《中尺度氣象學》教學體會與思考

李艷

摘要：《中尺度氣象學》是大氣科學專業本科學生的專業學習課程，是在學習完成《天氣學原理》、《動力氣象》、《天氣學基礎》等基本專業知識之后對氣象學理論與實踐應用的進一步認識與提升，在大氣科學中占有重要的地位。文章總結歸納了近幾年在《中尺度氣象學》教學實踐中的經驗與思考，提出了“復雜的理論、豐富的圖表、細致的歸納”相結合的教學方法、啟發性的教學理念，以及天氣個案例析的教學思路，希望為《中尺度氣象學》的教學提供參考。

關鍵詞：中尺度氣象學；教學；課程

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0210-02

中尺度氣象學是研究中尺度天氣系統及與其相聯系的嚴重災害性天氣（如雷暴、暴雨、冰雹、龍卷、下擊暴流等）的發生、發展的動力學機制和預報理論及方法的學科，是當代大氣科學中倍受人們關注的研究領域之一，在大氣科學中占有重要的地位[1-4]。此課程是南京信息工程大學大氣科學學院針對已經修完基本專業理論課程（包含《流體力學》、《天氣學原理》、《動力氣象》）以及基礎應用分析課程（包含《中國天氣》、《天氣學基礎》）的學生開設的。課程內容包括九章，依次為：中尺度大氣運動的特征及控制方程組、地形性中尺度環流、自由大氣非對流性中尺度環流、中尺度孤立對流系統、中尺度帶狀對流系統、中尺度對流復合體、鋒面氣旋及臺風附近的中尺度雨帶、影響中尺度對流系統發生發展的因子、中尺度天氣的預報。課程的主要目的是進一步提高本專業學生的理論與實踐相結合進行理解與分析復雜天氣過程的能力，熟悉目前的研究進展與研究思路，明確中小尺度天氣與天氣尺度（天氣預報）的聯系與差異，從而提高學生的專業素養。本文將從以下幾個方面闡述筆者近幾年來從事《中尺度氣象學》教學中的部分經驗與思考，與大家共勉。

一、“復雜的理論、豐富的圖表、細致的歸納”相結合的教學方法

《中尺度氣象學》歷年來均是學生學習的難點。因為學生需要具備較完整的氣象專業理論知識，以及較為熟練的基礎專業分析能力，而此兩點僅有部分學生能夠做到。即便如此，能夠在較為復雜的中尺度天氣過程中將復雜的理論基礎與合理的天氣分析結合起來的學生少之又少。因此，“復雜的理論、豐富的圖表、細致的歸納”相結合的教學方法應運而生。其一，與中尺度天氣過程相聯系的天氣系統，如暴雨、龍卷、中尺度對流復合體（MCC）、重力波等，均是天氣學分析與預報的難點，所用的基礎理論更加復雜、更加系統；其二，學生對復雜的理論、非線性的偏微分方程的求解等難有感性的認識，必須輔以清晰的、合理的圖表方能讓學生進一步的理解；其三，歸納總結、對比分析是學生理解、掌握的最后保障。因此，只有引導學生逐一經過理論認識、感性認識、到系統認識的過程，才能增強認識問題與分析問題的能力。

以重力波的特征分析為例闡述“復雜的理論、豐富的圖表、細致的歸納”相結合的教學方法的應用。關于重力波的定義與特征早在《動力氣象學》中已經有所涉及，《動力氣象學》課程上通過非線性偏微分方程求解的方式給出了重力波的頻散關系式、相速度、群速度等理論關系式。學生對重力波的認識是初步的、公式層面的。因此，課堂上首先把《動力氣象學》中重力波所涉及的內容給學生簡要的復習一遍，給出重力波的重要關系式，通過較為熟悉的內容完成“復雜的理論”部分；接著，利用大量的圖片，包括觀測的山脈背風坡的云圖、理想的背風波云系等，告訴學生重力波不僅僅是一種抽象的概念，也是在我們身邊實實在在存在的大氣現象。但是重力波到底在天氣過程中起到怎樣的作用？重力波引起天氣變化的作用機制是什么？必須帶著這些問題去進一步學習重力波的結構與傳播。通過結構圖的引入學生基本能夠理解重力波傳播過程中哪些位置有利于垂直對流，哪些位置有利于高空輻散等，對于由于重力波參與的天氣過程有了進一步的認識。最后，“歸納總結”才能讓學生印象深刻并完全理解。大家所熟悉的Rossby波與重力波存在哪些相似與不同？其發生的天氣現象有何差異？通過以上問題學生基本能夠掌握重力波的基本知識，完成了從抽象概念到理解應用的跨越。

課程中“中尺度孤立對流系統”、“中尺度帶狀對流系統”，與“中尺度對流復合體”這三章內容是由淺入深、相輔相成的學習重點與難點，需要學生完全領會與掌握。這三章內容所涉及的中尺度對流系統分別是：普通單體雷暴、多單體雷暴、超級單體雷暴、龍卷雷暴、颮線、中尺度對流復合體，其相互獨立又密不可分、相互演變。這部分內容的授課過程中，“復雜的理論、豐富的圖表、細致的歸納”起了關鍵的作用。以單體生命史的演變的結構與云水特征圖作為普通單體雷暴的重要目標圖形、以多個普通單體經過統一環流組織起來的多單體特征作為多單體雷暴的基本目標圖形、以具有顯著統一環流與旋轉特征的3-D結構圖作為超級單體風暴的特征圖，講授孤立對流單體部分，這樣學生通過對比基本能夠掌握孤立對流單體的特征，對其發展與強度有了進一步認識。在此基礎上，講授由不同孤立對流單體經過有組織的環流約束排列成帶狀的颮線系統就相對容易。颮線的結構與中尺度結構圖就是帶狀對流系統的重點，理論學習從基本的結構特征轉變為颮線的形成機制問題。中尺度對流復合體是有以上不同的孤立對流系統與帶狀對流系統組成的，因此其單體的結構特征與演變是類似的，主要差異是中尺度對流復合體是近乎于圓形的。因此，中尺度對流復合體的圖表重點應該放在中尺度對流復合體的結構、降水特征上，理論重點是解決為什么其會呈現出圓形的特征來。

二、啟發性的教學理念

《中尺度氣象學》的教學目的不僅僅是讓學生掌握相關內容，更重要的是給學生提出問題與思考，增進學生獨立認識與解決問題的能力。因此，在教學過程中需要啟發性的教學，鼓勵學生自己思考解決問題。比如，在講述大氣層結構的穩定性問題時，先給出傳統的位勢穩定度的概念，然后提出問題：利用傳統的位勢穩定度怎樣解釋超級對流單體與熱帶輻合帶地區云系的發展？學生經過思考后就比較容易接受后面的第二類條件性不穩定的概念了。隨后可以進一步提出問題：對流只能垂直發展嗎，對于傾斜對流的問題應該如何去理解？這樣條件性不穩定就順利成章地被引出來。在整個學習過程中學生通過主動的思考過程，加深了對學習內容的理解和認識，對于課程的學習將更加主動與積極。

《中尺度氣象學》的另一個主要特征是隨著社會的觀測網絡與理論分析能力的提高，部分講授內容在不斷完善，部分研究理論在不斷深入的特征。研究問題的復雜性使其仍存在許多正在解決或尚需要進一步研究的難題。而課程大綱要求學生學習的內容更偏向于天氣發展的表象，對其原因的分析并不深入。比如學習完成颮線的定義、結構、天氣特征后，合上書本，與學生一起把所學內容復習總結后，大部分學生可能感覺到掌握新知識的欣喜了。接著我會問颮線為什么會是這樣的帶狀分布？它為什么會形成在鋒面前沿的？對于這些沒有明確解釋的內容我會引導學生進行獨立思考，鼓勵大家發言。然后根據自己的理解給他們進一步地解釋，也把問題清晰地留給學生思考，提醒學生學無止境，認識總在不斷前進。

三、天氣個案例析的教學思路

《中尺度天氣學》是一門理論結合實踐的課程，天氣分析與總結是基礎，復雜中尺度天氣的機制認識與應用是關鍵。因此，課程的講述中，典型的天氣個案的分析與理解是必不可少的。比如，講到颮線時，大家針對這一代表性的中尺度系統還是相對比較陌生的，對其發生機理、造成的天氣影響等方面的認識還只停留在書面上。因此，我會先將課本上的典型個例給學生進行詳細講解；然后結合最近1-2年內的國內外的研究成果，選取具有代表性的個例（如，2009年6月14日安徽、江蘇邊界的颮線對流天氣），首先針對課堂所學內容通過天氣個例進行驗證與加深認識，然后就目前的研究方向，提出研究問題，引領大家思考并簡要介紹目前的主要研究手段與研究結果。這樣學生對于颮線的認識就更加深刻了。

講述環境風場的垂直切變對對流發展的作用時，首先通過理論推導得出即使大氣層結非常穩定時，一定的環境風垂直切變仍然能夠促進對流發展，因此很多強對流天氣均伴有高低空急流的耦合作用。然后利用多個實際天氣個例分析，說明不同的對流發展階段，環境風垂直切變的作用不同，有時是對流發展的積極作用，有時又起到削弱作用。比如，對于臺風發展初期，較強的環境風垂直切變是其發展的不利條件；而當臺風發展到較強強度時合適的環境風垂直切變有利于對流層中層暖心結構的維持從而使臺風不斷發展。但是需要特別指出的是，環境風垂直切變對臺風發展的影響非常復雜，在實際臺風發展過程中總是能觀測有些臺風在環境風場垂直切變非常強的時候仍能夠迅速發展。因此天氣過程是復雜多變的，一方面其具有相對普適的規律，一方面具體問題需要謹慎對待。

四、結語

《中尺度氣象學》是一門需要教師與學生相互配合，理論與實踐密切結合的課程。因為其一般與災害性天氣相聯系，也是大氣科學專業中難度較大但實踐意義重大的課程，是大氣科學專業本科生走向工作崗位或繼續科研工作的奠基石。本文從“復雜的理論、豐富的圖表、細致的歸納”相結合的教學方法、啟發性的教學理念，以及天氣個案例析的教學思路三個方面闡述了作者近幾年來的教學心得，希望能調動學生的主觀能動性，把《中尺度氣象學》掌握好。

參考文獻：

[1]壽紹文，勵申申，壽亦萱，等.中尺度天氣學[M].北京：氣象出版社，2009：2.

[2]壽紹文，勵申申，王善華，等.天氣學分析[M].北京：氣象出版社，2008：2.

[3]壽紹文，勵申申，壽亦萱，等.中尺度大氣動力學[M].高等教育出版社，2009：1.

[4]壽紹文.天氣學[M].北京：氣象出版社，2009：1.