中国科学院大学：海洋科学课程设置及课程大纲汇总

大纲编号：S070701ZJ003 地球流体力学 Mechanics of the Earth's Fluids 课程编号：S070701Z003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、流体力学基础 教学目的和要求： 本课程为大气科学研究生的学科基础课，也可作为地球物理、地质地球化学、海洋科学 和环境科学等相关专业研究生的学科基础课。 本课程结合大气海洋和冰川运动、地下水和油气运移和地球动力学实际问题，侧重学习 基本理论和方法。 内容提要： 第一章连续介质 地球流体的普遍性：连续统假设：形变率张量：速度场的分解：应力和应力张量： Navier--Stokes方程：Boussinesq近似；能量方程：涡度方程：无量纲参数：动力学相似： 边界条件。 第二章粘滞流体 Poiseuille管道流：停滞流动：小Reynolds数流动：大Reynolds数流动：层流边界层 层流稳定性：湍流的转换；R©ynolds应力：湍流边界层：均匀各向同性理论：扩散和弥散。 第三章旋转的作用 Colioli力：地转运动：Taylor-Proudman定理：位涡守恒：B.平面：惯性行星波：斜 压不稳定性：Ekman边界层：Sverdrup输运关系：惯性边界层：西边界流。 第四章浮力的作用 流体静力稳定性：热成风：界面重力波：非线性水波：声重力波与电离层的D: Benard对流：双扩散对流：温跃层。 第五章岩石与流体系统 Darcy定律：孔隙度：有效应力：格架模型：边界条件：开放含水层：Dupuit近似： 封闭含水层压实作用：流体饱和孔隙介质中的热柱：孔隙介质中热对流：火山形状：界面 稳定性：海侵：水动力弥散：不饱和流动：两相热对流：反应渗滤不稳定性

大纲编号：S070701ZJ003 地球流体力学 Mechanics of the Earth's Fluids 课程编号：S070701ZJ003 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、流体力学基础 教学目的和要求： 本课程为大气科学研究生的学科基础课，也可作为地球物理、地质地球化学、海洋科学 和环境科学等相关专业研究生的学科基础课。 本课程结合大气海洋和冰川运动、地下水和油气运移和地球动力学实际问题，侧重学习 不可压缩粘性流动、旋转分层流体和孔隙介质流动，系统学习分析解决地球流体力学问题和 基本理论和方法，为地球科学研究生从整体上理解地球流体的动力学打基础。 内容提要： 第一章 连续介质 地球流体的普遍性；连续统假设；形变率张量；速度场的分解；应力和应力张量； Navier-Stokes 方程；Boussinesq 近似；能量方程；涡度方程；无量纲参数；动力学相似； 边界条件。 第二章 粘滞流体 Poiseuille 管道流；停滞流动；小 Reynolds 数流动；大 Reynolds 数流动；层流边界层； 层流稳定性；湍流的转捩；Reynolds 应力；湍流边界层；均匀各向同性理论；扩散和弥散。 第三章 旋转的作用 Colioli 力；地转运动；Taylor-Proudman 定理；位涡守恒；β-平面；惯性行星波；斜 压不稳定性；Ekman 边界层；Sverdrup 输运关系；惯性边界层；西边界流。 第四章 浮力的作用 流体静力稳定性；热成风；界面重力波；非线性水波；声重力波与电离层的 TID ； Benard 对流；双扩散对流；温跃层。 第五章 岩石与流体系统 Darcy 定律；孔隙度；有效应力；格架模型；边界条件；开放含水层；Dupuit 近似； 封闭含水层压实作用；流体饱和孔隙介质中的热柱；孔隙介质中热对流；火山形状；界面 稳定性；海侵；水动力弥散；不饱和流动；两相热对流；反应-渗滤不稳定性

第六章非Newton流体 数村： 马石庄，《地球流体力学导论》，中国科学院研究生院讲义，北京，2000 主要参考书： Middleton,G.V.,Wilcock,P R,Mechanics in the Earth and Environmental Sciences, Cambridge University Press.Cambridge.1995. Faber T.E Fluid Dynamics for Physicists Cambridge University Press Cambridge,1995 Cushman-Roisin,B..Introduction to Geophysical Fluid Dynamics,Prentice Hall Englewood Cliffs,New Jersey,1994. Ghil.A.E..Childress.S..Topics in Geophvsical Fluid Dynamics:Atmosphere Dynamics ger-Verlag.New York,1987. enspan,H.P.The Theory of Rotating Fluids Cambridge University 1969. Fowler,A.C,Mathematical Models in the Applied Sciences,Cambridge University Press Cambridge,1999. Phillips.O.M..Flow and Reaction in Permeable Rocks.Cambridge University Press,1991 Turc tte.D.L.Schubert.G..Geodynamics(2nd ed.).John Willy.New York.2000. 撰写人：马石庄（中国科学院研究生院） 撰写日期：2001年10日

第六章 非 Newton 流体 蠕变；幂率流体剪切流动；冰川形状与运动；冻土的霜后抬举；Maxwell 粘弹流体； 地幔对流；融熔物质迁移；热柱的孤立波；大气-海洋-冰川非线性耦合。 教材： 马石庄，《地球流体力学导论》，中国科学院研究生院讲义，北京，2000。 主要参考书： Middleton, G. V.，Wilcock, P. R., Mechanics in the Earth and Environmental Sciences, Cambridge University Press, Cambridge, 1995. Faber, T. E., Fluid Dynamics for Physicists, Cambridge University Press, Cambridge, 1995. Cushman-Roisin, B., Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall Englewood Cliffs, New Jersey, 1994. Ghil, A. E., Childress, S., Topics in Geophysical Fluid Dynamics: Atmosphere Dynamics, Dynamo Theory and Climate Dynamics, Springer-Verlag, New York, 1987. Greenspan, H. P., The Theory of Rotating Fluids, Cambridge University Press, Cambridge, 1969. Fowler, A. C., Mathematical Models in the Applied Sciences, Cambridge University Press, Cambridge, 1999. Phillips, O. M., Flow and Reaction in Permeable Rocks, Cambridge University Press, 1991. Turcotte, D. L., Schubert, G., Geodynamics(2nd ed.), John Willy, New York, 2000. 撰写人： 马石庄(中国科学院研究生院) 撰写日期： 2001 年 10 日

大纲编号：S070701ZJ004 高等大气动力学 Advanced Atmospheric Dynamics 课程编号：S070701Z004 课程属性：专业基础课 学时/学分：40/2 预修课程：动力气象学，数学物理方程 教学目的和要求 本课程是大气科学博士和硕士研究生的学科基础课，同时可作海洋科学、环境科学 物理、力学和应用数学专业研究生选修课。 本课程是当代大气环流动力学系统的阐述，它包括了如下三部分内容：1.从实际大气 动力学方程组出发，研究大气动力学的基本问愿，如大气运动的整体性质、特征波动和适应 过程。2系统阐述各种大气环流的演变过程及其物理机制。3研究大气环流的非线性演变。 内容提要： 序论：大尺度动力学与大气环境研究进展 第一章基本方程、边界条件、初值问题 基本方程，标准层结近似，初、边条件，线性化小扰动解的唯一性和稳定 性，局地地平面近似。 第二章运动的整体性质 质量守恒定律，角动量守恒定律，能量守恒定律。 第三章保守属性、位涡度、尺度守恒 保守属性，位温和熵，位涡度，正压无辐射大气平均尺度守恒。 第四章小扰动、运动的分类 局地平面坐标下的小扰动和运动分类，球面上的小扰动。 第五讲B平面近似、热带波动 中纬度B平面近似下的波动，热带波动。 第六章地转适应过程 地转适应，物理成因，适应了的场。 第七章大气运动动力方程的无量纲化与特征参数

大纲编号：S070701ZJ004 高等大气动力学 Advanced Atmospheric Dynamics 课程编号：S070701ZJ004 课程属性：专业基础课 学时/学分：40/2 预修课程：动力气象学，数学物理方程 教学目的和要求： 本课程是大气科学博士和硕士研究生的学科基础课，同时可作海洋科学、环境科学、 物理、力学和应用数学专业研究生选修课。 本课程是当代大气环流动力学系统的阐述，它包括了如下三部分内容：1.从实际大气 动力学方程组出发，研究大气动力学的基本问题，如大气运动的整体性质、特征波动和适应 过程。2.系统阐述各种大气环流的演变过程及其物理机制。3.研究大气环流的非线性演变。 内容提要： 序论：大尺度动力学与大气环境研究进展 第一章 基本方程、边界条件、初值问题 基本方程，标准层结近似，初、边条件，线性化小扰动解的唯一性和稳定 性，局地地平面近似。 第二章 运动的整体性质 质量守恒定律，角动量守恒定律，能量守恒定律。 第三章 保守属性、位涡度、尺度守恒 保守属性，位温和熵，位涡度，正压无辐射大气平均尺度守恒。 第四章 小扰动、运动的分类 局地平面坐标下的小扰动和运动分类，球面上的小扰动。 第五讲 ß平面近似、热带波动 中纬度 ß平面近似下的波动，热带波动。 第六章 地转适应过程 地转适应，物理成因，适应了的场。 第七章 大气运动动力方程的无量纲化与特征参数

特征量，动力方程的无量纲化，特征参数。 第八章大气基本运动过程的可分性 适应过程，演变过程，大气基本运动过程的可分性 第九章大气运动两种演变过程 摄动论简介，准地转演变，准地转模型，准平衡演变。 第十章大地形对大气运动演变过程的影响 地形特征量，地形对动力方程组的改变，各种地形对大气运动演变的影响。 第十一章正压大气扰动演变的一般特征 第十二章斜压大气扰动演变的一般特性 斜压大气运动演变的三个积分性质，用WKB!方法来研究斜压大气扰动的演变，斜压 大气扰动演变的一般特征。 第十三章大气扰动演变的一种机制一准地转动功不稳定 大气运动动力不稳定的分类，用标准模法研究正压大气的动力不稳定，用能量法研究 正压大气运动的演变，用标准模法研究斜压大气的动力不稳定，用能量法研究斜压大气运 动的演变。 第十四章大气中准定常行星波的传播 行星波在三维球面大气的传播方程，冬季准定常行星波在三维大气的传播特性一两支 波导理论，夏季准定常行星波在三维大气的传播特性，准定常行星波在球面大气的传播特 性。 第十五章大气环流中的波一流相互作用 B平面近似下大气扰动的EP通量矢量，B平面大气环流的波一流相互作用，球面大 气扰动的EP通量矢量，球面大气扰动EP通量矢量与群速度的关系及其与波的传播，球 面大气环流的波一流相互作用。 第十六章大气环流的非线性演变特性一多平衡态 线性方法研究地形强迫的大气环流，强迫耗散下低阶谱大气环流演变方程，强追耗散 下大气环流的多态特征，用奇异摄动方法研究强迫耗散下大气环流的多态特征。 第十七章大气运动的非线性动力不稳定 正压大气运动的非线性不稳定特性，斜压大气运动的非线性不稳定特性，用线性与非 线性方法来研究大气扰动演变的比较 第十八章大气扰动演变的另一种机制一非地转动力不稳定 用标准模方法研究大气扰动演变的非地转不稳定，大气扰动非地转演变的积分性质

特征量，动力方程的无量纲化，特征参数。 第八章 大气基本运动过程的可分性 适应过程，演变过程，大气基本运动过程的可分性。 第九章 大气运动两种演变过程 摄动论简介，准地转演变，准地转模型，准平衡演变。 第十章 大地形对大气运动演变过程的影响 地形特征量，地形对动力方程组的改变，各种地形对大气运动演变的影响。 第十一章 正压大气扰动演变的一般特征 研究大气运动演变的能量方法，正压大气运动的三个积分性质，用 WKBJ 方法来研究 正压大气扰动的演变，正压大气扰动演变的一般特征。 第十二章 斜压大气扰动演变的一般特性 斜压大气运动演变的三个积分性质，用 WKBJ 方法来研究斜压大气扰动的演变，斜压 大气扰动演变的一般特征。 第十三章 大气扰动演变的一种机制─准地转动力不稳定 大气运动动力不稳定的分类，用标准模法研究正压大气的动力不稳定，用能量法研究 正压大气运动的演变，用标准模法研究斜压大气的动力不稳定，用能量法研究斜压大气运 动的演变。 第十四章 大气中准定常行星波的传播 行星波在三维球面大气的传播方程，冬季准定常行星波在三维大气的传播特性─两支 波导理论，夏季准定常行星波在三维大气的传播特性，准定常行星波在球面大气的传播特 性。 第十五章 大气环流中的波—流相互作用 ß平面近似下大气扰动的 E-P 通量矢量，ß平面大气环流的波—流相互作用，球面大 气扰动的 E-P 通量矢量，球面大气扰动 E-P 通量矢量与群速度的关系及其与波的传播，球 面大气环流的波—流相互作用。 第十六章 大气环流的非线性演变特性─多平衡态 线性方法研究地形强迫的大气环流，强迫耗散下低阶谱大气环流演变方程，强迫耗散 下大气环流的多态特征，用奇异摄动方法研究强迫耗散下大气环流的多态特征。 第十七章 大气运动的非线性动力不稳定 正压大气运动的非线性不稳定特性，斜压大气运动的非线性不稳定特性，用线性与非 线性方法来研究大气扰动演变的比较。 第十八章 大气扰动演变的另一种机制──非地转动力不稳定 用标准模方法研究大气扰动演变的非地转不稳定，大气扰动非地转演变的积分性质

用能量方法来研究大气非地转扰动的演变特性， 教材： 曾庆存、黄荣辉等编，《高等大气动力学讲义》，第一册。 主要参考书： 曾庆存，《数值天气预报的数学物理基础》，第一卷，科学出版社，1979 撰写人：黄荣辉（中国科学院大气物理研究所）》 张人禾（中国科学院大气物理研究所 陈文：（中国科学院大气物理研究所》 撰写日期：2002年12月

用能量方法来研究大气非地转扰动的演变特性。 教材： 曾庆存、黄荣辉等编，《高等大气动力学讲义》，第一册。 主要参考书： 曾庆存，《数值天气预报的数学物理基础》，第一卷，科学出版社，1979 撰写人：黄荣辉（中国科学院大气物理研究所） 张人禾（中国科学院大气物理研究所） 陈文：（中国科学院大气物理研究所） 撰写日期：2002 年 12 月