中国海洋大学本科生课程大纲
课程名称 | 近海环境预测技术-理论 Coastal Environmental Forecasting Methods-Theories | 课程代码 | 074503201297 |
课程属性 | 专业知识 | 课时/学分 | 48/3 |
课程性质 | 选修 | 实践学时 | 0 |
责任教师 | 张学庆 | 课外学时 | 0 |
一、课程介绍
1.课程描述：
本课程是海洋环境动力学方向的基础课程，重点培养学生开展海洋环境预测的实践能力。课程侧重海洋环境预测的方法介绍，让学生了解海洋环境流体动力学的经典模型；掌握构造有限差分格式的几种方法；掌握浪、潮、流、泥沙、溢油等数值模拟方法；了解国际常用海洋模式的特点、运行环境。培养学生利用海洋数值模型分析问题和解决问题的能力，为学生毕业后从事海洋环境预测相关工作，以及海洋环境动力学方向的科学研究奠定基础。
2.设计思路：
海洋环境是一个复杂的系统，研究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查，其中，数值模拟方法是高效又经济的研究方法，它利用日益先进的计算机技术，通过数学建模，利用有限差分、有限元或有限体积方法编程实现环境要素的模拟，以此来解释和探讨海洋环境问题的现象和发生机制，是认识海洋环境演变的重要手段。
本课程从经典的海洋流体动力学模型开始，让学生了解海洋数学模型的基本原理；第二步，介绍海洋数值格式构造方法，在《数值计算方法》的基础上，本课程继续介绍算子分裂方法、特征线法及TVD格式等；第三步，通过国际常用海洋数值模式的介绍，让学生了解海洋数值模式的特点、运行环境以及模式的输入输出等，并能利用1-2种海洋数值模式模拟潮汐、潮流、物质输运及拉格朗日观点下的粒子追踪等。
本课程重点是经典模型差分格式的特点分析、编程；常用海洋数值模式的运行和结果分析；其难点是差分格式的设计、差分格式的稳定性分析、伪物理效应分析。
3.课程与其他课程的关系：
先修课程：，《数值计算方法》和《物理海洋学》；并行课程：《近海环境预测技术》实验；后置课程：本科毕业论文/设计。本课程为环境科学专业高年级学生开设，为学生毕业论文或设计提供利用数学模型解决海洋环境问题的技能。
二、课程目标
本课程目标是为环境科学高年级学生提供利用海洋数值模型发现问题、解决海洋环境问题的一种工具和方法，引导学生探究和创新，增强沟通和团队合作意识。到课程结束时，学生应能：
（1）掌握海洋数值模型的经典差分格式，了解差分格式的特点，对经典的差分格式能进行编程求解。
（2）熟悉国际常用海洋数值模式，掌握模式运行环境、输入输出条件，能在“模型海域”进行浪、潮、流、泥沙、海面溢油、质点追踪的数值模拟。
（3）能针对实际问题，通过小组协作，自主设计研究方案（包括问题简化、建模、模型运行、参数实验，结果分析）展开数学模型方面的研究。并通过研究报告形式提供研究结果；提升提出问题并解决问题的能力。
三、学习要求
本课程涉及数学、物理、海洋科学和计算机程序语言和绘图语言等学科交叉内容。为顺利完成本课程任务，学生必须：
（1）课前预习，对可能用到的数学、物理和程序语言要提前掌握；
（2）课堂上公式推导较多，学生需要记录笔记；
（3）涉及部分格式推导和编程任务均在课下完成，学生需要小组协作，并需要提交报告。
（4）完成一定量的中/英文文献阅读。最新文献查阅可促进学生了解学科前沿，对毕业论文选题和进一步科学研究具有重要的意义。
四、参考教材和主要参考书
1. 选用教材
近海环境流体动力学数值模型，孙文心、江文胜、李磊编著，科学出版社，2006年1月第一版。
2. 主要参考书
[1]海洋数值计算方法和数值模式，朱建荣（编著），北京：海洋出版社，2003年10月。
[2]《计算流体力学基础》，苏铭德（编著），北京：清华大学出版社，2001年6月。
[3]《潮汐原理与计算》，黄祖珂,黄磊.中国海洋大学出版社，2005.
[4]http://ocean-modeling.org
五、进度安排
序号 | 专题 | 主题 | 课时 | 主要内容概述 | 作业 |
1 | 绪论 | 课程研究的内容、方法与研究进展 | 2 | 海洋值模拟的对象、内容、方法及其研究进展,了解学习方法。 | 登陆POM、FVCOM网站下载说明书和模型代码。初步了解模型的运行知识 |
2 | 近海环境流体动力学基础 | 海洋流场的动力学特征；流体动力学的经典模型 | 6 | 海洋流场的3个动力学特征；旋转平衡和非旋转平衡模型及其频散关系。 | 以近海潮波为例说明海水是不可压缩的？ |
3 | 海洋数值计算方法基础 | 有限差分方程的构造方法；差分格式的稳定性分析；差分格式的物理分析 | 8 | 差分方程的几种构造方法，线性差分方程的稳定性分析；差分方程的伪物理分析 | 对比对流和扩散方程差分格式？ 写出对流方程FTCS格式的修正方程，说明其伪物理效应 |
4 | 近海流体动力学的数值模型 | 二维方程组及其数值格式；三维坐标变换模型；几个三维近海流体动力学数值模型简介 | 12 | 二维非线性H-N线性模型；ADI数值模型； | 详细推导二维ADI数值格式，编写程序在实验课内实现；推导 |
5 | 潮汐潮流的数值模拟 | 近海潮汐、潮流数值模拟方法介绍；风生海流数值模拟方法 | 6 | 潮汐潮流模型边界输入条件及建模的注意事项；风场输入方法及注意事项。 | 以“模型海”为模拟区域，模拟M2分潮的潮汐和潮流。 |
6 | 拉格朗日粒子追踪模型 | 粒子对流扩散的数值模拟；具有行为能力的粒子运动模拟 | 4 | 粒子运动的对流和扩散方法的模拟；粒子行为的模拟 | 查阅文献综述海面溢油行为的模拟方法？ |
7 | 近海物质输运数值模拟 | 悬浮物输运的数值模式；海面溢油数值模式 | 6 | 泥沙沉积和再悬浮的模拟； “油粒子”方法海面溢油数值模拟 | 利用ECOM-sed的算例，实验粘性泥沙和非粘性泥沙沉积和再悬浮过程的区别？ |
8 | 海洋环境容量 | 海洋环境容量及自净能力的概念；海洋环境容量计算方法 | 2 | 海洋环境容量的概念、计算方法、水交换能力的计算方法，环境容量研究案例分析 | 通过胶州湾模型算例，计算胶州湾的水交换能力。 |
9 | 前沿讲座 | 国内外海洋环境数值模拟最新技术与方法 | 2 | 简单介绍数值模拟中在垂向坐标变换、亚网格参数概化、环境中的流体模拟等新技术和新方法。 | |
六、成绩评定
（一）考核方式A：A.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他
（二）统考方式A：A.统一B.提前
（三）成绩综合评分体系：
成绩综合评分体系 | 比例 |
1.课下作业、课堂讨论及平常表现 | 20 |
2.平时测验 | 20 |
3.期末考试 | 60 |
总计 | 100 |
附：作业和平时表现评分标准
1）作业的评分标准
作业的评分标准 | 得分 |
1.严格按照作业要求并及时完成，基本概念清晰，解决问题的方案正确、合理，能提出不同的解决问题方案。 | 90-100分 |
2.基本按照作业要求并及时完成，基本概念基本清晰，解决问题的方案基本正确、基本合理。 | 70-80分 |
3.不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，解决问题的方案基本不正确、基本不合理。 | 40-60分 |
4.不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合理解决问题的方案。 | 0-30分 |
2）课堂讨论及平时表现评分标准
课堂讨论、平常表现评分标准 | 得分 |
1.资料的查阅、知识熟练运用，积极参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 | 90-100分 |
2.基本做到资料的查阅、知识的运用，能参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他其他同学合作、交流，共同解决问题。 | 70-80分 |
3.做到一些资料的查阅和知识的运用，参与讨论一般、不能阐明自己的观点和想法，与其他同学合作、交流，共同解决问题的能力态度一般。 | 40-60分 |
4.不能做到资料的查阅和知识的运用，不积极参与讨论，不能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 | 0-30分 |
七、学术诚信
学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假行为。他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。本课程如有发现上述不良行为，将按学校有关规定取消本课程的学习成绩。
八、大纲审核
教学院长：院学术委员会签章：