高级算法 (Fall 2021) and General Circulation(Fall 2021): Difference between pages

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General Circulation of the Atmosphere
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This is the webpage for the ''Advanced Algorithms'' class of fall 2021. Students who take this class should check this page periodically for content updates and new announcements.  
 
This is the page for the class ''General Circulation of the Atmosphere (大气环流)'' for the Fall 2021 semester. Students who take this class should check this page periodically for content updates and new announcements.


= Announcement =
= Announcement =
* (2021/08/31) 今天在线课程的slides和录屏视频已经上传，参见lecture notes部分。
* 由于疫情影响，本学期前段大气环流课采取线上直播课的形式，  <font color="red" size="2>直播软件为腾讯会议，课程会议号为：5966863228；课程交流QQ群：924139004 </font>。【2021.9.2】
* (2021/09/15) 第一次作业已发布，请在 2021/9/28 上课之前提交到 [mailto:njuadvalg21@163.com njuadvalg21@163.com] (文件名为'<font color=red >学号_姓名_A1.pdf</font>').
* 由于国庆调休，下一次大气环流课的时间为10月9日（周日）。【2021.9.30】


= Course info =
= Course info =
* '''Instructor ''': 尹一通 ([http://tcs.nju.edu.cn/yinyt/ homepage])
* '''Instructor ''': 张洋，
:*'''email''': yinyt@nju.edu.cn
:*office: 仙林气象楼 B410
* '''Teaching Assistant''':  
:*email: yangzhang@nju.edu.cn
** 陈小羽([mailto:chenxiaoyu233@smail.nju.edu.cn chenxiaoyu233@smail.nju.edu.cn])
* '''Class meeting''': 周四 下午 2:00-4:00
** 吴旭东 ([mailto:xdwu@smail.nju.edu.cn xdwu@smail.nju.edu.cn])
* '''Office hour''': 周四 <font color="red" size="2>下午4:00-4:30，线上答疑</font>
* '''Mailbox for Homework''': [mailto:njuadvalg21@163.com njuadvalg21@163.com]
* '''Prerequisites''': 动力气象，天气学，气候学
* '''Class meeting''': Tuesday, 2pm-5pm
* '''Grading''': 平时作业（50％）＋ 期末考试（50％）
:* '''线上直播''': 腾讯会议 598 944 8767
本课程将大致布置4次作业，每次作业一二道题目左右。题目将选择每个课题最具有代表性、需要一定思维强度和动手能力的训练用题目,意在使学生通过顺利完成作业来建立环流系统的物理模型、以对课程内容得到深刻全面地理解和掌握。期末考试题目数量将会比平时作业多,覆盖面更广,但会比作业题目简单,只涉及对基本内容的掌握和对环流理论的直接应用。
:* '''线下''': 逸B-207
* '''Office hour''': 待定
:* '''QQ群''': 893909781


= Syllabus =
= Course Slides =
随着计算机算法理论的不断发展，现代计算机算法的设计与分析大量地使用非初等的数学工具以及非传统的算法思想。“高级算法”这门课程就是面向计算机算法的这一发展趋势而设立的。课程将针对传统算法课程未系统涉及、却在计算机科学各领域的科研和实践中扮演重要角色的高等算法设计思想和算法分析工具进行系统讲授。
''Many figures in the course slides are adapted from the reference books, NOAA and other educational sources. These figures are <font color="red" size="2">for class use only.</font>''
*[2021.9.2]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Course_intro_2021.pdf Course Introduction]
*[2021.9.9]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_1_1_2021.pdf Chapter 1_1] (reference reading: PO Chapter 5.1-5.2; James Chapter 2.2, 2.4)
*[2021.9.16]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_1_2_2021.pdf Chapter 1_2] and [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_2_1_2021.pdf Chapter 2_1] (reference reading: PO Chapter 4.1, 6.3)
*[2021.9.23]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_2_2_2021.pdf Chapter 2_2] (reference reading: PO Chapter 6.3, 6.7-6.8; Lindzen 2005, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/lINDZEN_CHAP2.pdf Chapter 2])
*[2021.9.30]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_2_3_2021.pdf Chapter 2_3] and [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_3_1_2021.pdf Chapter 3_1] (reference reading: Lindzen 2005, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/lINDZEN_CHAP2.pdf Chapter 2]; Lindzen and Farrell 1977, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Lindzen_1977.pdf JAS];Vallis Chapter 11.1-11.2; Lindzen 2005, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Lindzen_chap7.pdf Chapter 7]; Held and Hou, 1980, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/held_hou_1980.pdf JAS])
*[2021.10.9]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_3_2_2021.pdf Chapter 3_2] (reference reading: Vallis Chapter 11.1-11.2; Lindzen 2005, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Lindzen_chap7.pdf Chapter 7]; Held and Hou, 1980, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/held_hou_1980.pdf JAS])
*[2021.10.14]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_3_3_2021.pdf Chapter 3_3] (reference reading: Vallis Chapter 11.1-11.2; Lindzen 2005, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Lindzen_chap7.pdf Chapter 7]; Lindzen and Hou, 1988, [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/lindzen_hou_1988.pdf JAS])
*[2021.10.21]  [http://tcs.nju.edu.cn/yzhang/Chap_4_1_2021.pdf Chapter 4_1] (reference reading: Vallis Chapter 11.4-11.7; PO Chapter 7.5)


=== 先修课程 Prerequisites ===
= Assignments =
* 必须：离散数学，概率论，线性代数。
# [[Assignment 1, Fall 2021|Reanalysis data and the earth's climatology]] [Due:2021.10.21] <font color="red" size="1.5">请在本次作业的截止日期前将本次作业的图片部分和文字部分打包作为附件发送至邮箱 circulation_nju@126.com </font>
* 推荐：算法设计与分析。
# [[Assignment 2, Fall 2021|Simple energy balance climate model]] [Due:2021.11.4]
# [[Assignment 3, Fall 2021|Hadley Cell]] [Due:2021.11.18]


=== Course materials ===
= Course intro =
* [[高级算法 (Fall 2020) / Course materials|<font size=3>教材和参考书</font>]]
“大气环流”常指地球大气较大空间范围、较长时间尺度上的空气流动，及其对地球大气热量、动量、能量和水汽的全球输送。虽然从十七、十八世纪起人们就开始研究大尺度的大气运动(如Hadley在1735年提出的信风理论)，但大气环流真正发展成为一门较完备的学科方向却是近半个世纪的事情。随着四五十年代探空资料等高空气象要素的取得，以及六十年代卫星等覆盖全球的观测资料的加入，大气环流的空间结构和时间变化开始被系统、全面地揭示。与此同时，大气环流的数值模拟，也开始成为研究大气环流的一个主要方法，并发展至今成为了解和预估未来气候变化的主要手段。随着观测和模拟手段的进步，大气环流的理论研究也在近三十年开始快速地发展，人们对各种环流系统的维持和变化有了更全面、更深刻、也更为现代的理解。


=== 成绩 Grades ===
现代的大气环流是大气动力学、天气学和气候学相结合的产物。大气环流，既是各种天气现象产生的背景流场，又是各种气候状态形成的动力机制。大气环流在低频、季节、年际、年代际等时间尺度的变化，不但会引起天气现象的变化，也影响着气候状态的形成。而在大气科学领域面临着诸如全球暖化、气候变化、环流异常等重大科学问题的今天，大气环流研究的重要性被推到了前所未有的高度,大气环流也成为活跃发展又充满挑战的学科方向。
* 课程成绩：本课程将会有若干次作业和一次期末考试。最终成绩将由平时作业成绩和期末考试成绩综合得出。
* 迟交：如果有特殊的理由，无法按时完成作业，请提前联系授课老师，给出正当理由。否则迟交的作业将不被接受。


=== <font color=red> 学术诚信 Academic Integrity </font>===
本课程将讲述在过去几十年里大气环流在观测、理论和模拟上取得的进展。希望学生借此课程能熟悉大气环流的基本分布和形态，掌握各主要环流系统的维持和变化机制，建立各环流系统形成的物理模型，了解现阶段的大气环流模式，知道大气环流方向有待解决的科学问题。
学术诚信是所有从事学术活动的学生和学者最基本的职业道德底线，本课程将不遗余力的维护学术诚信规范，违反这一底线的行为将不会被容忍。


作业完成的原则：署你名字的工作必须是你个人的贡献。在完成作业的过程中，允许讨论，前提是讨论的所有参与者均处于同等完成度。但关键想法的执行、以及作业文本的写作必须独立完成，并在作业中致谢（acknowledge）所有参与讨论的人。不允许其他任何形式的合作——尤其是与已经完成作业的同学“讨论”。
作为一门课程，大气环流内容的讲述常可以有两条线索。一条是全球尺度上大气热量、动量、能量和水汽的分布与输送，Lorenz（1967）和 Peixoto and Oort（1992）是按此线索介绍大气环流的优秀教材；另一条线索，是各纬度、各区域内大气环流系统的形成、维持和变化机制，James（1995）和 Vallis（2006）是按此线索介绍大气环流的经典讲义。根据现阶段大气环流方向的研究特点，本课程的讲述将主要按照后一种方式来展开，并辅以介绍各环流系统对大气各要素场的输送。在介绍各环流系统时，本课程将以观测、理论和模拟为顺序，从各大气环流系统的观测事实入手，介绍大气环流系统的分布特征和时空变化特征；着重介绍关于环流系统的各种动力学模型和现阶段对环流系统的理解；辅以对环流系统模拟研究的介绍；最后通过三者的对比，讨论各环流系统有待研究的问题。


本课程将对剽窃行为采取零容忍的态度。在完成作业过程中，对他人工作（出版物、互联网资料、其他人的作业等）直接的文本抄袭和对关键思想、关键元素的抄袭，按照 [http://www.acm.org/publications/policies/plagiarism_policy ACM Policy on Plagiarism]的解释，都将视为剽窃。剽窃者成绩将被取消。如果发现互相抄袭行为，<font color=red> 抄袭和被抄袭双方的成绩都将被取消</font>。因此请主动防止自己的作业被他人抄袭。
= Syllabus =
 
本课程具体的内容安排如下：第一章为大气环流的概述，介绍大气环流发展的历史、包含的内容以及大气环流研究的常用观测资料和分析方法。第二章介绍大气环流产生的外部强迫：辐射强迫和下界面过程。第三至六章介绍大气环流中的各个环流系统及它们的动力机制。第七章详细介绍各复杂度的大气环流模式。第八章介绍大气环流领域现阶段最大的一个开放课题：全球暖化背景下的大气环流。这一章既是对前几章所介绍的大气环流理论的应用与检验，又是对未来大气环流研究方向的探讨。借此让学生熟悉并理解大气环流领域亟需解决的课题。具体课程安排和参考书目如下。
学术诚信影响学生个人的品行，也关乎整个教育系统的正常运转。为了一点分数而做出学术不端的行为，不仅使自己沦为一个欺骗者，也使他人的诚实努力失去意义。让我们一起努力维护一个诚信的环境。
== Course schedule ==
 
*大气环流概述 (Introduction) （4课时）
= Assignments =
*大气环流的外部强迫（3课时）
*[[高级算法 (Fall 2021)/Problem Set 1|Problem Set 1]]  请在 2021/9/28 上课之前提交到 [mailto:njuadvalg21@163.com njuadvalg21@163.com] (文件名为'<font color=red >学号_姓名_A1.pdf</font>') [[高级算法 (Fall 2021)/第一次作业提交名单|第一次作业提交名单]].
**辐射强迫 (Radiative forcing)
* reading assignment: Mitzenmacher and Upfal, ''Probability and Computing, second edition'', '''Chapter 17''' Balanced Allocations and Cuckoo Hashing
**下界面过程 (Surface boundaries)
*经向环流系统 (Zonally-averaged circulations)
**Hadley 环流（4课时）
**Ferrel 环流，急流，中纬度的波流相互作用（8课时）
*纬向环流系统（Non-zonal circulations）（6课时）
**Storm tracks
**Monsoon
**ENSO and Walker circulation
*能量和水汽循环 (Angular momentum, energy and water vapor)（2课时）
*不同复杂度的大气环流模式 (General circulation in a hierarchy of models)（2课时）
*全球暖化背景下的大气环流 (General circulation in the global warming scenario)（2课时）


= Lecture Notes =
[[点击此处看详细课程安排 (click for more)]]
# [[高级算法 (Fall 2021)/Min-Cut and Max-Cut|Min-Cut and Max-Cut]] ([http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/Cut.pdf slides]) ([http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_0.1.mp4 video1] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_0.2.mp4 video2] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_0.3.mp4 video3])
#:  [[高级算法 (Fall 2021)/Probability Basics|Probability basics]]
#  [[高级算法 (Fall 2021)/Fingerprinting| Fingerprinting]] ([http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/Fingerprinting.pdf slides]) ([http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_1.1.mp4 video1] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_1.2.mp4 video2] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_1.3.mp4 video3])
#:  [[高级算法 (Fall 2021)/Finite Field Basics|Finite field basics]]
#  [[高级算法 (Fall 2021)/Hashing and Sketching|Hashing and Sketching]] ([http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/Hashing.pdf slides]) ([http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_2.1.mp4 video1] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_2.2.mp4 video2] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_2.3.mp4 video3] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_3.1.mp4 video4] [http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_3.2.mp4 video5])
#:  [[高级算法 (Fall 2021)/Basic tail inequalities|Basic tail inequalities]]
# [[高级算法 (Fall 2021)/Balls into bins|Balls into bins]] ([http://tcs.nju.edu.cn/slides/aa2021/meeting_3.3.mp4 video1])
#:  [[高级算法 (Fall 2021)/Limited independence|Limited independence]]


= Related Online Courses=
== References ==
* [http://people.csail.mit.edu/moitra/854.html Advanced Algorithms] by Ankur Moitra at MIT.
*观测部分：Peixoto, J. P. and A. H. Oort, 1992: Physics of Climate. Springer-Verlag New York, Inc., 520 pp. 中文译本：气候物理学，1995，吴国雄、刘辉等译校，气象出版社。
* [http://courses.csail.mit.edu/6.854/current/ Advanced Algorithms] by David Karger and Aleksander Mądry at MIT.
*综合介绍：James, I., 1995: Introduction to circulating atmospheres. Cambridge University Press, 448 pp.  
* [http://web.stanford.edu/class/cs168/index.html The Modern Algorithmic Toolbox] by Tim Roughgarden and Gregory Valiant at Stanford.
*理论部分：Vallis, G. K., 2006: Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-scale Circulation. Cambridge University Press. 745 pp.
* [https://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall15/cos521/ Advanced Algorithm Design] by Sanjeev Arora at Princeton.
* [[其它参考书目（点击看详情）]]
* [http://www.cs.cmu.edu/afs/cs.cmu.edu/academic/class/15859-f11/www/ Linear and Semidefinite Programming (Advanced Algorithms)] by Anupam Gupta and Ryan O'Donnell at CMU.
* The [https://www.cs.cornell.edu/jeh/book.pdf "Foundations of Data Science" book] by Avrim Blum, John Hopcroft, and Ravindran Kannan.

Revision as of 09:58, 21 October 2021

大气环流
General Circulation of the Atmosphere
Instructor
张洋
Email yangzhang@nju.edu.cn
office 仙林大气楼 B410
Class
Class meetings 周四 下午 2:00-4:00，线上课程腾讯会议号：5966863228
Office hours 周四 下午4:00-4:30
线上答疑
Reference book
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Introduction to Circulating Atmospheres,
I. James, Cambridge Press, 1995
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Physics of Climate, Peixoto, J. P. and A. H. Oort, Springer-Verlag New York, 1992
File:Geoff.jpg
Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-scale Circulation, Vallis, G. K., Cambridge University Press, 2006
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Announcement

  • 由于疫情影响，本学期前段大气环流课采取线上直播课的形式， 直播软件为腾讯会议，课程会议号为：5966863228；课程交流QQ群：924139004 。【2021.9.2】
  • 由于国庆调休，下一次大气环流课的时间为10月9日（周日）。【2021.9.30】

Course info

  • Instructor : 张洋，
  • office: 仙林气象楼 B410
  • email: yangzhang@nju.edu.cn
  • Class meeting: 周四 下午 2:00-4:00
  • Office hour: 周四 下午4:00-4:30，线上答疑
  • Prerequisites: 动力气象，天气学，气候学
  • Grading: 平时作业（50％）＋ 期末考试（50％）

本课程将大致布置4次作业，每次作业一二道题目左右。题目将选择每个课题最具有代表性、需要一定思维强度和动手能力的训练用题目,意在使学生通过顺利完成作业来建立环流系统的物理模型、以对课程内容得到深刻全面地理解和掌握。期末考试题目数量将会比平时作业多,覆盖面更广,但会比作业题目简单,只涉及对基本内容的掌握和对环流理论的直接应用。

Course Slides

Many figures in the course slides are adapted from the reference books, NOAA and other educational sources. These figures are for class use only.

Assignments

  1. Reanalysis data and the earth's climatology [Due:2021.10.21] 请在本次作业的截止日期前将本次作业的图片部分和文字部分打包作为附件发送至邮箱 circulation_nju@126.com
  2. Simple energy balance climate model [Due:2021.11.4]
  3. Hadley Cell [Due:2021.11.18]

Course intro

“大气环流”常指地球大气较大空间范围、较长时间尺度上的空气流动，及其对地球大气热量、动量、能量和水汽的全球输送。虽然从十七、十八世纪起人们就开始研究大尺度的大气运动(如Hadley在1735年提出的信风理论)，但大气环流真正发展成为一门较完备的学科方向却是近半个世纪的事情。随着四五十年代探空资料等高空气象要素的取得，以及六十年代卫星等覆盖全球的观测资料的加入，大气环流的空间结构和时间变化开始被系统、全面地揭示。与此同时，大气环流的数值模拟，也开始成为研究大气环流的一个主要方法，并发展至今成为了解和预估未来气候变化的主要手段。随着观测和模拟手段的进步，大气环流的理论研究也在近三十年开始快速地发展，人们对各种环流系统的维持和变化有了更全面、更深刻、也更为现代的理解。

现代的大气环流是大气动力学、天气学和气候学相结合的产物。大气环流，既是各种天气现象产生的背景流场，又是各种气候状态形成的动力机制。大气环流在低频、季节、年际、年代际等时间尺度的变化，不但会引起天气现象的变化，也影响着气候状态的形成。而在大气科学领域面临着诸如全球暖化、气候变化、环流异常等重大科学问题的今天，大气环流研究的重要性被推到了前所未有的高度,大气环流也成为活跃发展又充满挑战的学科方向。

本课程将讲述在过去几十年里大气环流在观测、理论和模拟上取得的进展。希望学生借此课程能熟悉大气环流的基本分布和形态，掌握各主要环流系统的维持和变化机制，建立各环流系统形成的物理模型，了解现阶段的大气环流模式，知道大气环流方向有待解决的科学问题。

作为一门课程，大气环流内容的讲述常可以有两条线索。一条是全球尺度上大气热量、动量、能量和水汽的分布与输送，Lorenz（1967）和 Peixoto and Oort（1992）是按此线索介绍大气环流的优秀教材；另一条线索，是各纬度、各区域内大气环流系统的形成、维持和变化机制，James（1995）和 Vallis（2006）是按此线索介绍大气环流的经典讲义。根据现阶段大气环流方向的研究特点，本课程的讲述将主要按照后一种方式来展开，并辅以介绍各环流系统对大气各要素场的输送。在介绍各环流系统时，本课程将以观测、理论和模拟为顺序，从各大气环流系统的观测事实入手，介绍大气环流系统的分布特征和时空变化特征；着重介绍关于环流系统的各种动力学模型和现阶段对环流系统的理解；辅以对环流系统模拟研究的介绍；最后通过三者的对比，讨论各环流系统有待研究的问题。

Syllabus

本课程具体的内容安排如下：第一章为大气环流的概述，介绍大气环流发展的历史、包含的内容以及大气环流研究的常用观测资料和分析方法。第二章介绍大气环流产生的外部强迫：辐射强迫和下界面过程。第三至六章介绍大气环流中的各个环流系统及它们的动力机制。第七章详细介绍各复杂度的大气环流模式。第八章介绍大气环流领域现阶段最大的一个开放课题：全球暖化背景下的大气环流。这一章既是对前几章所介绍的大气环流理论的应用与检验，又是对未来大气环流研究方向的探讨。借此让学生熟悉并理解大气环流领域亟需解决的课题。具体课程安排和参考书目如下。

Course schedule

  • 大气环流概述 (Introduction) （4课时）
  • 大气环流的外部强迫（3课时）
    • 辐射强迫 (Radiative forcing)
    • 下界面过程 (Surface boundaries)
  • 经向环流系统 (Zonally-averaged circulations)
    • Hadley 环流（4课时）
    • Ferrel 环流，急流，中纬度的波流相互作用（8课时）
  • 纬向环流系统（Non-zonal circulations）（6课时）
    • Storm tracks
    • Monsoon
    • ENSO and Walker circulation
  • 能量和水汽循环 (Angular momentum, energy and water vapor)（2课时）
  • 不同复杂度的大气环流模式 (General circulation in a hierarchy of models)（2课时）
  • 全球暖化背景下的大气环流 (General circulation in the global warming scenario)（2课时）

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References

  • 观测部分：Peixoto, J. P. and A. H. Oort, 1992: Physics of Climate. Springer-Verlag New York, Inc., 520 pp. 中文译本：气候物理学，1995，吴国雄、刘辉等译校，气象出版社。
  • 综合介绍：James, I., 1995: Introduction to circulating atmospheres. Cambridge University Press, 448 pp.
  • 理论部分：Vallis, G. K., 2006: Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-scale Circulation. Cambridge University Press. 745 pp.
  • 其它参考书目（点击看详情）
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