大纲编号：S070600XJ001

大气动力学导论

Introduction to atmospheric Dynamics

课程编号：S070600XJ001     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：大学数学、大学物理

教学目的和要求：

大气动力学是大气科学重要的分支科学，为大气科学各个专业提供了必要的理论支撑框架。本课程主要介绍大气动力学的系统基础知识，是大气科学和海洋科学的基础课程，适用于大气和海洋专业学生掌握基本理论和基本原则，动力学公式推导和生动的大气动力学现象相结合相统一，旨在掌握用物理学和数学方法定性、定量解释大气运动和天气现象的方法。

 

内容提要：

本课程的内容包括了动力气象学的系统基础知识和近代理论，包括大气基本方程组的建立、转换和不同情况的简化，大气波动和大气不稳定理论，热带波动以及中层大气动力学，地转适应过程，大气能量学等内容。主讲内容如下：

第一章           大气基本方程组，能量、动量、质量守恒定律，球坐标，beta平面坐标，坐标转换。

第二章           尺度分析，无量纲方程，方程组的平衡简化，小扰动法展开。

第三章           地转风，热成风，准地转模式。

第四章           涡度、散度方程，位势涡度理论（PV）理论。

第五章           大气能量学，以及全球能量循环，急流的维持和发展，三圈环流。

第六章           大气波动，大尺度波动，Rossby波动，大气基本环流的分布，热带beta平面和球面波动。

第七章           Rossby波的频散，上下游效应，球面上Rossby波的传播。

第八章           重力波，重力内波，重力外波，中尺度不稳定理论，积云对流。

第九章           热带波动，开尔文波，混合罗斯贝-重力波。

第十章           正压大气地转适应过程，斜压大气地转适应过程。

第十一章    大尺度大气不稳定理论。正压不稳定，惯性不稳定，斜压不稳定，非地转不稳定，急流内不稳定

 

教材：

   李崇银, 刘式适, 陈嘉滨. 动力气象学导论. 气象出版社, 北京, 2005.

 

主要参考书：

1.         Holton J R. An introduction to dynamic meteorology. 4th Edition. Elsevier Academic Press, San Diego, 2004.

2.         叶笃正, 李崇银, 王必魁. 动力气象学. 科学出版社, 北京, 1988.

3.         吕美仲, 侯志明, 周毅, 动力气象学. 气象出版社, 北京, 2004.

 

撰写人：魏科（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2008年06月

大纲编号：S070600XJ002

高等大气动力学

Advanced Atmospheric Dynamics

课程编号：S070600XJ002     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：大学数学、大学物理、动力气象学、数学物理方程

教学目的和要求：

《高等大气动力学》是大学本科阶段教育《动力气象学》以及《大气动力学》的进一步深入，除了继续加强流体动力学和大气动力学的基本概念、基本理论、基本原则和基本方法的学习外，最重要的是引入了在大气动力学方面重要的新进展，这些新进展包括重要的大气现象的揭示和发现、理论的发展和创新。

通过对最新研究进展的介绍和讲解，从而使得学生一方面掌握扎实的基本理论和方法，另外一个方面对大气动力学进行较为全面而深入的了解，从而为科研做好必要的准备。通过课程的学习，希望引导学生实现对基本的大气动力学理论的升级，从而更好的走向科研之路。本课程适合于气象系和大气科学的研究生。

 

内容提要：

第一章           大尺度动力学发展概况

第二章           大气运动的基本方程组、基本波动和基本性质

第三章           位涡守恒理论及其在大气环流中的应用

第四章           大气准定常行星波动力学

第五章           大气遥相关及波动的球面传播

第六章           EP通量和波流相互作用

第七章           平流层动力学1 平流层基本动力过程

第八章           平流层动力学2 QBO及其动力理论

第九章           热带大气低频振荡及其机理

第十章           大气扰动的稳定性理论

第十一章    大气个别扰动的演变特征

第十二章    非线性动力学及其在大气环流中的应用1

第十三章    非线性动力学及其在大气环流中的应用2

 

教材及主要参考书：

1.         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。

2.         李崇银，刘式适，陈嘉滨，《动力气象学导论》，气象出版社，北京，2005。

3.         Pedlosky J. Geographysical fluid dynamics. New York: Springer, 1987.

4.         Gill A. E. Atmosphere-ocean dynamics. New York: Academic Press, 1982.

5.         Vallis G. K. Atmospheric and oceanic fluid dynamics: fundamentals and large-scale circulation. Cambridge: Cambridge University Press, 2006.

 

撰写人：黄荣辉、陈文（中国科学院大气物理研究所）

修改人：黄荣辉、陈文、魏科、王林（大气物理研究所）

撰写日期：2008年11月

大纲编号：S070600XJ003

计算地球流体力学概论

Introduction to Computational Geophysical Fluid Dynamics

课程编号：S070600XJ003     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：高等数学、微分方程数值解、动力气象学或数值天气预报

教学目的和要求：

本课程是大气科学专业研究生的学科基础课，同时可作为海洋科学、环境科学的选修课。本课程主要介绍大气海洋问题数值模拟（预报）所用计算方法的一些基本情况，及重点介绍一类有限差分法（简称能量守恒差分法），突出介绍差分格式的稳定性、省时性和准确性等问题。

 

内容提要：

第一章  引言

简要介绍大气海洋模式求解中常用的几类计算方法的主要优缺点，及构造总能量守恒型格式的重要性、必要性。

第二章  数值天气预报的历史回顾

简要介绍数值天气预报的发展演变历史及预报技巧。

第三章  方程的连续形式

简要介绍控制大气演变的方程组及几种主要的水平坐标和垂直坐标。

第四章  运动方程的数值离散化

简要介绍有限差分法及与大气运动方程相对应的差分方程组。

第五章  非线性计算不稳定简介

简要介绍非线性计算不稳定的特征和例子。

第六章  方程的微分形式及其能量守恒性

重点介绍一维、二维平流方程及其能量守恒性，并对三维方程组作简要介绍。

第七章  差分方程及其平方守恒性

重点介绍一维、二维平流方程和涡度方程在A网格下的差分格式及其能量守恒性。

第八章  分析差分格式计算稳定性的福氏法

介绍分析线性差分方程的Von Neumann方法及其实例。

第九章  分析差分格式计算稳定性的范数法

重点介绍带非负算子的算子方程的计算稳定性问题及相应定义、定理，并以平流扩散方程为例作进一步论证说明。

第十章  差分格式的省时性

介绍几种节省机时的差分格式及其省时技巧。

第十一章 平滑与过滤、耗散格式

介绍克服计算紊乱和计算不稳定的平滑技术和过滤技术，并以耗散格式为例子作进一步论证说明。

 

说明：除讲解以上内容外，还有几次课外作业，学期末还有总复习一次，考试一次。

 

 

 

教材：

   季仲贞编：计算地球流体力学讲义。

  

主要参考书：

1.         王斌、季仲贞著，《大气科学中的数值新方法及其应用》，科学出版社，2006。

2.         廖洞贤等，《数值预报原理和应用》，气象出版社，1986。

 

 

 

撰写人：王斌、季仲贞（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2010年06月

大纲编号：B070600XJ004

计算地球流体力学

Computational Geophysical Fluid Dynamics

课程编号：B070600XJ004     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

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：

本课程是大气科学专业博士、硕士研究生的学科基础课，同时可作海洋科学、环境科学、力学、化学和应用数学专业研究生选修课。

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。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。

 

内容提要：

第一章           序论

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           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           非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           网格对频散的影响

水平网格类型，一维问题分析，二维问题分析。

第十章           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式

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. 季仲贞编，《计算地球流体力学讲义》，中国科学院研究生院，2001

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. 王斌，季仲贞，《大气科学中的数值新方法及其应用》，科学出版社，2006。

2. 张玉玲等，《数值天气预报》，科学出版社，1986。

3. 廖洞贤等，《数值预报原理和应用》，气象出版社，1986。

 

 

 

撰写人：季仲贞 （中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2002年12月

修改人：－

修改日期：-年-月

 

 

大纲编号：B070600XJ005

高等天气学

Advanced Synoptic Meteorology

课程编号：B070600XJ005     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：天气学原理和方法

教学目的和要求：

本课程是大气科学专业博士、硕士研究生的学科基础课，同时也可作海洋科学、环境科学、地球物理专业研究生选修课。

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：

前言(2学时)

1．高等天气学的基本特点；

2．近代天气学的主要进展：

   a.天气与气候的密切结合及其对天气预报业务的推动；

   b.中尺度天气学（强对流与暴雨）研究的主要成果；

   c.天气学理论的发展；

   d.数值预报及其相关预报技术的发展，其中包括超短时预报，短期预报，中期预报，特殊天气预报等，新的人机交互系统及可视化系统。

   e.科学试验计划实施的推动，尤其是季风试验计划。

3．中国天气学的主要问题：

   a.暴雨问题是中国天气学研究和预报的核心问题；

   b.其他灾害性天气的研究和预报，尤其是台风的研究和预报；

   c.天气预报的主要发展方向。

第一章（8学时）

课程1：大气环流的基本知识（一）(2学时)

1.  大气环流的平均状况

2.  定长波的特征及其在大气环流中的作用；

3.  瞬变波的特征及其在大气环流中的作用

课程2：大气环流的基本知识（二）:地气系统的角动量平衡（3学时）

地球上的风系与角动量概念；

角动量平衡方程及其时—空平均形式；

大气中角动量的产生，耗损与输送；

全球角动量的平衡与全球风系的维持。

课程3：大气环流的基本知识（三）: 地气系统的能量平衡（3学时）

大气中主要的能量形式；

地气系统的辐射收支；

能量收支方程及其应用；

能量的经向输送与平衡；

热带海洋在全球能量收支中的重要性。

第二章（12学时）

课程1：中纬度天气学系统（一）：准地转理论和地转动量近似（3学时）

1．  准地转理论和地转动量近似介绍

2．  理论的应用

课程2：中纬度天气学系统（二）：锋生与锋面—急流系统（6学时）

1．  Sawyer—Eliassen次级环流方程及其应用；

2．  高空急流的次级环流及其对天气发展的重要性；

3．  高低空急流及高空急流与锋面系统的耦合；

课程3：中纬度天气系统（三）：中纬度气旋(3学时)

1．  中纬度气旋的分类和基本特征；

2．  中纬度气旋的形成和发展的条件；

3．  中纬度气旋的动能收支；

4．  中纬度气旋的爆发性发展问题。

第三章(9学时)

课程1热带天气和天气系统（一）（3学时）

1.  热带大气的理论分析研究新进展；

2.  中低纬的相互作用；

课程 2：热带天气和天气系统（二）：；亚洲季风及其对东亚天气的影响（3学时）

1．  亚洲季风系统；

2．  夏季风爆发的原因和季风的进退；

3．  季风区中的低频振荡；

4．  季风对东亚天气的影响；

5．  南海季风试验及其新结果。

课程3 热带天气和天气系统（三）：台风（3学时）

1．  全球的热带气旋分布；

2．  台风的形成条件；

3．  台风的主要结构特征；

4．  台风的形成理论；

5．  台风路径概述。

第四章（9学时）

课程1 中尺度天气和天气系统（一）：理论分析

1．  中尺度天气系统的不稳定理论；

2．  局地强风暴与中尺度对流系统形成条件；

课程2 中尺度天气和天气系统（二）：局地强风暴和中尺度对流系统

1．  经典局地强风暴模型；

2．  局地强风暴与中尺度对流系统形成条件；

3．  重力波与对流系统；

4．  中尺度的反馈作用。

课程3 中尺度天气和天气系统（三）：暴雨

1．  暴雨形成的基本条件；

2．  中国暴雨的主要特点和形成条件；

3．  中国历史上大暴雨的个例分析；

4．  暴雨预报的主要问题。

第五章（6学时）

课程1 大尺度地形对大气环流和天气的影响（一）：青藏高原的热力与动力作用

1．  青藏高原的热力性质；

2．  青藏高原的热力作用对风场，湿度场及天气系统（高原高雅，切变线和低涡）的形象；

3．  青藏高原的动力作用；

4．  高原对背风气旋生成的影响；

课程2大尺度地形对大气环流和天气的影响（二）：阻塞高压形成的理论

1．  阻塞高压的形成机制；

2．  阻塞高压的确定

3．  阻塞高压与梅雨的关系；

4．  阻塞高压与寒潮的关系；

第六章（6学时）

课程1

1．  平流层环流和天气系统的基本特征；

2．  平流层与对流层环流的联系；

课程2

1．  平流层的暴发性增温；

2．  热带平流层的准两年振荡；

第七章 天气分析与预报方法（3学时）

 

撰写人：丁一汇（国家气候中心）

撰写日期：－年－月

大纲编号：S070600XJ006

全球变化科学引论

Global Change

课程编号：S070600XJ006     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：

教学目的和要求：

本课程为大气科学研究生的学科基础课，也可作为地球科学及其它相关学科各专业的研究生的选修课程。

讲授全球变化这一新兴科学领域的研究内容、方法和最新的进展，为他们今后从事交叉领域的科学研究提供基础。

 

内容提要：

第一章   引论

全球变化科学研究的对象、学科性质及其形成和发展的科学和社会背景。

第二章   地球系统

地球系统的概念、组成成分及它们的基本性质。

第三章   地球环境变化的历史

地球环境变化历史重建的方法，百万年、万年、千年到百年不同时间尺度地球环境变化的主要特征及其可能的变化原因。

第四章   全球变化的基本过程

地球系统中能量循环、水分循环和生物地球化学循环过程的基本特征，生物圈在全球水循环中的作用，全球碳循环。

第五章   人类活动对全球变化的影响

增强温室效应和全球增暖，气溶胶的气候影响，臭氧洞，土地利用/覆盖变化的气候和环境影响。

第六章   全球变化对陆地和海洋生态系统的影响

自然生态系统的结构和功能对全球变化的响应，全球变化对农业和水资源的影响，生物多样性的改变，海岸带和海陆相互作用。

第七章   全球变化对亚洲和中国的影响

全球变化在亚洲的表现，亚洲对全球变化的贡献以及全球变化对亚洲和中国的生存环境、社会和经济发展的影响。

第八章   全球变化的观测系统

全球气候观测系统，全球海洋观测系统，全球陆地观测系统，全球古气候观测系统，数字地球及其在全球变化研究中的应用。

第九章   全球变化的数值模拟和地球系统模式

全球大气模式，全球海洋模式，全球生物圈模式，全球海－气耦合气候模式，地球系统模式的发展前景；数值模拟方法介绍。

 

 

教材及主要参考书：

1.         Malone, T. F., Roederer, J. G. (eds.), Global Change, ICSU. Press/Cambridge                 University Press, London, 1985.

2.         符淙斌，《地球的未来》，湖南师范大学出版社，2001。

3.         符淙斌、延晓冬、马柱国等译，全球变化与地球系统，气象出版社，2010。

 

 

 

 

撰写人：符淙斌、马柱国、姜大膀(中国科学院大气物理研究所)

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070600XJ007

全球气候系统

Global Climate System

课程编号：S070600XJ007     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：天气学、气候学

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、地理科学相关专业研究生的选修课。

本课程包括气候系统概论和气候系统研究方法、气候变化三部分。目的是使学生了解包括大气、海洋、冰雪圈及陆地岩石圈与生物圈（含人类）的全球气候系统的基本状况、变化、变化原因及物理机制。

 

内容提要：

第一章 气候与气候系统

　　 系统与气候系统；气候系统的概念；气候系统的组成；气候变化与变率；气候系统变化的原因；气候系统的研究。

第二章 大气与大气环流

　　 大气平均状况；地面气候要素场；大气环流的平均状况；大气环流的季节变化；大气环流的数值模拟。

第三章 海洋与海洋环流

　　海洋状况；海洋对气候的影响；海气相互作用；气候韵律；海洋影响的气候模拟。

第四章 地球冰雪圈

　　 地球冰雪圈的组成；冰雪覆盖的季节变化；冰雪覆盖的年际变化；冰雪覆盖对气候的影响；冰雪覆盖影响的气候模拟。

第五章 地表与生物圈

　　 全球能量平衡；地球植被与反照率；地球植被的变化；下垫面对气候的影响；下垫面对气候影响的数值模拟。

第六章 气候模拟与预测

　　气候模式概念；全球大气环流模式；全球海洋环流模式；区域气候模式；全球气候系统模式；气候模拟的概念；气候平均状况的模拟；气候变率的模拟；区域气候的模拟；气候变化的模拟；气候预测；气候可预报性。

第七章 气候观测与诊断

　　气候观测概述；气候诊断的概念；气候异常的诊断；气候变化的诊断；气候事件的诊断；用模式作气候诊断。

第八章 气候重建

　　气候重建的概念；全球气候重建；中国气候重建；用树木年轮作气候重建；用冰芯作气候重建；用史料作气候重建；气候变化的考古证据。

第九章 古代气候变化

　　 气候变化的时间尺度；冰期与间冰期气候；全新世气候；中世纪暖期；小冰期。

第十章 20世纪的气候变化

　　 气候变暖；大气环流的变化；气候突变与气候异常；20世纪气候系统的变化；全球降水变化；中国旱涝变化；东亚季风降水变化；萨赫勒降水变化。

第十一章 大气环流的长期变化

　　 大气活动中心与三大涛动；大气超长波；大气环流准两年振荡；大气环流振荡分析；近百年大气环流的变化。

第十二章  气候系统变率与气候异常

　　南方涛动；EL NINO；瓦克环流；ENSO的气候影响。

第十三章  气候变化原因

　　火山活动对气候的影响；太阳活动对气候的影响；温室效应与气候变化；人类活动对气候的影响。

 

教材：

   赵宗慈编著，《全球气候系统》，中国科学技术大学出版社，合肥，1997。

   

主要参考书：

   1.  Hartmann, D.L.《Global Physical Climatology》. Academic Press Inc., California, 1994。

   2.  钱维宏等，《全球气候系统》，北大出版社，2009。

   3.  伍荣生，《现代天气学原理》，高等教育出版社，2002。

   4.  Peixoto,J.P., Oort A.H (吴国雄等译). 《气候物理学》，气象出版社，1995。

 

 

 

撰写人：姚凤梅（中国科学院研究生院）

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070600XJ008

大气物理学概论

Introduction to Atmospheric Physics

课程编号：S070600XJ008     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：

教学目的和要求：

   

内容提要：

第一章 大气基本结构

1.1 大气组成

1.2 大气垂直结构

1.3 大气基本环流结构

第二章 大气热力学

2.1 气体定律

2.2 流体静力学方程

2.3 热力学第一定律

2.4 绝热过程

2.5 湿绝热过程

2.6 静力稳定度

2.7 热力学第二定律及熵

第三章 大气辐射传输

3.1 辐射的基本概念

3.2 热辐射基本定律

3.3 散射、吸收和发射

3.4 气体吸收光谱

3.5 红外辐射在大气中的传输

3.6 太阳辐射在大气中的传输

3.7 大气顶部的辐射平衡

3.8 温室效应与全球变化

第四章 大气化学

4.1 对流层大气组成

4.2 微量气体的源、汇和输送

4.3 对流层中的一些重要痕量气体

4.4 对流层气溶胶

4.5 空气污染

4.6 对流层化学循环

4.7 平流层化学

第五章 云微物理学

5.1 云的形成和宏微观特征

5.2 水汽的凝结核化

5.3 暖云的微结构

5.4 云液水含量及夹卷

5.5 暖云中云滴的增长

5.6 冷云微物理学

5.7 冰雹

5.8 人工影响云和降水

5.9 云和降水化学

第六章 大气动力学基础

6.1 旋转地球上的大气运动方程

6.2 大气中的平衡运动

6.3 大气静力稳定度

6.4 大气中的波动

第七章 大气边界层物理

7.1 湍流

7.2 地表能量平衡

7.3 垂直结构

7.4 边界层的演变

7.5 特殊效应

第八章 大气电学和人工引雷

8.1 大气电场

8.2 雷暴电场

8.3 闪电现象

8.4 人工引雷

第九章 大气光学和声学

9.1 大气中的光学现象

9.2 大气能见度

9.3 声波在大气中的传播

9.4 声波在大气中的应用

 

教材及主要参考书：

1.         华莱士，霍布斯著《大气科学》（第二版）2008，何金海等译，科学出版社。

2.         周秀骥等，《高等大气物理学》，气象出版社，北京，1991。

 

 

 

撰写人：卞建春、郄秀书、王普才、陈洪滨

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070600XJ009

描述性物理海洋学

Descriptive Physical Oceanography

课程编号：S070600XJ009     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：

教学目的和要求：

培养学生对海洋学的兴趣，使学生掌握物理海洋学的最基本知识。

 

内容提要：

第一章    引言

第二章      海水的物理属性

第三章      海洋典型水团的分布特性

第四章      水团的形成、通风和下潜过程

第五章      海洋海水质量、盐度和热量收支

第六章      海水基本运动方程，混合过程

第七章      大气环流

第八章      旋转流体，地转流

第九章      Ekman层动力学

第十章      Sverdrup内区和西边界流

第十一章  风场强迫，北太平洋海洋上层环流

第十二章  赤道太平洋环流及东边界流，太平洋边缘海

第十三章  印度洋海洋环流及季风强迫

第十四章  大西洋海洋上层环流，深水环流及经向翻转流

第十五章  南方海洋

第十六章  季节变率，季风率及ENSO变率

第十七章  气候变化：年代季振荡及长期气候变率

 

教材及主要参考书：

1.         Descriptive Physical Oceanography, An Introduction. George L. Pickard, William J. Emery, Butterworth Heinemann, 1990.

2.         Ocean Circulation : 2 nd Edition. The Open University. Butterworth and Heinemann Press, 2004.

3.         Introductionto Physical Oceanography, by Robert Stewart.

 http://oceanworld.tamu.edu/ocean410/ocng410_text_book.html

4.         Regional Oceanography: An Introductio by Matthias Tomczak and Stuart Godfrey. http://gyre.umeoce.maine.edu/physicalocean/Tomczak/regoc/figlist.html

 

 

 

撰写人：杨海军(北京大学物理学院大气和海洋科学系)

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070600XJ010

大气科学概论

Introduction to Atmospheric Sciences

课程编号：S070600XJ010     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：物理学、高等数学

教学目的和要求：

   本课概述大气基本状态，介绍了大气静力学、大气动力学、大气热力学、天气学、大气环流、全球气候系统和大气物理的基本理论和研究方法，在内容上既注重基本知识的讲授，又适当介绍当前大气科学的发展方向和前沿成果。

 

内容提要：

第一章 大气基本状态

大气成分，大气层的厚度，大气层的结构，大气的状态参数，大气的状态方程。

第二章 大气静力学

静力学方程，压高公式，重力位势高度和等压面形势。

第三章 大气热力学　　

热力学第一定律，干绝热过程，湿绝热过程，热力学方程，热力学图解，静力学稳定度。

第四章 大气动力学

　　    大气的基本作用力和运动方程，地转运动，涡度方程和散度方程——运动方程的变形，连续方程和垂直速度。

第五章 中纬度天气学

锋面，斜压扰动，大气长波，急流。

第六章 大气环流

地-气系统的热量收支，单圈环流和三圈环流，地面大气环流，高空大气环。

第七章 全球气候系统

气候系统，大气环流的长期变化，ENSO系统及海气相互作用，温室效应与气候变化。

第八章 降水和对流性天气系统

降水的微观成因，降水的宏观成因，降水的时空分布，对流系统的动力学性质，对流系统的结构。

 

教材：

   陶祖钰、林黎红著,《大气科学概论》，北京大学出版社。

  

主要参考书：

1.         J.M．华莱士和P．V．霍希顿，《大气科学概观》，上海科学技术出版社，1981。

2.         R．G．巴里和R．J．齐利，《大气、天气和气候》，高等教育出版社，1984。

3.         J．R．霍尔顿，《动力气象引论》。

4.         朝仑正，《气候异常与环境破坏》，气象出版社，1991。

5.         斯公望，《暴雨和强对流环流系统》，气象出版社，1990。

6.         E．N．洛伦茨，《大气环流的性质和理论》，1976。

7.         陶祖钰、谢安，《天气过程诊断分析原理和实践》，北大出版社，1989。

8.         王绍武、赵宗慈，《长期天气预报基础》，上海科学出版社，1987。

9.         王永生等，《大气物理学》，气象出版社，1987。

10.    王绍武，《气候系统引论》，气象出版社，1994。

 

 

撰写人：林一骅（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：-年-月

大纲编号：S070600XJ011

现代气候学原理

Introduction of Modern Climatology

课程编号：S070600XJ011     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程： 气象学

教学目的和要求：

本课程为大气科学各专业研究生的学科基础课，也可作为未修过气候学的资源环境等相关学科选修课。

本课程教学目的是通过本课程的讲授，使学生掌握气候学的基本概念和基本理论以及气候形成的基本物理过程；针对当代气候学的研究领域的发展和多学科交叉，要求学生了解当代气候变化特点以及对生态系统、农业、水资源以及人体健康等人类活动的影响和适应性。

 

内容提要：

第一章   导论

气候的定义及其表示；气候系统；气候系统的构成与反馈机制；气候层次；气候学定义与分支；气候学研究的三个阶段；国内外气候研究计划。

第二章  地球—大气系统的能量平衡

太阳短波辐射；大气对太阳短波辐射的吸收；地表辐射特性；辐射气候；云辐射；地-气系统能量收支。

第三章  大气环流与气候

大气环流；大气环流形成的基本因子；一般大气环流模式；大气环流基本特征；角动量输送与平衡；海陆分布对大气环流的影响；大气环流对气候影响；气团、锋与气候；气旋、反气旋与气候。

第四章  海—陆分布与气候

海陆物理特征的差异； 海陆分布的温度效应；海陆分布与大气水分；海陆分布与周期性风；海陆间水分平衡与水分循环。

第五章  海流与气候

海流形成与分类；海流对温度和降水的影响；海流异常与厄尔尼诺现象。

第六章  地形与气候

地形与辐射；地形与温度；地形与降水；地面特性与气候。

第七章  气候带与气候型

气候带与气候型的划分；低纬度气候；中纬度气候；高纬度气候；高地气候。

第八章  短期气候变化问题

短期气候变化的物理基础；大气环流的遥相关；大气低频震荡。 

第九章  长期气候变化问题

仪器观测以来的气候变化； 海-气相互作用与气候；陆-气相互作用与气候

第十章  青藏高原气候

青藏高原地面辐射特征；青藏高原地面热平衡特征；青藏高原大气低频震荡；青藏高原边界层特征及其对大气环流的影响；青藏高原的动力和热力作用的模拟研究。

第十一章  中国气候特征

中国的气候特征；青藏高原对气候的影响；季风；梅雨；寒潮；台风。

第十二章  20世纪全球与中国气候变率

近百年全球气候变暖；20世纪全球降水状况；中国气温变化；中国降水变化；中国的气候灾害。

第十三章  人类活动与气候变化

温室气体与气溶胶；大气中CO2浓度增加的气候效应；大气中的臭氧与臭氧洞。

第十四章 气候变化的影响与评价

气候变化对人类健康的影响；气候变化对生态系统的影响； 气候变化对农业的影响；气候变化对水资源的影响。

 

主要参考书：

   1. 叶笃正等主编，《当代气候研究》，气象出版社，1991。

2. 王绍武等主编，《现代气候学概论》，气象出版社，2005。

3. 刘东生等编译，《气候过程与气候变化》，科学出版社，2004。

4. 潘守文等编著，《现代气候学原理》，气象出版社，1994。

5. 王绍武主编，《现代气候学研究进展》，气象出版社，2001。

 

 

 

撰写人：姚凤梅（中国科学院研究生院）

撰写日期：2006年05月

大纲编号：S070600XJ012

气候统计方法和应用

Statistical methods and application in Climate Research

课程编号：S070600XJ012     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：气候学、全球气候系统、气候动力学、海-陆-气相互作用

教学目的和要求：

本课程为气象学专业研究生的学科基础课，也可作为地球科学及其它相关学科各专业的研究生的选修课程。

本课程包括目前国内外气候学研究中基本的以及较为先进的气候统计方法。目的是使学生在未来的研究过程中能够正确地使用统计分析方法对气候数据进行有目的的分析，同时，能够对气候统计结果进行正确地理解和分析并提取可靠信息。

 

内容提要：

第一章   绪论

气候统计诊断的概念；气候统计诊断研究的内容；气候统计诊断的一般步骤；典型问题和概念。

第二章   基本气候状态的统计量

        中心趋势统计量；变化幅度统计量；分布特征统计量；相关统计量。

第三章   基本气候状态的统计检验

统计检验概述；气候稳定性检验；相关性检验；分布的统计检验。

第四章   回归分析

    一元线形回归；多元线形回归；逐步回归；非线性回归；回归分析在气象中的应用。

第五章   气候变化趋势分析

    线形倾向估计；滑动平均；累计距平；五、七和九点二次平滑；五点三次平滑；三次样条函数；潜在非平稳气候序列趋势分析；变化趋势的显著性检验。

第六章   气候突变检测

    滑动t检验，Mann-Kendall检验；Pettitt方法，标准正态归一检验（SNHT），Buishand range 检验。

第七章   气候变量场时空结构的分离

经验正交函数分解，扩展经验正交函数分解，旋转经验正交函数分解，复经验正交函数分解，主振荡型分析。

第八章   气候序列中振荡信号的时空特征的提取

功率谱，最大熵谱，小波分析，多通道奇异谱分析，MTM-SVD方法。

教材：

1.         黄嘉佑，《气象统计分析与预报方法》，气象出版社，北京，2000

2.         魏凤英，《现代气候统计诊断与预测技术》，气象出版社，北京，2007

 

主要参考书：

1.         Von Storch H., Zwiers F. W., Statistical analysis in climate research, Cambridge University Press, 1999.

2.         Wilks D. S., Statistical methods in the atmospheric sciences: an introduction, Academic Press, San Diego, 1995.

3.         么枕生，丁裕国，《气候统计》，气象出版社，北京，1990。

4.         吴洪宝，吴蕾，《气候变率诊断和预测方法》，气象出版社，北京，2005。

 

 

撰写人：华丽娟（中国科学院研究生院）

撰写日期：2007年10月

大纲编号：B070600XJ013

大气边界层物理学

Atmospheric Boundary Layer Physics

课程编号：B070600XJ013     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：大气物理学、流体力学

教学目的和要求：

本课程是大气科学各专业博士、硕士研究生的学科基础课，同时可作环境科学、海洋科学和应用力学等专业研究生选修课。

大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气层最底下的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，它与天气、气候以及大气环境研究有非常密切的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多数都是发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、农业、军事、交通、以及城市规划和生态环境保护等紧密相关。大气边界层物理主要是研究发生在大气边界层中的各种动力和物理过程。

本课程针对不同学科背景交叉的研究生，重点介绍大气边界层物理最基本的内容，包括大气边界层的特征，描述大气边界层的主要数学物理工具，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、数值模拟、大气污染扩散以及大气边界层探测的原理和方法等。

通过本课程学习，希望能够使研究生掌握大气边界层物理的基本概念、基本理论以及基本的数值模拟和观测实验方法，为将来从事天气、气候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下基础。

 

内容提要：

第一章  导论

大气边界层的基本特征，湍流现象，近地面层，稳定边界层，对流边界层，大气边界层研究的历史回顾，大气边界层研究的重要意义等。

第二章 湍流结构

若干基本概念，湍流发生机理，湍流统计理论，科尔莫戈洛夫湍流理论，湍流标度律，湍流的非线性动力学理论，湍流时间序列分析等。

第三章  控制方程

纳维-斯托克斯方程，雷诺平均，湍流能量平衡方程，应力和通量，湍流“不封闭问题”，一阶闭合，高阶闭合，大涡模拟等。

第四章  相似理论

相似性原理，稳定度参数，莫宁-奥布霍夫长度，近地层相似理论，全边界层相似理论，局地相似理论，湍流结构的参数化，边界层结构的参数化等。

第五章 数值模拟

一般概念，非均匀边界层，地表能量平衡方程，边界层数值模式等。

第六章 大气扩散

大气扩散的统计理论，K-理论模式，高斯模式，蒙特卡罗方法，大气污染预报，大气污染优化控制理论等。

第七章 观测实验

一般原理，风、温、湿传感器，观测平台（汽艇、铁塔、飞机、船舶），地基遥感探测，资料整编和质量控制，边界层综合观测实验介绍等。

教材：

Stull, R. B.(杨长新 译):《边界层气象学导论》，气象出版社, 1991.( An Introduction to Boundary Layer Meterology, Kluwer Academic Publishers, 1988).

 

主要参考书：

周秀骥等，高等大气物理学，气象出版社，1991。

 

 

 

撰写人：胡非（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2004年11月

修改日期：－年－月

大纲编号：S070600XJ014

大气辐射

Atmospheric Radiation

课程编号：S070600XJ014     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

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

KOLN；GLAS；ECMWF；GFDL；GISS；NCAR；LASG/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》，中国科学院研究生院讲义，北京，2001。

 

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 York，1980. (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。

 

 

 

撰写人：石广玉(中国科学院大气物理研究所)

撰写日期：2001年11月

大纲编号：B070600XJ015

大气化学

Atmospheric Chemistry

课程编号：B070600XJ015     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：高等数学、普通化学、普通物理

教学目的和要求：

   本课程是大气科学专业博士、硕士研究生的学科基础课，同时可作海洋科学、环境科学、化学专业研究生选修课。

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）

主要参考书：

1.         王明星著，《大气化学》，气象出版社，第二版，1999。

2.         唐孝炎，《大气环境化学》，高等教育出版社, 1990。

3.         戴树桂，《环境化学》，高等教育出版社，1997。

4.         John H Seinfeld, Atmospheric Chemistry and Physics, Wiley-Interscience, 1997。

 

撰写人：徐永福，张仁健（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：-年-月

大纲编号：S070600XJ017

数学物理中的渐近方法

Asymptotic Methods in Mathematical Physics

课程编号：S070600XJ017     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：常微分方程、数理方程、复变函数、流体力学

教学目的和要求：

本课程为力学学科研究生的学科基础课，是大学本科数学物理方程课的续篇。本课程着重介绍数学物理中的近似方法，内容包括渐近分析与摄动方法两大部分，通过学习可以提高学生数学分析的能力和将理论应用于解决实际问题的本领。可供力学、大气科学、物理海洋、光学、声学、应用数学的研究生学习。

 

内容提要：

Ⅰ） 渐近方法部分

引言

第一章 渐近级数

历史的回顾，渐近级数的定义，渐近级数的性质。

第二章 积分的渐近展开

逐次积分与分部积分法，Laplace方法，驻相法，最陡下降法，Airy函数与Stokes现象，Watson引理及其应用。

第三章 在波动问题中的应用

波动概论，群速度与渐近分析，水波。

第四章 微分方程的渐近解

微分方程的奇点，正常点与正则点附近的渐近解，非正则奇点附近的渐近解，再论Airy函数与Stokes现象。

第五章 W.K.B.J方法

W.K.B.J解，有转向点的一致有效渐近解，几何光学近似。

第六章 发散级数求和

发散级数的定义，Euler-Maclaurin公式，级数收敛性的改进，级数解的延拓。

（Ⅱ） 奇异摄动部分

第一章 概论

正则摄动，奇异摄动。

第二章 边界层型奇异摄动问题

匹配原理，中间匹配，边界层型奇异摄动问题解法，常微分方程的求解，偏微分方程的求解，合成展开法。

第三章 长期项型奇异摄动问题

PLK方法及其各种变化，KBM方法，多重尺度法。

第四章 摄动方法在实际问题中的应用

在非线性振动中的应用，在流体力学中的应用，在非线性波动中的应用。

教材：

   李家春等，《数学物理中的渐近方法》，科学出版社，北京，1998。

 

主要参考书：

1. Kivrokien, Cole, Perturbation Methods in Applied Mathmatics, Springer-Verlag,

New York, 1981.

2. M. Van Dyke, Perturbation Mehods in Fluid Mechamics, Parabolic

Press,Stanford, 1975.（有中译本）

3. A. H. Nayfeh, Introduction to Perturbation Techniques, John Wiley & Sons, New

York, 1981

 

 

撰写人：李家春、周显初（中国科学院力学研究所）

撰写日期：2001年10月

大纲编号：S070600XJ018

地学中的数理方程与数值方法

Mathematical and Physical Equations in Earth Sciences

and the Corresponding Arithmetic

课程编号：S070600XJ018     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：多元微积分、线性代数

教学目的和要求：

本课程是固体地球物理学和大气科学各专业研究生的学科基础课，物理海洋学和自然地理学研究生的专业基础课，同时也可作为地球科学其他专业研究生的选修课。

本课程主要讲授几类基本的数学物理方程，由浅入深，使学生学会运用基本知识的能力，同时结合地球科学的实际需要，将着重介绍球面（包含椭球面）上处理方程问题的方法，系统地引入球谐级数理论。除进行理论讲授外，还将针对微分方程计算问题介绍差分方法以及有限元初步。

本课程根据地球科学研究生数理基础实际和未来科学研究需求设置，低起点、大跨度、多侧面地学习数学物理微分方程理论和解法，培养学生分析解决科学计算中遇到的偏微分方程的定解问题的能力。

 

内容提要：

第一章 波动方程

介绍多维波动方程的初始问题的积分解法以及相应的物理特征；分离变量法与初边值问题的求解方法；守恒律与适定性理论。

第二章 热传导方程

Fourier变换简介；一维与多维对流方程的初始问题的解法；初边值问题的分离变量方法；反应扩散方程简介；极值原理与定解理论。

第三章 Poisson方程

Green公式与极值原理；边值问题的适定性理论；Green函数与解的积分表示；球面边界情况下的Green函数的表达式；强极值原理与斜微商问题；分离变量方法与Laplace算子本征值问题。

第四章 球谐级数与球界面下边值问题的解法

Legendre函数与连带Legendre函数；正交性与球谐函数；球面上一般函数的球谐展开；（外）边值问题的球谐级数解法；第二类Legendre函数与椭球谐级数；椭球界面下边值问题的解法。

第五章 二阶线性偏微分方程的分类

特征线（面）的性质；方程的分类。

第六章 带时间变量方程的差分方法

差分与差分算子；方程的差分表示与相关精度的判定；常见的差分格式；收敛性与计算的稳定性。

第七章 Poisson方程的差分解法

差分格式与平均值定理；差分计算的稳定性与收敛性；一般算法。

第八章 位势理论与积分方程

单层势与双层势；在边界上位势积分的性质；Fredholm积分方程与迭代方法；调和方程的位势方法。

第九章 变分方法初步

能量极小化原理与Euler方程；广义函数与Sobolev空间初步；Poisson方程边值问题与对应的变分方法；Galerkin方法；有限元方法与有限逼近思想。

 

教材：

1.         复旦大学数学系，《数学物理方程》，人民教育出版社，北京。

2.         薛兴恒，《数学物理偏微分方程》，394页，中国科学技术大学出版社，合肥，1995。

3.         Heath, M. T., Scientific Computing: An Introductory Survey, Second Edition, 563p, 清华大学出版社, McGraw -Hill Com. Inc., 2002.

4.         马石庄，《偏微分方程与科学计算导论》，中国科学院研究生院讲义，北京，2002。

  

主要参考书：

1.         谢鸿政，杨枫林，《数学物理方程》，317页，科学出版社，北京，2001。

2.         Ockendon, J., Howison, S., Lacey, A., and Movchan, A., Applied Partial Differential Equations, 424p, Cambridge University Press, Cambridge , 1996.

3.         党诵诗，《物理大地测量中的数学物理方法》，测绘出版社，北京。

 

 

 

撰写人：于锦海（中国科学院研究生院）

撰写日期：-年-月

大纲编号：B070600XJ019

地球科学反演导论

Introduction of Inversion Methods for Earth Science

课程编号：B070600XJ019     课程属性：学科基础课           学时/学分：40/2

预修课程：线性代数、概率与统计、普通物理

教学目的和要求：

本课程是地球科学相关领域（地球物理学、地质学、地理学、大气科学、海洋学及遥感科学）博士和硕士研究生的学科基础课或专业基础课。本课程围绕地球物理, 地质、地理、大气、海洋、遥感图像等反问题实例，系统学习反演理论；熟悉基本反演算法。本课程着力培养地球科学研究生解决反问题的实践能力。

 

内容提要：

第一章 导 论

观测不完全性，正问题与反问题，反问题不适定性，反演实践性，反问题的分类，Hadamard不适定，连续问题及其离散化、范数，投影，Gram-Schmit正交归一化等。

第三章 线性最小二乘反问题及求解

先验信息，线性问题分类，线性反问题的最小二乘解，例：直线的拟合，欠定问题最小范数解，混定问题阻尼最小二乘解，例：三层地球模型的密度。

第三章 线性最小二乘反问题的广义逆方法

广义逆，信息矩阵和分辨矩阵，单位协方差矩阵，分辨与方差的折衷，奇异值分解，例：声学探测及台阵设计。

第四章 Backus-Gilbert反演理论

    最小模型、最光滑、最平缓解，正则化处理。

第五章 线性反问题的迭代求解

    Kaczmarz算法、代数重建法等。

第六章 基于目标函数的线性和非线性反问题的迭代求解

    梯度法、牛顿法、共轭梯度法以及拟牛顿法。

第七章 基于概率论的反演理论

    模型空间、数据空间、条件概率、Bayes理论、最小绝对准则和最小最大准则。

第八章 反问题的全局搜索方法

    基于Monte Carlo方法的模拟退火和遗传算法等。

第九章 应用专题

Kalman滤波及集合Kalman滤波方法。

 

教材：

1. Menke, W., Geophysical Data Analysis: Discrete Inverse Theory, Academic Press Inc., New York, Revised Edition, 1989.

2. Tarantola, A., Inverse Problem Theory and Methods for Model Parameter Estimation, SIAM, 2005.

3. Chong, E.K.P. and Zak, S. H., An Introduction to Optimization, John Wiley and Sons, 2001.

 

主要参考书：

1. Wunsch, C., Discrete Inverse and State Estimation Problems with Geophysical Fluid   Applications, Cambridge University Press, Cambridge, 2006.

2.  Evensen, G., Data Assimilation: the Ensemble Kalman Filter, Springer, 2009.

3.  Zhdanov, M.S., Geophysical Inverse Theory and Regularization Problems, Elsevier, 2002.

 

 

撰写人：周元泽（中国科学院研究生院）

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070601ZJ001

热带地球流体动力学

Tropical Geophysical Fluid Dynamics

课程编号：S070601ZJ001     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：高等大气动力学、高等天气学

教学目的和要求：

本课程是气象学专业研究生的专业基础课，同时也可作为大气物理与大气环境、海洋科学、环境科学等专业研究生选修课。

本课程的目的是让学生认识到热带海洋运动特征和海—气相互作用过程以及对气候变化的影响.本课程要求学生掌握热带海洋运动特征、海—气相互作用过程、特别是ENSO循环动力学，以及热带ENSO循环对全球气候变化的影响。

 

内容提要：

第一章 热带地球流体运动力特征

赤道带宽度的确定；赤道带中地球流体运动特征；动力方程在赤道带的简化；

5°—15°纬度带流体力学方程组。

第二章 海洋环流的基本观测事实

热带洋流的气候平均状况；热带洋流的变化状况。

第三章 赤道拦截波

线性方程组；模态解；赤道波动的结构；耗散的影响；波射线理论。

第四章 风应力强迫所产生的洋流

基本方程组及其简单试验；基本方程组；ε、γ对定常洋流产生的重要性；产生定常洋流的几种机制；对经向风应力的响应；纬向无边界时的解；纬向有边界时的解；对ε、γ作用的进一步讨论；对纬向风应力的响应；纬向无边界时的解；纬向有边界时的解； γ与χE对定常洋流的作用；对赤道潜流下方强混合区形成的解释；对非定常风应力的响应。

第五章 混合层的基本物理过程

引言；混合层与动力过程的偶合模式。

第六章 外源强迫对低纬大气的影响

低纬大气对异常加热的响应；低纬非定常大气对热源的响应——冬季风期间的Hadley和Walker环流；湿调整过程。

第七章 热带大气的低频振荡

基本观测事实；耗散对Kelvin波及低频振荡的影响；CISK机制与低频振荡；外源周期性强迫与低频振荡。

第八章 热带海-气相互作用及其物理机制

海气相互作用的基本物理机制；海气相互作用（Ⅰ）；海气相互作用（Ⅱ）。

    第九章 西太平洋暖池热力变化及其对东亚夏季气候的影响

暖池热力变化；暖池上空对流活动变化；东亚/太平洋型（EAP型）遥相关的物理机制；EAP型对东亚夏季气候变化与异常的影响。

    第十章 ENSO 循环动力学

ENSO 循环简介；关于ENSO循环有关理论的回顾；热带西太平洋对 ENSO循环的热力动力作用；ENSO循环与亚洲季风的相互作用。

教材：

 

主要参考书：

 

 

撰写人：黄荣辉（中国科学院大气物理研究所）

张人禾（中国气象局）

撰写日期：2003年12月

大纲编号：S070601ZJ002

中小尺度天气动力学

Dynamics of Mesoscale Synoptics

课程编号：S070601ZJ002     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

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。

 

 

撰写人：赵思雄（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2001年11月

大纲编号：S070601ZJ003

天气动力学诊断分析与物理参数方法

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

课程编号：S070601ZJ003     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

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。

 

 

 

撰写人： 丁一汇（国家气候中心）

撰写日期：2001年11月

大纲编号：S070601ZJ004

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

Numerical Simulation of Ocean Circulation and Air-Sea

课程编号：S070601ZJ004     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：动力气象学、物理海洋学、计算方法

教学目的和要求：

《大洋环流和海气相互作用的数值模拟》课程设计的思路是：充分利用海洋环流模式和海气耦合模式的模拟结果，结合观测资料，诠释大洋环流和海气相互作用的基本概念和动力学理论，重点分析当代气候数值模拟中几个受关注程度较大的问题，同时介绍有关模式设计和模式评估的初步知识。本课程可以看作是气候数值模拟的入门课程之一。

 

内容提要：

第一部分 基础知识

第一章 热带太平洋SST，赤道流系，温跃层和海表高度

课程简介，热带太平洋海表温度（SST）平衡态、冷舌和暖池；赤道太平洋流系；热带温跃层。

第二章 风生环流的Sverdrup 理论

介绍风生环流的Sverdrup模型；Ekman 输送和Ekman 抽吸；Sverdrup平衡和Sverdrup 输送。

第三章 风应力，热通量，淡水通量

介绍风应力的参数化；辐射热通量和湍流热通量；海洋模式和海气耦合模式的区别；大洋环流模式的控制方程组和边界条件。

第四章 云对海气相互作用的影响

介绍云－辐射相互作用对气候系统能量循环和水循环的影响；与云有关的强迫和反馈过程对气候的重要作用；云的形成过程和气候系统模式中云的参数化问题；中国区域云 辐射强迫和反馈的特殊性。

第五章 中高纬度海气相互作用

介绍热带与中高纬度海气相互作用的特征不同；中高纬度大气对海洋的强迫以及海洋的弱反馈作用；热带大洋影响中高纬度海洋变率的“大气桥”理论；国内外相关的数 值模拟研究。

第六章 大洋热盐环流

介绍大洋水团的区分和深层水团的形成；热盐环流的定义及其基本图像；大西洋与太平洋深层环流的区别；大西洋环流的基本观测事实；热盐环流与大洋极向热输送；热盐环流变异与古气候事件的联系；大洋环流模式和海气耦合模式对热盐环流及其变异的模拟。

上述第一章和第二章介绍热带太平洋风生环流（Wind–Driven Circulation) 的主要事实、基本概念和理论，尤其侧重那些和ENSO（El Niño-Southern Oscillation）有关的基础知识。第三章介绍风应力、热通量和淡水通量的基本概念和参数化表示，它们是了解海气相互作用方式和模式运行方式的基础。海气间的热量交换会受到云的强烈影响，这是第四章讨论的重点。第五章介绍热带以外地区的海气相互作用和热带海气相互作用的区别和联系。第六章介绍热盐环流（thermohaline circulation）的概念、事实及其在全球变暖（global warming）过程中的潜在作用，这部分内容将较多涉及大西洋深层环流。

第二部分 模式介绍

第七章 大洋环流模式设计初步

介绍大洋环流模式的发展历史；基本近似和假定、方程组和边界条件；“刚盖近似（rigid－lid）”近似和自由面模式，LASG全球海洋模式简介；海洋模式差分格式设计要点。

第八章 海洋模式中的参数化过程

介绍水平动量摩擦的参数化：常系数方案和非常系数方案；中尺度涡的参数化：“Eddy-topography interaction”方案和“Eddy-induced transport”方案（即GM90）的基本原理；海表混合层参数化：块体方案、K理论和湍流闭合方案的原理；海洋混合过程参数化研究的现状。

第九章 海冰及其数值模拟

海冰在气候系统中的作用和海冰变化的观测事实；海冰变化的热力学过程和动力学过程及其数值模拟；应用于气候研究的主要海冰模式简介。

上述三章将择要介绍大洋环流模式（包括海冰部分）的原理和构成。

第三部分 典型问题模拟

第十章 ENSO的数值模拟

介绍El Nino－Southern Oscillation（ENSO）事件的基本观测事实和有关理论；LASG/IAP大洋环流模式和海－气耦合模式对ENSO事件及其与热带印度洋偶极子相互关系的模拟；目前世界上主要的海气耦合模式模拟ENSO事件的能力及存在的问题。

第十一章 印度尼西亚贯穿流的模拟

介绍印度尼西亚贯穿流（ITF）的基本观测事实；“岛屿定律”；ITF在两大洋交换中的作用；ITF年际变化与ENSO事件的关系及其气候意义；发展高分辨率 海洋模式的必要性；LASG/IAP海洋环流模式对ITF的模拟；LASG/IAP和LMD海气耦合模式对ITF的模拟。

第十二章 全球变暖的事实、原因及其模拟

介绍20世纪全球平均表面温度变化的观测事实和“增强温室效应”的概念；海洋在全球变暖中的作用；未来气候变化的‘projection’的概念；利用LASG/IAP耦合气候模式模拟的20世纪气候演变和推测21世纪的气候变化；有关的国际合作计划的介绍。

在这一部分中，ENSO（第十章）和全球变暖（第十二章）是当前最受关注的两大气候问题，也是气候数值模拟研究的重点，希望通过介绍这类典型气候事件的数值模拟，帮助读者了解怎样正确使用模式和解释模拟的结果。第十一章介绍从热带太平洋到印度洋的输送，即印度尼西亚贯穿流（Indonesian Throughflow），也是海洋环流和气候研究的热点之一，它的成功模拟要求使用高分辨率的海洋模式。这三章的内容都和讲义的前两部分有很强的关联。

应当说明：“基础知识”、“模式介绍”、“典型问题模拟”这三部分之间是有交叉的。以“基础知识”为例，讲义的第一部分只是相对集中地介绍那些最基本的概念和理论；而讲义的第二、三两部分则不仅要综合地应用这些基础知识，而且必然会涉及一些更深层次的理论。此外，在以观测事实为基础来介绍理论的同时，我们将尽可能地利用模式的结果来诠释那些最基本的概念和理论，同时也介绍模式的能力和不足，使读者能对模式有比较实际的了解。

 

教材：

自编教材（包括ppt演示稿和讲义）。

 

主要参考书：

1.         Stewart, R.H., 2004, Introduction to Physical Oceanography, pdf version, available at http://www-ocean.tamu.edu/education/common/notes/PDF_files/book_pdf_files.html.   

2.         刘海龙、俞永强、李薇、张学洪，2003：LASG/IAP气候系统海洋模式（LICOM1.0）参考手册，大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）技术报告特刊，北京，科学出版社，106 页.

3.         Zhang X H, Shi G Y, Liu H, Yu Y Q, (Eds). 2000: IAP Global Ocean-Atmosphere-Land System model. Science Press，Beijing, 252pp.

4.         叶安乐、李风岐编著，1992：物理海洋学，青岛海洋大学出版社，青岛，684页。

5.         Tomczak M., and J.S. Godfrey. 2001. Regional Oceanography: An Introduction, pdf version 1.0, available at http://www.es.flinders.edu.au/~mattom/regoc/pdfversion.html

 

 

 

撰写人：俞永强（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2010年06月

 

大纲编号：B070601ZJ005

大气数值模拟与资料同化

Atmospheric modelling and data assimilation

课程编号：B070601ZJ005     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：

教学目的和要求：

大气数值模拟：了解和掌握数值天气预报的基础理论和基本方法，包括数值天气预报的历史、大气运动方程组及数值离散化方法、计算不稳定性、次网格尺度物理过程参数化。

资料同化：掌握资料同化的基本理论和常用方法，如3DVAR，4DVAR，EnKF等；理解混沌系统和大气可预报性基本概念、集合预报方法。

 

内容提要：

第一章 数值天气预报的历史回顾

1．1 引言                                            一般了解

1．2 早期发展                                        一般了解

1．3 原始方程组、全球模式、区域模式和非静力模式      一般了解

1．4 资料同化：确定计算机预报的初始条件              一般了解

1．5 业务数值天气预报和预报技巧的演变                一般了解

1．6 流体非静力中尺度模式                            一般了解

1．7 天气的可预报性、集合预报和季节到年际预报        一般了解

1．8 展望                                            一般了解

第二章 方程的连续形式

2．1 控制方程组                                       理解

2．2 球坐标中的大气运动方程组                         理解

2．3 大气中的基本波动                                 理解

2．4 滤波近似                                         理解

2．5 浅水方程、准地转滤波和惯性重力波的过滤           理解

2．6 原始方程和垂直坐标                               理解

第三章 运动方程的数值离散化

3．1 偏微分方程(PDEs)的分类                           重点掌握

3．2 初值问题：数值解                                 重点掌握

3．3 空间离散法                                       重点掌握

3．4 边值问题                                         重点掌握

3．5 区域模式的侧边界条件                             重点掌握

第四章 次网格尺度物理过程参数化简介

4．1 引言                                             理解

4．2 次网格尺度过程和雷诺平均                         理解

4．3 模式参数化综述                                   理解

第五章 资料同化

5．1 引言                                             重点掌握

5．2 经验分析方案                                     重点掌握

5．3 最小二乘法介绍                                   重点掌握

5．4 多元统计资料同化法                               重点掌握

5．5 3D—var，物理空间分析方案(PSAS)及其与OI的关系   重点掌握

5．6 考虑预报误差协方差演变的高级资料同化方法         重点掌握

5．7 初始条件中的动力和物理平衡                       重点掌握

5．8 观测资料的质量控制                               重点掌握

第六章 大气可预报性和集合预报

6．1 大气可预报性简介                                 理解

6．2 混沌系统基本概念的简要回顾                       理解

6．3 切线线性模式、伴随模式、奇异向量和Lyapunov向量  重点掌握

6．4 集合预报：早期研究                               重点掌握

6．5 业务集合预报方法                                 重点掌握

6．6 误差增长率以及中纬度和热带地区可预报性的局限     理解

6．7 海陆对月、季和年际可预报性所起的作用             理解

6．8 年代际变化和气候变化                             理解

 

教材：

大气模式、资料同化和可预报性， (美)卡莱尼，气象出版社，2005。书号： I S B N：7502940073

 

主要参考书：

1.       资料同化理论和应用(上册)，邹晓蕾著，气象出版社，2009；

ISBN：7502948996/9787502948993

2.       数值天气预报，沈桐立，田永祥，葛孝贞，陆维松，陈德辉，气象出版社，2003；

ISBN：7502919724/P.0751 

3.       数值天气预报的数学物理基础，曾庆存著，科学出版社，1979。

 

 

 

撰写人：朱江、王斌（中国科学院大气物理研究所）撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070601ZJ006

气候动力学

Climate Dynamics

课程编号：S070601ZJ006     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：气候学、全球气候系统、海-陆-气相互作用、气候统计学

教学目的和要求：

本课程为大气科学研究生的专业基础课，也可作为海洋科学、古气候学、环境科学及其它相关学科各专业的研究生的选修课程。

本课程包括大气科学、海洋学、地球物理学和生物学等多种学科相互渗透和结合。目的是使学生既可以看到气候变化的复杂性和重要性、又可以认识气候及其变化，从中学到气候动力学的知识和结论，并为学生进行气候研究提供一定的基础。

 

内容提要：

第一章  绪论

气候变化、古气候及其变化、气候与人类社会、当代气候研究。

第二章  气候系统

大气、大气运动基本方程组、海洋、陆地和冰雪圈、水分及其循环、太阳活动、火山爆发、生态系统。

第三章  大气辐射过程

太阳短波辐射、大气对太阳短波辐射的吸收、地表辐射特性、晴空大气红外辐射传输、辐射气候、云-辐射相互作用。

第四章  大气季节内振荡的动力学

大气中的30-60天低频振荡、热带大气低频振荡动力学。

第五章  十年及年代际气候变化

十年及年代际气候变化的特征型、机制、变化特征。

第六章  大气环流持续异常

    阻塞形势的动力学原理、遥相关的动力学原理。

第七章  海-气相互作用

    大尺度海-气相互作用的基本特征、ENSO及其对大气环流和气候的影响、东亚冬季风异常与ENSO、ENSO的发生与赤道西太平洋暖池次表层海温异常。

第八章  陆-气相互作用

生物-地球物理反馈、土壤温度和湿度的反馈、植被。

第九章  气候数值模拟

        大气环流模式、简化模式。

第十章  气候的可预报问题

大气运动的可预报性、气候的可预报性

第十一章 人类活动与气候变化

温室气体和气溶胶、大气中CO₂浓度增加的气候效应、其它温室气体的气候效应。

 

教材：

李崇银，《气候动力学引论》，气象出版社，北京，2000。

主要参考书：

1.         吴国雄，刘辉，等译校，《气候物理学》，气象出版社，北京，1995。

2.         刘东生等编译，《气候过程和气候变化》，科学出版社，北京，2004。

 

 

 

撰写人：华丽娟（中国科学院研究生院地球科学学院）

撰写日期：2008年06月

大纲编号：S070601ZJ007

分形几何，混沌动力学和预测问题

Fractals, Chaos and Predictability with Applications to Earth Sciences

课程编号：S070601ZJ007     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：高等数学、普通物理

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，也可作为地球物理、地质学和海洋科学研究生的专业基础课或选修课。

本课程介绍分形几何和混沌动力学的基础概念和知识；讨论它们在研究地学复杂现象中的初步应用；探讨地学中预测问题面临的困难和解决途径。

本课程希望学生接触非线性物理和地球科学的前沿领域，并对地球科学中的预测问题的研究建立一些初步的基本概念。

 

内容提要：

第一章 分形几何学

　　 分形与分维；统计分形；自仿分形和多重分形；分形几何的应用。

第二章 混沌动力学

　　 逻辑斯蒂映射；洛仑兹方程；混沌动力学的基本概念；非线性时间序列分析。

第三章 地球科学中的预测问题：以地震预测问题为例

　　 临界现象物理初步；地震预测问题的讨论；分形几何和混沌动力学在地震预测中的应用；地球系统的复杂性与预测问题。

 

教材：

1. 陈顒，陈凌，《分形几何学》，地震出版社，北京，1998。

2. 刘式达，刘式适，《非线性动力学和复杂现象》，气象出版社，北京，1989。

3. 吴忠良，《地震震源过程中的临界现象》，地震出版社，北京，2000。

主要参考书：

Turcotte, D. L.(陈顒等译)，《分形和混沌：在地质学和地球物理学中的应用》，地震出版社，北京，1993。

 

 

 

撰写人：陈顒(中国地震局)

吴忠良(中国地震局、中国科学院研究生院地球科学学院）

撰写日期：2001年11月

 

大纲编号：S070601ZY003

古气候学

Paleoclimatology

课程编号：S070601ZY003     课程属性：专业课               学时/学分：40/2

预修课程：大气科学、生态学、环境科学

教学目的和要求：

 

内容提要：

第一章　古气候学的框架

第二章　重建古气候的主要方法

第三章　古气候变化原因综述

第四章　深海沉积的气候变化记录

第五章　冰雪沉积的气候变化记录

第六章　黄土沉积的气候变化记录

第七章　古气候变化机制（构造尺度）

第八章　古气候变化机制（亚轨道尺度）

第九章　古气候变化机制（轨道尺度）

 

教材：

1.         R.S.Bradley, Paleoclimatology, Academic Press, 1999.

2.       Williams等著，刘东生等译，第四纪环境，科学出版社，1997。

 

 

 

 

撰写人：丁仲礼（中国科学院地质与地球物理研究所）

撰写日期：-年-月

大纲编号：S070601ZY004

应用气象学

Applied Meteorology

课程编号：S070601ZY004     课程属性：专业课               学时/学分：40/2

预修课程：大气科学、生态学、环境科学

教学目的和要求：

本课程为大气科学研究生的专业课，也可作为农业、林业、草业、海洋、交通、航空、能源、环境等专业研究生的选修课。

本课程针对国民经济发展的需要，运用气象科学的基本原理、方法和最新研究成果，详细地介绍了农业气象、人工影响天气、城市与健康气象、交通与电力气象、航空气象、海洋气象、能源气象、林业气象、草原气象、通讯与气象等。本课程侧重于方法的说明和知识的实际运用，目的在于增进气象学与各个专业学科相结合形成的边缘性学科的理解，为应用气象规律直接或间接地服务于人类生产实践提供参考。

内容提要：

第一章　绪论

应用气象学发展历程；应用气象学概念；应用气象学多学科框架。

第二章　农业气象

气象条件与农业生产；农业气象灾害；农业病虫害；设施农业气象；特色农业气象；农业气象预报。

第三章　人工影响天气

水汽的凝结核化；暖云微物理学；冷云微物理学；人工增雨(雪)；人工防雹与消雾；人工影响天气效果评估。

第四章　城市与健康气象

大气污染；城市边界层；城市热岛效应；空气污染预报；城市高影响天气；气象要素对人体的影响；天气变化与疾病和死亡的关系；健康气象预报。

第五章　交通与电力气象

交通高影响天气的影响(风、降水、降雪等)；电力高影响天气的影响(电线的积冰荷载、电线的风荷载等)。

第六章　航空气象

起飞着陆气象条件；飞行气象条件；航空气象预报。

第七章　海洋气象

航海气象条件；近海和海岸带海洋气象；远洋气象。

第八章　能源气象

气象能源特点；太阳能资源；风能资源。

第九章　沙漠、森林、草原气象

沙漠气象及其影响；森林气象；防护林气象；草原气象；森林草原火灾。

第十章　卫星气象

气象卫星发展历程；气象卫星遥感原理；气象卫星遥感(温度、风、降水、云、雾等)；自然灾害监测(干旱、洪涝、火灾)；农作物遥感估产。

第十一章　气候变化

历史气候变化；现代气候变化；气候变化趋势；碳循环；温室效应；气候可预报性。

教材：

  胡毅，李萍，杨建功，朱毅著，《应用气象学》，北京，气象出版社，2005。

 

主要参考书：

1.         周广胜，王玉辉编著，《全球生态学》，北京，气象出版社，2003。

2.         周广胜，卢琦编著，《气象与森林草原火灾》，北京，气象出版社，2009。

3.         周广胜编著，《全球碳循环》，北京:气象出版社，2003。

4.         钱维宏编著，《全球气候系统》，北京，北京大学出版社，2009。

5.         蒋尚城编著，《应用卫星气象学》，北京，北京大学出版社，2006。

6.         徐祥德，周秀骥，丁国安，卞林根等著，《城市环境综合观测与大气环境动力学研究》，北京，气象出版社，2010。

 

 

 

撰写人：周广胜（中国气象科学研究院）

雷恒池（中国科学院大气物理研究所）

周  莉（中国科学院植物研究所）

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070601ZY005

生态气象学

Ecometeorology

课程编号：S070601ZY005     课程属性：专业课               学时/学分：40/2

预修课程：气象学、生态学

教学目的和要求：

本课程为大气科学研究生的专业课，也可作为生物科学、环境科学、地球物理相关专业研究生的选修课。

本课程作为生物气象学的分支，重点阐述天气与气候过程对生态系统的结构与功能的影响及其反馈作用的科学，空间尺度从气孔至区域植被地理尺度、时间尺度从秒至千年尺度。它强调自然植被动态、土地利用和土地管理引起的陆地生态系统变化在天气和气候变化中的作用。该课程将大气科学和生态学融合在一起加以讨论，目的在于增进对大气圈与生物圈之间相互作用的理解，为深入研究气候系统以及地球系统提供参考。

 

内容提要：

第一章　绪论

生态气象学发展历程；生态气象学概念；生态气象学多学科框架。

第二章　全球变化

气候变化；大气成分变化；土地利用变化。

第三章　生态系统生理学

气候效应：水热因子及其综合影响；温室气体效应；UV-B辐射效应；O3效应；环境综合效应。

第四章　气候－植被分类

植被及植被区划；植物功能型；气候－植被分类方法；植被对气候变化的响应。

第五章　生态系统功能

生物量与生物生产力；生态系统生产力；生态系统生产力模拟；生态系统生产力对气候变化的响应。

第六章　陆面过程

陆面过程的基本概念；陆面过程模型；植被变化对陆面过程的影响。

第七章　耦合的生物圈－大气圈动态

圈层相互作用；耦合生物－物理过程；耦合生物－物理－化学过程。

第八章　生态气象应用

生态系统适应性与脆弱性评估；土地规划；大气过程模拟。

第九章　生态气象学研究的基本方法

模拟试验；生态系统野外定位观测；遥感动态监测；模拟模型。

 

教材：

周广胜，王玉辉编著，《全球生态学》，北京，气象出版社，2003。

 

主要参考书：

1.         John M. Wallace, Peter V. Hobbs著, 何金海, 王振会, 银燕, 朱彬等译,《大气科学》（第二版）.北京:科学出版社. 2009.

2.         Bonan G.B. 2002. Ecological Climatology: concepts and applications. University Press.

 

 

 

撰写人：周广胜（中国气象科学研究院）

周  莉（中国科学院植物研究所）

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070601ZY006

农业气象学

Agriculture meteorology

课程编号：S070601ZY006     课程属性：专业课               学时/学分：40/2

预修课程：气象学

教学目的和要求：

农业气象学是研究农业生产与气象条件之间相互关系及其规律的科学，是应用气象学的重要组成部分。本门课程从农业生产与气象条件的关系入手，主要介绍农业气象要素（光、热、水、气）对农业生物的生长发育及产量形成影响的基本理论与基本规律、气象条件调控技术及农业气象模式建立的基本方法。根据农业气象课程特点及实际情况，要求学生掌握农业气象课程的基本概念、基本原理和基本方法，同时注意农业气象原理在实践中的应用，以加深对课堂知识的理解。

 

内容提要：

第一章  绪论

土壤—植物—大气系统的机制、状态和过程，农业生产与气象条件的关系，农业气象研究对象、任务及其主要内容，农业气象学的进展与成就；农业气象学的社会需求与发展趋势。

第二章 辐射与农业

光的生物学意义与植物的光学特性，光在群体中的垂直分布规律；生理辐射，光合有效辐射，光周期现象、感光性、光饱和点与补偿点、光能利用率，光谱成分与农业生产；光照时间与植物生长；光照强度与作物生产，光合作用关系理论及其分析方法；限制作物光能利用率的因素及其提高途径。

第三章 热量与农业

三基点温度，作物的感温性以及温周期现象，积温学说及积温不稳定的原因，积温的求算方法及表达形式的改进方法；积温在农业生产中的应用、气温日变化对农业生物的影响近地层及土壤温度调控原理与技术。

第四章 水分与农业

作物需水量、作物水分临界期与关键期、土壤水分滞后现象等基本概念，土壤—植物—大气系统水分传输过程、途径和规律，作物需水规律、土壤水分特征曲线、土壤水分有效性等分析方法；水分条件与农作物生长发育及产量形成的关系；土壤水分调控原理和技术。

第五章 二氧化碳、风与农业生产

大气中二氧化碳长期演变趋势和碳循环，二氧化碳浓度增加对农业生产的影响，二氧化碳饱和点与补偿点等基本概念，二氧化碳与光合作用的关系及其影响因素，群体二氧化碳通量及浓度变化规律等分析方法，二氧化碳调控原理及技术，风对农业生产的影响。

第六章  农业气象模式

农业气象模式的概念、作用及其分类，熟悉农业气象系统的特征，3、熟悉农业气象模式的建模方法。

第七章 农业气候

农业气候资源，主要数量指标，农业气候生产潜力，中国农业气候资源和生产潜力的分布，农业气候相似理论判断和应用，农业气候区划。

第八章 农业气象灾害和风险

农业气象灾害概述，水分异常引起的气象灾害，温度异常引起的气象灾害，气流异常导致的气象灾害，光照异常引发的气象灾害，农业气象灾害的监测、预报和预警，农业气象风险，气候变化对农业的可能影响及适应对策。

 

教材：

   1. 马秀玲等主编，《农业气象》（第二版），北京，中国农业科技出版社，1996。

  2. 段若溪、姜会飞主编，《农业气象学》，北京，气象出版社，2005。

   3. 姚运生主编，《农业气象》，北京，高等教育出版社，2009。

主要参考书：

1.中国农业科学院农业气象研究室主编，《中国农业气象学》，气象出版社出版，2000。

2.钱允祺主编，《农业气象学》，兴界图书出版公司，1997。

3.陈端生、龚绍先主编，《农业气象灾害》，北京农业大学出版社，1990。

4.Norman J Rosenberg, Blaine L．Blad , Shashi B．Verma, Microclimate: the biological environment, Canada: A wiley-Interscience Publication, 1983.

 

 

 

撰写人：张佳华（中国气象科学研究院）

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070601ZY007

干旱区气象

课程编号：S070601ZY007     课程属性：专业课               学时/学分：40/2

预修课程：气候学、气候动力学

教学目的和要求：

本课程为大气科学研究生的专业课，也可作为地理科学、环境科学、水文和水资源等相关专业研究生的选修课。

本课程主要阐述全球不同地区干旱气象的特征和形成原因，该学科将从天气过程的大气动力学特征、水分收支特征与地气相互作用等方面介绍形成干旱区气象的机理，从多学科角度了解干旱区的水资源、生态过程及其水资源变化。通过本课程的学习使学生掌握干旱区气象的原理和研究方法。

 

内容提要：

第一章 干旱区的天气气候特征

干旱区的气象特征；全球不同干旱区的特征差异和形成原因。

第二章 干旱区气象形成的动力学特征

干旱区的天气特征及动力学结构；干旱区形成的动力学背景；不同干旱区动力学特征的对比差异。

第三章 地气相互作用与干旱气候变化

生态过程和干旱区气候变化的作用；地表水分过程与气候变化的作用；地表过程变化与干旱区气候变化的关系。

第四章 中国干旱区的气候特征与变化

中国干旱区天气过程的主要特征；中国干旱区的环境变化,主要介绍生态和水文过程变化。

第五章 青藏高原与中国干旱区气候

青藏高原对西北干旱区气象形成的动力学和热力学特征。

第六章 干旱区域气候的变化与影响

主要介绍近半干世纪全球各干旱区气候的变化特征；气候变化对干旱区生态、水文等环境变化的影响。

 

教材：

 

主要参考书：

 

 

撰写人：马柱国、吕世华

撰写日期：2010年06月

大纲编号：S070601ZY008

城市气象学

Urbanmeteorology

课程编号：S070601ZY008     课程属性：专业课               学时/学分：40/2

预修课程：大气物理学、动力气象学、普通气象学、大气探测学

教学目的和要求：

人类活动对天气、气候和环境的影响在城市中表现的最为突出，已成为区域灾害性天气、气候和环境研究的重要领域。随着全球城市化的发展，人们越来越认识到城市化对区域和全球天气、气候和环境的影响的重要性。

本课程为大气科学研究生的专业课，讲授城市气象学，包括辐射、能量与水分平衡、城市热岛效应及环流、城市大气湿度、雾和降水、城市气象学观测、城市冠层模式、城市边界层的辐射效应模式、城市边界层混合层高度模式、城市下垫面动力热力扰动对短期灾害性天气的影响、城市大气边界层和区域气候模式、城市区域环境模式等。通过本课程的学习使学生掌握城市气象学的原理和方法。

 

内容提要：

第一章      绪论

1.1     城市气象学概念

1.2     城市气象学的基本特征

1.3     城市气象学的研究方法

1.4     城市气象学的国际发展概况

第二章      城市日照和辐射

2.1 城市日照特征

2.2 城市太阳总辐射

2.3 城市下垫面反射辐射

2.4 城市地－气长波辐射

2.5 城市地－气净辐射及辐射平衡特征

第三章 城市能量平衡与水分平衡

3.1 城市能量平衡与水分平衡方程

3.2 城市中的人为热量

3.3 城市下垫面热储存量

3.4 城市地－气热量交换及平衡

3.5 城市水分平衡

第四章 城市热岛效应及环流

4.1 城市热岛效应及其成因

4.2 城市热岛环流形成机制

4.3 城市热岛环流垂直结构

4.4 城市热岛效应及环流与大气污染

4.5 城市热岛效应及环流与天气过程

第五章 城市大气湿度、雾和降水

5.1 城市大气湿度

5.2 城市雾

5.3 城市对降水影响机制

5.4 城市降水暴雨灾害性天气成因

5.5 城市洪涝灾害形成机制与对策

第六章 城市气象学观测

6.1 城市气象学观测的目的

6.2 城市气象学观测的设站及代表性

6.3 城市日照、辐射的观测

6.4 城市风、温、湿、降水的观测

6.5 城市大气边界层的观测

第七章 城市冠层模式

7.1 城市冠层物理过程参数化方案（Urban Canopy Physics Processes Parameterization 简称UCPPP方案）

7.2 城市冠层物理过程参数化方案的大气控制方程及参数化

7.3 城市冠层中雷诺应力的参数化处理

7.4 城市冠层中建筑结构拖曳力作用的参数化处理

7.5 城市热量方程及其相关参数化

7.6 城市冠层参数化

7.7 城市街道峡谷流场模式

7.8 城市街道峡谷污染物扩散模式

第八章 城市边界层的辐射效应模式

8.1城市边界层辐射效应对大气边界层结构的影响模式

8.2城市边界层对太阳辐射的吸收

8.3城市边界层短波加热率

8.4城市边界层的长波辐射效应冷却率

第九章      城市边界层混合层高度模式

9.1城市大气边界层混合层高度发展的物理机制

9.2城市混合层高度的预报模式

9.3城市对流边界层中的夹卷模式

9.4大涡和小涡共同作用的城市大气对流边界层模式

第十章 城市下垫面动力热力扰动对短期灾害性天气的影响

10.1 WRF2.2模式简介

10.2陆面模式简介

10.3城市陆面动力热力扰动参数化及其敏感性试验

10.4城市高温个例模拟试验

10.5城市暴雨个例模拟试验

第十一章 城市大气边界层和区域气候模式

11.1城市大气边界层特征

11.2城市建筑物对大气边界层结构影响模式

11.3城市下垫面植被对大气边界层结构影响模式

11.4城市下垫面水体对大气边界层结构影响模式

11.4城市下垫面特征对区域气候影响的模式

第十二章 城市区域环境模式

12.1城市覆盖层内热环境影响的解析模型

12.2城市下垫面热力学数学模式

12.3城市覆盖层内热环境影响模型应用及参数敏感性分析

12.4城市规划对大气环境变化及空气质量影响模式

12.5城市规划中绿化布局对区域环境影响模式

 

教材及主要参考书：

1.         徐祥德，汤绪等编著，《城市化环境气象学引论》，北京，气象出版社，2002。

2.         周淑贞，束炯编著，《城市气候学》，北京，气象出版社，1994。

3.         刘树华编著，《环境生态学》，北京，北京大学出版社，2009。

 

 

 

撰写人：刘树华（北京大学物理学院大气科学系）

王喜全（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2010年05月

大纲编号：B070602ZJ001

云和降水物理

Physics of Clouds and Precipitation

课程编号：B070602ZJ001     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：普通气象学

教学目的和要求：

本课程是大气物理和大气环境专业博士、硕士研究生的专业基础课，同时可作气象学、海洋科学、环境科学专业研究生选修课。

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 人工影响天气的基本原理及最新研究前沿

 人工防雹的基本原理，人工增雨的基本原理，人工消雾的原理和方法，我国人工影响天气的历史和现状；人工影响天气发展展望。

 

教材：

黄美元，徐华英，《云和降水物理过程》科学出版社，1999。

 

主要参考书：

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

2.         Pruppacher, H. R. and 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，1980。

4.         李大山，《人工影响天气现状与展望》，气象出版社，2002。

 

 

撰写人：黄美元、徐华英（中国科学院大气物理研究所）

修改人：雷恒池（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：-年-月

大纲编号：B070602ZJ002

大气中的波传播及遥感物理

EM Wave Propagation in the Atmosphere and Remote Sensing Physics

课程编号：B070602ZJ002     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：普通物理学（电磁学、原子物理学）

教学目的和要求：

本课程是大气科学博士和硕士研究生的专业基础课，同时可作海洋科学、环境科学和遥感科学专业研究生选修课。

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。

 

教材：

1.         陈洪滨和王普才，《大气中波传播与遥感物理》，中国科学院研究生院，1994。

2.         周秀骥等，《高等大气物理学》(下册)， 气象出版社，1991。

3.         Liou, K. N., 《大气辐射引论》，气象出版社，1983。

4.      Ishimaru, A., Wave Propagation and Scattering in Random Media ，Academic Press, New York, 1978

 

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，1974。

3.         孙景群，《激光大气探测》，科学出版社，1986。

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

5.         陈述彭主编, 《遥感大辞典》， 科学出版社, 1990。

6.         Kidder，S. Q. and T.H. Vonder Haar, Satellite Meteorology - An introduction. Academic Press, 1995.

7.         Sabins, F. F., Remote Sensing - Principles and Interpretation. W.H. Freeman & Company, 3d ed，New York, 1996.

 

 

 

撰写人：陈洪滨、王普才（中国科学院大气物理研究所）

撰写日期：2001年11月

修改人：－

修改日期：－年－月

大纲编号：S070602ZJ003

大气气溶胶物理与化学

Physics and Chemistry of Atmospheric Aerosols

课程编号：S070602ZJ003     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：流体力学、普通物理

教学目的和要求：

本课程是大气物理、大气环境和环境科学专业研究生的专业基础课，也可作为气象学、海洋科学专业研究生的选修课。

通过本课程的学习掌握大气气溶胶的物理化学性质及其行为，其在大气中的形成、演变与去除过程，熟悉大气气溶胶研究的理论、实验和模拟方法，了解大气气溶胶的最近研究进展和学科前沿问题。

 

内容提要：

第一章 绪论

气溶胶的概念，气溶胶的基本特征，气溶胶颗粒的粒径、形状、密度与浓度，气溶胶的危害与作用。

第二章 气溶胶的粒度分布

气溶胶颗粒的粒度分布特点，谱分布函数的经验描述，浓度谱分布特征。

第三章 气溶胶的来源、产生与去除过程

自然来源与人为来源，一次来源与二次来源，气溶胶颗粒的凝并、凝结与蒸发，气粒转化过程，气溶胶颗粒来源的判别和定量分析。

第四章 气溶胶的光学性质及对能见度的影响

散射、吸收与消光，散射相函数，单次散射反照率，大气颗粒物与能见度，气溶胶的光学测量。

第五章 气溶胶的化学组成

气溶胶的化学成分，成分概率密度谱分布函数，化学成分平均浓度及其谱分布，化学质量平衡。

第六章 气溶胶的采样与测量

气溶胶颗粒的捕集机制，环境采样与源排放采样，等动采样，采样损失，质量浓度与粒数浓度测量，化学成分测量与分析，实时测量，质量保证与质量控制。

第七章 大气气溶胶与空气质量

大气颗粒物与局地污染、跨区域传输及全球变化，大气颗粒物的环境标准与排放标准，超细颗粒物与纳米颗粒物，大气颗粒物空气质量模型。

第八章 大气气溶胶与气候效应

全球气候变化问题，影响气候变化的大气成分，气溶胶分布与辐射效应，气溶胶与云的作用，气溶胶的冷却效应与增暖效应，气溶胶和气候敏感性，气候变化对气溶胶生成及特性的影响。

 

教材：

1.         Hinds W. C., Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles (2nd Edition). New York: J. Wiley, 1999.

2.         Friedlander S. K., Smoke, Dust, and Haze: Fundamentals of Aerosol Behavior (2nd Edition). New York: Oxford University Press 2000.

3.         Seinfeld J. H., Pandis S. N., Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change. New York: Wiley, 1998.

4.         图梅（澳）著，王明星等译，大气气溶胶，北京：科学出版社，1984。

 

 

 

撰写人：杨复沫（中国科学院研究生院）

撰写日期：2009年11月

大纲编号：S070602ZJ004

大气环境化学

Atmospheric Environmental Chemistry

课程编号：S070602ZJ004     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：

教学目的和要求：

本课程是大气科学和环境科学专业硕士、博士研究生的专业基础课，同时可作生命科学和化学专业研究生选修课。

系统地介绍大气环境化学的基础理论、实验基础知识、该领域的最新研究成果和当前研究方向。较全面阐明大气环境化学和相关交叉学科的知识，讨论密切结合我国乃至全球关注的环境问题，展示本领域的最新研究成果和进展。其研究内容主要包括城市近地面层大气污染及与人体健康有关的重要大气污染物及污染类型。介绍了大气中主要大气污染物的种类、来源、监测方法、汇和循环过程，叙述了大气中重要的化学动力学机制。重点介绍目前普遍关注的光化学污染、灰霾污染、区域大气复合污染、酸沉降以及全球气候变化的化学过程，同时介绍了室内空气污染。

 

内容提要：

第一章 绪论

大气环境化学的发展及研究内容和研究方法，当前大气环境化学研究热点问题，大气的组成和大气层的结构。

第二章 大气污染物的源、汇和循环

大气环境中重要无机污染物和有机污染物的来源、形成、分类、汇与循环机制。

第三章 大气污染监测方法

介绍重要大气污染物的监测内容和方式、大气污染采样原理和监测技术、监测质量保证等。

第四章 大气污染化学机理与动力学

化学反应动力学基本原理，大气光化学反应基础，大气颗粒物表面非均相反应。

第五章 气溶胶与多相大气化学

气溶胶的形貌，粒径谱分布，气溶胶粒子的化学组成，二次气溶胶的形成机制，气溶胶的长距离传输，以及多相反应化学

第六章  光化学烟雾污染

光化学污染发生的历史、形成条件、危害及化学污染特征，臭氧生成与NOx和VOCs的关系。

第七章  灰霾污染

灰霾的定义、污染现状、气象成因、化学成因及危害，灰霾天气大气颗粒物的污染特征及形成机制。

第八章  酸沉降化学

酸雨研究概况、降水的化学组成和性质、酸雨的形成、危害及污染控制中有关问题等。

第九章  区域大气复合污染

特大城市和区域大气复合污染的污染特征、形成机制和控制因素。大气复合污染前体物诊断识别和主控因子识别技术，识别与诊断城市群大气污染演变的技术组合。

第十章 室内空气污染

室内空气污染物的种类、来源、影响因素、化学行为和人体暴露。室内空气污染控制和净化技术。

第十一章 大气污染与人体健康

大气污染对人体健康产生的危害，影响人体健康重要污染物的分布状态、危害途径，大气污染物的状态、粒径、化学组成及运动方式对人体健康的影响。

 

主要参考书：

1.         陈德钧，《大气污染化学》，机械工业出版社，1988。

2.         秦瑜，《大气化学基础》，气象出版社，1988。

3.         王明星，《大气化学概论》，气象出版社，2005。

4.         唐孝炎，《大气环境化学》，高等教育出版社，2006。

5.         戴树桂,《环境化学进展》，化学工业出版社，2005。

6.         戴树桂,《环境化学》，高等教育出版社，2007。

7.         John H Seinfeld, Atmospheric Chemistry and Physics, Wiley-Interscience , 2006.

 

 

 

撰写人：谭吉华（中国科学院研究生院）

撰写日期：2009年12月

大纲编号：B070602ZJ005

高层大气物理

Physics of Upter Atmosphere

课程编号：B070602ZJ005     课程属性：专业基础课           学时/学分：40/2

预修课程：普通物理、电磁学

教学目的和要求：

本课程为地球物理学科的学科基础课，讲授对象为硕士或未修过空间物理课程的博士研究生。

本课程主要内容为：电离层的生成理论和电子损失机制；平衡态电离层的基本结构和形态；热层和中层大气背景及主要动力学过程；电离层电动力学和等离子体过程；电离层异常和扰动及其效应；电离层中的电磁波及电离层探测；电离层与中层、热层及磁层的相互作用及日地关系等。

本课程要求学生掌握电离层物理的背景知识、其中的重要过程及其理论和研究方法，并了解电离层探测技术和原理以及电离层对无线电波传播的影响。通过对本课程的学习，使学生了解整个日地空间物理学中电离层部分的主要研究对象和内容以及当前进展，为他们今后开展电离层和高层大气物理研究打好基础。

 

内容提要：

第一章  引言

电离层研究简史，在基础研究和应用方面的意义；电离层的定义，中层和热层大气的背景结构；地球高层大气的命名系统；地球磁场，磁层，太阳风和日冕。

第二章  电离层的形成理论和形态

电离层形成的Chapman理论；电离层电子的损失过程，光化平衡；电子和离子的双极扩散，电离成分运动的影响；电离层分区和背景电离层的平均形态；电离层异常。

第三章  背景中性大气的动力学

高层大气结构和静力学平衡；基本的流体力学方程组； 声重力波和电离层   行扰（TIDs ）； 大气潮汐；热层风和热层环流；电离层高度的热过程和热结构。

第四章  电离层电动力学

电离层电离成分在外力作用下的运动特征；电离层电导率张量及一般表述；电集流和电离层电流体系；电离层发电机理论；中纬度散见E层（Sporadic-E）的风剪切理论。热层风对电离层F 区的效应。

第五章  电离层中的电磁波，电离层探测

电离气体中电磁波传播的一般理论；电离层对无线电波传播的影响；电离层探测--测高仪，Faraday和Doppler 效应；非相干散射和GPS测量。

第六章  电离层等离子体不稳定性

电离层不规则结构；赤道电离层E 区的双流和梯度漂移不稳定性；扩展F 层（Spread-F）和Rayleigh-Taylor 不稳定性；电离层等离子体不稳定性的数值模拟和非线性研究。

第七章  电离层扰动和日地关系

太阳耀斑和日冕物质抛射；电离层突然扰动，分类，形态和机制；电离层暴；中纬和高纬电离层；电离层扰动对电波传播的影响；电离层和日地关系。