《GPS氣象學》課程設計與探索

嚴厲 徐建軍 鄭少軍

摘要：《GPS氣象學》是大氣科學專業的一門重要專業課，對應于“GPS氣象學”這一具有廣闊發展前景的多學科交叉的新興學科。本著以學生為中心的理念，本課程設計不僅關注課程相關專業知識的講授，更強調和專業知識相結合的學生多維能力的培養。它具體包括四方面的能力：（1）逆向思維能力；（2）原理及公式的理解能力；（3）軟件使用能力；（4）數據分析及應用能力。本課程設計目標即通過多維能力培養，使學生不僅學習到《GPS氣象學》專業知識，更能舉一反三，增強利用專業知識解決實際問題的信心和能力。

關鍵詞：GPS氣象學；教學改革；課程設計；多維能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0098-02

《GPS氣象學》是一門新興交叉學科，GPS指全球定位系統（Global Positioning System）。GPS氣象學是一門由衛星動力學、大地測量學、地球物理學和氣象學交叉派生出的邊緣學科，是近20年來蓬勃興起的衛星導航技術在地球大氣探測中的全新應用[1]。這門學科的核心思想在于利用GPS衛星信號穿過地球大氣層的延遲量來反演大氣溫度、濕度和氣壓等大氣要素，特別是大氣濕度[1，2]。GPS氣象學根據GPS接收機安置位置分為兩大類，即地基GPS氣象學和空基GPS氣象學，重點在于地基GPS氣象學。這門學科的主要內容包括：（1）GPS探測大氣的意義、GPS系統的發展和組成、GPS衛星定位原理；（2）地基GPS氣象學原理；（3）GPS氣象網的建設、運行和維護；（4）地基GPS氣象網的資料解算；（5）GPS/PWV的精度檢驗和誤差分析；

（6）GPS/PWV資料在氣候和天氣分析中的應用；（7）空基GPS氣象學的基本原理。

可以看出，作為一門新興交叉學科，GPS氣象學的內涵非常豐富。如何使學生透徹了解這些內容，舉一反三鍛煉多方面的能力，是課程設計面臨的一個難題。知識吸收是基礎，能力培養是進階。為此，我們對課程設計進行有益探索，除了新知識的接納學習，更強調學生多維能力的培養。

一、逆向思維能力的培養

GPS氣象學中有一個非常有意思的問題，即對精密定位來說，GPS信號穿過大氣會引起折射和延遲，成為GPS定位的誤差源。測量學中，大氣延遲成為一個“噪聲源”需要去除，這就是所謂的正問題。但是反過來看，把這種誤差源（即在大地測量學需要濾掉的“噪聲”）轉換視角看作氣象學中需要捕捉的大氣信號，并反演出有意義的大氣溫度、濕度、氣壓等，這就是反問題。這種視角的轉換促進新興學科——GPS氣象學的誕生。實際上，由正問題向反問題這種逆向思維的應用無處不在。比如統計中的傅立葉分析，也是一個逆向思維的典型例子。即如果若干不同周期的有序序列進行疊加會生成一個雜亂無章的序列，反過來講，一個雜亂無章的序列必定可以分解為一系列不同周期的有序序列。這一分解便通過傅立葉分析達到，基函數正是周期性的三角函數。通過向學生講解其他逆向思維的例子，使學生對GPS氣象學中這一正反問題印象深刻，并注意在各類學習中感受逆向思維的魅力和力量，運用逆向思維解決問題。

二、對公式/原理理解能力的培養

在各類基礎專業課中，原理和公式總是結伴而行，GPS氣象學也不例外。理解了公式往往就理解了原理；而理解了原理，公式也變得親切起來。以GPS衛星定位中測距碼偽距法定位為例，一定要向學生強調偽距是接收機測定的衛星和接收機的距離，并不是一個真值。距離的真值是通過接收機的位置坐標和GPS衛星的坐標求得的。真值和偽距的差值可以由真空中光速和衛星鐘差（已知量）的乘積，以及真空中光速和接收機鐘差（未知量）的乘積給出。由此，可以列出方程，已知量有偽距、GPS衛星坐標（xi，yi，zi）和衛星鐘差；未知量只有4個，即接收站位置坐標（x，y，z）和接收機鐘差。由此可知，只要接收機同時接收4顆GPS衛星的信號，建立4個本等式的聯立方程（i=1，2，3，4），就可解出接收機的坐標和接收機的鐘差并定位成功。對這一定位原理理解的關鍵在于，理解真實的時間和測得的時間，即測得的衛星發出信號的時間和接收機接收到該信號的時間和它們各自真正的時間分別有鐘差，即衛星鐘差和接收機鐘差，由此導致測定距離是個偽距。又如，大氣濕度延遲公式的計算涉及將公式中隱含的前提條件進行說明的情況，這里不再贅述。總之，將公式中的潛臺詞顯式地向學生講明，將大大促進學生對公式及對應原理的理解能力。

三、實踐能力的培養

實踐能力的培養主要指軟件使用能力的培養。本課的學習中，我們學習了大氣延遲、天頂延遲和地圖延遲的計算，也學習了大氣天頂延遲和可降水量的計算。可降水量即Precipitable Water Vapor，英文簡寫為PWV。關于大氣延遲、天頂延遲這一系列的計算，是為了推出可降水量PWV的公式。對于大氣探測、氣象分析的大數據來說，手動演算顯然不能滿足計算的要求。在業務應用上，日常實時處理的解算軟件主要包括GAMIT軟件和BERNESE軟件。其中，BERNESE軟件由瑞士伯爾尼大學研發，GAMIT軟件由美國麻省理工學院研發。用任一軟件均可。所謂軟件使用能力的培養，第一步是獲得并安裝GAMIT這一軟件。在麻省理工學院的網址上可以獲得這一軟件。安裝GAMIT軟件則分為GCC編譯器的安裝和GAMIT本身軟件的安裝。安裝完成以后，就可以使用GAMIT這一利器，包括解算前的資料準備、軟件參數的設置、天頂總延遲量的計算和最終可降水量的計算。值得一提的是，安裝GAMIT的過程中使用UNIX命令，比如解開壓縮包的tar命令、改變位置到特定文件夾的cd命令、執行Makefile文件的make命令、傳輸文件的ftp命令及命令參數等。通過向學生介紹一些UNIX的常用命令，可以為學生的機群操作打下良好基礎。軟件使用能力的培養可以樹立學生使用軟件解決實際問題的信心，切實提高學生使用專業軟件解算專業問題的意愿和能力。將書本學習拓展至應用軟件解決實際問題的層次，不再紙上談兵，不僅是GAMIT軟件，擴充到其他常用軟件，都可以活到老、學到老，更可以活到老、用到老。

四、數據分析及應用能力的培養

GPS氣象學的中心詞仍然是氣象學。如何將GPS氣象學中最重要的要素PWV用于氣候和天氣分析是永恒的主題。PWV資料多種多樣，比如探空觀測所得的Radio/PWV、水汽輻射計所得的WVR/PWV等。利用GPS探測大氣可降水量（GPS/PWV），具有時效性強、時間分辨率高、易于維護和更新、費用較低、可全天候觀測等優點。因此，用GPS探測大氣可降水量GPS/PWV（PWV）已經成為大氣研究和天氣預報中的寵兒。事實上，利用PWV資料的研究相當廣泛，比如將PWV資料用于長江三角洲地區水汽在多個時間尺度上的氣候分析，并診斷長江三角洲地區入梅日期，利用PWV資料分析臺風期間大氣中水汽的變化，利用PWV資料對暴雨或飚線等強對流天氣進行過程分析，對持續低溫雪雨中的水汽異常輸送信號、華西秋雨天氣過程中的水汽特征、PWV與大霧天氣關系特征等一系列的研究和分析。通過這些實例講解，引導學生思考如何應用PWV資料進行統計、動力上的數據分析，落腳到研究天氣和氣候過程，并落實到寫出論文，解決實際氣象問題。

誠如以上所言，GPS氣象學是內涵非常豐富的一門學科，是大地測量學、衛星動力學、氣象學的交叉學科。課程設計注重內涵的傳遞，更注重和知識傳授相耦合的多方面能力的培養：逆向思維能力的培養、對公式/原理理解能力的培養、實踐能力的培養以及數據分析及應用能力的培養。希望學生通過課程設計中多維能力的培養，不僅增強本門課程知識的接納、領悟、應用能力，更能舉一反三，觸類旁通，對其他相關專業知識也有更多的領悟。更重要的是，建立利用專業知識解決實際問題的信心，增強問題解決能力。

參考文獻：

[1]李國平，黃丁發，郭潔，陳嬌娜，李國翠，王皓.地基GPS氣象學[M].北京：科學出版社，2010.

[2]丁金才.GPS氣象學及其應用[M].北京：氣象出版社，2009.