劉宇迪 何宏讓 陳超輝

摘? 要：《高等大氣動(dòng)力學(xué)》是氣象學(xué)專業(yè)研究生學(xué)習(xí)的一門(mén)基礎(chǔ)理論核心課程，在“雙一流”建設(shè)的背景下，在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，就如何建設(shè)好《高等大氣動(dòng)力學(xué)》這一研究生課程進(jìn)行的一些思考，主要包括：課程建設(shè)的背景、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)等方面，重點(diǎn)闡述了教學(xué)內(nèi)容方面的考慮，為爭(zhēng)取一流學(xué)科方面的建設(shè)奠定了一定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高等大氣動(dòng)力學(xué);一流學(xué)科;研究生教育;教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號(hào)：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）16-0013-03

Abstract： "Advanced Atmospheric Dynamics" is a basic theoretical core course for graduate students majoring in meteorology. In the context of "double first-class" university construction， on the basis of the existing results， some thoughts on how to construct the postgraduate course "Advanced Atmospheric Dynamics" are carried out， which includes the background of curriculum construction， the construction goal， the construction content， and teaching content design. This paper focuses on the teaching content， which lays a foundation for the construction of first-class subjects.

Keywords： Advanced Atmospheric Dynamics; first-class subject; graduate education; teaching content

一、概述

建設(shè)一流大學(xué)靠基礎(chǔ)教育，但研究生教育是提升大學(xué)真正生命和核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。一流大學(xué)建設(shè)的核心任務(wù)是一流學(xué)科教育的建設(shè)。為提升我校大氣科學(xué)學(xué)科的教育質(zhì)量，除了要有一流的教育理念和一流的教師隊(duì)伍以外，還需要抓好一流課程體系的建設(shè)，由于大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值預(yù)報(bào)是大氣科學(xué)的理論基礎(chǔ)，因此首先從大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值預(yù)報(bào)方向開(kāi)始建設(shè)，夯實(shí)大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值預(yù)報(bào)方向人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，為提升我校的大氣科學(xué)教學(xué)、爭(zhēng)取一流學(xué)科的建設(shè)準(zhǔn)備條件。

《高等大氣動(dòng)力學(xué)》是大氣科學(xué)一級(jí)學(xué)科碩士研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課。大氣動(dòng)力學(xué)是氣象學(xué)的一個(gè)分支，是應(yīng)用物理學(xué)定律和數(shù)學(xué)方法研究天氣和氣候中與大氣運(yùn)動(dòng)有關(guān)的現(xiàn)象，從理論上探討大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)演變和其它大氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程的學(xué)科。該課程是本科階段大氣動(dòng)力學(xué)（動(dòng)力氣象學(xué)）課程的后續(xù)課程，側(cè)重于基礎(chǔ)理論擴(kuò)展和對(duì)更復(fù)雜的強(qiáng)迫耗散系統(tǒng)及非線性系統(tǒng)問(wèn)題的討論，是進(jìn)行研究生階段后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的必要基礎(chǔ)理論課程。同時(shí)也是一門(mén)適用于物理海洋學(xué)等其他學(xué)科方向碩士研究生的選修課。本課程是大氣科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際上通行的研究生課程，對(duì)于該領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程技術(shù)工作者非常重要，是關(guān)于大氣科學(xué)理論的核心課程，國(guó)外哈佛大學(xué)、國(guó)內(nèi)北京大學(xué)和南京信息工程大學(xué)等高校均開(kāi)設(shè)同類課程。本課程教學(xué)內(nèi)容是我校大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬研究方向的理論支撐，對(duì)于研究生掌握動(dòng)力理論研究方法，后續(xù)學(xué)習(xí)《現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》課程、研究數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)技術(shù)、從事氣象學(xué)基礎(chǔ)理論研究工作具有重要意義。

二、課程建設(shè)目標(biāo)

按照高層次軍事人才的培養(yǎng)目標(biāo)，通過(guò)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，研究生掌握高等大氣動(dòng)力學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法，具備由物理問(wèn)題抽象出數(shù)學(xué)模型、進(jìn)而簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行求解和驗(yàn)證的意識(shí)。研究生能夠利用大氣動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)體系進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究，并初步具備從動(dòng)力學(xué)角度解決天氣預(yù)報(bào)、氣候變化等實(shí)際問(wèn)題能力，培養(yǎng)學(xué)員分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)和工作奠定必要的理論基礎(chǔ)。

通過(guò)課程學(xué)習(xí)，研究生掌握大氣運(yùn)動(dòng)方程組的各種形式、能熟練運(yùn)用波包模型和WKBJ方法討論波動(dòng)性質(zhì)、能夠利用行波法、漸進(jìn)法及低階譜近似和相平面定性分析方法討論非線性系統(tǒng)性質(zhì)、理解大氣中波動(dòng)性質(zhì)及基本動(dòng)力學(xué)過(guò)程、具備基本的推導(dǎo)能力以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

三、建設(shè)內(nèi)容

項(xiàng)目建設(shè)本著“培育一流學(xué)科”的原則進(jìn)行建設(shè)，以提高教學(xué)質(zhì)量和內(nèi)涵發(fā)展為重點(diǎn)，彰顯本學(xué)科方向的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。依據(jù)其發(fā)展階段和水平采取務(wù)實(shí)的建設(shè)策略。完善教學(xué)質(zhì)量保障體系，將學(xué)生成長(zhǎng)成才作為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，細(xì)化教學(xué)大綱，建立科學(xué)有效、導(dǎo)向清晰的考核評(píng)價(jià)體系，完善試題庫(kù)，進(jìn)一步優(yōu)化本學(xué)科方向的建設(shè)。具體建設(shè)內(nèi)容如下：

（一）優(yōu)化教學(xué)大綱

《高等大氣動(dòng)力學(xué)》課程在上個(gè)世紀(jì)八十年代初已開(kāi)設(shè)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已奠定了一定的基礎(chǔ)。在原來(lái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化《高等大氣動(dòng)力學(xué)》課程教學(xué)大綱，特別是將國(guó)內(nèi)外最新研究成果充實(shí)到課程中，使學(xué)生不僅打下扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，了解到國(guó)內(nèi)外相關(guān)的前沿動(dòng)態(tài)，開(kāi)闊學(xué)生的眼界，為學(xué)生科研創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

要選擇那些較為成熟的理論，對(duì)那些有爭(zhēng)議、未被實(shí)踐充分證實(shí)的理論暫時(shí)不要編入課程教學(xué)大綱。編寫(xiě)教學(xué)大綱要做到：一是大綱的編寫(xiě)要有特色，要從大氣科學(xué)新進(jìn)展和前沿科學(xué)問(wèn)題中精選有動(dòng)力學(xué)理論價(jià)值的內(nèi)容進(jìn)入主講大綱;二是概念的定義要嚴(yán)格，不能似是而非，要嚴(yán)謹(jǐn)嚴(yán)密;三是要進(jìn)一步優(yōu)化課程內(nèi)容，應(yīng)該主要包含大氣科學(xué)部分，部分前沿問(wèn)題可以納入專題講座中講授。

（二）加強(qiáng)課程建設(shè)

《高等大氣動(dòng)力學(xué)》經(jīng)過(guò)本團(tuán)隊(duì)多年的努力，編寫(xiě)出版了“高等動(dòng)力氣象學(xué)”教材，編寫(xiě)了試題庫(kù)。擬在原來(lái)基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步充實(shí)，特別是在題型和題量上繼續(xù)豐富。另外在考核方法上要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母母铮酝驾^為傳統(tǒng)，一般是根據(jù)平時(shí)的課堂表現(xiàn)和作業(yè)情況進(jìn)行量化打分，約占最終成績(jī)的20%，為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，擬在課后適當(dāng)布置一些開(kāi)放性的題目，特別是結(jié)合每位學(xué)生的研究論文進(jìn)行命題，真正將所學(xué)的知識(shí)融入到研究工作中。大氣科學(xué)專業(yè)的每個(gè)研究生都要接觸到“大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”內(nèi)容，因此將這門(mén)課的平時(shí)考核與他們的研究論文結(jié)合起來(lái)，效果將會(huì)事半功倍。

（三）積極參與教學(xué)改革

在現(xiàn)有教學(xué)的基礎(chǔ)上，積極赴大氣科學(xué)專業(yè)的知名國(guó)外高校進(jìn)行跟課，汲取國(guó)外知名高校大氣科學(xué)專業(yè)課程教學(xué)的先進(jìn)理念，豐富本課程的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)國(guó)外的先進(jìn)教學(xué)理念、“雙一流”建設(shè)的需求，積極進(jìn)行教學(xué)改革，進(jìn)一步提升團(tuán)隊(duì)的教學(xué)質(zhì)量。

四、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為保證大氣動(dòng)力學(xué)課程體系的一致性和嚴(yán)謹(jǐn)性，認(rèn)真總結(jié)課程開(kāi)設(shè)的基本經(jīng)驗(yàn)，重新規(guī)劃、設(shè)置和設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容，遴選部分科技前沿問(wèn)題，提高課程的科學(xué)性和規(guī)范性。經(jīng)課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)真討論，擬確定講授的內(nèi)容如下：

（一）深厚大氣運(yùn)動(dòng)方程組及其守恒性質(zhì)

在本科學(xué)習(xí)的薄層大氣基本方程組的基礎(chǔ)上，主要考慮深厚大氣基本方程組，并且建立非靜力情況下通用垂直坐標(biāo)，以及非靜力通用垂直坐標(biāo)下的方程組及其守恒性質(zhì)，主要包括：絕對(duì)角動(dòng)量守恒、動(dòng)能守恒、內(nèi)能守恒、位能守恒和全球總能量守恒。

重點(diǎn)是非靜力通用垂直坐標(biāo)系下方程組的推導(dǎo)。難點(diǎn)是非靜力通用垂直坐標(biāo)系下方程組的守恒性質(zhì)，特別是絕對(duì)角動(dòng)量的守恒。

（二）旋轉(zhuǎn)層結(jié)大氣中波動(dòng)性質(zhì)及其分類

在旋轉(zhuǎn)層結(jié)大氣基本方程組的基礎(chǔ)上，采用線性化理論，導(dǎo)出線性化方程組，利用諧波分析法分析方程組的頻率方程，由于導(dǎo)出的頻率方程是一元高次方程，需要分高頻波和低頻波兩種情況分別作近似處理，得到低頻波部分和高頻波部分的近似解，然后分別討論這些波動(dòng)的性質(zhì)。所得結(jié)果再和本科學(xué)到的波動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，讓學(xué)生了解到從不同角度入手，均可以得到相同的結(jié)果，即所謂的“條條道路通羅馬”的哲學(xué)思想。近赤道擾動(dòng)和中緯度波動(dòng)有明顯差別，從考慮了赤道貝特平面近似的線性淺水方程組出發(fā)，采用線性波動(dòng)理論分析方法，導(dǎo)出其頻率方程，然后分析波動(dòng)的性質(zhì)，特別是對(duì)Yanai波和Kelvin波的性質(zhì)做重點(diǎn)分析。

重點(diǎn)是近赤道的Yanai波和Kelvin波動(dòng)性質(zhì)，同時(shí)結(jié)合天氣學(xué)分析這兩種波動(dòng)在熱帶大氣分析中的理論意義。難點(diǎn)是近赤道擾動(dòng)模型的數(shù)學(xué)求解，這部分內(nèi)容比較復(fù)雜，需要的數(shù)學(xué)知識(shí)較深，講解時(shí)可能要講細(xì)點(diǎn)。

（三）非均勻介質(zhì)中的非均勻波動(dòng)

主要講解非均勻介質(zhì)中的非均勻波動(dòng)性質(zhì)，首先給出描寫(xiě)非均勻介質(zhì)中非均勻波動(dòng)的波包模型，并且導(dǎo)出非均勻波動(dòng)的波數(shù)和頻率之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。對(duì)分析弱非線性波動(dòng)的WKBJ方法進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹WKBJ方法的步驟。然后利用WKBJ方法對(duì)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦度方程進(jìn)行分析處理，得到非均勻Rossby波的頻率方程和振幅演變方程，再在振幅演變方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)波作用量守恒方程。在前面得到的一系列方程的基礎(chǔ)上，分析球面Rossby波能量經(jīng)向頻散和大圓定理，以及導(dǎo)式和曳式Rossby波在發(fā)展和衰退階段的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)分析對(duì)動(dòng)量、熱量的輸送情況，重點(diǎn)介紹描寫(xiě)動(dòng)量和熱量輸送的E-P通量定義、表達(dá)式和物理意義及應(yīng)用。最后講解利用波動(dòng)變分原理分析波動(dòng)的方法和步驟，并舉例說(shuō)明波動(dòng)變分原理分析波動(dòng)和WKBJ方法分析的差別和聯(lián)系。

重點(diǎn)是WKBJ方法的應(yīng)用。難點(diǎn)是給定波動(dòng)方程求拉格朗日函數(shù)，這是波動(dòng)變分原理的關(guān)鍵，如果求不出波動(dòng)方程的拉格朗日函數(shù)，波動(dòng)的分析就無(wú)從談起，因此要把求拉格朗日函數(shù)部分講深講透。

（四）旋轉(zhuǎn)大氣中的基本動(dòng)力學(xué)過(guò)程

在本科階段《動(dòng)力氣象學(xué)》中已詳細(xì)講授了正壓地轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程，研究生階段側(cè)重于講授斜壓地轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程，包括斜壓地轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程方程組的推導(dǎo)、包含波動(dòng)的定性分析和定量分析、解析解的求取過(guò)程、適應(yīng)終態(tài)、影響適應(yīng)過(guò)程的因子以及適應(yīng)方向等內(nèi)容。一般動(dòng)力氣象學(xué)課程中通常講授中緯度動(dòng)力學(xué)，因此教科書(shū)中認(rèn)為聲波對(duì)大尺度天氣過(guò)程影響不大，可以忽略。但在中小尺度天氣過(guò)程中聲重力波是控制靜力平衡適應(yīng)過(guò)程的一種波動(dòng)，因此應(yīng)把靜力適應(yīng)過(guò)程的相關(guān)理論作為前沿知識(shí)講一講，包括靜力適應(yīng)過(guò)程方程組的推導(dǎo)、頻散方程的推導(dǎo)、波動(dòng)性質(zhì)的分析、靜力適應(yīng)過(guò)程方程組解析解的推導(dǎo)、適應(yīng)終態(tài)、適應(yīng)物理過(guò)程的示意圖以及與地轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程的銜接問(wèn)題。對(duì)準(zhǔn)平衡演變過(guò)程做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充介紹。介紹中緯度的半地轉(zhuǎn)理論，并擴(kuò)展到近赤道附近的半地轉(zhuǎn)理論，主要講授在正壓情況下的半地轉(zhuǎn)理論，斜壓情況下可以與正壓情況下的進(jìn)行對(duì)比性講解。

重點(diǎn)是靜力適應(yīng)機(jī)制問(wèn)題，這個(gè)理論較新，同時(shí)把最新的進(jìn)展進(jìn)行介紹。難點(diǎn)是斜壓地轉(zhuǎn)適應(yīng)問(wèn)題和靜力適應(yīng)問(wèn)題解析解的數(shù)學(xué)求解。

（五）非線性波動(dòng)和非線性穩(wěn)定性

我們知道非線性波動(dòng)的進(jìn)展有限，主要介紹KDV和Burgers方程的解析解。重點(diǎn)說(shuō)明二階拉普拉斯項(xiàng)和三階擴(kuò)散項(xiàng)的作用，二階拉普拉斯項(xiàng)主要使波動(dòng)發(fā)生間斷和變陡，三階擴(kuò)散項(xiàng)主要使波動(dòng)發(fā)生頻散。對(duì)大氣的多平衡態(tài)和穩(wěn)定性理論做較詳細(xì)的講解，便于研究生了解集合預(yù)報(bào)的理論基礎(chǔ)。對(duì)有限振幅（弱非線性）斜壓不穩(wěn)定主要介紹Pedlosky的工作，這部分內(nèi)容較難，重點(diǎn)講解思路和方法，詳細(xì)的推導(dǎo)不做要求。介紹高截?cái)嘧V模式和相關(guān)的定性分析方法，從相平面、穩(wěn)定性、突變和分岔等方面講解，重點(diǎn)介紹線性系統(tǒng)的情況，非線性系統(tǒng)作一般性講解。Lorenz系統(tǒng)作為一個(gè)特例，除了講解方程組的推導(dǎo)以外，還要介紹Lorenz系統(tǒng)的啟示作用。

重點(diǎn)是分析非線性項(xiàng)對(duì)波動(dòng)性質(zhì)的影響。難點(diǎn)是非線性理論的定性分析方法和大氣的多平衡態(tài)理論。

（六）大氣波動(dòng)波譜分析和能量譜理論及應(yīng)用

介紹波譜、連續(xù)譜、離散譜的概念和研究方法，連續(xù)譜和離散譜出現(xiàn)的條件和基本特征以及大氣波動(dòng)波譜表示。波譜的數(shù)值計(jì)算方法及其對(duì)連續(xù)譜研究的可適性，不同性質(zhì)波動(dòng)連續(xù)譜和離散譜出現(xiàn)的條件及特征，以及連續(xù)譜的波包表示。講授能量譜的概念、基本特征和研究意義，能量收支譜方程的物理內(nèi)涵及診斷方法，以及實(shí)際大氣能量譜的特征及意義。同時(shí)介紹中尺度能量譜形成的機(jī)理，了解不同系統(tǒng)能量譜特征的研究方法和基本結(jié)果。并介紹能量譜理論在梅雨鋒和斜壓波系統(tǒng)中的應(yīng)用。

重點(diǎn)是掌握連續(xù)譜和離散譜出現(xiàn)的條件和基本特征。難點(diǎn)是掌握能量收支譜方程的物理內(nèi)涵及診斷方法。

五、結(jié)束語(yǔ)

在努力建設(shè)一流學(xué)科建設(shè)的背景下，需要抓好研究生主干課程的建設(shè)，《高等大氣動(dòng)力學(xué)》是大氣科學(xué)研究生教育的專業(yè)基礎(chǔ)課，為此，本文從《高等大氣動(dòng)力學(xué)》的課程地位、課程的作用、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述，特別是對(duì)教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的敘述，將來(lái)擬繼續(xù)完善此教學(xué)內(nèi)容，編寫(xiě)適合于研究生教學(xué)的《動(dòng)力氣象學(xué)高階教程》出版發(fā)行，為一流學(xué)科建設(shè)添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉宇迪，郭海龍.對(duì)《氣象水文保障》課程設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考[J].中國(guó)校外教育，2019（11）：136-138.

[2]劉宇迪，郭海龍.關(guān)于教學(xué)轉(zhuǎn)型后《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》教學(xué)改革的思考[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（30）：59-60.

[3]郭海龍，劉宇迪.風(fēng)的垂直切變對(duì)滯彈性大氣中靜力適應(yīng)過(guò)程的影響[J].地球物理學(xué)報(bào)，2018，61（01）：65-79.

[4]Guo H L， Liu Y D， Dong Y.2018. The hydrostatic adjustment in different patterns of the atmosphere[J]. Chinese J. Geophys. （in Chinese），61（1）：52-64， doi：10.6038/cjg2018K0

669.

[5]崔新東，劉宇迪，趙增亮，等.三維靜力適應(yīng)過(guò)程中聲重力波的特性和能量轉(zhuǎn)換研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2016，74（1）：127-132.

[6]CUI Xindong， LIU Yudi， AI Xigen，et al. Mechanism study on vertical hydrostatic adjustment procedure[J]. Journal of the Meteorological Sciences，2015，35（4）：462-467.

[7]劉宇迪，周毅，韓月琪，等.新編數(shù)值天氣預(yù)報(bào)[M].氣象出版社，2016.

[8]周毅，侯志明，劉宇迪.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)教程[M].氣象出版社，2003：222.

[9]周毅，劉宇迪，桂祁軍，等.現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)[M].氣象出版社，2002.

基金項(xiàng)目：2019年1月國(guó)防科技大學(xué)項(xiàng)目“大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值預(yù)報(bào)教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”（編號(hào)：JXCX03）

作者簡(jiǎn)介：劉宇迪（1971-），男，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，副教授，研究方向：大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值預(yù)報(bào)。