运用数学物理方法,解决地球科学问题-钟志航 南京信息工程大学

自2023年决赛以来,地球科学奥林匹克竞赛反映了一个比较明显的风向,预赛选择题减少了基础概念性的考察,而更加侧重于原理的分析,思维难度有所提升,决赛新增加的计算综合题更是提高了对同学们的能力要求,更侧重于在考场上对问题处理,分析,解释的综合能力的考察,不再局限于一些基本的知识点,而是需要在解题中充分利用题中所给信息以及补充知识,尝试运用数学工具和物理原理,来推导或者计算一些地球科学的普遍规律和结论。目前作为大气科学专业的学生,对于大气科学的学习也有了进一步的认识,所以接下来我想结合地球科学竞赛经验以及在大学中大气科学的专业学习,和大家分享一下地球科学奥林匹克竞赛大气科学板块的考察思路和备考方法。

大气科学作为地球科学奥林匹克竞赛中一个重要且难度较大的板块,在近年决赛的综合计算题中频繁出现,特别是2023年决赛那道经典的哈德来环流的综合分析计算,无论是计算思路还是推导过程,对于中学生而言都有较高的要求。虽然大气科学在高中的自然地理板块中有所涉及,但是所学的知识点都是基于一些概念理解,以及现象和原理的定性分析,并未涉及大气相关的定量计算过程,这与大学阶段大气科学专业的课程设置和人才培养存在一定偏差。有别于高中记忆理解性的学习方式,大学中的大气科学学习在理解的基础上会更加侧重于运用数学方法,来解释大气中的现象和规律。通过建立数学模型,设立方程,理论推导,科学计算,最终得到一个能够反映大气运动规律或者大气物理现象的方程组(解析解),从而使得我们能够依据其变量之间的依赖关系,证明解释大气现象规律的正确性。这其实也是近几年决赛综合计算题的解题思路,就是我们需要充分利用题目所给信息,将我们在备考过程中学习到地球科学基本原理和现象,基于已有的认知,概念的理解,以及定性的解释,再结合考试中题目所给出的条件和提示,通过数学计算,理解这一现象背后的底层逻辑,不在浮于表观理解,而是去探求其深层规律,解题的过程其实也为我们提供了一个新的理解地球科学知识的角度,思路和方法。

因此,在平时地球科学奥林匹克竞赛大气科学板块的备考过程中,我希望大家能够在学习理解基本大气科学原理的同时,也能够在面对一个大气科学现象,多去想想为什么,可否尝试着去用自己高中学过的一些数学物理知识来解释它,或者可以去找找大气科学原理类的相关书籍,了解一些大气科学中的基本方程组,去理解它的每一项所对应的特定的物理意义,代表着哪些影响大气现象或者运动状态的因素,锻炼自己思考问题,查找资料,阅读信息,解决问题的能力【比如说大气的上升或下沉运动需要考虑大气静力学平衡,大气的辐合辐散需要考虑地转风平衡(气压梯度力,科氏力,摩擦力)等,基本思路简单的说就是能够从一个稳态的特殊情况出发,推导其运动的普遍规律,并做到有理论依据】

当然,地球科学基础知识的积累也必不可少,我在日常地球科学学习中主要是系统性的看书,并做好自己的学习记录,比如说今天记哪几个重要的概念原理,然后过几天再翻回去检验一下自己是否真的理解了,以及能否用自己的语言再解释这个概念或者原理,因为地球科学涉及的知识点很多,死记硬背行不通,就需要去做知识的内化,不仅要有知识输入,也要学会输出,我有一本很厚的地球科学笔记本,把每天学一些东西记下来,然后时不时倒回去翻看,自己尝试着复述一遍自己曾经学过的概念。在临近考试时,可以重点的再做一遍近几年的真题,预赛重在基础的运用和深化,决赛重在对综合计算,解决问题思路分析的过程理解。我现在还记得我考的2023年决赛第一次出现综合计算大题的时候,当时没有往届经验,考前也不知道会有题型的变化,我在考前还做了个事情,就是认真思考了一下参考书每一章节后面的扩展思考或者课后习题(或者大学教材),大家在平时的学习中也可以多关注一下每一章节最后的一些习题和扩展问题,也是一个很好的培养自己地球科学思维方法。

对考生们的寄语

希望大家在备考过程中,能怀揣着一颗对于地球科学探索的心,对于所学的地球科学基本知识和原理,不浮于表面的理解,也可以运用一些自己学过的数学工具和方法,查阅资料,主动的去探索一些地球科学问题中的深层原因和底层逻辑,在平时想的多一些,想的深一些;少一些知识点的记背,多一些自己的理解和思考。同学们,加油!希望你们在地球科学探索的路上,心怀热爱,一路向上,勇攀高峰!

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