“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”教學(xué)改革探索

方雪薇 李興 蘇東生

［摘 要］ “數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”是當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)等氣象業(yè)務(wù)的重要內(nèi)容，也是大氣科學(xué)專業(yè)本科的核心課程。為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前信息化背景下日益增強(qiáng)的構(gòu)建科研與氣象業(yè)務(wù)緊密聯(lián)系的知識(shí)體系的需求，結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法入手，對(duì)成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院本科“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程不斷進(jìn)行改革，探討了從理論學(xué)習(xí)為主轉(zhuǎn)型為基于理論知識(shí)、主動(dòng)探索前沿科學(xué)問(wèn)題的學(xué)生培養(yǎng)改革措施，討論了重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生使用數(shù)值模式動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題能力的必要性，以期提高學(xué)生適應(yīng)社會(huì)和科技發(fā)展新挑戰(zhàn)的能力。

［關(guān)鍵詞］ 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)；改革探索；教育轉(zhuǎn)型；動(dòng)手能力

［基金項(xiàng)目］ 2023年度成都信息工程大學(xué)“《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》線上線下混合式一流課程建設(shè)項(xiàng)目”（JYJG2023097）

［作者簡(jiǎn)介］ 方雪薇（1990—），女，安徽淮北人，理學(xué)博士，成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事陸面過(guò)程與氣候變化研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）12-0065-04［收稿日期］ 2022-04-22

引言

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的成功是20世紀(jì)以來(lái)人類最重要的社會(huì)技術(shù)和科學(xué)成就之一，解決了長(zhǎng)期以來(lái)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。如今，天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率的高低主要取決于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展。目前，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的水平是衡量世界各國(guó)氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化水平的標(biāo)準(zhǔn)。一方面，數(shù)值模式的廣泛應(yīng)用為預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供豐富的模式診斷產(chǎn)品，這為人工影響天氣、生態(tài)農(nóng)業(yè)、雷暴預(yù)警等氣象服務(wù)拓展提供了重要支撐；另一方面，數(shù)值模式的迅速發(fā)展為深入認(rèn)識(shí)和理解天氣和氣候系統(tǒng)演變規(guī)律、大氣與多圈層相互作用機(jī)制探索等科研工作提供重要途徑。

自20世紀(jì)60年代起，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，多尺度觀測(cè)手段不斷完善，數(shù)值模式逐漸發(fā)展為大氣物理、大氣化學(xué)、海洋過(guò)程、陸面過(guò)程及生態(tài)過(guò)程等多模式耦合的氣候系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式，并廣泛應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)及科研工作。2010年4月，中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心成立，吹響了我國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)自主研發(fā)的號(hào)角；2014年，高分辨率資料同化與數(shù)值天氣模式被確定為國(guó)家氣象科技創(chuàng)新工程三大攻關(guān)任務(wù)之一；2018年至今，隨著GRAPES全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)的完成并成功應(yīng)于業(yè)務(wù)，我國(guó)建成了以自主研發(fā)為核心的全球、區(qū)域確定性和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)并位于世界前列。高分辨率資料同化技術(shù)與數(shù)值天氣模式發(fā)展等科研工作的不斷突破，為當(dāng)前預(yù)報(bào)體系的完善及氣象服務(wù)質(zhì)量的提高提供了重要基礎(chǔ)。我國(guó)“十四五”氣象發(fā)展規(guī)劃表明，未來(lái)我國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展方向以數(shù)值模式為基礎(chǔ)，以資料同化和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用技術(shù)為支撐的無(wú)縫隙智能化網(wǎng)格預(yù)報(bào)。這意味著未來(lái)大氣科學(xué)研究工作與氣象業(yè)務(wù)及服務(wù)工作的聯(lián)系將更加緊密。作為大氣科學(xué)本科核心專業(yè)課程之一，“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法將直接影響大氣科學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量，從而對(duì)我國(guó)未來(lái)氣象發(fā)展規(guī)劃實(shí)施產(chǎn)生重要影響。為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前大氣科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)要求，成都信息工程大學(xué)“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程組對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法不斷優(yōu)化，在注重理論教學(xué)的同時(shí)，更加注重多學(xué)科交叉及實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)，提升學(xué)生實(shí)際運(yùn)行模式的能力，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，以期使學(xué)生形成較為完善的氣象業(yè)務(wù)與科學(xué)研究緊密聯(lián)系的知識(shí)體系［1］。

一、教學(xué)內(nèi)容及開(kāi)設(shè)情況

本?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程總計(jì)48學(xué)時(shí)，其中授課40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，教學(xué)時(shí)長(zhǎng)10周，選用教材為田永祥等人編寫(xiě)的《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》，主要參考教科書(shū)包括沈桐立等人編寫(xiě)的《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》和王澄海等人編寫(xiě)的《大氣數(shù)值模式及模擬》。課程教學(xué)主要包括以下內(nèi)容：數(shù)值預(yù)報(bào)模式基本方程組；地圖投影坐標(biāo)系中的大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組；數(shù)值差分計(jì)算方法；正壓原始方程模式；斜壓原始方程模式；初始條件和邊界條件；模式中的物理過(guò)程及其參數(shù)化方法。其中，地圖投影坐標(biāo)系大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組及正壓原始方程模式部分分別設(shè)計(jì)了2學(xué)時(shí)及6學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)上機(jī)課程，主要目的為鍛煉學(xué)生實(shí)際編寫(xiě)程序及運(yùn)行模式的能力，并通過(guò)該過(guò)程進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的理解。

課程實(shí)驗(yàn)部分不僅包含基本數(shù)學(xué)物理知識(shí)的具體應(yīng)用，還包含了大氣流體、大氣動(dòng)力、天氣診斷分析等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用，涉及Fortran編程語(yǔ)言和NCL語(yǔ)言以及GrADS等畫(huà)圖軟件的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力和編程及繪圖參數(shù)設(shè)置能力要求高［2］。此外，課程授課內(nèi)容理論性也很強(qiáng)，涉及大量煩瑣公式，抽象的公式推導(dǎo)及計(jì)算是大部分學(xué)生充分理解課程內(nèi)容和進(jìn)一步將其應(yīng)用于課程實(shí)習(xí)的障礙，導(dǎo)致學(xué)生最終學(xué)習(xí)效果欠佳。例如，在講述地圖投影坐標(biāo)系中大氣基本運(yùn)動(dòng)方程組的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，學(xué)生對(duì)氣象上常用的蘭勃特投影基本概念掌握較為清晰，在具體推導(dǎo)過(guò)程中，經(jīng)詳細(xì)演示后大部分同學(xué)都可以理解掌握，但涉及綜合使用公式、編程語(yǔ)言實(shí)際計(jì)算有關(guān)參數(shù)時(shí)，學(xué)生出現(xiàn)的問(wèn)題比較多，其分析和解決運(yùn)行錯(cuò)誤的能力有所欠缺，這表明大部分學(xué)生在將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于處理具體實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中存在明顯問(wèn)題。因此，如何解決這一問(wèn)題也成了“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程改革的重點(diǎn)方向之一。

二、教學(xué)實(shí)踐改革及探索

為了奠定學(xué)生未來(lái)從事氣象預(yù)報(bào)、數(shù)值模式研發(fā)及產(chǎn)品釋用的堅(jiān)實(shí)的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)，近年來(lái)，“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程在教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法上不斷完善。一方面，注重理論知識(shí)的多元化演繹，讓學(xué)生更直觀和簡(jiǎn)潔地獲取主要知識(shí)點(diǎn)，大量充實(shí)與前沿科研工作相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)，增加反映最新科研成果的內(nèi)容；另一方面，以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題為宗旨，在教學(xué)過(guò)程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動(dòng)性，適當(dāng)調(diào)整考核方法，使學(xué)生主動(dòng)摒棄靠死記硬背常用概念、參數(shù)化方案及公式等完成任務(wù)的學(xué)習(xí)方式。

（一）完善教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)資源

當(dāng)代多尺度氣象觀測(cè)不斷完善，為數(shù)值模式提供了多樣化的初始條件、邊界條件及高質(zhì)量的初始場(chǎng)，這對(duì)數(shù)值模式的不斷發(fā)展至關(guān)重要。近年來(lái)，數(shù)值模式不斷更新，參數(shù)化方案不斷增加和完善，新數(shù)值模塊不斷加入使得大氣模式的模擬和預(yù)報(bào)能力不斷提高，并朝著多尺度、多系統(tǒng)耦合方向發(fā)展［3］。為了應(yīng)對(duì)日新月異的發(fā)展形勢(shì)，課程教學(xué)內(nèi)容除基本的預(yù)報(bào)原理方法及簡(jiǎn)單的數(shù)值預(yù)報(bào)模式介紹外，也要大量增加與之密切關(guān)聯(lián)的前沿科研工作中常用的各類復(fù)雜的數(shù)值模式及最新的科研成果介紹，不斷豐富教學(xué)資源，使學(xué)生了解當(dāng)前大氣數(shù)值模式的攻關(guān)難點(diǎn)及未來(lái)的發(fā)展方向。這不僅可以在一定程度上幫助學(xué)生理解傳統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)，還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，拓寬視野，為日后開(kāi)展數(shù)值模擬和研究奠定良好基礎(chǔ)。比如，在介紹數(shù)值計(jì)算方案時(shí)，要通過(guò)誤差分析評(píng)估各差分方案對(duì)數(shù)值模擬的影響。教師對(duì)課程的講解如果只停留在種類繁多的差分方程構(gòu)造原理及誤差推導(dǎo)層面，會(huì)使學(xué)生感到枯燥無(wú)味，無(wú)法真正理解差分方式的選取對(duì)實(shí)際科研工作及預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要作用，從而喪失學(xué)習(xí)興趣，只通過(guò)死記硬背的方式完成硬性學(xué)習(xí)任務(wù)。但如果在差分格式介紹過(guò)程中，穿插展示當(dāng)前實(shí)際數(shù)值模擬工作中網(wǎng)格分辨率提高前后的地形對(duì)比圖，就能讓學(xué)生直觀感受差分模式中，如果選取合適的差分方法構(gòu)造方程，提高網(wǎng)格分辨率，會(huì)大大減小截?cái)嗾`差，提高數(shù)值計(jì)算的精確度，使學(xué)生深刻理解差分格式對(duì)數(shù)值模擬的重要性。同時(shí)，從提出到系統(tǒng)闡釋當(dāng)前科研熱點(diǎn)問(wèn)題的過(guò)程，也會(huì)激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)值模式的探索及數(shù)值模擬過(guò)程的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)實(shí)際模擬工作的積極性，對(duì)實(shí)踐課程的有效開(kāi)展產(chǎn)生積極影響。

（二）優(yōu)化教學(xué)方法，加強(qiáng)科研實(shí)踐

“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程目標(biāo)之一是通過(guò)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，加深學(xué)生對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)基本原理和方法的理解，學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)編程知識(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，提高學(xué)生模式運(yùn)行能力和解決問(wèn)題能力。因此，有必要在保證理論教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，不斷優(yōu)化教學(xué)方法，增強(qiáng)課程與科研實(shí)踐的聯(lián)系。對(duì)于理論教學(xué)部分，采取引導(dǎo)學(xué)生課前積極預(yù)習(xí)、課后及時(shí)歸納為主的教學(xué)方式，幫助學(xué)生及時(shí)歸納知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)效率。比如，介紹正壓原始方程模式時(shí)，學(xué)委在課前及時(shí)發(fā)布課件，使學(xué)生對(duì)即將進(jìn)行的課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)做到心中有數(shù)，有助于學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中時(shí)刻保持清晰的學(xué)習(xí)思路；課后及時(shí)向?qū)W生發(fā)布內(nèi)容精練的錄播視頻，標(biāo)記重難點(diǎn)公式，學(xué)生可在課后通過(guò)回放學(xué)習(xí)，根據(jù)自身需要查漏補(bǔ)缺；課程內(nèi)容即將完結(jié)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生跳出課本和講義，脫稿回顧歸納各章節(jié)主要內(nèi)容和重要知識(shí)點(diǎn)，從課程設(shè)計(jì)者的角度梳理各主要章節(jié)內(nèi)在邏輯和聯(lián)系，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。在實(shí)踐教學(xué)時(shí)，除了引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)際敏感性實(shí)驗(yàn)，例如差分格式實(shí)驗(yàn)，了解不同差分方程的構(gòu)造對(duì)正壓原始方程模式模擬結(jié)果的影響，還要進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)當(dāng)前科研及預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)常用的預(yù)報(bào)模式，如WRF（Weather Research and Forecast）模式進(jìn)行實(shí)際操作和運(yùn)行。通過(guò)對(duì)模式的運(yùn)行、參數(shù)化方案選取的敏感性實(shí)驗(yàn)以及模式輸出結(jié)果后處理過(guò)程的演示，學(xué)生直觀了解并學(xué)習(xí)了教科書(shū)中未涉及的技能知識(shí)，這些技能需要使用者通過(guò)實(shí)際摸索獲得，對(duì)實(shí)際科研工作及預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)至關(guān)重要，可有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如，在WRF模式的運(yùn)行演示過(guò)程中，介紹包含風(fēng)溫濕壓、云水、降雨、蒸發(fā)、土壤溫濕、地表反照率等氣象變量的NCEP網(wǎng)格數(shù)據(jù)，讓學(xué)生了解什么是模式運(yùn)行的背景場(chǎng)；通過(guò)展示零時(shí)刻格點(diǎn)變量的值、計(jì)算區(qū)域外圍各層變量的值，使學(xué)生了解什么是模式運(yùn)行的初始場(chǎng)及邊界條件；通過(guò)模擬區(qū)域輸出要素與實(shí)際個(gè)例的比較，使學(xué)生了解什么是模式的后處理過(guò)程，以及通過(guò)模式模擬的精度的分析，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生了解參數(shù)化方案選取對(duì)模式模擬結(jié)果的直接影響。雖然已在教科書(shū)及課堂教學(xué)中重點(diǎn)介紹了這些知識(shí)點(diǎn)，但通過(guò)此種實(shí)際操作方式，學(xué)生可直觀地了解教科書(shū)中各概念的具體意義，從而更加順暢地從理論學(xué)習(xí)為主過(guò)渡為以發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題為主；同時(shí)，通過(guò)實(shí)踐操作進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。另外，當(dāng)前大氣數(shù)值模式均在Linux系統(tǒng)搭建環(huán)境中運(yùn)行，這就要求學(xué)生在實(shí)際運(yùn)行模式前必須掌握Linux系統(tǒng)的基本操作指令。通過(guò)Xshell客戶端遠(yuǎn)程登錄Linux系統(tǒng)，為學(xué)生展示常用指令的使用方式及效果，了解Linux系統(tǒng)特點(diǎn)及用戶環(huán)境信息設(shè)置方式，讓學(xué)生通過(guò)操作和模仿，順其自然地掌握常用操作指令并使用Linux系統(tǒng)進(jìn)行模式編譯及運(yùn)行，而非直接發(fā)布相關(guān)運(yùn)行指令手冊(cè)，讓學(xué)生死記硬背，喪失學(xué)習(xí)興趣。

在模式編譯及運(yùn)行過(guò)程中遇到報(bào)錯(cuò)情況時(shí)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索、文獻(xiàn)下載等方式，實(shí)際演示錯(cuò)誤原因及排查和解決過(guò)程，進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，而非直接幫學(xué)生解決某一問(wèn)題。通常，本科生遇到問(wèn)題或困難時(shí)傾向于通過(guò)詢問(wèn)教師、查閱教科書(shū)的方式，以期快速獲得解決方法。學(xué)生缺乏獨(dú)立思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，難以培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。因此，教師在日常教學(xué)中，特別是實(shí)踐教學(xué)中，要有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生利用多種方式收集所需信息的習(xí)慣，培養(yǎng)其獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)生在實(shí)際科研問(wèn)題的解決過(guò)程中得到了鍛煉，這在一定程度上有助于提升學(xué)生對(duì)自己所學(xué)專業(yè)的了解和興趣，同時(shí)也有助于提高學(xué)生的成就感與獲得感，從而在后續(xù)的學(xué)習(xí)中由被動(dòng)獲取轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍。

結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展及多元觀測(cè)資料的廣泛應(yīng)用，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為目前氣象業(yè)務(wù)不可或缺的重要工具。作為為全國(guó)高校及科研院所、氣象和海洋服務(wù)部門(mén)培養(yǎng)氣象人才的搖籃，成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院一直積極探索，與時(shí)俱進(jìn)，不斷優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，以迎接科技發(fā)展新需求、新挑戰(zhàn)。目前數(shù)值模式發(fā)展的多樣性和普遍性，要求專業(yè)教師時(shí)刻保持跟進(jìn)最新的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究進(jìn)展，不斷更新知識(shí)體系，豐富教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善教學(xué)方法，有針對(duì)性地向?qū)W生傳輸科研工作及氣象業(yè)務(wù)中至關(guān)重要的實(shí)際操作知識(shí)，例如，目前本科課程未涵蓋的Linux系統(tǒng)操作及使用知識(shí)，用實(shí)際的科研思維培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，更好地適應(yīng)中華民族偉大復(fù)興新時(shí)代下社會(huì)發(fā)展對(duì)氣象人才的要求。

參考文獻(xiàn)

［1］蘇冬梅，劉潔晶.學(xué)校應(yīng)用轉(zhuǎn)型與教學(xué)手段改革研究［J］.教育現(xiàn)代化，2018，5（26）：31-32.

［2］劉宇迪，郭海龍.關(guān)于教學(xué)轉(zhuǎn)型后《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》教學(xué)改革的思考［J］.教育現(xiàn)代化，2019，6（30）：59-60.

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Exploration on the Teaching Reform of “Numerical Weather Forecasting” under the Need of Close Connection Between Scientific Research and Meteorological Service

FANG Xue-wei， LI Xing， SU Dong-sheng

（School of Atmospheric Sciences， Chengdu University of Information Technology， Chengdu， Sichuan 610225， China）

Abstract： Numerical weather forecasting is an important part of current weather forecasting， climate prediction and other meteorological services， and it is also a core course for undergraduates majoring in atmospheric science. In order to respond to the increasing demand for building a knowledge system that is closely linked between scientific research and meteorological operations under the current informatization background， the undergraduate “Numerical Weather Forecast” course of the School of Atmospheric Science， Chengdu University of Information Technology has been continuously reforming the teaching content and teaching methods. Based on practical teaching experience， the reform measures for cultivating students to actively explore cutting-edge scientific problems based on theoretical knowledge from the aspects of teaching content and teaching methods are discussed. The necessity of problem-solving ability with numerical model of students is also discussed in order to improve students ability to adapt to the new challenges of social and technological development.

Key words： numerical weather forecasting; reform exploration; educational transformation; hands-on ability