王樹舟

【摘 要】本文結(jié)合南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)教學(xué)實際，從觀測方法、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬三個方面討論了高校大氣科學(xué)類專業(yè)實踐課程設(shè)置的合理性。

【關(guān)鍵詞】大氣科學(xué)；應(yīng)用氣象學(xué)；實踐課程

大氣科學(xué)是研究大氣的各種現(xiàn)象（包括人類活動對它的影響）及其演變規(guī)律，以及如何利用這些規(guī)律為人類服務(wù)的一門學(xué)科。高校開設(shè)大氣科學(xué)類專業(yè)主要培養(yǎng)具有扎實的大氣科學(xué)基本理論、基本知識和基本技能，能從事大氣科學(xué)理論研究以及業(yè)務(wù)工作的專門人才。學(xué)生的就業(yè)主要在氣象、民航、海洋、水電、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、國防、高校和科研院所等部門。

大氣科學(xué)研究內(nèi)容很多，各個高校開設(shè)的大氣科學(xué)類專業(yè)也有所側(cè)重。例如，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)類專業(yè)有多個：大氣科學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、大氣科學(xué)（大氣探測）、大氣科學(xué)（大氣物理）、大氣科學(xué)（大氣環(huán)境）等。大氣科學(xué)專業(yè)是由天氣動力學(xué)專業(yè)更名而來，但更加注重學(xué)科寬基礎(chǔ)的教育。該專業(yè)最主要專業(yè)課有：天氣學(xué)原理、動力氣象學(xué)、數(shù)值天氣預(yù)報、短期氣候預(yù)測等。主要實踐課程有：大氣探測實習(xí)、氣象程序設(shè)計及繪圖、氣象統(tǒng)計方法實習(xí)、天氣學(xué)分析基礎(chǔ)、典型天氣過程分析、數(shù)值天氣預(yù)報實習(xí)、短期氣候預(yù)測實習(xí)、天氣會商與討論、天氣學(xué)診斷分析、氣象雷達資料處理及應(yīng)用、氣象衛(wèi)星資料處理及應(yīng)用、數(shù)值模式與模擬等。大氣科學(xué)的新發(fā)展必將不斷提高它為生產(chǎn)和生活服務(wù)的能力，如提高天氣和氣候預(yù)報的準(zhǔn)確率，為開發(fā)利用氣候資源，制定發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟政策提供更加可靠的科學(xué)依據(jù)。這就要求我們對人才的培養(yǎng)有更高的要求。

不同用人單位對畢業(yè)生的要求也不一樣。氣象部門希望招收的畢業(yè)生能熟悉各種觀測儀器，能進行天氣預(yù)報?？蒲袉挝幌Ｍ厴I(yè)生有扎實的數(shù)理基礎(chǔ)，較強的數(shù)據(jù)處理和分析能力?？傮w來講，用人單位要求學(xué)生應(yīng)該具有較好的天氣動力學(xué)、大氣物理學(xué)、氣候?qū)W和大氣環(huán)境學(xué)基礎(chǔ)，能夠熟悉當(dāng)前的主流觀測儀器，數(shù)據(jù)處理方法，并能運行一些數(shù)值模式。實際上，這樣的要求對于本科生來講是不容易達到的，因為他們需要學(xué)習(xí)的課程太多了。這就要求高校能更加合理安排學(xué)生的實踐課程。下面從觀測方法、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬三個方面討論一下課程的設(shè)置。

1 觀測方法

氣象觀測是大氣科學(xué)研究的基礎(chǔ)。氣象觀測，是指對表征大氣狀況的氣象要素、天氣現(xiàn)象及其變化過程進行個別或系統(tǒng)的、連續(xù)的觀察和測定，并對獲得的記錄進行整理。按觀測手段又可分為地面氣象觀測、高空氣象觀測、專業(yè)性氣象探測。其中，地面氣象觀測是最基礎(chǔ)的，主要指以目力或儀器對近地面層的大氣狀況進行觀察和測定。高空氣象觀測指利用氣球、無線電探空儀、氣象探測飛機、氣象火箭、氣象雷達和衛(wèi)星等對自由大氣的 壓、溫、濕、風(fēng)等要素進行探測。這兩項觀測是大氣科學(xué)類本科生必須學(xué)習(xí)的。教學(xué)過程中我們會發(fā)現(xiàn)，部分同學(xué)由于某些原因并沒有接觸過氣象儀器，部分學(xué)生是有一些氣象儀器知識的。然而有一些比較高級、昂貴的儀器絕大多數(shù)學(xué)生沒有接觸過。而這些儀器在近些年又應(yīng)用比較廣泛，比如渦動相關(guān)觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于微氣象學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面研究，可長期自動連續(xù)監(jiān)測。應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè)的學(xué)生一般都要學(xué)習(xí)這個系統(tǒng)的使用?？梢詫ｉT安排專家講解其工作原理和采集數(shù)據(jù)的處理。無線電探空等高空氣象觀測可以由教師和學(xué)生合作完成。對于氣象衛(wèi)星和雷達產(chǎn)品的使用，大多是安排在研究生的實踐課程。當(dāng)然，不同的專業(yè)可有各自的偏重。觀測實習(xí)可以激發(fā)學(xué)生的興趣和提高動手能力。為此，南京信息工程大學(xué)就定期舉辦氣象探測技能競賽。

2 數(shù)據(jù)處理

大氣科學(xué)研究中要處理多種數(shù)據(jù)，這不僅需要有扎實的數(shù)理基礎(chǔ)，還要有較高的計算機語言編寫能力。氣象統(tǒng)計方法課程可以讓學(xué)生掌握基本的氣象資料統(tǒng)計方法和數(shù)據(jù)處理方法。大量的氣象觀測和模擬數(shù)據(jù)的處理要依靠計算機來完成。目前，使用最廣泛的是FORTRAN語言和GrADS數(shù)據(jù)圖形處理軟件。南京信息工程大學(xué)的FORTRAN語言是由大氣科學(xué)學(xué)院自己開設(shè)的，這樣比較有針對性，可以直接給學(xué)生講解氣象數(shù)據(jù)的處理。當(dāng)然還有MATLAB和NCL等數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件的應(yīng)用也日益廣泛。NCL數(shù)據(jù)處理和繪圖課程也有一些高校對研究生和高年級本科生開設(shè)。NCL軟件是由美國國家大氣研究中心針對大氣科學(xué)研究與氣象業(yè)務(wù)需求而推出的免費的數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件，提供了大量大氣科學(xué)常用計算函數(shù)和子程序。用戶可以自由調(diào)用這些子程序，減少了編寫程序的時間，對處理好的數(shù)據(jù)直接通過繪圖函數(shù)得到各種常用圖形。這些課程里面，還會涉及數(shù)據(jù)讀寫和存放格式問題的處理，這對很多學(xué)生來講是難點。

另外，天氣學(xué)分析也是必修的課程。該課程要求把觀測到的各個氣象臺站的氣象要素填到天氣圖上，并且通過分析這些氣象要素分布，畫出等值線，進而分析天氣形勢。在此基礎(chǔ)上，典型天氣分析課程是使用這樣的方法分析一些典型的天氣過程。學(xué)生可以學(xué)到基本的通過外推法作天氣預(yù)報的基本方法。當(dāng)然，具體的畢業(yè)實習(xí)階段，學(xué)生還要學(xué)習(xí)MICAPS軟件。MICAPS，即現(xiàn)代化人機交互氣象信息處理和天氣預(yù)報制作系統(tǒng)，系中國氣象部門氣象衛(wèi)星、天氣雷達和數(shù)值預(yù)報等產(chǎn)品的綜合應(yīng)用最強有力業(yè)務(wù)技術(shù)支撐平臺，是中國氣象部門氣象預(yù)報最主要的預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)。目前，MICAPS4是MICAPS系列的最新版本。在畢業(yè)實習(xí)階段宜加強該業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實習(xí)。

3 數(shù)值模擬

近幾十年來，大氣數(shù)值模式已經(jīng)成為天氣預(yù)報和氣候預(yù)測的重要手段。數(shù)值模式也由天氣預(yù)報模式發(fā)展到了氣候系統(tǒng)模式和地球系統(tǒng)模式。數(shù)值模式也成為診斷和再現(xiàn)天氣氣候事件、深入認識和理解天氣氣候事件發(fā)展物理機制的重要工具。現(xiàn)在的氣象部門都已開展數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)。數(shù)值天氣預(yù)報的實質(zhì)就是給定某一時刻的大氣初值（氣壓、溫度、濕度，風(fēng)等），用數(shù)值計算方法求解描述大氣運動的偏微分方程組，獲得未來時刻的預(yù)報值。當(dāng)前，數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)正向“兩端”和集合預(yù)報發(fā)展，實現(xiàn)天氣-氣候無縫隙對接。氣象預(yù)報預(yù)測業(yè)務(wù)更加強調(diào)數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)地位，將其作為提高預(yù)報預(yù)測準(zhǔn)確率和精細化水平的關(guān)鍵。這就要求大氣科學(xué)類專業(yè)的畢業(yè)生能有數(shù)值模擬的基本技能。在數(shù)值天氣預(yù)報課程的實習(xí)部分可以提供簡單原始方程模式的實習(xí)和中尺度天氣預(yù)報模式WRF的實習(xí)。對研究生和高年級本科生開設(shè)這樣的課程是很有必要的。但是現(xiàn)在的數(shù)值模式大多是在Linux計算機操作系統(tǒng)下運行的，這就要求學(xué)生有一定的Linux基礎(chǔ)。所以，本科生很難真正進行復(fù)雜的數(shù)值模擬試驗。不過，高年級的學(xué)生可以選修或者自學(xué)Linux基礎(chǔ)的課程。在本科畢業(yè)論文的寫作中，有些指導(dǎo)老師也會讓學(xué)生運行數(shù)值模式。

本文從觀測方法、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬三個方面探討了大氣科學(xué)類專業(yè)的實踐課程設(shè)置問題。大氣科學(xué)類專業(yè)對學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)和計算機要求都很高，高校應(yīng)該多開設(shè)相應(yīng)實踐課程，學(xué)生也可以去計算機類學(xué)院選修一些計算機操作系統(tǒng)和高級語言課程。學(xué)好氣象數(shù)據(jù)處理實踐課程對畢業(yè)論文的寫作和進入研究生階段的科研都很重要。對于進入業(yè)務(wù)部門參加工作的學(xué)生更應(yīng)重視觀測方法、MICAPS系統(tǒng)和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用的學(xué)習(xí)。此外，中國氣象局十分重視畢業(yè)生的業(yè)務(wù)能力，正制定和完善“大氣科學(xué)類專業(yè)學(xué)生赴氣象業(yè)務(wù)單位實習(xí)實踐管理辦法”、“大氣科學(xué)類專業(yè)學(xué)生實習(xí)實踐基地建設(shè)規(guī)劃”等文件，組織開展學(xué)生校外實習(xí)實踐工作。教育部和中國氣象局還成立了中國氣象人才培養(yǎng)聯(lián)盟，旨在強化各成員單位在人才培養(yǎng)等方面的特色和優(yōu)勢，在學(xué)科建設(shè)、課程體系建設(shè)、實習(xí)實訓(xùn)等方面開展全方位、多層次合作，提升氣象教育教學(xué)質(zhì)量和辦學(xué)水平。endprint