数值天气预报教案

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1、《数值天气预报》教案开课专业：大气科学学院大气科学专业开课时间：1学期（总48学时）任课教师：陈海山、邵海燕等课程教学的目的：本课程主要讲述数值天气预报的基本原理和方法；首先介绍大气运动的基本方程组、地图投影及坐标变换等数值天气预报的基础知识；在此基础上，讲述数值计算方案的基本原理；结合所讲述的基本知识和基本原理，重点介绍正压原始方程模式和斜压原始方程模式的设计及其数值解法；最后对数值预报的初、边值问题和物理过程的参数化问题进行简单的介绍。通过本课程的学习，目的是让学生系统理解数值天气预报的基本原理和方法，掌握制作

2、数值天气预报的方法和技能，并具备设计简单数值模式的能力。课程教学的要求：结合本课程的特点，一方面要求课程教学注重数值天气预报的基础理论与方法，要求学生理解和掌握数值天气预报的基本原理；另一方面，要加强教学的实践环节，安排上机实习，加深学生对所学知识的理解，培养学生的实际动手能力，确实掌握用简单的数值预报模式制作天气预报的主要方法和思想；使学生掌握本课程最基本的原理和制作天气预报的基本技能。课程教学的主要内容和学时分配：CH1大气运动基本方程组及坐标变换8学时§1旋转坐标系中的基本方程组§2球坐标、局地直角坐标、P坐

3、标下的方程组；§3b坐标系中的基本方程组；§4数值模式分类；CH2地图投影坐标系中的基本方程组8学时§1、地图投影的基本知识§2、正交曲线坐标系中的基本方程组§3、地图投影坐标系中的基本方程组CH3数值计算方案8学时§1差分方法及基本性质§2时间积分方法和时间积分格式§3有限网格下差分格式的误差分析§4非线性计算稳定性问题CH4正压原始方程模式12学时§1正压原始方程组、积分性质及计算稳定性§2正压原始方程模式的空间差分格式§3正压原始方程模式的时间积分格式§4空间平滑滤波§5正压原始方程模式的数值解法8学时CH5

4、斜压原始方程模式§1斜压原始方程组及积分性质§2斜压原始方程模式的空间差分和时间积分§3斜压原始方程模式的数值解法和模拟试验CH6初边界条件及模式的物理过程参数化简介4学时§1初、边界条件简介§2模式的物理过程参数化简介第1讲引言+第一章第1节旋转坐标系中的基本方程组（2学时）本次课的教学目的：介绍数值天气预报的基本情况、课程的主要内容和总体安排；简单回顾矢量形式的大气运动方程组。讲授的内容提纲：♦引言•数值天气预报的概述•数值天气预报发展的历史和背景•数值天气预报的现状•课程的主要内容和安排♦大气运动的基本方程组

5、•旋转坐标系中的基本方程组教学重点和难点：数值天气预报的基本情况、大气运动的基本方程组教学方法和实施的步骤：首先介绍数值天气预报的基本情况，在此基础上，讲述数值天气预报发展的历史和背景、数值天气预报的现状，使学生对本课程有一个大体的认识；然后，介绍课程的主要内容和安排，以便学生明确学习的目标。简单回顾大气运动基本方程组的有关知识，给出旋转坐标系下基本方程组的矢量形式。第2讲第一章第2节球坐标、局地直角坐标、P坐标下的方程组（2学时）本次课的教学目的：讨论不同坐标系下的大气运动方程组的坐标变换方法。讲授的内容提纲：•

6、球坐标下的方程组；•局地直角坐标下的方程组；•P坐标下的方程组；教学重点和难点：不同坐标系下的大气运动方程组的坐标变换方法教学方法和实施的步骤：紧接上一讲给出的大气运动的矢量方程组，首先通过坐标变换将其写在适合用于研究地球大气的球坐标系中；在此基础上，通过球坐标系下方程组的简化，导出使用于局地范围的局地直角坐标系下的方程组；结合气象研究的需要，在静力平滑的基础上，定义P坐标系，并通过坐标变换导出P坐标系下的大气运动方程组，为后面的讨论奠定基础。第3讲第一章第3节o坐标系中的基本方程组第4节涡度、散度方程的简化及数值

7、模式分类（4学时）本次课的教学目的：讨论”坐标系中的基本方程组；介绍大气运动方程组的简化，最后结合不同简化程度的方程组，介绍数值模式分类。讲授的内容提纲：•b坐标系中的基本方程组；•涡度、散度方程的简化•数值模式的分类；教学重点和难点：”坐标系中的基本方程组（坐标变换），数值模式的分类教学方法和实施的步骤：在上一讲P坐标变换的基础上，引出数值模式中更为常用的b坐标系。首先给出”坐标系的定义，分析其特点，并给出其与P坐标系之间存在的联系。在此基础上，根据P坐标系下的大气运动方程组，利用二者之间的转换关系，通过坐标变换

8、导出b坐标系中的基本方程组，为斜压模式的讲述提供基础；另外，回顾大气运动方程组的简化，根据不同程度的简化方程组，介绍数值模式的分类。第4讲第二章第1节地图投影的基本知识（2学时）本次课的教学目的：主要讲述地图投影的基本知识、介绍正形投影的概念及其特点，重点讨论常用的三种地图投影方式及其地图投影放大系数的计算方法。讲授的内容提纲：•地图投影的基本知识•正形投影