关于高校大气科学类专业实践课程设置的探讨

王树舟

【摘 要】本文结合南京信息工程大学大气科学专业教学实际，从观测方法、数据处理、数值模拟三个方面讨论了高校大气科学类专业实践课程设置的合理性。

【关键词】大气科学；应用气象学；实践课程

大气科学是研究大气的各种现象（包括人类活动对它的影响）及其演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。高校开设大气科学类专业主要培养具有扎实的大气科学基本理论、基本知识和基本技能，能从事大气科学理论研究以及业务工作的专门人才。学生的就业主要在气象、民航、海洋、水电、环保、农业、国防、高校和科研院所等部门。

大气科学研究内容很多，各个高校开设的大气科学类专业也有所侧重。例如，南京信息工程大学大气科学类专业有多个：大气科学、应用气象学、大气科学（大气探测）、大气科学（大气物理）、大气科学（大气环境）等。大气科学专业是由天气动力学专业更名而来，但更加注重学科宽基础的教育。该专业最主要专业课有：天气学原理、动力气象学、数值天气预报、短期气候预测等。主要实践课程有：大气探测实习、气象程序设计及绘图、气象统计方法实习、天气学分析基础、典型天气过程分析、数值天气预报实习、短期气候预测实习、天气会商与讨论、天气学诊断分析、气象雷达资料处理及应用、气象卫星资料处理及应用、数值模式与模拟等。大气科学的新发展必将不断提高它为生产和生活服务的能力，如提高天气和气候预报的准确率，为开发利用气候资源，制定发展战略和经济政策提供更加可靠的科学依据。这就要求我们对人才的培养有更高的要求。

不同用人单位对毕业生的要求也不一样。气象部门希望招收的毕业生能熟悉各种观测仪器，能进行天气预报。科研单位希望毕业生有扎实的数理基础，较强的数据处理和分析能力。总体来讲，用人单位要求学生应该具有较好的天气动力学、大气物理学、气候学和大气环境学基础，能够熟悉当前的主流观测仪器，数据处理方法，并能运行一些数值模式。实际上，这样的要求对于本科生来讲是不容易达到的，因为他们需要学习的课程太多了。这就要求高校能更加合理安排学生的实践课程。下面从观测方法、数据处理、数值模拟三个方面讨论一下课程的设置。

1 观测方法

气象观测是大气科学研究的基础。气象观测，是指对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行个别或系统的、连续的观察和测定，并对获得的记录进行整理。按观测手段又可分为地面气象观测、高空气象观测、专业性气象探测。其中，地面气象观测是最基础的，主要指以目力或仪器对近地面层的大气状况进行观察和测定。高空气象观测指利用气球、无线电探空仪、气象探测飞机、气象火箭、气象雷达和卫星等对自由大气的 压、温、湿、风等要素进行探测。这两项观测是大气科学类本科生必须学习的。教学过程中我们会发现，部分同学由于某些原因并没有接触过气象仪器，部分学生是有一些气象仪器知识的。然而有一些比较高级、昂贵的仪器绝大多数学生没有接触过。而这些仪器在近些年又应用比较广泛，比如涡动相关观测系统。该系统用于微气象学和生态学等方面研究，可长期自动连续监测。应用气象学专业的学生一般都要学习这个系统的使用。可以专门安排专家讲解其工作原理和采集数据的处理。无线电探空等高空气象观测可以由教师和学生合作完成。对于气象卫星和雷达产品的使用，大多是安排在研究生的实践课程。当然，不同的专业可有各自的偏重。观测实习可以激发学生的兴趣和提高动手能力。为此，南京信息工程大学就定期举办气象探测技能竞赛。

2 数据处理

大气科学研究中要处理多种数据，这不仅需要有扎实的数理基础，还要有较高的计算机语言编写能力。气象统计方法课程可以让学生掌握基本的气象资料统计方法和数据处理方法。大量的气象观测和模拟数据的处理要依靠计算机来完成。目前，使用最广泛的是FORTRAN语言和GrADS数据图形处理软件。南京信息工程大学的FORTRAN语言是由大气科学学院自己开设的，这样比较有针对性，可以直接给学生讲解气象数据的处理。当然还有MATLAB和NCL等数据处理和绘图软件的应用也日益广泛。NCL数据处理和绘图课程也有一些高校对研究生和高年级本科生开设。NCL软件是由美国国家大气研究中心针对大气科学研究与气象业务需求而推出的免费的数据处理和绘图软件，提供了大量大气科学常用计算函数和子程序。用户可以自由调用这些子程序，减少了编写程序的时间，对处理好的数据直接通过绘图函数得到各种常用图形。这些课程里面，还会涉及数据读写和存放格式问题的处理，这对很多学生来讲是难点。

另外，天气学分析也是必修的课程。该课程要求把观测到的各个气象台站的气象要素填到天气图上，并且通过分析这些气象要素分布，画出等值线，进而分析天气形势。在此基础上，典型天气分析课程是使用这样的方法分析一些典型的天气过程。学生可以学到基本的通过外推法作天气预报的基本方法。当然，具体的毕业实习阶段，学生还要学习MICAPS软件。MICAPS，即现代化人机交互气象信息处理和天气预报制作系统，系中国气象部门气象卫星、天气雷达和数值预报等产品的综合应用最强有力业务技术支撑平台，是中国气象部门气象预报最主要的预报业务系统。目前，MICAPS4是MICAPS系列的最新版本。在毕业实习阶段宜加强该业务系统的实习。

3 数值模拟

近几十年来，大气数值模式已经成为天气预报和气候预测的重要手段。数值模式也由天气预报模式发展到了气候系统模式和地球系统模式。数值模式也成为诊断和再现天气气候事件、深入认识和理解天气气候事件发展物理机制的重要工具。现在的气象部门都已开展数值预报业务。数值天气预报的实质就是给定某一时刻的大气初值（气压、温度、湿度，风等），用数值计算方法求解描述大气运动的偏微分方程组，获得未来时刻的预报值。当前，数值天气预报业务正向“两端”和集合预报发展，实现天气-气候无缝隙对接。气象预报预测业务更加强调数值预报业务的基础地位，将其作为提高预报预测准确率和精细化水平的关键。这就要求大气科学类专业的毕业生能有数值模拟的基本技能。在数值天气预报课程的实习部分可以提供简单原始方程模式的实习和中尺度天气预报模式WRF的实习。对研究生和高年级本科生开设这样的课程是很有必要的。但是现在的数值模式大多是在Linux计算机操作系统下运行的，这就要求学生有一定的Linux基础。所以，本科生很难真正进行复杂的数值模拟试验。不过，高年级的学生可以选修或者自学Linux基础的课程。在本科毕业论文的写作中，有些指导老师也会让学生运行数值模式。

本文從观测方法、数据处理、数值模拟三个方面探讨了大气科学类专业的实践课程设置问题。大气科学类专业对学生的数理基础和计算机要求都很高，高校应该多开设相应实践课程，学生也可以去计算机类学院选修一些计算机操作系统和高级语言课程。学好气象数据处理实践课程对毕业论文的写作和进入研究生阶段的科研都很重要。对于进入业务部门参加工作的学生更应重视观测方法、MICAPS系统和数值预报产品释用的学习。此外，中国气象局十分重视毕业生的业务能力，正制定和完善“大气科学类专业学生赴气象业务单位实习实践管理办法”、“大气科学类专业学生实习实践基地建设规划”等文件，组织开展学生校外实习实践工作。教育部和中国气象局还成立了中国气象人才培养联盟，旨在强化各成员单位在人才培养等方面的特色和优势，在学科建设、课程体系建设、实习实训等方面开展全方位、多层次合作，提升气象教育教学质量和办学水平。endprint