科目代碼：F04
科目名稱：數(shù)值預報理論及應(yīng)用
第一部分 目標與基本要求
本課程是氣象科學的一門
專業(yè)課，主要介紹數(shù)值天氣預報的基礎(chǔ)知識、基本原理和基本方法：首先介紹大氣運動的基本方程組、地圖投影及坐標變換等數(shù)值天氣預報的基礎(chǔ)知識；在此基礎(chǔ)上，重點講述數(shù)值計算方案的基本原理；結(jié)合所講述的基本知識和基本原理，重點介紹正壓原始方程模式、斜壓原始方程模式的設(shè)計及其數(shù)值解法；并簡單介紹了正壓渦度方程譜模式的設(shè)計原理；最后對數(shù)值預報的初、邊值問題和物理過程的參數(shù)化問題進行一定的介紹。
本課程的目標和基本要求是：學生能夠系統(tǒng)地理解數(shù)值天氣預報的基本原理；切實地掌握制作數(shù)值天氣預報的方法；初步具備設(shè)計數(shù)值天氣預報模式的能力；為從事數(shù)值天氣預報業(yè)務(wù)、數(shù)值預報產(chǎn)品釋用、數(shù)值模擬研究等打下基礎(chǔ)。
第二部分內(nèi)容與考核目標
第一章、 大氣運動的基本方程組及垂直坐標變換
1、掌握坐標系的定義，熟悉坐標系方程組的優(yōu)缺點；
2、掌握大氣運動方程組垂直坐標變換的基本方法；
3、了解數(shù)值模式的基本分類，理解過濾模式和原始方程模式的區(qū)別。
第二章、 地圖投影坐標系中的大氣運動基本方程組
1、熟悉地圖投影相關(guān)的基本概念；
2、掌握正形投影的基本概念；
3、熟悉常見的三種地圖投影的主要特點；
4、理解地圖投影坐標系下網(wǎng)格點上地圖放大系數(shù)的主要計算步驟；
5、理解拉密系數(shù)的物理意義；理解地圖投影坐標系中拉密系數(shù)和地圖放大系數(shù)的關(guān)系；
6、熟悉水平坐標變換的方法，會利用水平坐標變換得到地圖投影坐標系的方程組。
第三章、 數(shù)值計算方案
1、熟悉差分方法的主要思想，掌握差分格式的構(gòu)造方法；
2、熟悉差分格式需滿足的基本性質(zhì)；
3、掌握確定差分格式線性穩(wěn)定性判據(jù)的方法，能對不同類型差分格式的穩(wěn)定性進行分析；
4、掌握常用時間積分格式的構(gòu)造方法；熟悉常用時間積分格式的基本特點；
5、理解有限差分格式所引起的各種誤差；了解減少這些誤差的方法；
6、掌握非線性計算不穩(wěn)定現(xiàn)象、產(chǎn)生的原因，并理解其常用的抑制方法；
7、理解平滑對波動的波長、波數(shù)、振幅等的影響；
8、掌握正平滑、逆平滑和正逆平滑對不同波長波動的影響；
9、掌握三點平滑、五點平滑和九點平滑的使用方法。
第四章、 正壓原始方程模式
1、了解正壓原始方程模式的設(shè)計思想、模式的基本特點；
2、熟悉應(yīng)用有關(guān)假設(shè)，導出模式的預報方程；
3、掌握正壓原始方程模式具有的積分性質(zhì)；
4、了解正壓原始方程模式線性穩(wěn)定性判據(jù)的推導，理解模式時間積分步長的選擇依據(jù)；
5、理解守恒差分格式的概念；
6、熟悉差分算符的表示方法；
7、掌握一次守恒格式和二次守恒格式的概念及其構(gòu)造方法，熟悉正壓原始方程模式二次守恒格式的構(gòu)造方法；
8、掌握三步法時間積分格式的構(gòu)造方法；
9、掌握正壓原始方程模式顯式時間積分方案的設(shè)計方法；
10、熟悉六點隱式時間積分格式的構(gòu)造方法及其特點，了解半隱式格式的構(gòu)造方法及其特點。
11、掌握模式的數(shù)值求解的方法；熟悉正壓原始方程模式的設(shè)計流程，會編制正壓原始方程模式。
第五章、 斜壓原始方程模式
1、理解斜壓原始方程模式與正壓原始方程模式的差別；
2、了解設(shè)計斜壓原始方程模式的基本思想；
3、熟悉斜壓原始方程模式所采用的基本方程組及其積分性質(zhì)；
4、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；
5、熟悉數(shù)值求解斜壓原始方程模式的主要內(nèi)容。
第六章、 正壓渦度方程譜模式
1、理解譜模式與有限差分模式在數(shù)值求解上的差別；
2、了解譜模式的展開函數(shù)和因變量的選擇；
3、掌握球諧函數(shù)的定義和性質(zhì)、兩種基本的波數(shù)截斷方法；
4、了解離散傅里葉變換DFT與勒讓德變換的基本概念；理解進行離散傅里葉變換DFT與勒讓德變換的必要性；
5、掌握正壓渦度方程譜模式的求解步驟。
第七章、 初邊界條件及模式的物理過程參數(shù)化
1、熟悉模式初始化的基本概念、基本方法；
2、熟悉有限區(qū)域數(shù)值模式中采用的水平側(cè)邊界條件及其處理方法；
3、了解模式中的主要物理過程；掌握物理過程參數(shù)化的基本概念及其對模式的重要性；
4、理解行星邊界層參數(shù)化和郭氏積云對流參數(shù)化方案在模式中的構(gòu)建思路；
5、掌握資料同化基本概念；
6、了解主要的資料同化方法及其發(fā)展過程。
第三部分 有關(guān)說明與實施要求
1、基本要求：
本課程對各考核點的能力要求一般分為三個層次，并用相關(guān)詞語描述：
較低要求——了解
一般要求——理解、熟悉、會
較高要求——掌握
2、命題說明：
（1）本課程的命題考試是根據(jù)本大綱規(guī)定的考試內(nèi)容來確定的，適當掌握試題的內(nèi)容、覆蓋面、能力層次和難易度。
（2）試題主要題型有: 選擇題、名詞解釋、簡答題和綜合題四種題型。
（3）其難易度分為易、較易、較難、難
四級，在試卷中四種難易度分數(shù)比例約為2：3：3：2。
（4）各章考題所占分數(shù)大致如下：
第一章—第二章，10——20%，第三章—第四章，50——60%，第五章—第七章，20——30%
3、參考書目:
《數(shù)值天氣預報》沈桐立主編，氣象出版社，2015年5月
4、其他規(guī)定：
考試方式為閉卷筆試，總分 150 分，考試時間為180 分鐘。
京公安網(wǎng)備11010802020593號
