科目代碼：F04
科目名稱：數值預報理論及應用
第一部分 目標與基本要求
本課程是氣象科學的一門
專業課，主要介紹數值天氣預報的基礎知識、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值天氣預報的基礎知識；在此基礎上，重點講述數值計算方案的基本原理；結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計及其數值解法；并簡單介紹了正壓渦度方程譜模式的設計原理；最后對數值預報的初、邊值問題和物理過程的參數化問題進行一定的介紹。
本課程的目標和基本要求是：學生能夠系統地理解數值天氣預報的基本原理；切實地掌握制作數值天氣預報的方法；初步具備設計數值天氣預報模式的能力；為從事數值天氣預報業務、數值預報產品釋用、數值模擬研究等打下基礎。
第二部分內容與考核目標
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、了解數值模式的基本分類，理解過濾模式和原始方程模式的區別。
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格點上地圖放大系數的主要計算步驟；
5、理解拉密系數的物理意義；理解地圖投影坐標系中拉密系數和地圖放大系數的關系；
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，掌握差分格式的構造方法；
2、熟悉差分格式需滿足的基本性質；
3、掌握確定差分格式線性穩定性判據的方法，能對不同類型差分格式的穩定性進行分析；
4、掌握常用時間積分格式的構造方法；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定現象、產生的原因，并理解其常用的抑制方法；
7、理解平滑對波動的波長、波數、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計思想、模式的基本特點；
2、熟悉應用有關假設，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；
4、了解正壓原始方程模式線性穩定性判據的推導，理解模式時間積分步長的選擇依據；
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造方法，熟悉正壓原始方程模式二次守恒格式的構造方法；
8、掌握三步法時間積分格式的構造方法；
9、掌握正壓原始方程模式顯式時間積分方案的設計方法；
10、熟悉六點隱式時間積分格式的構造方法及其特點，了解半隱式格式的構造方法及其特點。
11、掌握模式的數值求解的方法；熟悉正壓原始方程模式的設計流程，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；
4、掌握斜壓模式的垂直分層和守恒的垂直差分格式的構造方法；
5、熟悉數值求解斜壓原始方程模式的主要內容。
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值求解上的差別；
2、了解譜模式的展開函數和因變量的選擇；
3、掌握球諧函數的定義和性質、兩種基本的波數截斷方法；
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化
1、熟悉模式初始化的基本概念、基本方法；
2、熟悉有限區域數值模式中采用的水平側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化和郭氏積云對流參數化方案在模式中的構建思路；
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展過程。
第三部分 有關說明與實施要求
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本大綱規定的考試內容來確定的，適當掌握試題的內容、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比例約為2：3：3：2。
（4）各章考題所占分數大致如下：
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:
《數值天氣預報》沈桐立主編，氣象出版社，2015年5月
4、其他規定：
考試方式為閉卷筆試，總分 150 分，考試時間為180 分鐘。
京公安網備11010802020593號
