《氣象計算方法》是2023年科學出版社出版的圖書。
基本介紹
- 中文名：氣象計算方法
- 出版時間：2023年8月1日
- 出版社：科學出版社
- ISBN：9787030760548
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
《氣象計算方法》為江蘇省高等學校重點教材, 著重介紹數值計算方法的基本概念、基本理論、基本方法及其在大氣科學中的套用. 主要內容包括誤差分析、多項式插值、函式逼近、數值積分與數值微分、非線性方程數值解法、線性方程組數值解法、矩陣的特徵值與特徵向量計算、常微分方程數值解.每章*後附有氣象示例，*後一章專門介紹了計算方法在氣象中的套用實例.
圖書目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 計算方法概述 1
1.1.1 科學計算與計算方法 1
1.1.2 計算方法的研究對象與特點 .2
1.2 誤差的基本理論 3
1.2.1 浮點數與機器數系 3
1.2.2 誤差的來源及分類 4
1.2.3 絕對誤差與相對誤差 6
1.2.4 算術運算中誤差的傳播與分析 .10
1.3 算法設計的注意事項 12
1.3.1 減少運算步驟， 加快運算速度 13
1.3.2 選用穩定算法， 避免誤差擴散 15
1.3.3 遵循幾個原則， 提高計算精度 16
習題1 19
第2章 插值法 20
2.1 插值問題與氣象套用 20
2.1.1 插值問題 20
2.1.2 插值多項式的存在唯一性 20
2.1.3 氣象套用 21
2.2 Lagrange 插值 22
2.2.1 Lagrange 插值多項式 22
2.2.2 插值餘項 24
2.3 差商與 Newton 插值 27
2.3.1 Lagrange 多項式的遞推形式 .28
2.3.2 差商 29
2.3.3 Newton 插值多項式 31
2.4 差分與等距節點插值 35
2.4.1 差分及其性質 36
2.4.2 等距節點插值公式 38
2.5 分段插值 41
2.5.1 高次插值 Runge 現象 41
2.5.2 分段插值 42
2.6 Hermite 插值 43
2.7 三次樣條插值 .47
2.7.1 三次樣條插值問題定義 47
2.7.2 三次樣條插值函式的構造方法 .48
2.7.3 三次樣條插值餘項估計 53
2.7.4 樣條函式的統一表示形式 53
2.8 氣象案例 55
習題2 58
第3章 函式逼近 61
3.1 函式逼近的基本概念 62
3.1.1 函式逼近和函式空間 62
3.1.2 範數和內積 64
3.1.3 *佳逼近 66
3.2 正交多項式 67
3.2.1 正交多項式的概念和性質 67
3.2.2 Chebyshev 多項式 70
3.2.3 其他常用正交多項式 76
3.3 *佳平方逼近 .78
3.3.1 *佳平方逼近及其計算 78
3.3.2 正交函式族*佳平方逼近 84
3.3.3 *佳一致逼近 86
3.4 *線擬合的*小二乘法 .90
3.4.1 *小二乘法及其計算 90
3.4.2 正交多項式的*小二乘擬合 96
3.4.3 超定方程組的*小二乘解 98
3.5 氣象案例 101
習題3 103
第4章 數值積分與數值微分 .105
4.1 插值型數值求積公式 105
4.1.1 數值求積公式 105
4.1.2 插值型求積公式 107
4.1.3 數值求積公式的代數精度 108
4.1.4 數值求積公式的數值穩定性 111
4.2 Newton-Cotes 求積公式 112
4.2.1 Newton-Cotes 求積公式 112
4.2.2 幾種低階 Newton-Cotes 求積公式的積分餘項 116
4.3 復化求積公式 118
4.3.1 復化梯形公式 119
4.3.2 復化 Simpson 公式 119
4.4 Romberg 算法 123
4.4.1 區間逐次二分法 123
4.4.2 復化求積公式的收斂階 125
4.4.3 Romberg 算法 126
4.5 Gauss 型求積公式 131
4.5.1 基本概念 131
4.5.2 Gauss 點 133
4.5.3 Gauss-Legendre 公式 134
4.5.4 數值穩定性和收斂性 137
4.5.5 帶權 Gauss 公式 137
4.6 數值微分 141
4.6.1 插值型求導公式 141
4.6.2 三次樣條插值求導 144
習題4 145
第5章 非線性方程求根 148
5.1 疊代法的一般概念 149
5.1.1 方程根的存在性與唯一性 149
5.1.2 疊代法 150
5.1.3 二分法 150
5.2 Picard 疊代法 152
5.2.1 Picard 疊代的收斂性 .154
5.2.2 Picard 疊代法斂散性的幾何解釋 156
5.2.3 Picard 疊代的局部收斂性和誤差估計 157
5.2.4 疊代的收斂速度與漸進誤差估計 160
5.3 Newton-Raphson 疊代法 .162
5.3.1 Newton 法的大範圍收斂性 163
5.3.2 Newton 法的局部收斂性 .165
5.3.3 重根條件下 Newton 法的改進 166
5.4 割線法 168
5.5 加速方法 169
5.5.1 Aitken 加速法 169
5.5.2 Steffensen 疊代法 171
5.5.3 高階疊代法 172
習題5 173
第6章 線性方程組的直接解法 174
6.1 引言與預備知識 174
6.1.1 引言 174
6.1.2 預備知識 176
6.2 Gauss 消元法 .177
6.2.1 Gauss 消元法 177
6.2.2 列主元 Gauss 消元法 181
6.3 矩陣三角分解法 184
6.3.1 Gauss 消元法的矩陣解釋 184
6.3.2 Doolittle 分解 186
6.3.3 Cholesky 分解與平方根法 192
6.3.4 LDLT 分解與改進的平方根法 196
6.3.5 追趕法 197
6.3.6 帶列主元的三角分解 202
6.4 向量範數和矩陣範數 208
6.4.1 向量範數 208
6.4.2 向量範數等價性 210
6.4.3 矩陣範數 213
6.5 條件數與誤差分析 219
6.5.1 病態方程組與條件數 219
6.5.2 方程組的病態檢測與改善 225
習題6 227
第7章 線性方程組的疊代解法 230
7.1 疊代法的構造 230
7.1.1 Jacobi 疊代法 .232
7.1.2 Gauss-Seidel 疊代法 233
7.2 疊代法的收斂性 236
7.2.1 一階定常疊代法的收斂性 237
7.2.2 Jacobi 疊代法與 Gauss-Seidel 疊代法的收斂性 .243
7.2.3 疊代法的收斂速度 247
7.3 超鬆弛疊代法 248
7.3.1 逐次超鬆弛疊代法 249
7.3.2 SOR 疊代法的收斂性 250
7.4 共軛梯度法 254
7.4.1 變分問題 254
7.4.2 *速下降法 255
7.4.3 共軛梯度法 256
習題7 259
第8章 常微分方程數值解法 .262
8.1 引言 .262
8.2 簡單的數值方法 264
8.2.1 Euler 法及其幾何意義 264
8.2.2 後退 Euler 法 265
8.2.3 梯形法 266
8.2.4 單步法的局部截斷誤差與階 267
8.3 Runge-Kutta 法 271
8.3.1 Runge-Kutta 法的基本思想 271
8.3.2 三階與四階 Runge-Kutta 法 274
8.3.3 步長的選取 277
8.4 單步法的相容性、收斂性和穩定性 278
8.4.1 單步法的相容性 278
8.4.2 單步法的收斂性 279
8.4.3 單步法的穩定性 281
8.5 線性多步法 285
8.5.1 顯式 Adams 法 .285
8.5.2 隱式 Adams 法 .287
8.5.3 Adams 預估–校正格式 289
8.6 常微分方程組與邊值問題的數值解法 290
8.6.1 一階常微分方程組 290
8.6.2 高階方程的初值問題 292
8.6.3 邊值問題的差分解法 293
8.7 氣象案例 295
習題8 297
第9章 矩陣特徵值與特徵向量的計算 300
9.1 特徵值的性質和估計 300
9.2 冪法及反冪法 302
9.2.1 冪法 302
9.2.2 加速方法 309
9.2.3 反冪法 312
9.3 正交變換 314
9.3.1 Householder 變換 315
9.3.2 Givens 變換 317
9.4 QR 方法 319
9.4.1 基本的 QR 方法 .319
9.4.2 帶原點平移的 QR 方法 324
9.5 實對稱矩陣的 Jacobi 方法 325
9.5.1 Jacobi 方法 .325
9.5.2 Jacobi 方法的收斂性 327
9.5.3 Jacobi 過關法 .329
9.6 氣象案例 330
習題9 332
第10章 氣象套用 .334
10.1 氣象中的動力預報數值模式 334
10.1.1 數值天氣預報中的偏微分方程組 334
10.1.2 空間差分方案對大氣中慣性重力波頻散關係的影響 335
10.1.3 空間差分方案對大氣中 Rossby 波頻散關係的影響 340
10.1.4 時間差分方案對振盪方程計算穩定性的影響 343
10.1.5 數值天氣預報模式的創新性非結構球面質心格線特點 345
10.2 四維變分氣象資料同化起源、伴隨映射和伴隨微分方程 348
10.2.1 氣象資料同化問題是數學反問題 348
10.2.2 四維變分氣象資料同化方法的起源和在20世紀90年代的蓬勃發展 349
10.2.3 數值天氣預報模式和觀測運算元的線性伴隨映射 350
10.2.4 推導偏微分方程的伴隨方程的拉格朗日方法 352
10.2.5 插值和*小二乘法在早期氣象資料分析方法中的套用 355
10.3 矩陣特徵向量和線性回歸在氣象衛星資料研究中的套用 359
10.3.1 微波濕度計沿軌條紋噪聲去除 359
10.3.2 微波溫度計跨軌條紋噪聲去除 361
10.3.3 微波成像儀資料無線電信號干擾檢測 .363
10.3.4 微波溫度計資料的颱風暖核反演 365
10.4 結束語 367
參考文獻 368
