“數值天氣預報”教學改革探索

方雪薇 李興 蘇東生

［摘 要］ “數值天氣預報”是當前天氣預報、氣候預測等氣象業務的重要內容，也是大氣科學專業本科的核心課程。為了應對當前信息化背景下日益增強的構建科研與氣象業務緊密聯系的知識體系的需求，結合實際教學經驗，從教學內容和教學方法入手，對成都信息工程大學大氣科學學院本科“數值天氣預報”課程不斷進行改革，探討了從理論學習為主轉型為基于理論知識、主動探索前沿科學問題的學生培養改革措施，討論了重點培養學生使用數值模式動手解決實際問題能力的必要性，以期提高學生適應社會和科技發展新挑戰的能力。

［關鍵詞］ 數值天氣預報；改革探索；教育轉型；動手能力

［基金項目］ 2023年度成都信息工程大學“《數值天氣預報》線上線下混合式一流課程建設項目”（JYJG2023097）

［作者簡介］ 方雪薇（1990—），女，安徽淮北人，理學博士，成都信息工程大學大氣科學學院副教授，主要從事陸面過程與氣候變化研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）12-0065-04［收稿日期］ 2022-04-22

引言

數值天氣預報的成功是20世紀以來人類最重要的社會技術和科學成就之一，解決了長期以來天氣預報準確率低的問題。如今，天氣預報的準確率的高低主要取決于數值天氣預報的發展。目前，數值天氣預報的水平是衡量世界各國氣象業務現代化水平的標準。一方面，數值模式的廣泛應用為預報業務提供豐富的模式診斷產品，這為人工影響天氣、生態農業、雷暴預警等氣象服務拓展提供了重要支撐；另一方面，數值模式的迅速發展為深入認識和理解天氣和氣候系統演變規律、大氣與多圈層相互作用機制探索等科研工作提供重要途徑。

自20世紀60年代起，計算機技術迅速發展，多尺度觀測手段不斷完善，數值模式逐漸發展為大氣物理、大氣化學、海洋過程、陸面過程及生態過程等多模式耦合的氣候系統與地球系統模式，并廣泛應用于氣象業務及科研工作。2010年4月，中國氣象局數值預報中心成立，吹響了我國數值預報自主研發的號角；2014年，高分辨率資料同化與數值天氣模式被確定為國家氣象科技創新工程三大攻關任務之一；2018年至今，隨著GRAPES全球集合預報系統研發的完成并成功應于業務，我國建成了以自主研發為核心的全球、區域確定性和集合預報系統并位于世界前列。高分辨率資料同化技術與數值天氣模式發展等科研工作的不斷突破，為當前預報體系的完善及氣象服務質量的提高提供了重要基礎。我國“十四五”氣象發展規劃表明，未來我國數值天氣預報的發展方向以數值模式為基礎，以資料同化和數值預報產品釋用技術為支撐的無縫隙智能化網格預報。這意味著未來大氣科學研究工作與氣象業務及服務工作的聯系將更加緊密。作為大氣科學本科核心專業課程之一，“數值天氣預報”課程教學內容及教學方法將直接影響大氣科學人才培養質量，從而對我國未來氣象發展規劃實施產生重要影響。為了應對當前大氣科學專業人才培養要求，成都信息工程大學“數值天氣預報”課程組對該課程教學內容和教學方法不斷優化，在注重理論教學的同時，更加注重多學科交叉及實際動手能力的培養，提升學生實際運行模式的能力，充實教學內容，以期使學生形成較為完善的氣象業務與科學研究緊密聯系的知識體系［1］。

一、教學內容及開設情況

本校“數值天氣預報”課程總計48學時，其中授課40學時，實驗8學時，教學時長10周，選用教材為田永祥等人編寫的《數值天氣預報》，主要參考教科書包括沈桐立等人編寫的《數值天氣預報》和王澄海等人編寫的《大氣數值模式及模擬》。課程教學主要包括以下內容：數值預報模式基本方程組；地圖投影坐標系中的大氣運動基本方程組；數值差分計算方法；正壓原始方程模式；斜壓原始方程模式；初始條件和邊界條件；模式中的物理過程及其參數化方法。其中，地圖投影坐標系大氣運動基本方程組及正壓原始方程模式部分分別設計了2學時及6學時的實驗上機課程，主要目的為鍛煉學生實際編寫程序及運行模式的能力，并通過該過程進一步加深學生對課堂理論知識的理解。

課程實驗部分不僅包含基本數學物理知識的具體應用，還包含了大氣流體、大氣動力、天氣診斷分析等專業基礎知識的綜合應用，涉及Fortran編程語言和NCL語言以及GrADS等畫圖軟件的實際應用，對學生的專業知識綜合運用能力和編程及繪圖參數設置能力要求高［2］。此外，課程授課內容理論性也很強，涉及大量煩瑣公式，抽象的公式推導及計算是大部分學生充分理解課程內容和進一步將其應用于課程實習的障礙，導致學生最終學習效果欠佳。例如，在講述地圖投影坐標系中大氣基本運動方程組的相關內容時，學生對氣象上常用的蘭勃特投影基本概念掌握較為清晰，在具體推導過程中，經詳細演示后大部分同學都可以理解掌握，但涉及綜合使用公式、編程語言實際計算有關參數時，學生出現的問題比較多，其分析和解決運行錯誤的能力有所欠缺，這表明大部分學生在將所學知識應用于處理具體實際問題的過程中存在明顯問題。因此，如何解決這一問題也成了“數值天氣預報”課程改革的重點方向之一。

二、教學實踐改革及探索

為了奠定學生未來從事氣象預報、數值模式研發及產品釋用的堅實的理論及實踐基礎，近年來，“數值天氣預報”課程在教學內容及教學方法上不斷完善。一方面，注重理論知識的多元化演繹，讓學生更直觀和簡潔地獲取主要知識點，大量充實與前沿科研工作相關的教學內容和實驗，增加反映最新科研成果的內容；另一方面，以引導學生發現問題、解決問題為宗旨，在教學過程中激發學生的學習熱情和主觀能動性，適當調整考核方法，使學生主動摒棄靠死記硬背常用概念、參數化方案及公式等完成任務的學習方式。

（一）完善教學內容，豐富教學資源

當代多尺度氣象觀測不斷完善，為數值模式提供了多樣化的初始條件、邊界條件及高質量的初始場，這對數值模式的不斷發展至關重要。近年來，數值模式不斷更新，參數化方案不斷增加和完善，新數值模塊不斷加入使得大氣模式的模擬和預報能力不斷提高，并朝著多尺度、多系統耦合方向發展［3］。為了應對日新月異的發展形勢，課程教學內容除基本的預報原理方法及簡單的數值預報模式介紹外，也要大量增加與之密切關聯的前沿科研工作中常用的各類復雜的數值模式及最新的科研成果介紹，不斷豐富教學資源，使學生了解當前大氣數值模式的攻關難點及未來的發展方向。這不僅可以在一定程度上幫助學生理解傳統知識點，還可以進一步引導學生發散思維，拓寬視野，為日后開展數值模擬和研究奠定良好基礎。比如，在介紹數值計算方案時，要通過誤差分析評估各差分方案對數值模擬的影響。教師對課程的講解如果只停留在種類繁多的差分方程構造原理及誤差推導層面，會使學生感到枯燥無味，無法真正理解差分方式的選取對實際科研工作及預報業務的重要作用，從而喪失學習興趣，只通過死記硬背的方式完成硬性學習任務。但如果在差分格式介紹過程中，穿插展示當前實際數值模擬工作中網格分辨率提高前后的地形對比圖，就能讓學生直觀感受差分模式中，如果選取合適的差分方法構造方程，提高網格分辨率，會大大減小截斷誤差，提高數值計算的精確度，使學生深刻理解差分格式對數值模擬的重要性。同時，從提出到系統闡釋當前科研熱點問題的過程，也會激發學生對數值模式的探索及數值模擬過程的興趣，調動學生對實際模擬工作的積極性，對實踐課程的有效開展產生積極影響。

（二）優化教學方法，加強科研實踐

“數值天氣預報”課程目標之一是通過數值天氣預報的設計實踐，加深學生對數值天氣預報基本原理和方法的理解，學會運用所學編程知識進行數值計算，提高學生模式運行能力和解決問題能力。因此，有必要在保證理論教學質量的同時，不斷優化教學方法，增強課程與科研實踐的聯系。對于理論教學部分，采取引導學生課前積極預習、課后及時歸納為主的教學方式，幫助學生及時歸納知識點，提高學習效率。比如，介紹正壓原始方程模式時，學委在課前及時發布課件，使學生對即將進行的課程的重點、難點做到心中有數，有助于學生在課堂學習中時刻保持清晰的學習思路；課后及時向學生發布內容精練的錄播視頻，標記重難點公式，學生可在課后通過回放學習，根據自身需要查漏補缺；課程內容即將完結時，引導學生跳出課本和講義，脫稿回顧歸納各章節主要內容和重要知識點，從課程設計者的角度梳理各主要章節內在邏輯和聯系，進一步加深學生對所學知識的理解和掌握。在實踐教學時，除了引導學生通過實際敏感性實驗，例如差分格式實驗，了解不同差分方程的構造對正壓原始方程模式模擬結果的影響，還要進一步鼓勵學生通過虛擬仿真實驗室對當前科研及預報業務常用的預報模式，如WRF（Weather Research and Forecast）模式進行實際操作和運行。通過對模式的運行、參數化方案選取的敏感性實驗以及模式輸出結果后處理過程的演示，學生直觀了解并學習了教科書中未涉及的技能知識，這些技能需要使用者通過實際摸索獲得，對實際科研工作及預報業務至關重要，可有效激發學生學習興趣。例如，在WRF模式的運行演示過程中，介紹包含風溫濕壓、云水、降雨、蒸發、土壤溫濕、地表反照率等氣象變量的NCEP網格數據，讓學生了解什么是模式運行的背景場；通過展示零時刻格點變量的值、計算區域外圍各層變量的值，使學生了解什么是模式運行的初始場及邊界條件；通過模擬區域輸出要素與實際個例的比較，使學生了解什么是模式的后處理過程，以及通過模式模擬的精度的分析，進一步引導學生了解參數化方案選取對模式模擬結果的直接影響。雖然已在教科書及課堂教學中重點介紹了這些知識點，但通過此種實際操作方式，學生可直觀地了解教科書中各概念的具體意義，從而更加順暢地從理論學習為主過渡為以發現和解決實際問題為主；同時，通過實踐操作進一步加強學生對所學理論知識的理解。另外，當前大氣數值模式均在Linux系統搭建環境中運行，這就要求學生在實際運行模式前必須掌握Linux系統的基本操作指令。通過Xshell客戶端遠程登錄Linux系統，為學生展示常用指令的使用方式及效果，了解Linux系統特點及用戶環境信息設置方式，讓學生通過操作和模仿，順其自然地掌握常用操作指令并使用Linux系統進行模式編譯及運行，而非直接發布相關運行指令手冊，讓學生死記硬背，喪失學習興趣。

在模式編譯及運行過程中遇到報錯情況時，可通過網絡搜索、文獻下載等方式，實際演示錯誤原因及排查和解決過程，進行啟發式教學，而非直接幫學生解決某一問題。通常，本科生遇到問題或困難時傾向于通過詢問教師、查閱教科書的方式，以期快速獲得解決方法。學生缺乏獨立思考問題、解決問題的過程，難以培養分析問題和解決問題的能力。因此，教師在日常教學中，特別是實踐教學中，要有意識地培養學生利用多種方式收集所需信息的習慣，培養其獨立解決實際問題的能力。學生在實際科研問題的解決過程中得到了鍛煉，這在一定程度上有助于提升學生對自己所學專業的了解和興趣，同時也有助于提高學生的成就感與獲得感，從而在后續的學習中由被動獲取轉變為主動探索，營造良好的學習氛圍。

結語

隨著計算技術的迅速發展及多元觀測資料的廣泛應用，數值天氣預報已成為目前氣象業務不可或缺的重要工具。作為為全國高校及科研院所、氣象和海洋服務部門培養氣象人才的搖籃，成都信息工程大學大氣科學學院一直積極探索，與時俱進，不斷優化課程結構，以迎接科技發展新需求、新挑戰。目前數值模式發展的多樣性和普遍性，要求專業教師時刻保持跟進最新的數值天氣預報研究進展，不斷更新知識體系，豐富教學內容，在教學實踐中不斷完善教學方法，有針對性地向學生傳輸科研工作及氣象業務中至關重要的實際操作知識，例如，目前本科課程未涵蓋的Linux系統操作及使用知識，用實際的科研思維培養學生提出問題和解決問題的能力，提高學生的學習能力，更好地適應中華民族偉大復興新時代下社會發展對氣象人才的要求。

參考文獻

［1］蘇冬梅，劉潔晶.學校應用轉型與教學手段改革研究［J］.教育現代化，2018，5（26）：31-32.

［2］劉宇迪，郭海龍.關于教學轉型后《數值天氣預報》教學改革的思考［J］.教育現代化，2019，6（30）：59-60.

［3］梁佳.“數值模式與模擬”課程教學改革探討［J］.教育教學論壇，2018（18）：120-121.

Exploration on the Teaching Reform of “Numerical Weather Forecasting” under the Need of Close Connection Between Scientific Research and Meteorological Service

FANG Xue-wei， LI Xing， SU Dong-sheng

（School of Atmospheric Sciences， Chengdu University of Information Technology， Chengdu， Sichuan 610225， China）

Abstract： Numerical weather forecasting is an important part of current weather forecasting， climate prediction and other meteorological services， and it is also a core course for undergraduates majoring in atmospheric science. In order to respond to the increasing demand for building a knowledge system that is closely linked between scientific research and meteorological operations under the current informatization background， the undergraduate “Numerical Weather Forecast” course of the School of Atmospheric Science， Chengdu University of Information Technology has been continuously reforming the teaching content and teaching methods. Based on practical teaching experience， the reform measures for cultivating students to actively explore cutting-edge scientific problems based on theoretical knowledge from the aspects of teaching content and teaching methods are discussed. The necessity of problem-solving ability with numerical model of students is also discussed in order to improve students ability to adapt to the new challenges of social and technological development.

Key words： numerical weather forecasting; reform exploration; educational transformation; hands-on ability