悉六点隐式时间积分格式的构造方法及其特点;

4.7正压原始方程模式的数值解法(2学时)

1掌握模式数值求解的方法,能够根据模式的基本原理,编制正压原始方程模式。

重点:

(1) 正压原始方程模式的预报方程组的推导

(2) 正压原始方程组积分性质的证明;

(3) 守恒空间差分格式的构造;

(4)  正压原始方程模式时间积分格式的构造。

(5)  空间平滑滤波的方法。

难点:

1)守恒空间差分格式的构造方法;

2)正压原始方程模式的数值求解方法。

3空间平滑滤波的方法。

 

第5单元  斜压原始方程模式 (8学时)

5.1斜压原始方程模式的基本方程及其积分性质(1学时)

 (1)理解斜压原始方程模式与正压原始方程模式的差别;

 (2)了解设计斜压原始方程模式的基本思想;

(3)熟悉斜压原始方程模式所采用的基本方程组及其积分性质。

5.2斜压原始方程模式的空间差分及其时间积分方案(2学时)

 (1)掌握斜压模式的垂直分层和守恒的垂直差分格式的构造方法。

5.3斜压原始方程模式的数值解法和模拟试验(1学时)

   (1)熟悉数值求解斜压原始方程模式的主要内容。

重点:

(1)   通量形式的斜压原始方程模式方程组及其积分性质;

(2)   守恒垂直差分格式的构造。

难点:

(1)斜压原始方程模式的积分性质;

(2)守恒垂直差分格式的构造。



6单元 初边界条件及模式的物理过程参数化(4学时)

   6.1 初始条件与边界条件(1.0学时)

    (1)了解模式初始化的基本概念、基本方法;

    (2)掌握资料同化的概念和基本方法;尤其掌握四维同化。

    (3)了解数值模式中所采用的边界条件;

    (4)掌握嵌套边界条件。

6.2 物理过程参数化(1.0学时)

1)掌握物理过程参数化的基本概念以及在发展模式过程中的重要性。

       重点:

1)资料同化和物理过程参数化的概念;

2)嵌套边界条件的理解;

       难点:

1)四维同化的基本方法。

  

7单元 中小尺度数值模式2学时)

  

7.1 中小尺度数值预报模式(1学时)

7.2 WRF中小尺度模式及数值计算特点

7.3 WRF模式组成结构及计算操作流程 

 

    重点:

1)WRF模式的基本操作流程。



预备知识

    本课程先修课程包括高等数学、普通物理学、计算方法、Fortran程序设计、流体力学、天气学原理和动力气象。

证书要求

本课程考试分为单元测验、单元作业和期末考试,单元测验有6次,成绩占总评分数的40%,单元作业有4次,成绩占总评分数的20%,期末考试只有一次,占40%

 暂无证书,等运行两三期,成型运行正常后,再证书收费。


参考资料

参考书目:

书目名称

作者

出版社

出版时间

  数值天气预报的数学物理基础

  曾庆存

  科学出版社

1979

  数值天气预报原理及其应用

  廖洞贤、王两铭编著

  气象出版社

1986

  数值天气预报

  张玉玲、吴辉碇、王晓林编著

  科学出版社

1986

  数值天气预报

  哈廷纳

  科学出版社

1975

数值天气预报教程

田永祥、沈桐立、葛孝贞、陆维松编著

气象出版社

1995

大气科学中的数值方法

葛孝贞编著

南京大学出版社

1994

计算方法引论

徐萃薇编

高等教育出版社

1999

 

 

参考文章: 

文章名称

作者

出版社

出版时间

 面向21世纪的中国气象数值预报

 陈德辉,薛纪善等

气象出版社

 2001

 数值天气预报中的若干新技术

 廖洞贤等

气象出版社

 1995

 Interaction of a cunlus cloud   ensemble with the large-scale   environment.Part I

 Arakawa A,Schubert W H

 J.Atomos Sci

 1974

 Further studies of the   parameterization of the influence of   cumulus convection on large-scale flow

Kuo H L

 J.Atomos Sci

 1974

 中尺度数值模式的资料同化系统

 陈子通,沈桐立等

 南京气象学院学报

 1998

 


常见问题