“數(shù)值模式與模擬”課程教學(xué)改革探討

梁佳

摘要：自20世紀(jì)50年代大氣數(shù)值模式被應(yīng)用到業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，大氣數(shù)值模式就成為了目前天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)以及科學(xué)研究中不可或缺的工具。結(jié)合近年來(lái)南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)在“數(shù)值模式和模擬”方面的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)改革，本文探討了在培養(yǎng)學(xué)生使用數(shù)值模式的動(dòng)手能力的重要性以及各學(xué)科之間交叉學(xué)習(xí)的必要性，并利用教學(xué)和課程實(shí)習(xí)中所涉及的數(shù)值模式基本數(shù)學(xué)物理模型、方案和模擬方法，以期提高學(xué)生使用數(shù)值模式和適應(yīng)新模式的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模式；教學(xué)內(nèi)容；動(dòng)手能力；學(xué)科交叉

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）18-0120-02

一、引言

從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，數(shù)值模式逐漸開(kāi)始被應(yīng)用到天氣預(yù)報(bào)中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及衛(wèi)星雷達(dá)等遙感觀測(cè)資料的應(yīng)用，大氣數(shù)值模式的發(fā)展已經(jīng)從中尺度模式逐漸擴(kuò)展到氣候模式和地球系統(tǒng)模式。同時(shí)，隨著大氣模式耦合大氣化學(xué)、大氣物理、海洋、陸面以及生態(tài)等模式，大氣數(shù)值模式已經(jīng)成為目前天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)不可或缺的工具和認(rèn)識(shí)天氣與氣候系統(tǒng)演變規(guī)律、提高理論認(rèn)識(shí)的重要途徑。除了天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)，大氣數(shù)值模式還被廣泛應(yīng)用于人工影響天氣、雷電預(yù)警、大氣成分分析、農(nóng)業(yè)生態(tài)、空間天氣等諸多方面。隨著大氣數(shù)值模式耦合的領(lǐng)域更廣，時(shí)間尺度更長(zhǎng)，水平尺度更精細(xì)，其預(yù)報(bào)能力會(huì)不斷完善提高。

“數(shù)值模式和模擬”是介紹大氣數(shù)值模式基本理論和模擬方法的一門課程。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，不是學(xué)術(shù)型課程，而是以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力為主要目標(biāo)，是近兩年在南京信息工程大學(xué)（原南京氣象學(xué)院）大氣科學(xué)專業(yè)新開(kāi)設(shè)的專業(yè)任選課程。隨著大氣數(shù)值模式在天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)和科學(xué)研究中的廣泛使用，開(kāi)設(shè)數(shù)值模式相關(guān)課程是學(xué)校應(yīng)對(duì)大氣科學(xué)人才培養(yǎng)要求的重要途徑之一，而該課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也直接影響著大氣科學(xué)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。一直以來(lái)，學(xué)校設(shè)置有課程“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”，該課程教學(xué)內(nèi)容以介紹國(guó)內(nèi)外數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用的新進(jìn)展為主，但在該課程中學(xué)生實(shí)際接觸模式機(jī)會(huì)較少，此外，數(shù)值模式的學(xué)習(xí)必須在多種學(xué)科相互滲透和結(jié)合的情況下才能提高操作能力。因此，為了適應(yīng)大氣數(shù)值模式的變化發(fā)展和氣象人才需求，從2016年開(kāi)始，我校設(shè)置了一門新課程——“數(shù)值模式和模擬”，采用講課和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)方法，使得該課程的教學(xué)內(nèi)容更具操作性。

二、課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容

南京信息工程大學(xué)“數(shù)值模式和模擬”課程的總學(xué)時(shí)為48個(gè)學(xué)時(shí)，教學(xué)時(shí)長(zhǎng)為16周，其中講課32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。前8周，每周講課2學(xué)時(shí)；后8周，每周講課2學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)，一般在大學(xué)四年級(jí)上學(xué)期開(kāi)設(shè)這門課程。由于是新開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課程，該課程教科書未有嚴(yán)格規(guī)定，目前使用課程教研組的自編講義。自編講義主要參考和借鑒相關(guān)教科書包括：沈桐立等編寫的《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》[1]，王澄海等編寫的《大氣數(shù)值模式及模擬》，Eugenia Kalnay編寫的《Atmospheric modeling，data assimilation and predictability》，曹鴻興編寫的《氣候動(dòng)力模式與模擬》，董敏等編寫的《氣候模式的基本原理和技術(shù)方法》以及R.A.Pielke編寫的《中尺度氣象模擬》。

“數(shù)值模式和模擬”這門課程結(jié)合了大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、地球物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科，基本涉及了大氣數(shù)值模式和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)理論、基本概念、基本方法技術(shù)及其最新的研究進(jìn)展和發(fā)展展望。課程的講課內(nèi)容包括：數(shù)值模式的發(fā)展歷史，模式主要有物理、化學(xué)過(guò)程及其參數(shù)化，大氣環(huán)流模式、海洋環(huán)流模式與海氣耦合，中尺度數(shù)值模式的基本原理和WRF模式介紹，最后介紹了資料同化方法的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)、作用和發(fā)展進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括模式運(yùn)行操作的基本命令，模式的編譯安裝，模式資料的前處理，模式參數(shù)設(shè)置，模式的基本運(yùn)行，模式結(jié)果后處理以及相關(guān)分析。這些內(nèi)容可以使學(xué)生對(duì)數(shù)值模式的基礎(chǔ)原理、模式運(yùn)行的基本步驟和使用的參數(shù)化方案有較完整的了解和認(rèn)識(shí)。

三、教學(xué)模式的改革

雖然大氣模式的基本物理框架已經(jīng)日趨穩(wěn)定，但是在數(shù)值模式中有重要作用的初始條件和邊界條件所涉及的內(nèi)容和技術(shù)仍然在發(fā)展，利用多種觀測(cè)資料和方法提高初始場(chǎng)質(zhì)量的新方法也在不斷涌現(xiàn)，而模式也正在向多尺度、多耦合、多系統(tǒng)的方向發(fā)展。雖然是自編講義，教師在教學(xué)過(guò)程中不能簡(jiǎn)單地按照課程內(nèi)容的設(shè)置講授知識(shí)點(diǎn)，而是需要通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路和方式來(lái)激發(fā)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。靠死記硬背記住模式常用的概念、參數(shù)化方案等是沒(méi)有意義的，而是需要學(xué)生了解不同概念和參數(shù)化方案在數(shù)值模擬中的適用范圍。例如，在講課過(guò)程中，教師都會(huì)提到WRF數(shù)值模式中使用的微物理方案，這些方案對(duì)激發(fā)模式中的對(duì)流有重要作用。WRF模式可供選擇使用的微物理方案有很多種，那么這些物理方案有什么區(qū)別？什么情況下使用哪一種？這就需要教師在講課過(guò)程中，通過(guò)舉例讓學(xué)生直觀的看到使用不同微物理方案得到的不同結(jié)果，而不是單純的讓學(xué)生記住這些微物理方案的原理。另外，教學(xué)中也要注意培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決運(yùn)行錯(cuò)誤的能力。“數(shù)值模式和模擬”這門課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生使用模式的能力。在模式使用過(guò)程中，必然會(huì)遇到模式報(bào)錯(cuò)。在平時(shí)的講課環(huán)節(jié)中，教師要適當(dāng)加入一些運(yùn)行模式時(shí)會(huì)遇到的常見(jiàn)錯(cuò)誤，讓學(xué)生學(xué)會(huì)看懂運(yùn)行錯(cuò)誤，分析錯(cuò)誤，并最終解決錯(cuò)誤。我們可以在實(shí)驗(yàn)課程之前，提供學(xué)生一些方案和小問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行上機(jī)實(shí)習(xí)。例如，讓學(xué)生先運(yùn)行錯(cuò)誤的namelist文件，然后查看報(bào)錯(cuò)信息，根據(jù)錯(cuò)誤信息修改namelist，從而得到正確的運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，安排一定的時(shí)間進(jìn)行課堂討論，交流遇到的錯(cuò)誤，解決的方法，這樣有利于提高學(xué)生運(yùn)行模式的動(dòng)手能力，也能加深對(duì)講課內(nèi)容的理解。

數(shù)值模式近年來(lái)更新的很快，會(huì)不斷的加入新的方案、模塊和功能來(lái)增強(qiáng)模式的模擬和預(yù)報(bào)能力，這就要求教師每年在制定教學(xué)大綱時(shí)不斷地更新和補(bǔ)充。另外，在教學(xué)模式上也需要進(jìn)一步地完善。例如，在講解WRF模式的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，除了運(yùn)行步驟、常用模塊、常用參數(shù)化方案，還需要講解一些常用的敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)，例如地形實(shí)驗(yàn)。敏感試驗(yàn)是數(shù)值模擬中很重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，但一般在教科書中不涉及，需要使用者自己摸索。因此，教師可以在講課過(guò)程中有意識(shí)地帶入敏感試驗(yàn)的概念和基本方法。同時(shí)，也要培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)及信息收集處理的能力。通常，本科生主要是通過(guò)課后閱讀教科書的方式來(lái)鞏固課堂上所學(xué)的知識(shí)，而很少查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，因此本科生也要學(xué)會(huì)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)。一方面，教師可以提供部分經(jīng)典的文獻(xiàn)；另一方面需要學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、圖書館等途徑自己查找收集文獻(xiàn)。

“數(shù)值模式和模擬”這門課程的講授需要了解的知識(shí)很多，這也需要學(xué)科之間的交叉。例如，WRF模式都是以Fortran語(yǔ)言編寫，并在大型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行并行計(jì)算，這就需要學(xué)生對(duì)linux系統(tǒng)下的基本指令和bash/shell腳本有一定的了解，因此需要教師在講課過(guò)程中適當(dāng)補(bǔ)充linux系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，也需要學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中有意識(shí)地熟悉和使用相關(guān)的知識(shí)，注重知識(shí)和動(dòng)手的有機(jī)結(jié)合。

四、結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模式在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究中的地位越來(lái)越重要，是認(rèn)識(shí)氣候系統(tǒng)和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候不可替代的工具。南京信息工程大學(xué)的大氣科學(xué)學(xué)科是國(guó)家級(jí)一流學(xué)科，承擔(dān)著為全國(guó)科研院校和氣象、海洋等部門培養(yǎng)優(yōu)秀人才的重任，對(duì)教師隊(duì)伍的質(zhì)量和水平以及學(xué)生的綜合能力都有很高的要求。“數(shù)值模式和模擬”是一門重要的課程，是適應(yīng)人才需求的重要途徑之一。根據(jù)目前數(shù)值模式的發(fā)展，教師在重視教授與實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，需要有針對(duì)性地修訂教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)方案，例如在講課內(nèi)容中增加linux系統(tǒng)的基本知識(shí)、模式運(yùn)行錯(cuò)誤的基本介紹及敏感試驗(yàn)的設(shè)計(jì)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加解決運(yùn)行錯(cuò)誤的內(nèi)容。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)多種途徑，了解和獲取數(shù)值模式最新的信息，深化對(duì)課堂知識(shí)的理解，提高使用數(shù)值模式和適應(yīng)新模式的能力，以迎接科技發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的新挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈桐立，田永祥，陸維松，陳德輝，沈新勇，孫旭光.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)[M].北京：氣象出版社，2010.