数值天气预报

1、数值天气预报课程教学大纲课程编号1140011学分3.5总学时64理论54实验/上机10英文课程名Numerical Weather Prediction开课院（系）水产学院开课系环境科学系修订时间2006年12月1日课 程 简 介数值天气预报是大气科学中近50年来迅速发展的一个分支学科，已经成为气象业务中天气预报的基本手段之一。本课程主要讲述数值天气预报的基本原理和方法，并适当介绍近年来数值预报领域中的一些新进展和新成果。通过对本课程的学习，要使学生能够系统地掌握数值天气预报中最常用的基本概念和基本方法，具备从事数值天气预报业务工作的基本技能。课 程 大 纲一、课程的性质与任务：本课程是大气

2、科学专业的一门专业课，本课程主要介绍数值天气预报的基础知识、基本原理和基本方法；本课程的教学任务是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。二、课程的目的与基本要求：通过本课程的理论教学和教学实习，使学生加深理解数值天气预报的基本理论，掌握在计算机上应用简单的模式制作数值天气预报的方法，提高编制大型计算程序和操作计算机的能力，提高认真、踏实的科学素质，为学生今后从事气象业务工作和科研工作打下良好的基础。三、面向专业：大气科学专业及相关专业本科生。四、先修课程：高

3、等数学、计算方法、程序设计、流体力学、气象学、天气学、动力气象学。五、本课程与其它课程的联系：本课程直接建立在天气学、动力气象学基础之上，因此要扎实掌握这两门基础课程的知识；同时要能够熟练操作计算机，应用高级编程语言编程计算。本课程为现代天气预报提供主要手段，也为进一步开展气象科研奠定基础。六、教学内容安排、要求、学时分配及作业：第一章 大气运动方程组 （6 学时）1、教学内容：1 基本方程组（A）。2 球坐标系方程组（B）。3 铅直坐标变换（C）。4 地图投影坐标系（B）。5 地图投影放大系数（A）。6 在Lambert投影图上计算网格点的m值（A）。2、基本要求：熟悉各种形式的大气运动方程

4、组；掌握有关大气运动方程组垂直坐标变换的有关概念、基本方法和技巧，重点掌握大气运动方程组在P坐标下的坐标变换和表示方法；了解大气运动方程组的简化和 坐标系中大气运动方程组的表示方法。掌握地图投影的基本知识，熟悉常见的三种正形投影的定义、特点，掌握不同地图投影下放大系数的计算方法；了解地图投影坐标系中的基本方程组的写法。第二章 大气运动的整体性质与能量约束（4 学时）1、教学内容：第一节 全球大气的某些守恒性质（A）。第二节 静力平衡对能量关系的约束（B）。第三节 p 坐标系中的能量方程（A）。第四节 坐标系中的能量方程（C）。第五节 Lorenz能量积分约束（C）。2、基本要求：掌握全球大气具

5、备的基本的守恒性质；掌握p坐标系中大气运动的能量方程；了解静力平衡对能量关系的约束特征；了解坐标系中的能量方程和Lorenz能量积分约束关系。第三章 大气中的波动（2 学时）1、教学内容：第一节 大气中的混合波解（B）。第二节 各种波动特征（C）。第三节 正压模式中的波动特征（C）。2、基本要求：了解大气中的各种混合波解及其波动特征；了解正压模式中包含的波动的特征。第四章 数值计算法 （10 学时）1、教学内容：第一节 有限差分和截断误差（B）。第二节 平流方程初值问题的数值解（A）。第三节 相容性、收敛性、稳定性（B）。第四节 分析计算稳定性的方法（A）。第五节 某些积分格式的性能和稳定性（

6、B）。第六节 平滑与滤波（A）。第七节 非线性计算不稳定（C）。第八节 椭圆型方程与张驰法（选讲）（C）。2、基本要求：理解差分方法的主要思想，掌握差分格式的构造方法，熟悉并能够应用常用的差分格式；了解差分格式的基本性质；掌握确定差分格式稳定性判据的方法，能够对不同类型的差分格式的稳定性进行分析；掌握时间积分方法，熟悉常用的时间积分格式及其特点；了解有限差分格式所引起的各种误差；熟悉非线性计算不稳定的概念，了解其常用的抑制方法；理解平滑滤波的原理并熟练掌握滤波的方法。第五章 正压原始方程模式 （16 学时）1、教学内容：第一节 过滤模式（B）。第二节 准地转正压模式的数值解法及其模式程序的设计

7、（A）。第三节 正压原始方程组及其积分性质（B）。第四节 差分格式与地转适应（A）。第五节 守恒空间差分格式的构造（A）。第六节 正压原始方程模式的计算方案（C）。2、基本要求：了解准地转正压模式的设计思想、模式的基本特点以及模式所具有的积分性质；掌握模式的基本原理和模式数值求解的方法；能够根据模式的基本原理，编制准地转正压模式，完成模式的预报运转；了解正压原始方程模式的设计思想、模式的基本特点、模式具有的积分性质以及与准地转正压模式的差别，能够应用有关假设，导出模式的预报方程，并掌握模式的基本原理；了解模式的线性计算稳定性讨论，理解模式时间积分步长的选择依据；掌握并能够熟练应用模式空间守恒格

8、式；熟悉模式的时间积分方法的具体做法和各自的特点；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，完成相应的预报工作。第六章 斜压原始方程模式 （6 学时）1、教学内容：第一节 斜压原始方程组及积分性质（B）。第二节 变量配置与垂直差分格式（A）。第三节 水平气压梯度力的计算方法（A）。第四节 斜压原始方程模式的计算方案（B）。2、基本要求：理解斜压模式与正压模式的差别；了解设计斜压模式的基本思想，熟悉斜压模式所采用的基本方程组及其积分性质；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；掌握数值求解斜压原始方程模式的主要内容。第七章 初始条件与边界条件（4 学时）

9、1、教学内容：第一节 初值形成的原理与方法（A）。第二节 静力初始化方法（A）。第三节 动力初始化方法（选讲）（C）。第四节 正规模初始化方法（选讲）（C）。第五节 变分初始化方法（选讲）（C）。第六节 初始化方法的比较与存在的问题（选讲）（C）。第七节 水平侧边界条件（A）。2、基本要求：掌握模式初始化的基本概念、基本方法；了解资料同化的概念和基本方法；掌握模式水平侧边界条件的概念以及建立侧边界条件的基本方法。第八章 模式中物理过程的处理方法（2学时，可选讲）1、教学内容：第一节 平均运动方程组及次网格过程（B）。第二节 大尺度凝结降水的计算方法（C）。第三节 积云对流参数化（B）。第四节

10、边界层过程的处理方法（C）。2、基本要求：了解次网格过程、物理过程参数化方法等基本概念；了解处理次网格过程方法的基本思想；了解几种典型的物理过程参数化的方法。第九章 数值预报产品的释用（4 学时）1、教学内容：第一节 数值预报产品的释用概述（C）。第二节 数值预报产品的天气学释用（A）。第三节 数值预报产品的统计释用（A）。2、基本要求：掌握数值预报产品释用的基本含义及方法；掌握数值预报产品的天气学释用方法；掌握数值预报产品的统计学释用方法并可以进行计算、分析。七、实验名称与类别：序号实验名称学时实验类别1地图投影坐标系下的地图投影放大系数的计算2设计型2准地转正压模式制作天气形势预报2设计型

11、3数值预报产品的天气学释用2操作型4数值预报产品的统计释用2设计型5数值预报产品的综合释用2综合型注：实验类别指：演示型、操作型、验证型、综合型、设计型、研究创新型八、实验目的、内容与要求实验1 地图投影坐标系下的地图投影放大系数的计算实验目的：掌握地图投影坐标系下放大系数的计算方法实验内容：编程计算Lambert投影方式下经纬网格和正方形网格中不同的放大系数实验要求：利用相关公式编程计算；保存计算结果并进行对比分析实验2 准地转正压模式制作天气形势预报实验目的：了解准地转正压模式的设计思想、掌握模式的基本原理和模式数值求解的方法实验内容：根据模式的基本原理，编制准地转正压模式程序，完成相应的

12、预报实习实验要求：编制准地转正压模式程序，完成调试、计算任务，并分析预报结论实验3 数值预报产品的天气学释用实验目的：掌握利用天气学的方法对数值预报产品进行分析、应用的方法实验内容：在Micaps系统中针对多种不同的数值预报产品进行分析、预报实验要求：熟练运用天气学的方法，对数值预报产品进行分析、预报实验4 数值预报产品的统计释用实验目的：掌握利用统计学的方法对数值预报产品进行因子分析、选取的方法实验内容：利用相关分析的方法，编程计算、选取对某一预报量有意义的预报因子实验要求：能够熟练利用相关公式编程计算因子间的相关性，并能够验证其可靠度实验5 数值预报产品的综合释用实验目的：掌握MOS预报法的基本原理及其MOS预报的制作方法实验内容：以逐步回归为例，综合天气学释用技术与统计学释用技术，选择复合因子建立某地逐日最高气温的MOS预报方程实验要求：自行编程建立MOS预报方程（或采用EXCEL进行计算），并对预报结果进行对比分析九、教材与参考书：本课程选用教