计算空间物理学

课程编码：180083070802P3001H 英文名称：Computational Space Physics 课时：50 学分：2.50 课程属性：专业课 主讲教师：沈芳等

本课程是空间物理专业研究生的专业课。通过本课程的学习，不仅掌握数值求解偏微分方程组的一些基本方法，如有限差分法、有限体积法等，具备读懂及编写太阳-行星际、磁层、电离层及太阳高能粒子数值模拟程序的能力，而且能为今后在各自的领域工作中应用数值模拟这一重要研究手段打下基础。

电动力学、磁流体力学、C或Fortran程序设计语言

第一章 绪论 2学时 沈芳
第1节 空间等离子体物理问题
第2节 空间等离子体模拟分类及简介
第3节 国内外磁流体力学模拟现状
第二章 偏微分方程（组）的差分格式 5学时 沈芳
第1节 有限差分法概述
第2节 差分格式的构成和分类
第3节 单一方程及方程组单步及多步差分格式介绍
第4节 差分格式稳定性、收敛性、耗散、色散等性质的定性分析
第5节 人为耗散和通量改正
第6节 高分辨率格式和隐格式等
第三章 初始条件和边界条件 2学时 沈芳
第1节 初始条件、包括观测值和解析解
第2节 边界条件，特别是特征边条件
第四章 代数方程的数值求解 3学时 沈芳
第1节 追赶法
第2节 迭代法
第3节 傅里叶变换方法
第4节 循环约化法
第五章 磁流体力学定态流动和时变问题 5学时 沈芳
第1节 磁流体力学定态流动问题
第2节 磁流体力学的时变问题
第六章 磁流体力学Riemann问题的数值求解 5学时 郭孝城
第1节 磁流体力学Riemann问题及积分关系
第2节 Riemann问题的数值解法，包括常用的HLL类算子、Roe算子及特征线方法及其在模拟中的应用，磁场散度问题及修正方法
第3节 地球及木星磁层模拟事例
第七章 等离子体粒子模拟的基本方法和理论 4学时 郭孝城
第1节 粒子模拟方法介绍，包括粒子云、重影效应、初态设置和格式
第2节 粒子-流体混合模拟
第3节 粒子模拟在磁层物理中的应用
第八章 宇宙线数值模拟方法 6学时 郭孝城
第1节 宇宙线扩散系数理论及模拟
第2节 Markov随机过程
第3节 Ito积分和随机微分方程
第4节 宇宙线传输方程的差分求解方法
第5节 宇宙线传输方程的随机求解方法
第6节 近地及外日球层宇宙线数值模拟事例
第九章 电离层数值模拟 3学时 乐会军
第1节 电离层建模基本框架、物理过程基本方程及其数值化介绍
第2节 差分方程求解
第3节 模型结果介绍
第十章 电离层热层耦合数值模拟 3学时 乐会军
第1节 热层中性大气基本方程及其数值化介绍
第2节 电离层热层耦合求解模拟
第3节 国际主流电离层热层模式介绍及发展趋势
第十一章 电离层热层经验建模 3学时 乐会军
第1节 电离层经验建模方法
第2节 电离层热层主要经验模型介绍及其使用
第十二章 电离层数据同化 3学时 乐会军
第1节 数据同化简介及方法介绍
第2节 电离层数据同化基本框架及同化模拟介绍
第十三章 上机实践、期末考试
第1节 日冕磁场、行星际稳态太阳风模拟、磁层及电离层数值模拟程序上机实践 3学时 乐会军
第2节 期末开卷考试 3学时 郭孝城

1. 首席教授：沈芳，中国科学院国家科学中心研究员，博士生导师，中科院特聘研究员（特聘核心岗），太阳活动与空间天气重点实验室副主任，先后入选国家“万人计划”青年拔尖人才和国家科技创新领军人才，主要研究领域包括日冕行星际三维MHD模拟、空间天气数值建模等，已在国内外SCI等核心刊物发表论文70余篇，主持和参与多项国家级项目；2. 主讲教师：郭孝城，中国科学院国家空间科学中心研究员, 博士生导师。主要研究领域包括外日球层和磁层全球MHD数值模拟,日球层宇宙线的调制和传输等。多年来在相关研究领域做出突出成绩，已在国内外SCI等核心刊物上发表论文50余篇，参与和主持多项国家自然科学基金项目；3. 主讲教师：乐会军，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。主要从事地球与行星电离层及中高层大气物理研究。发表国际SCI论文100余篇，其中第一及通讯作者30余篇，SCI引用2400余次