關于高校大氣科學類專業實踐課程設置的探討

王樹舟

【摘 要】本文結合南京信息工程大學大氣科學專業教學實際，從觀測方法、數據處理、數值模擬三個方面討論了高校大氣科學類專業實踐課程設置的合理性。

【關鍵詞】大氣科學；應用氣象學；實踐課程

大氣科學是研究大氣的各種現象（包括人類活動對它的影響）及其演變規律，以及如何利用這些規律為人類服務的一門學科。高校開設大氣科學類專業主要培養具有扎實的大氣科學基本理論、基本知識和基本技能，能從事大氣科學理論研究以及業務工作的專門人才。學生的就業主要在氣象、民航、海洋、水電、環保、農業、國防、高校和科研院所等部門。

大氣科學研究內容很多，各個高校開設的大氣科學類專業也有所側重。例如，南京信息工程大學大氣科學類專業有多個：大氣科學、應用氣象學、大氣科學（大氣探測）、大氣科學（大氣物理）、大氣科學（大氣環境）等。大氣科學專業是由天氣動力學專業更名而來，但更加注重學科寬基礎的教育。該專業最主要專業課有：天氣學原理、動力氣象學、數值天氣預報、短期氣候預測等。主要實踐課程有：大氣探測實習、氣象程序設計及繪圖、氣象統計方法實習、天氣學分析基礎、典型天氣過程分析、數值天氣預報實習、短期氣候預測實習、天氣會商與討論、天氣學診斷分析、氣象雷達資料處理及應用、氣象衛星資料處理及應用、數值模式與模擬等。大氣科學的新發展必將不斷提高它為生產和生活服務的能力，如提高天氣和氣候預報的準確率，為開發利用氣候資源，制定發展戰略和經濟政策提供更加可靠的科學依據。這就要求我們對人才的培養有更高的要求。

不同用人單位對畢業生的要求也不一樣。氣象部門希望招收的畢業生能熟悉各種觀測儀器，能進行天氣預報。科研單位希望畢業生有扎實的數理基礎，較強的數據處理和分析能力。總體來講，用人單位要求學生應該具有較好的天氣動力學、大氣物理學、氣候學和大氣環境學基礎，能夠熟悉當前的主流觀測儀器，數據處理方法，并能運行一些數值模式。實際上，這樣的要求對于本科生來講是不容易達到的，因為他們需要學習的課程太多了。這就要求高校能更加合理安排學生的實踐課程。下面從觀測方法、數據處理、數值模擬三個方面討論一下課程的設置。

1 觀測方法

氣象觀測是大氣科學研究的基礎。氣象觀測，是指對表征大氣狀況的氣象要素、天氣現象及其變化過程進行個別或系統的、連續的觀察和測定，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、專業性氣象探測。其中，地面氣象觀測是最基礎的，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、氣象雷達和衛星等對自由大氣的 壓、溫、濕、風等要素進行探測。這兩項觀測是大氣科學類本科生必須學習的。教學過程中我們會發現，部分同學由于某些原因并沒有接觸過氣象儀器，部分學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學生沒有接觸過。而這些儀器在近些年又應用比較廣泛，比如渦動相關觀測系統。該系統用于微氣象學和生態學等方面研究，可長期自動連續監測。應用氣象學專業的學生一般都要學習這個系統的使用。可以專門安排專家講解其工作原理和采集數據的處理。無線電探空等高空氣象觀測可以由教師和學生合作完成。對于氣象衛星和雷達產品的使用，大多是安排在研究生的實踐課程。當然，不同的專業可有各自的偏重。觀測實習可以激發學生的興趣和提高動手能力。為此，南京信息工程大學就定期舉辦氣象探測技能競賽。

2 數據處理

大氣科學研究中要處理多種數據，這不僅需要有扎實的數理基礎，還要有較高的計算機語言編寫能力。氣象統計方法課程可以讓學生掌握基本的氣象資料統計方法和數據處理方法。大量的氣象觀測和模擬數據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數據圖形處理軟件。南京信息工程大學的FORTRAN語言是由大氣科學學院自己開設的，這樣比較有針對性，可以直接給學生講解氣象數據的處理。當然還有MATLAB和NCL等數據處理和繪圖軟件的應用也日益廣泛。NCL數據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。NCL軟件是由美國國家大氣研究中心針對大氣科學研究與氣象業務需求而推出的免費的數據處理和繪圖軟件，提供了大量大氣科學常用計算函數和子程序。用戶可以自由調用這些子程序，減少了編寫程序的時間，對處理好的數據直接通過繪圖函數得到各種常用圖形。這些課程里面，還會涉及數據讀寫和存放格式問題的處理，這對很多學生來講是難點。

另外，天氣學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。學生可以學到基本的通過外推法作天氣預報的基本方法。當然，具體的畢業實習階段，學生還要學習MICAPS軟件。MICAPS，即現代化人機交互氣象信息處理和天氣預報制作系統，系中國氣象部門氣象衛星、天氣雷達和數值預報等產品的綜合應用最強有力業務技術支撐平臺，是中國氣象部門氣象預報最主要的預報業務系統。目前，MICAPS4是MICAPS系列的最新版本。在畢業實習階段宜加強該業務系統的實習。

3 數值模擬

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

本文從觀測方法、數據處理、數值模擬三個方面探討了大氣科學類專業的實踐課程設置問題。大氣科學類專業對學生的數理基礎和計算機要求都很高，高校應該多開設相應實踐課程，學生也可以去計算機類學院選修一些計算機操作系統和高級語言課程。學好氣象數據處理實踐課程對畢業論文的寫作和進入研究生階段的科研都很重要。對于進入業務部門參加工作的學生更應重視觀測方法、MICAPS系統和數值預報產品釋用的學習。此外，中國氣象局十分重視畢業生的業務能力，正制定和完善“大氣科學類專業學生赴氣象業務單位實習實踐管理辦法”、“大氣科學類專業學生實習實踐基地建設規劃”等文件，組織開展學生校外實習實踐工作。教育部和中國氣象局還成立了中國氣象人才培養聯盟，旨在強化各成員單位在人才培養等方面的特色和優勢，在學科建設、課程體系建設、實習實訓等方面開展全方位、多層次合作，提升氣象教育教學質量和辦學水平。endprint