“雙一流”建設(shè)背景下《高等大氣動力學(xué)》課程建設(shè)的思考

劉宇迪 何宏讓 陳超輝

摘? 要：《高等大氣動力學(xué)》是氣象學(xué)專業(yè)研究生學(xué)習(xí)的一門基礎(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《高等大氣動力學(xué)》這一研究生課程進行的一些思考，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)計等方面，重點闡述了教學(xué)內(nèi)容方面的考慮，為爭取一流學(xué)科方面的建設(shè)奠定了一定基礎(chǔ)。

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

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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)真正生命和核心競爭力所在。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伍以外，還需要抓好一流課程體系的建設(shè)，由于大氣動力學(xué)與數(shù)值預(yù)報是大氣科學(xué)的理論基礎(chǔ)，因此首先從大氣動力學(xué)與數(shù)值預(yù)報方向開始建設(shè)，夯實大氣動力學(xué)與數(shù)值預(yù)報方向人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，為提升我校的大氣科學(xué)教學(xué)、爭取一流學(xué)科的建設(shè)準(zhǔn)備條件。

《高等大氣動力學(xué)》是大氣科學(xué)一級學(xué)科碩士研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課。大氣動力學(xué)是氣象學(xué)的一個分支，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動有關(guān)的現(xiàn)象，從理論上探討大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)演變和其它大氣運動過程的學(xué)科。該課程是本科階段大氣動力學(xué)（動力氣象學(xué)）課程的后續(xù)課程，側(cè)重于基礎(chǔ)理論擴展和對更復(fù)雜的強迫耗散系統(tǒng)及非線性系統(tǒng)問題的討論，是進行研究生階段后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的必要基礎(chǔ)理論課程。同時也是一門適用于物理海洋學(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)域國際上通行的研究生課程，對于該領(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，國外哈佛大學(xué)、國內(nèi)北京大學(xué)和南京信息工程大學(xué)等高校均開設(shè)同類課程。本課程教學(xué)內(nèi)容是我校大氣動力學(xué)與數(shù)值模擬研究方向的理論支撐，對于研究生掌握動力理論研究方法，后續(xù)學(xué)習(xí)《現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報》課程、研究數(shù)值模擬與預(yù)報技術(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)，通過本門課程的學(xué)習(xí)，研究生掌握高等大氣動力學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法，具備由物理問題抽象出數(shù)學(xué)模型、進而簡化模型并進行求解和驗證的意識。研究生能夠利用大氣動力學(xué)理論知識體系進行深入學(xué)習(xí)和研究，并初步具備從動力學(xué)角度解決天氣預(yù)報、氣候變化等實際問題能力，培養(yǎng)學(xué)員分析問題和解決問題的能力，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)。

通過課程學(xué)習(xí)，研究生掌握大氣運動方程組的各種形式、能熟練運用波包模型和WKBJ方法討論波動性質(zhì)、能夠利用行波法、漸進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)、理解大氣中波動性質(zhì)及基本動力學(xué)過程、具備基本的推導(dǎo)能力以及分析問題和解決問題的能力。

三、建設(shè)內(nèi)容

項目建設(shè)本著“培育一流學(xué)科”的原則進行建設(shè)，以提高教學(xué)質(zhì)量和內(nèi)涵發(fā)展為重點，彰顯本學(xué)科方向的獨特優(yōu)勢。依據(jù)其發(fā)展階段和水平采取務(wù)實的建設(shè)策略。完善教學(xué)質(zhì)量保障體系，將學(xué)生成長成才作為出發(fā)點和落腳點，細化教學(xué)大綱，建立科學(xué)有效、導(dǎo)向清晰的考核評價體系，完善試題庫，進一步優(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

《高等大氣動力學(xué)》課程在上個世紀(jì)八十年代初已開設(shè)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已奠定了一定的基礎(chǔ)。在原來的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化《高等大氣動力學(xué)》課程教學(xué)大綱，特別是將國內(nèi)外最新研究成果充實到課程中，使學(xué)生不僅打下扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，了解到國內(nèi)外相關(guān)的前沿動態(tài)，開闊學(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，對那些有爭議、未被實踐充分證實的理論暫時不要編入課程教學(xué)大綱。編寫教學(xué)大綱要做到：一是大綱的編寫要有特色，要從大氣科學(xué)新進展和前沿科學(xué)問題中精選有動力學(xué)理論價值的內(nèi)容進入主講大綱;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，部分前沿問題可以納入專題講座中講授。

（二）加強課程建設(shè)

《高等大氣動力學(xué)》經(jīng)過本團隊多年的努力，編寫出版了“高等動力氣象學(xué)”教材，編寫了試題庫。擬在原來基礎(chǔ)上，需進一步充實，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行適當(dāng)?shù)母母?，以往都較為傳統(tǒng)，一般是根據(jù)平時的課堂表現(xiàn)和作業(yè)情況進行量化打分，約占最終成績的20%，為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，擬在課后適當(dāng)布置一些開放性的題目，特別是結(jié)合每位學(xué)生的研究論文進行命題，真正將所學(xué)的知識融入到研究工作中。大氣科學(xué)專業(yè)的每個研究生都要接觸到“大氣動力學(xué)與數(shù)值模擬”內(nèi)容，因此將這門課的平時考核與他們的研究論文結(jié)合起來，效果將會事半功倍。

（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)的知名國外高校進行跟課，汲取國外知名高校大氣科學(xué)專業(yè)課程教學(xué)的先進理念，豐富本課程的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)國外的先進教學(xué)理念、“雙一流”建設(shè)的需求，積極進行教學(xué)改革，進一步提升團隊的教學(xué)質(zhì)量。

四、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

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

（一）深厚大氣運動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：絕對角動量守恒、動能守恒、內(nèi)能守恒、位能守恒和全球總能量守恒。

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

（二）旋轉(zhuǎn)層結(jié)大氣中波動性質(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的性質(zhì)。所得結(jié)果再和本科學(xué)到的波動性質(zhì)進行對比，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。近赤道擾動和中緯度波動有明顯差別，從考慮了赤道貝特平面近似的線性淺水方程組出發(fā)，采用線性波動理論分析方法，導(dǎo)出其頻率方程，然后分析波動的性質(zhì)，特別是對Yanai波和Kelvin波的性質(zhì)做重點分析。

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

（三）非均勻介質(zhì)中的非均勻波動

主要講解非均勻介質(zhì)中的非均勻波動性質(zhì)，首先給出描寫非均勻介質(zhì)中非均勻波動的波包模型，并且導(dǎo)出非均勻波動的波數(shù)和頻率之間的運動學(xué)關(guān)系。對分析弱非線性波動的WKBJ方法進行介紹，重點介紹WKBJ方法的步驟。然后利用WKBJ方法對準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦度方程進行分析處理，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，同時分析對動量、熱量的輸送情況，重點介紹描寫動量和熱量輸送的E-P通量定義、表達式和物理意義及應(yīng)用。最后講解利用波動變分原理分析波動的方法和步驟，并舉例說明波動變分原理分析波動和WKBJ方法分析的差別和聯(lián)系。

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

（四）旋轉(zhuǎn)大氣中的基本動力學(xué)過程

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

重點是靜力適應(yīng)機制問題，這個理論較新，同時把最新的進展進行介紹。難點是斜壓地轉(zhuǎn)適應(yīng)問題和靜力適應(yīng)問題解析解的數(shù)學(xué)求解。

（五）非線性波動和非線性穩(wěn)定性

我們知道非線性波動的進展有限，主要介紹KDV和Burgers方程的解析解。重點說明二階拉普拉斯項和三階擴散項的作用，二階拉普拉斯項主要使波動發(fā)生間斷和變陡，三階擴散項主要使波動發(fā)生頻散。對大氣的多平衡態(tài)和穩(wěn)定性理論做較詳細的講解，便于研究生了解集合預(yù)報的理論基礎(chǔ)。對有限振幅（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，重點講解思路和方法，詳細的推導(dǎo)不做要求。介紹高截斷譜模式和相關(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。

重點是分析非線性項對波動性質(zhì)的影響。難點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波譜表示。波譜的數(shù)值計算方法及其對連續(xù)譜研究的可適性，不同性質(zhì)波動連續(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，以及實際大氣能量譜的特征及意義。同時介紹中尺度能量譜形成的機理，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。

重點是掌握連續(xù)譜和離散譜出現(xiàn)的條件和基本特征。難點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

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)計等方面進行了闡述，特別是對教學(xué)內(nèi)容方面進行了較為詳細的敘述，將來擬繼續(xù)完善此教學(xué)內(nèi)容，編寫適合于研究生教學(xué)的《動力氣象學(xué)高階教程》出版發(fā)行，為一流學(xué)科建設(shè)添磚加瓦。

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基金項目：2019年1月國防科技大學(xué)項目“大氣動力學(xué)與數(shù)值預(yù)報教學(xué)創(chuàng)新團隊”（編號：JXCX03）

作者簡介：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：大氣動力學(xué)與數(shù)值預(yù)報。