北京师范大学研究生培养方案

 

地理学与遥感科学学院 全球环境变化专业(代码: 070521

(一级学科:地理学

 

本专业具有 硕士 学位授予权和  博士  学位授予权

 

一、培养目标与学习年限

培养目标:本专业培养德智体全面发展、遵纪守法、品行端正、具有良好的大气科学理论基础和系统的全球环境变化专业知识,熟练地掌握一门外语和一定的全球环境变化研究方法与数值模拟技术的专门人才。毕业后主要择业方向:气候变化研究及其与气候变化相关领域的科学研究,气象学和地理学的科研与教学工作。

1.硕士生

硕士生学习年限为3年。按规定修满学分、成绩合格、答辩通过的硕士生可以在第3年完成学业。

2.博士生

博士生学习年限一般为3-5年,其中北京地区的定向、委托培养在职博士生的学习年限可以为5年。硕博连读生、本科直博生学习年限为5-6年。

 

 

二、专业研究方向

序号

研究方向

主要研究内容

研究生导师

1

气相互作用

陆面过程模型;陆面资料同化方法和模型数据资料系统;遥感在气候研究中的应用;陆地-大气耦合控制机理过程模拟与分析。

戴永久, Robert E. DickinsonIrina N. Sokolik, 梁信忠#, 曾旭斌,任舒展,段青云

2

区域气候模拟与分析

区域气候模拟;过去和未来气候动力与统计downscaling;全球变化的区域响应;全球及区域气候诊断分析。

戴永久,龚道溢*Robert E. Dickinson,梁信忠#,付容Liqiang Sun, Ji Chen

3

生物地球化学

动态植被模型发展;大气气溶胶-气候的观测及气候与环境效应;O3光化学过程。

戴永久,张晶,Robert E. Dickinson,付容Irina N. Sokolik

* 所在单位为北京师范大学 资源学院,# 兼职硕士、博士导师

 

 

三、课程设置与学分要求

1.硕士生

总学分:36分。

课程类别

科目和门数

最低学分要求

公共课

政治2门、外语1门

8学分

学位基础课

3门(含一门方法类课程)

9学分

学位专业课

3门

9学分

必修环节

实践活动

1学分

开题报告

不计学分

选修课

专业选修或公共选修课

0-3学分

 

注明:公共选修课由研究生院培养处组织开设,除一外为小语种的研究生必修二外英语以外,其他研究生可以不修公共选修课,如选修,每人累计不超过3门。下同。

 

2.博士生

总学分:13学分。

课程类别

科目和门数

最低学分要求

公共课

政治1门、外语1门

7学分

学位基础课

1门

3学分

学位专业课

1门

3学分

 

3.本科直博生

总学分:45学分。

 

课程类别

科目和门数

最低学分要求

硕士课程

学习阶段

36学分)

公共课

政治2门、外语1门

8学分

学位基础课

3门(含一门方法类课程)

9学分

学位专业课

3门

9学分

必修环节

实践活动

1学分

开题报告

不计学分

选修课

专业选修或公共选修课

0-3学分

博士课程

学习阶段

9学分)

学位基础课

1门

3学分

学位专业课

2门

6学分

 

4.港澳台研究生总学分要求与普通研究生相同,免修公共政治课。

 

5.外国留学研究生免修公共政治和外语课,必修“中国概况”(2学分),硕士生总学分不低于32学分,博士生不低于11学分。

 

 

四、培养方式与考核方式

1.硕士生培养与中期考核的基本要求

硕士生课程学习安排在前三学期完成,中期考核应在第三学期末完成,考核的结果将作为硕博连读候选人选拔的重要依据。中期考核合格者方能进入撰写论文阶段。

 

2.博士生培养与考核的基本要求

博士生课程学习安排在第一学年完成,中期考核应在第三学期末完成。

 

 

五、学位论文与论文答辩

1. 硕士生学位论文

硕士学位论文类型可以多样化,强调“理论联系实际”,既可以是基础研究,也可以是应用研究、开发研究等。其具体要求为满足以下条件之一:

1).与导师合作,或独立在国内外核心期刊、发表学术论文一篇,第一署名单位应为“北京师范大学”。本人排名在前二作者(包括第二作者)。

2).与导师或他人合作完成专著、专业教材中的一章,第一署名单位应为“北京师范大学”,以书的作者署名或书前言中的标注为准。

3).独立地完成所参与科研项目或工程项目的技术报告、调研报告、咨询报告、设计方案,第一署名单位应为“北京师范大学”,由项目主持单位或项目主持人出具采用证明。

4).完成专用软件、发明专利一项,排名在前二作者之内,或以第一作者完成实用新型专利一项,第一署名单位应为“北京师范大学”。

5)学院或国家重点实验室的技术报告,数据资料集。由导师建议合格与否。

 

2.博士生学位论文

博士学位论文应反映出博士生具有独立从事本学科专业创造性研究工作和实际应用工作的能力。博士生在校期间原则上必须发表与学科专业相关的高水平科研成果,提交自己完成的、与博士论文相关的高水平学术论文等。最低标准为3篇论文篇数按以下方法计算:

1)、与导师合作,或独立在国际性学术期刊(SCI, SSCI, EI, A&HCI,不含国际会议论文)发表论文,并且第一署名单位为“北京师范大学”。计算方法:第一作者一篇计3篇,第二作者一篇计1.5篇,第三作者和所有后面排名一篇计0.5篇。

2)、与导师合作,或独立在国内核心期刊上发表的论文,并且第一署名单位为“北京师范大学”。计算方法:第一作者一篇计1篇,第二作者一篇计0.5篇,第三作者一篇计0.3篇,第四作者所有后面排名一篇计0.2篇。

3)、以前第三名身份出版学术专著1部,第一署名单位应为“北京师范大学”,计3篇。

4)、以前三名身份申请国家发明专利一件,或以第一身份申请国家实用专利一件。专利第一署名单位应为“北京师范大学”,计3篇。

5)、以前第三名身份发表专用软件一部,软件第一署名单位应为“北京师范大学”,计3篇。

6)、学院或国家重点实验室的技术报告,数据资料集。该类报告和资料集,需要答辩,经学院学术委员会集体评定,集体决定计算篇的数量。

7)、提交省部级以上科研成果鉴定证书、项目验收证书或工程验收证书,本人是成果鉴定证书、项目验收证书或工程验收证书中明确记载的项目组成员之一,同时提交有项目负责人签字的本人在该成果中所做具体贡献的证明材料。该类报告和资料集,需要答辩,经学院学术委员会集体评定,集体决定计算篇的数量。

 

 

六、课程一览表与主要参考书目

1.硕士生课程

课程类别

课程中文名称

课程英文名称

学时

上课

学期

适用专业

 

 

 

 

学位基础课

高等大气动力学

Advanced Atmospheric Dynamics

3

54

全球环境变化

高等天气学

Advanced Synoptic Meteorology

3

54

全球环境变化

大气化学

Atmospheric Chemistry

3

54

全球环境变化

大气边界层物理

Atmospheric Boundary Layer Physics

3

54

全球环境变化

动力气象学

Dynamical Meteorology

3

54

本科为非气象学专业学生

天气学

Synoptic Meteorology

3

54

本科为非气象学专业学生

大气物理学

Atmospheric Physics

3

54

本科为非气象学专业学生

 

 

 

 

 

 

 

 

 

学位专业课

 

中小尺度天气动力学

Dynamics of Mesoscale Synoptics

3

54

全球环境变化

云和降水物理

Physics of Clouds and Precipitation

 

54

全球环境变化

天气动力学诊断分析与物理参数方法

Diagnostic Analysis and Method of Physical Parametterizaton in Snoptic Dynamic Meteorology

3

54

全球环境变化

计算地球流体力学

Computational Geophysical Flaid Dynamics

3

54

全球环境变化

大气辐射

Atmospheric Radiction

3

54

全球环境变化

大气中波传播与遥感物理

Atmospheric EM Wave Propagation and Remote Sensing Physics

 

3

54

全球环境变化

生物地球化学循环

Biogeochemical Cycle

3

54

全球环境变化

 

 

专业选修课

 

气候影响评价

Assessment of Climate Impact

 

54

全球环境变化

全球环境变化科学专题

Lecture Series on Global Environmental Change Sciences

3

54

全球环境变化

气候系统与气候变化专题

Lecture Series Climate System and Climate Change

3

54

全球环境变化

 

注明:硕士生课程应安排在前三学期完成,其中学位基础课和学位专业课应安排在前两学期分秋季、春季较为固定地开设。“上课学期”用1、2标注,如两学期都开设,填写“1和2”。基础课和专业课一般为3学分,专业选修课为2学分,每学分对应18学时,即3学分=54学时,2学分=36学时,1学分=18学时。院系可以自主设置模块化课程,规定相应的学分和学时。

 

2.博士生课程

课程类别

课程中文名称

课程英文名称

学时

上课

学期

适用专业

学位基础课

全球环境变化科学专题

Lecture Series on Global Environmental Change Sciences

3

54

全球环境变化

学位专业课

气候系统与气候变化专题

Climate System and Climate Change

3

54

全球环境变化

注明:博士生课程应安排在第一学年完成。

 

 

课程内容简介

课程中文名(英文名) 学时 学分

主要内容介绍(含课程教学大纲)

 

高等大气动力学 Advanced Atmospheric Dynamics (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  动力气象学、数学物理方程

 

教学目的和要求:

  本课程为大气科学研究生的学科基础课。本课程是当代大气环流动力学系统的阐述,它包括的主要内容为:(1)从实际大气动力学 方程组出发,研究大气动力学的基本问题,如大气运动的整体性质、特征波动和适应过程。(2)系统阐述各种大气环流的演变过程及其物理机制。(3)研究大气 环流的非线性演变。

 

内容提要:

绪论 大尺度动力学与大气环境研究进展

  

第一章 基本方程、边界条件、初值问题

   基本方程;标准层结近似;初、边条件;线性化小扰动解的唯一性和稳定性;局地地平面近似。

第二章 运动的整体性质

   质量守恒定律;角动量守恒定律;能量守恒定律。

第三章 保守属性、位涡度、尺度守恒

   保守属性;位温和熵;位涡度;正压无辐射大气平均尺度守恒。

第四章 小扰动、运动的分类

   局地平面坐标下的小扰动和运动分类;球面上的小扰动。

第五章 β\平面近似、热带波动

   中纬度β平面近似下的波动;热带波动。

第六章 地转适应过程

   地转适应;物理成因;适应了的场。

第七章 大气运动动力方程的无量纲化与特征参数

   特征量;动力方程的无量纲化;特征参数。

第八章 大气基本运动过程的可分性

   适应过程;演变过程;大气基本运动过程的可分性。

第九章 大气运动两种演变过程

   摄动论简介;准地转演变;准地转模型;准平衡演变。

第十章 大地形对大气运动演变过程的影响

   地形特征量;地形对动力方程组的改变;各种地形对大气运动演变的影响。

第十一章 正压大气扰动演变的一般特征

   研究大气运动演变的能量方法;正压大气运动的三个积分性质;用WKBJ方法来研究正压大气扰动的演变;正压大气扰动演变的一般特征。

第十二章 斜压大气扰动演变的一般特性

   斜压大气运动演变的三个积分性质;用WKBJ方法来研究斜压大气扰动的演变;斜压大气扰动演变的一般特征。

第十三章 大气扰动演变的一种机制准地转动力不稳定

   大气运动动力不稳定的分类;用标准模法研究正压大气的动力不稳定;用能量法研究正压大气运动的演变;用标准模法研究斜压大气的动力不稳定;用能量法研究斜压大气运动的演变。

第十四章 大气中准定常行星波的传播

   行星波在三维球面大气的传播方程;冬季准定常行星波在三维大气的传播特性两支波导理论;夏季准定常行星波在三维大气的传播特性;准定常行星波在球面大气的传播特性。

第十五章 大气环流中的波-流相互作用

   β平面近似下大气扰动的E-P通量矢量;β平面大气环流的波-流相互作用;球面大气扰动的E-P通量矢量;球面大气扰动E-P通量矢量与群速度的关系及其与波的传播;球面大气环流的波-流相互作用。

第十六章 大气环流的非线性演变特性多平衡态

   线性方法研究地形强迫的大气环流;强迫耗散下低阶谱大气环流演变方程;强迫耗散下大气环流的多态特征;用奇异摄动方法研究强迫耗散下大气环流的多态特征。

第十七章 大气运动的非线性动力不稳定

   正压大气运动的非线性不稳定特性;斜压大气运动的非线性不稳定特性;用线性与非线性方法来研究大气扰动演变的比较。

第十八章 大气中非线性波动

   KDV方程来研究大气中非线性惯性──重力波;用KDV方程来研究大气中非线性Rossby波;用WKBJ方程来研究大气中非线性Rossby波。

第十九章 大气扰动演变的另一种机制──非地转动力不稳定

   用标准模方法研究大气扰动演变的非地转不稳定;大气扰动非地转演变的积分性质;用能量方法来研究大气非地转扰动的演变特性。

 

 

教材:

  曾庆存,黄荣辉等编,《高等大气动力学》(第一册),中国科学技术大学讲义,2001

 

主要参考书:

  曾庆存,《数值天气预报的数学物理基础》(第一卷),科学出版社,北京,1979

 

高等天气学 Advanced Synoptic Meteorology (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  天气学原理和方法

 

教学目的和要求:

  本课程为大气科学研究生的学科基础课,也可作为海洋科学、环境科学、地球物理相关专业研究生的选修课。

  本课程阐述各种系统之间的相互作用以及它们在全球大气环流中的功能。它将高等天气学、中尺度气象学和大气环流融合在一起加以讨论。通过本课的学习使学生掌握近代天气学的原理和方法。

 

内容提要:

第一章 大气环流的基本问题

   引言;大气环流资料的处理方法;大气环流的平均状况;定常波的特征及其在大气环流中的作;瞬变波的特征及其在大气环流中的作用;大气角动量的输送和收支;大气中水气的输送和收支;大气中能量的输送和收支;大气的能量循环;大气环流的数值模拟。

第二章 中纬度天气系统

   锋面的结构;锋生动力学;锋区的次级环流及其诊断方程;锋区次级环流理论的进一步推广和讨;高空急流及其有关的次级环流论;温带气旋的发生发展和大尺度结构;温带气旋的能量收支;海洋温带气旋的爆发性发展。

第三章 热带大气环流和天气系统

   热带大气环流的基本特征和扰动;热带大气的动力学特征和辐散环流;夏季风及其变率;季风扰动;低频运动及其与季风活动的关系;冬季风及其变率;高低纬和南北半球之间的相互作用;台风的结构和发生发展;对流云在热带大气环流和扰动中的作用。

第四章 中尺度天气系统

   中尺度气象学的一般问题;中小尺度系统发生发展的天气和环境;雷暴和强风暴结构模式条件;中尺度系统;重力波与强对流的关系;中尺度天气系统的能量收支及 其;中小尺度系统的运动对大尺度环境的反馈作用;中尺度对流复合体(MCC);暴雨的形成;低空急流在暴雨和强对流天气形成中的作用。

第五章 平流层大气环流和高空扰动

   平流层大气的平均结构;平流层的动力学问题;平流层中的扰动和爆发性增温;热带平流层大气环流和风场的准两年;平流层的年际变化振荡(QBO)

第六章 大尺度地形对大气环流和天气的影响

   各种尺度地形的一般作用;青藏高原和落基山在大气环流中的热;青藏高原对亚洲季风的影响力和动力作用及其对周围大气的影响;高原对背风气旋生成的影响;阻塞高压形成的理论及其重要性。

第七章 大尺度环流的遥相关和海气相互作用

   南方涛动;厄·尼诺(El Nino)现象和ENSO事件;瓦克环流(Walker Circulation) ;大气遥相关;海气相互作用与长期天气预报和气候年际变率。

第八章 大气的可预报性和大气预报方法

   可预报性问题;近代天气预报方法简介;天气预报的主要问题与前景

 

 

教材:

  丁一汇编著,《高等天气学》,气象出版社,北京,1990

 

主要参考书:

  1. 丁一汇编著,《天气动力学中的诊断分析方法》,科学出版社,北京,1989

  2. 陈秋士,《天气和次天气尺度系统的动力学》,科学出版社,北京,1987

 

 

大气辐射 Atmospheric Radiation (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  普通气象学或大气物理学

 

教学目的和要求:

  本课程为大气科学研究生的学科基础课,也可作为海洋科学、环境科学等相关专业研究生的选修课。

  通过本课程的学习,使学生掌握大气分子光谱和辐射传输等大气辐射学的基本知识,了解大气辐射学的最新发展动向,要求学生能将所学知识应用于大气遥感探测和当代气候模式研究。

 

内容提要:

第一章 序论

   大气的热结构;大气的化学组成及其变化;黑体辐射。

第二章 大气分子吸收光谱

   大气分子吸收光谱的形成/分子能级与跃迁;谱线强度、半宽度和线型;大气主要分子的红外吸收光谱。

第三章 辐射传输方程

   辐射量的定义;辐射传输方程;辐射传输方程的形式解。

第四章 太阳辐射传输

   太阳辐射传输方程;Chandrasekhar的散射和透过函数;大气的相函数;地球大气中太阳辐射吸收的参数化。

第五章 热辐射(地球辐射)传输

   局地热力学平衡条件下的热辐射传输;Rodgers-Walshow方案与Curtis方法。

第六章 散射大气中的辐射传输

   积分-微分方程;相互作用原理;混杂方法;数值结果;应用。

第七章 辐射计算的若干问题

   透过率与吸收率/波数积分;非均匀路径的透过率;角度积分。

第八章 k-分布模式

   非灰吸收问题;窄带 k-分布;宽带 k-分布;相关 k-分布;透过率函数的指数和拟合 (ESFT);光子路径长度分布。

第九章 辐射-化学相互作用

   引言;大气光解离;辐射-化学相互作用;大气中多次散射过程的光化学作用。

第十章 地气系统的辐射平衡及其扰动

   地气系统的辐射平衡;能量平衡模式;辐射-对流平衡气候模式;辐射熵;热力学扰动的演化。

第十一章 气候变化的辐射强迫

   辐射强迫因子;大气温室气体的辐射强迫与全球增温潜能;大气气溶胶;云的辐射强迫;太阳变化;近百年来全球气温变化之谜。

第十二章 主要大气环流模式中的辐射传输模式

   KOLNGLASECMWFGFDLGISSNCARLASG/NCC

附录:

   与辐射有关的物理常数;气体含量的单位与换算;太阳活动与太阳能谱分布;中纬度夏季模式大气加热 (冷却)率的逐线积分结果;大气主要温室气体的 k-分布函数;辐射-对流气候模式的FORTRAN源程序。

 

 

教材:

  石广玉编,《大气辐射学讲义》,科学出版社,北京,2007

 

主要参考书:

  1. Paltridge, G. W., Platt, C. M. R., Radiative Processes in Meteorology and Climatology, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1976. (有中译本)

  2. Liu, K. N., An Introduction to Atmospheric Radiation, Academic Press, New York1980. (有中译本)

  3. Goody, R. M., Atmospheric Radiation I. Theoretical Basis, Oxford at the Clarendon Press, 1964.

  4. Goody, R. M., Yung, Y. L., Atmospheric Radiation Theoretical Basis(2nd ed.), Oxford University Press, 1989.

  5. 刘长盛,刘文保,《大气辐射学》,南京大学出版社,南京,1990

  6. 尹宏,《大气辐射学基础》,气象出版社,北京,1993

  7. 周秀骥等,《高等大气物理学》(下),气象出版社,北京,1991

 

 

大气化学 Atmospheric Chemistry (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  高等数学、普通化学、普通物理

 

教学目的和要求:

  本课程为大气科学研究生的学科基础课,也可作为海洋科学、环境科学、化学相关专业研究生的选修课。

  本课程全面地、系统地介绍大气化学的理论和实验的基本知识,了解该领域的最新研究成果和当前研究方向。培养学生对地球大气化学进行系统研究的能力。通过本课程的学习,要求掌握大气中的基本化学现象和化学过程,熟悉大气化学研究的理论、实验和数值模拟方法。

 

内容提要:

第一章 绪论

   引言;大气化学的研究内容和研究方法;大气的组成;大气的结构;地球大气的形成和演化。

第二章 控制大气化学成分的关键过程

   地表源;微量成分的长距离输送;均相和非均相化学转化过程;清除过程

第三章 大气微量成分的循环过程

   概论;水循环;氢循环;碳循环;氮循环;硫循环。

第四章 大气气溶胶

   大气气溶胶的基本特征;气溶胶粒子的产生过程;大气气溶胶的化学组成;气溶胶来源的判别和定量分析;气溶胶观测的实验方法。

第五章 大气化学组成的变化与全球变化

   大气化学与气候;观测到的大气化学组成的变化及其原因;大气化学组成的未来变化趋势;大气成分在地球气候系统中的作用;大气成分浓度变化引起的气候变化;大气成分浓度变化引起的其它环境问题。

第六章 大气臭氧

   光化学基础;氧-氮大气的光化学平衡理论;平流层臭氧;对流层臭氧;臭氧观测。

第七章 云雾降水化学

   云雾降水基础知识;云化学;降水化学;雾化学;酸雨问题;降水中的放射性同位素。

第八章 全球大气化学和地球系统科学

   地球系统科学;美国的全球大气化学研究计划;国际全球大气化学研究计划(IGAC)。

 

 

教材:

  王明星,《大气化学》,气象出版社,北京,1991

 

 

计算地球流体力学Computational Geophysical Fluid Dynamics (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  高等数学、微分方程数值解、大气动力学

 

教学目的和要求:

  本课程为大气科学研究生的学科基础课。本课程要求学生能领会基本概念,掌握分析研究各类计算地球流体力学问题基本方法。让学 生掌握计算地球流体力学的基础知识,为从事大气、海洋等低速流问题的数值模拟计算(包括数值天气预报,气候数值模拟,海流数值模拟等)及科研作必要准备。

 

内容提要:

第一章 序论

   计算地球流体力学问题的主要特点;计算数学中的一些基本概念;等价性定理。

第二章 计算稳定性分析方法

   范数法(能量法);福氏法(Von Neumann方法);若干具体例子;耗散格式。

第三章 计算紊乱和寄生波 Gibbs现象)

   一些实例;色散效应;能量关系;平滑与过滤。

第四章 不等距差分、伪折射、伪反射

   不等距差分中存在的问题;构造不等距差分的几种方法;用简单模式分析伪反射的机理;若干数值计算结果。

第五章 隐式和半隐式的差分

   显式和隐式格式的对比;半隐式格式;迭代法和追赶法。

第六章 经济差分格式

   什么是经济格式;Shuman格式;Mesinger格式;China格式。

第七章 分解算法

   两个辅助定理;稳定性化法;预估一修正法;按分量分裂法。

第八章 线性计算不稳定问题

   问题的重要性;非线性不稳定与混淆误差;非线性不稳定与初值;Leap-frog型全离散平流格式;非线性计算不稳定的例子;非线性不稳定的分析方法;产生计算不稳定的机理讨论;克服计算不稳定的措施。

第九章 网络对频散的影响

   水平网格类型;一维问题分析;二维问题分析。

第十章 能量守恒型差分格式

   正压涡度方程及其守恒性;构造平方守恒型格式的五种方法;一维重力波方程的能量守恒性;重力波方程的隐式平方守恒格式;二维全流方程的能量守恒性。

第十一章 显式完全平方守恒格

   问题的提出;显式完全平方守恒格式的构造;关于算子B的构造;显式平方守恒格式的性质;若干经济差分算法;应用。

第十二章 高精度平方守恒差分格式

   高时间精度平方守恒格式;紧致差分格式的构造思路;紧致平方守恒差分格式的构造;算例。

第十三章 近岸海流数值模拟

   为什么要开展近岸海流模拟;海流问题的数学物理特征;全流方程及其总能量守恒形式;若干数值模拟结果。

 

 

教材:

  1. 季仲贞,《计算地球流体力学》,中国科学院研究生院讲义,北京,1999

  2. 曾庆存,季仲贞,《计算地球流体力学论文选编》,中国科学院大气物理研究所,1997

 

主要参考书:

  1. 朱家鲲,《计算流体力学》,科学出版社,北京,1985

  2. 张玉玲等,《数值天气预报》,科学出版社,北京,1986

  3. 廖洞贤等,《数值预报原理和应用》,气象出版社,北京,1986

 

 

天气动力学诊断分析与物理参数方法 (同中国科学院研究生院课程内容)

Diagnostic Analysis and Method of Physical Parameterization In Sypotic-Dynamic Meteorology

 

预修课程:  动力气象学、天气学、数值计算方法

 

教学目的和要求:

  本课程为气象学专业研究生的专业基础课,也可作为大气科学、海洋科学、环境科学相关专业研究生选修课。

  本课程较全面讲授天气动力学中常用的物理参数化方法,这些方法是现代天气动力学研究和数值天气预报的基础。这包括主要物理量 及其收支计算方法以及物理方法。课程注重理论和应用相结合,设有专门的实习。通过本课程的学习,可以提高学生的实际计算能力和掌握物理参数化的基本技巧。

 

内容提要:

第一章 有限差分法和平滑方法

   简单的差分公式;拉普拉斯算子;可比算子;差分议程的精确性问题。

第二章 分析和气象场的曲面拟合方法

   客观分析的一般原理;逐步订正法;最优插值法;其它客观分析方法;曲面拟合方法;高原地区曲面拟合和收支计算的方法;主观分析方法的作用。

第三章 测和计算误差问题

   观测误差;取样误差和分析误差;探空资料差对运动学量计算的影响。

第四章 热力学的计算

   求比湿和相对;求抬升凝结高度;相当位温的计算;大气稳定参数。

第五章 量的计算

   涡度和散度;用运动学方法求垂直速度;准地转W方程;多层非线性平衡W方程。

第六章 场计算流函数速度势和高度场

   流函数和速度势的一般计算方法;双傅氏变换方法;由风场计算位势高度。

第七章 简单的尺度分离方法

   空间滤波;滤波方法的应用;时间滤波。

第八章 中纬度环流与天气系统的结构和发展的诊断分析

   锋生函数的计算;急流-锋的次级环流;Q-向量;位势倾向方程和诊断平衡模式;E-P通量及其对平均基本流的影响;常用的流体动力学不稳定判据。

第九章 大所边界层中热量、水气和动量垂直输送的计算

   洋面上总体空气动力学公式和粗糙度;由相似理论得到的地面通量;地面能量平衡方程和相似理论中地面通量的耦合;根据混合长理论计算垂直输送的方法;行量边界层中地面通量的垂直分布。

第十章 绝热加热的计算

   大尺度加热的计算;对流加热和对流降水的计算;感热加热计算;辐射加热的计算。

第十一章 积云对流对热量、水气和涡度的垂直输送

   由大尺度观测资料计算视热源和视水气汇;由大尺度观测资料计算积云对动量和涡度的垂直输送;根据云模式计算积云的热量和水气垂直输送;根据云模式计算积云的动量和涡度的垂直输送;积云对流对大气层结的作用。

第十二章 大尺度水气、热量、涡度和能量收支的计算

   水气通量水气收支的计算;大尺度涡度和散度收支;位涡和位涡收支的计算;动能收支计算;有效位能的收支计算;计算有限区涡旋有效位能收支;湿有效位能收支的计算;能量循环;准位格朗日坐标系收支方程的表达式。

第十三章 辐散风和无辐散风的动能、水气和涡度收支方程

   动能方程式;水气收支方程;涡度收支方程式;X场和X场的相互作用;波谱中辐散风和旋转动能及其间的能量转换。

第十四章 大气环流的诊断分析

   大气环流的分解;角动量输送和收支;水气输送和收支;热量输送和收支;涡度收支;动能收支;能量循环;波谱中能量方程的计算方法;灵敏度分析。

 

 

教材:

  丁一汇,《天气动力学中的诊断分析方法》,中国科学院研究生院讲义,北京,1993

 

主要参考书:

  1. 丁一汇,《天气动力学的诊断分析方法》,科学出版社,1989

  2. 陶祖钰,谢安,《天气过程诊断分析原理实践》,北京大学出版社,1989

 

 

中小尺度天气动力学 Dynamics of Mesoscale Synoptics (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  高等天气学、高等大气动力学、数理方程

 

教学目的和要求:

  本课程为气象学专业研究生的专业基础课,也可作为大气物理和大气环境、海洋科学和环境科学相应学科专业研究生的选修课。

  通过本课程的学习,对中尺度天气动力学的基本理论及最新的发展动向有所了解和掌握,为日后开展研究工作打下良好的基础。

 

内容提要:

第一章 绪言

   中尺度动力学的研究对象;中尺度系统的天气学和动力学定义;中尺度天气动力学的进展;本课程讲授的主要内容。

第二章 中尺度方程组

   完全的弹性方程组;深对流与浅对流;非静力与静力模式;叠套方程组。

第三章 积云动力学

   积云动力学方程组;制约积云发展的主要物理因子;气块模式与气柱模式;一维积云模式;二维积云模式;三维积云模式;积云对流与大尺度环境的相互作用。

第四章 中尺度系统的结构及其动力学

   背风波;积云(略);龙卷;飑线。

第五章 自由的中尺度运动(各种稳定性理论)

   稳定性的概念;预备知识——惯性稳定性;对称不稳定。

第六章 强迫的中尺度运动

   研究进展;海风理论模型;坡风方程。

第七章 中小尺度运动中风场与气压场的适应

   中小尺度运动的阶段性;适应过程及准定常过程的物理性质;在中尺度分析中的应用。

第八章 锋生理论

   锋生概念;影响因子;锋生理论模型。

第九章 积云对流参数化

   第二类条件不稳定(CISK);各种积云对流参数化方案;积云参数化方案在中尺度模式中的适用范围。

第十章 中尺度数值模式及模拟

   中尺度数值模式的特点;中尺度模式初值的同化系统;中尺度数值模拟的进展及问题。

 

 

主要参考书:

  1. 杨大升等,《动力气象学》,气象出版社,北京,1983

  2. 曾庆存,《数值天气预报的数学物理基础》,科学出版社,1979

  3. 古特曼,《中尺度气象过程的非线性理论引论》,科学出版社,1976

  4. Pielke,《中尺度气象模拟》,气象出版社,1984

  5. 巢纪平,周晓平,《积云动力学》,科学出版社,1964

  6. 阿特金森,《大气中尺度环流》,气象出版社,1981

 

 

云和降水物理 Physics of Clouds and Precipitation (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  普通气象学

 

教学目的和要求:

  本课程为大气物理学与大气环境专业研究生的专业基础课,也可作为气象学、海洋科学、环境科学相关专业研究生选修课。使学生掌握云和降水物理过程,熟悉中小尺度动力学和数值模拟基础,了解近代研究进展和学科前沿问题。

 

内容提要:

第一章 暖云微物理过程

   云滴谱基本特征;云滴的凝结生长过程;云滴的碰并生长过程。

第二章 冷云微物理过程

   云中冰晶的形成;冰晶的凝华生长过程;冰晶的碰并生长过程。

第三章 积云动力学

   积云对流方程组;方程组中的波动过程及声波的处理;方程的积分守恒性质。

第四章 云和降水数值模拟基础

   数值模拟中云的微物理过程;一维、二维和三维积云模式;模式的计算。

第五章 积云降水物理

   积云降水与宏微观条件的关系;风切变和中尺度辐合对积云发展的影响;山地和冷水面对移行积云发展的影响;云与云之间的相互影响。

第六章 强风暴物理

   冰雹云的类型、结构以及数值模拟;强风暴的运动、分裂以及数值模拟;强风暴中的冰相过程和雷电过程;下击暴流。

第七章 层状云和雾的物理学

   层状云的种类和特性;层状云的动力学数和数值模式;辐射雾和平流雾形成的物理过程;低云和雾的二维模式。

第八章 云和降水化学

   云和降水化学特性;大气中气相和液相化学过程;云和降水化学的数值模拟。

第九章 酸雨和酸性物质的输送

   酸沉降的世界分布特性;酸雨形成的物理化学过程及数值模拟;酸性物质在大气中的输送。

 

 

教材:

  黄美元,徐华英,《云和降水物理过程》,科学出版社,北京,1999

 

主要参考书:

  1. Cotton, W. R., Anthes, Rd. A.(叶家东等译), Storm and Cloud Dynamics, 气象出版社,北京,1989.

  2. Pruppacher, H. R., Klett, J. D., Microphysics of Cloud and Precipitation, D. Redel Publishing Company, 1980.

  3. 顾震潮,《云雾降水物理基础》,科学出版社,北京,1980

 

 

大气边界层物理 Atmospheric Boundary Layer Physics (同中国科学院研究生院课程内容)

 

预修课程:  大气物理、流体力学

 

教学目的和要求:

  本课程为大气物理学与大气环境专业研究生的专业基础课,也可作为大气科学其他专业、海洋科学、环境科学等相关专业研究生选修课。

  大气边界层物理是研究发生在大气边界层中理化生过程的一门大气学科分支。本课程以边界层物理为主线,介绍基本湍流理论体系及 数学原理;平均和湍流场结构;物理量(物质、动量、热量和水汽)及其通量的控制方程,模式及参数化方法;水土气生之间界面通量交换过程;行星边界层动力 学;理化生过程的耦合模式及其数值研究等。

  通过本课程学习,希望学生掌握大气边界层物理的基本概念、方法和技巧,为进一步研究大气环境、大气化学、动力气候、界面过程等打下坚实的数学和物理基础。

 

内容提要:

第一章 导论

   实际问题;研究的基本内容;研究的基本方法;基本湍流理论体系;主要的数值模式类型。

第二章 数学原理及概念工具

   基本的平均方法;时间序列;Euler型模式;Lagrange型模式;Lagrangian方程的时间离散和空间连续模式。

第三章 行星边界层物理

   平均边界层特征;大气湍流;大气边界层过程的简化与近似;控制方程;湍流通量;湍流闭合;湍流动能。

第四章 相似理论和行星边界层湍流统计量参数化

   相似理论;大气稳定度;平均风廓线;行星边界层湍流统计量随高度和稳定度变化的参数化关系;行星边界层风随高度和稳定度变化的参数化关系。

第五章 干迁移及生态过程

   自然与生物源;下垫面型;生物吸收过程;临界负荷;植物冠层物质和动量交换特征的一个实验研究;植物冠层物质和动量吸收特征的数值研究;植物冠层内干沉积过程的数值研究;一个新的干沉积速度型;新的干沉积速度型在高分辨化学模式中的实际应用。

第六章 一个区域酸雨模式

   浓度分布型;流场和轨迹;风场诊断模式;SO2转化成SO4;降水过程;雨水与空气中SO2含量之间平衡关系;重庆酸雨的实际模拟;四川盆地酸雨的实际模拟。

第七章 Monte-Carlo多源模式

   Monte-Carlo法;轨迹和扩散参数;物质浓度;迁移和转化过程的考虑;昆明地区氟污染的实际模拟。

第八章 对流层物质交换的高分辨化学模式

   化学物质守恒方程组;高分辨的垂直分层;输送过程;对流层分层的涡旋扩散型;干沉积过程;云雨过程;气-相化学;四川盆地区域污染的实际模拟。

 

 

教材:

  Lei Xiaoen et al.(eds.), Physical, Chemical, Biological Processes and Mathematical Model on Air Pollution, China Meteorological Press1998.

 

主要参考书:

  1. 雷孝恩等,《空气污染数值预报基础和模式》,气象出版社,北京,1998

  2. Stull, R. B.(ed.), 边界层气象学导论》,气象出版社,北京,1991

 

大气中的波传播及遥感物理 (同中国科学院研究生院课程内容)

Atmospheric EM Wave Propagation and Remote Sensing Physics

 

预修课程:  普通物理学(电磁学、原子物理学)

 

教学目的和要求:

  本课程为大气物理学与大气环境专业研究生的专业基础课,也可作为海洋科学、环境科学和遥感科学相关专业研究生选修课。

  本课程分为两大部分:(1) 大气中的波传播理论基础:包括分子吸收谱,粒子散射理论,湍流介质散射理论和辐射传输理论。(2)大气和地表环境参数的遥感物理学:包括主动式(雷达型) 和被动式(光谱和辐射计型)各类波段(紫外、可见光、红外、微波、声学)遥感大气和地表参数的原理基础和反演方法,内容立足于严格的数学物理基础和国际研 究前沿。

 

内容提要:

第一章 大气散射

   粒子散射的物理图像;常用术语;波的偏振与Stokes参数;分子散射;米散射;非球形粒子散射理论进展;大气折射。

第二章 大气气体吸收

   大气分子光谱涉及的大气物理问题;分子光谱;分子振动光谱;分子转动光谱;分子振-转光谱;大气中主要气体成分的吸收光谱;谱线形状;透过率计算模式及应用。

第三章 大气辐射传输

   日地辐射概述;吸收与散射、相函数;热力学平衡;黑体辐射;辐射传输方程及边界条件;平面平行大气中辐射传输方程及;辐射传输模式精度求解;球面大气的辐射传输问题;几个前沿问题。

第四章 湍流介质中波的传播

   随机介质的统计描述;大气折射率湍流场;湍流大气中电磁波的散射;湍流不均匀结构对声波的散射;平面电磁波在湍流大气中的视线传播;球面波和半状波的视线传播。

第五章 主动大气遥感

   雷达方程(激光);大气消光性质的遥感测量;激光测风;微分吸收法测大气微量成分;Raman光谱法测成分和含量;云雨微波遥感。

第六章 被动大气遥感

   大气热辐射信号特征;遥感方程;遥感方程的定性分析;反演方法;探测仪器和结果;发展趋势。

 

 

主要参考书:

1. Lenoble, J.(ed.), Radiative Transfer in Scattering and Absorbing Atmospheres, Standard Computational Procedure, A. Deepak Pub., 1985.

2. 曾庆存,《大气红外遥测原理》,科学出版社,北京,1974

3. 孙景群,《激光大气探测》,科学出版社,北京,1986

4. []C. Elachi (王松皋等译),《遥感的物理学和技术概论》,气象出版社,北京,1995

5. Kidder, S. Q., Vonder Haar, T. H., Satellite Meteorology - An Introduction, Academic Press, 1995

6. SabinsF. F., Remote Sensing - Principles and Interpretation(3rd ed.), W. H. Freeman & Company, New York, 1996