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数值天气预报
第1次开课
开课时间: 2020年09月08日 ~ 2020年12月31日
学时安排: 待定
当前开课已结束 已有 1027 人参加
立即自学
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课程详情
课程评价(27)
spContent=本课程是2011年建成的甘肃省省级精品课程。由甘肃省省级教学团队“《数值天气预报》教学团队”的五位教师讲授。编著的《大气数值模式和模拟》、《数值天气预报基础》是主要参考教材。本课程将讲授如何通过数学方法,借助计算机技术,求解描述大气运动规律的学物理方程的数值解,进而获得未来时刻的大气状态和天气气候的思想和方法。
本课程是2011年建成的甘肃省省级精品课程。由甘肃省省级教学团队“《数值天气预报》教学团队”的五位教师讲授。编著的《大气数值模式和模拟》、《数值天气预报基础》是主要参考教材。本课程将讲授如何通过数学方法,借助计算机技术,求解描述大气运动规律的学物理方程的数值解,进而获得未来时刻的大气状态和天气气候的思想和方法。
—— 课程团队
课程概述

  本课程讲授的主要内容包括:大气运动方程的离散方法,差分格式的稳定性及收敛性;差分方程的求解的方法;守恒差分格式的设计;大气数值模式初始场和边界场的产生方法,原始方程模式的基本设计,谱模式的设计及数值模式中需要考虑的有关物理过程参数化的基本思想和方法。

  通过本课程的学习,你将掌握大气数值模式建立设计的基本原理和基本方法;熟悉数值天气预报的基本概念和初步应用;了解大气数值模式的发展动态和存在的问题。从而为从事大气科学相关的业务工作打下基础。

  本课程是大学大气科学专业本科生的必修专业课程,也可供辅修大气科学专业及相关的业务人员了解学习数值天气预报的基础知识。


授课目标

随着计算技术和数理学科的发展,数值天气预报已成为目前气象预报业务的主要手段。本课程旨在培养学生良好的科学素养、坚实的数值计算和大气建模基础。通过本课程的学习,使学生熟练掌握大气数值模式的基础理论和基本方法,培养学生从事大气科学、地学各相关学科模型的建立、应用;使学生具备利用数值天气预报模型分析问题和解决问题的能力;使学生具有从事大气数值模式相关研究的理论基础;具有并掌握从事实际预报业务工作的基本技能,为学生从事气象业务、继续深入学习大气科学提供必需的理论基础和技能。


课程大纲
数值天气预报的概念与发展
课时目标: 通过本章内容的学习,了解数值天气预报的基本概念,了解数值天气预报发展的简史,了解课程的主要内容和学习方法。
1.1 数值天气预报的概念
1.2 数值天气预报的发展
大气运动方程组
2.1 旋转坐标系下的大气运动方程组
2.2 球坐标及局地直角坐标系中的大气基本方程组
2.3 大气运动基本方程组的简化
2.4 普遍的正交曲线坐标系中的方程组
2.5 地图投影
2.6 普遍的地图投影坐标系中的方程组
2.7 大气运动方程组的垂直坐标变换
2.8 P坐标和坐标系下的大气基本方程组
数值计算方案
3.1 数值离散化方法
3.2 平流方程的离散化
3.3 差分格式设计的原则及分析
3.4 计算稳定性分析的基本方法
3.5 二时间层非迭代时间积分格式
3.6 二时间层迭代时间积分格式
3.7 三时间层时间积分格式
3.8 显式和隐式差分
3.9 半隐式时间积分格式
3.10 时间分离积分格式
3.11 一维空间差分方案与地转适应
3.12 二维空间差分方案与地转适应
3.13 一次守恒差分格式的构造
3.14 二次守恒差分格式的构造
3.15 差分方程的计算解
3.16 混淆误差与非线性计算不稳定
初边界条件
4.1 观测资料及误差
4.2 观测资料的质量控制
4.3 客观分析方法
4.4 初始化的提出
4.5 静力初始化(地转风初值和平衡初值)
4.6 动力初始化(Nitts-Hovermale法)
4.7 三维变分同化
4.8 四维变分同化
4.9 水平侧边界条件
4.10 嵌套网格的边界处理
4.11 集合预报
原始方程模式
5.1 正压大气模式方程组的构造
5.2 正压原始方程模式的数值解法
5.3 斜压通量形式的大气方程组(坐标系下的通量方程)
5.4 斜压模式方程组的积分性质
5.5 斜压模式方程组的数值求解
正压涡度方程谱模式
6.1 球面谱模式的展开函数和因变量的选择
6.2 任意函数的球谐函数及其性质
6.3 波数截断
6.4 正压涡度方程及其谱截断方程
6.5 正压涡度谱截断方程中非线性项的计算
6.6 正压涡度方程谱模式的数值求解
模式物理过程参数化
7.1 次网格尺度过程和参数化
7.2 辐射参数化(I)
7.3 辐射参数化(II)
7.4 湿物理过程参数化(I 微物理参数化)
7.5 湿物理过程参数化(II 积云对流参数化)
7.6 边界层参数化
7.7 陆面参数化
模式应用举例
8.1 中尺度WRF模式简介
8.2 中尺度WRF模式的敏感性试验个例
8.3 雷达资料同化及应用
展开全部
预备知识

本课程的先修课程为:《动力气象学》、《数值分析方法》、《天气学原理与分析》、《数学物理方法》、《Fortran语言》、《大气物理学》、《边界层气象学》、《气象统计预报》、《大气探测学》。

与先修及后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接:本课程必须由先修课程提供基本概念、基础理论以及大气科学的基本物理规律。


证书要求

为积极响应国家低碳环保政策, 2021年秋季学期开始,中国大学MOOC平台将取消纸质版的认证证书,仅提供电子版的认证证书服务,证书申请方式和流程不变。

 

电子版认证证书支持查询验证,可通过扫描证书上的二维码进行有效性查询,或者访问 https://www.icourse163.org/verify,通过证书编号进行查询。学生可在“个人中心-证书-查看证书”页面自行下载、打印电子版认证证书。

 

完成课程教学内容学习和考核,成绩达到课程考核标准的学生(每门课程的考核标准不同,详见课程内的评分标准),具备申请认证证书资格,可在证书申请开放期间(以申请页面显示的时间为准),完成在线付费申请。

 

认证证书申请注意事项:

1. 根据国家相关法律法规要求,认证证书申请时要求进行实名认证,请保证所提交的实名认证信息真实完整有效。

2. 完成实名认证并支付后,系统将自动生成并发送电子版认证证书。电子版认证证书生成后不支持退费。


参考资料

本课程使用的教材:

《数值天气预报基础》,杨毅、张飞民、王澄海编著,气象出版社,北京

《大气数值模式及模拟》,王澄海、隆霄、杨毅编著,气象出版社,北京

主要参考书目:

《数值天气预报(修订版)》,沈桐立、田永祥、葛孝贞编著,2003年,气象出版社,北京

《数值天气预报基础》,游性恬、张兴旺编著,1992年,气象出版社,北京

《数值天气预报方法习题集》,【苏】帕﹒尼﹒别洛夫编,1980年,气象出版社,北京


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