《氣象水文觀測資料處理方法》課程教學中的一些思考

（國防科技大學氣象海洋學院 湖南·長沙 410073）

1 概述

氣象水文觀測資料是開展大氣及海洋科學研究及業務保障的基礎，觀測資料的豐富性、準確性及處理的科學性，不僅影響氣象海洋環境保障可靠性，同時對于加深對大氣海洋物理本質的認識，揭示新的大氣海洋變化規律，完善天氣及海洋環境預報理論及預報模式也有重要意義。但實際氣象水文觀測及資料處理中面臨兩方面的問題：一是氣象水文觀測資料受儀器原理、環境擾動及操作人員等因素的影響，不可避免存在測量誤差，如何盡可能評估并減小這些誤差的影響，是保證資料可用首要需要解決的問題；二是為揭示氣象水文信息變化特征、判斷不同天氣系統的變化規律，需要對觀測資料進行合理處理（如統計分析、特征提取等），如何根據不同需求，合理選擇數學模型及方法實現這些資料的優化處理這也是氣象水文觀測資料使用過程需解決的重要問題。《氣象水文觀測資料處理方法》就是針對這兩個問題設計的一門課程。

在我校應用氣象學專業人才培養體系中，《氣象水文觀測資料處理方法》是一門核心專業課，其目的是建立起溝通大氣海洋探測原理、氣象水文觀測業務及科學研究的“橋梁”。通過本課程學習，不僅要使學員鞏固前期的大氣物理、物理海洋與大氣探測學知識，了解觀測資料“到底是什么”、“有什么特性”、“如何使用這些資料”，也為后續的氣象水文觀測業務學習、畢業綜合實踐及后續研究生深造等環節打下良好基礎。

2 主要教學內容

《氣象水文觀測資料處理方法》主要圍繞以下幾個問題開展教學，包括“氣象水文觀測資料處理有什么要求”、“如何控制數據質量”、“采用什么方法分析數據”、“如何讓實現多種資料的融合提升”，“如何提高數據實戰分析能力”。按照該思路，本課程理論教學內容大致可分為3篇章：

第一篇章是基礎篇。該部分教學內容主要包括兩方面：一是介紹氣象水文觀測資料處理的三性要求（包括“代表性”、“準確性”、“比較性”）及其在觀測資料處理中的典型個例；二是介紹誤差處理與質量控制方法，包括如何剔除粗大誤差、發現并訂正系統誤差，如何評估觀測資料的隨機誤差并給出不確定度評定等。

第二篇為統計分析篇。主要針對資料的使用需求，介紹氣象水文觀測資料的常用處理方法，包括回歸分析、判別分析、聚類分析及主成分分析等，并結合實際氣象水文觀測業務及科學研究的需求，設置典型案例，以需求為牽引，提升教學的問題導向性及趣味性。

第三篇是融合同化篇。主要介紹數據的融合提升方法，包括信息融合方法、數據同化方法；為使學員掌握氣象水文觀測資料處理方法的計算實現原理，還增加了常用數值分析方法的介紹。

由于該課程的落腳點是為了提升學員的實際能力，理論教學的同時，還交叉安排了對應的實踐課程，保證每個知識點都能以計算程序的形式予以體現，將資料處理方法的基本物理模型及數學理論烙在學員心里，熟練在學生手上。

3 課程目標及特點

本課程的教學目標是：通過本課程的學習，使學生掌握氣象觀測資料處理的基本要求、質量控制方法、資料統計分析方法及資料融合提升技術，培養學員綜合應用所學知識解決實際氣象水文觀測資料處理問題的能力，打通從“資料是什么”到“資料怎么用”的關節，并通過資料“實戰化”處理，將理論轉為實踐能力。

本課程是一門集“理、工、技”于一體的綜合性課程，既有完整的理論體系，又與新技術、新理論緊密結合，同時也有技能培養要求。在教學實踐中，要高度注意理論講解與實踐能力培養的結合。除此之外，本課程還有以下特點：

一是“需求牽引性強烈”。本課程堅持所有知識點的設置以實際應用為牽引，課程內容設計以氣象水文資料處理的實際問題為引入，通過引進先進數學物理方法，最終解決實際業務及科學研究中的資料處理問題；如在回歸分析中，選取了“鉑電阻溫度計定標問題”作為引入，在講授判別分析時選取了“天氣形勢判別”問題作為切入點等。

二是“理論性強”。該課程學習強調大氣物理、高等數學、矩陣論及概率論與數理統計等知識在氣象水文觀測資料處理領域的應用，相關內容難度大、理論性高。如在氣象水文觀測資料處理部分涉及大量的概率論與數理統計知識，在多級判別、資料同化應用等知識講授過程中，需要學員對矩陣論、泛函分析及變分原理等高等數學知識有一定掌握。

三是“實操性高”。在理論學習的同時，高度重視資料處理能力的培養，特別是對資料分析能力、編程能力極具挑戰性。在實踐環節，不僅需要學員了解觀測資料的特性，同時需要考察學員如何合理選擇處理方法及模型，如何將模型進行流程化設計，如何利用MATLAB或FORTRAN將相關知識落實于程序代碼等。

四是“探索度高”。隨著新探測手段的出現，新的觀測資料處理方法也急需配套，這不僅需要對探測原理和先進數學方法的深入了解，也需要學員有敢于挑戰，敢于探索的勇氣。如通過對先進氣象水文觀測平臺及傳感器的介紹（如“風云4號”氣象衛星及搭載的紅外高光譜輻射計、微波輻射計等），一方面使學員了解大氣探測技術最新進展及原理，更重要的是鼓勵學員根據實際需求，針對性地去思考、學習和探索對應的資料處理方法。

4 一些思考

針對《氣象水文觀測資料處理方法》課程特點，在課程設計及講授過程中我們采用了以下教學方式：

（1）堅持與實際應用為導向，理論與實驗教學相結合，從實際的資料處理問題及需求出發，培養學員利用工具解決實際大氣探測問題的能力。一方面，通過實際問題牽引，激發學員專研氣象水文觀測資料處理方法的興趣，提升課堂的趣味性；通過講思路、講方法，培養學員提出問題、分析問題和解決問題的能力。另一方面，在實踐環節，通過實際資料處理問題分析、編程實踐、效果檢驗、心得體會交流等過程的閉環，將理論知識轉化為實踐能力與工作能力。

（2）堅持導學、研討、啟發相結合。堅持“基本問題導學、核心問題研討、擴展問題啟發”。對于“基本問題”，如基本概念及定義、儀器測量原理，在課前布置學員預習，課上提問并釋疑，以導學的方式促進學員自學能力的提升；對于“核心問題”，如數據質量控制方法，不確定度評定、最小二乘原理等，則通過問題驅動牽引討論，深入認識不同方法的本質、不足和可能的改進途徑，以研討促進質疑能力；對于“擴展問題”（如新型探測與遙感儀器的資料處理方法、最新數學物理方法在氣象水文觀測領域的應用等），堅持實際業務和應用需求驅動的引領，使學員感覺到不斷探索的魅力，以啟發促進培養創造能力。

（3）教員“導”、學員“學”和小組“研”相結合。充分發揮“導”的作用，注意在課堂上的引導和啟發，并注重課后的輔導，使學員學有方向；盡量發掘“學”的作用，教學的主體是學員，充分調動學員的積極性以提高教學質量，并強調學會學習比學會知識更重要，但學會知識是學會學習的途徑；堅持發揚“組”的作用，將學員分組，共同開展預習、討論和研究，使學員認識到大氣探測工作中團隊意識的重要性，培養協作互補的精神。

5 結束語

氣象水文觀測資料的科學處理不僅是實現資料本身“可靠”的需求，也是保證后續科學研究及業務保障有效性的必要措施。為了有效銜接“氣象海洋觀測方法與技術”與氣象水文業務，我校針對應用氣象學專業，構建了《氣象水文觀測資料處理方法》課程，目的在于使學員了解“資料是什么”，“有什么特性”以及“用什么方法來處理這些數據”等，為學員從事第一任職或繼續深造打下良好基礎。本文主要介紹了該課程定位、教學內容設置等，并針對課程特點，介紹了個人在課程教學時的幾點體會與思考。希望通過課程不斷建設與完善，使之成為學員“喜聞樂見”、“增長才干”的課程。