《气象水文观测资料处理方法》课程教学中的一些思考

（国防科技大学气象海洋学院 湖南·长沙 410073）

1 概述

气象水文观测资料是开展大气及海洋科学研究及业务保障的基础，观测资料的丰富性、准确性及处理的科学性，不仅影响气象海洋环境保障可靠性，同时对于加深对大气海洋物理本质的认识，揭示新的大气海洋变化规律，完善天气及海洋环境预报理论及预报模式也有重要意义。但实际气象水文观测及资料处理中面临两方面的问题：一是气象水文观测资料受仪器原理、环境扰动及操作人员等因素的影响，不可避免存在测量误差，如何尽可能评估并减小这些误差的影响，是保证资料可用首要需要解决的问题；二是为揭示气象水文信息变化特征、判断不同天气系统的变化规律，需要对观测资料进行合理处理（如统计分析、特征提取等），如何根据不同需求，合理选择数学模型及方法实现这些资料的优化处理这也是气象水文观测资料使用过程需解决的重要问题。《气象水文观测资料处理方法》就是针对这两个问题设计的一门课程。

在我校应用气象学专业人才培养体系中，《气象水文观测资料处理方法》是一门核心专业课，其目的是建立起沟通大气海洋探测原理、气象水文观测业务及科学研究的“桥梁”。通过本课程学习，不仅要使学员巩固前期的大气物理、物理海洋与大气探测学知识，了解观测资料“到底是什么”、“有什么特性”、“如何使用这些资料”，也为后续的气象水文观测业务学习、毕业综合实践及后续研究生深造等环节打下良好基础。

2 主要教学内容

《气象水文观测资料处理方法》主要围绕以下几个问题开展教学，包括“气象水文观测资料处理有什么要求”、“如何控制数据质量”、“采用什么方法分析数据”、“如何让实现多种资料的融合提升”，“如何提高数据实战分析能力”。按照该思路，本课程理论教学内容大致可分为3篇章：

第一篇章是基础篇。该部分教学内容主要包括两方面：一是介绍气象水文观测资料处理的三性要求（包括“代表性”、“准确性”、“比较性”）及其在观测资料处理中的典型个例；二是介绍误差处理与质量控制方法，包括如何剔除粗大误差、发现并订正系统误差，如何评估观测资料的随机误差并给出不确定度评定等。

第二篇为统计分析篇。主要针对资料的使用需求，介绍气象水文观测资料的常用处理方法，包括回归分析、判别分析、聚类分析及主成分分析等，并结合实际气象水文观测业务及科学研究的需求，设置典型案例，以需求为牵引，提升教学的问题导向性及趣味性。

第三篇是融合同化篇。主要介绍数据的融合提升方法，包括信息融合方法、数据同化方法；为使学员掌握气象水文观测资料处理方法的计算实现原理，还增加了常用数值分析方法的介绍。

由于该课程的落脚点是为了提升学员的实际能力，理论教学的同时，还交叉安排了对应的实践课程，保证每个知识点都能以计算程序的形式予以体现，将资料处理方法的基本物理模型及数学理论烙在学员心里，熟练在学生手上。

3 课程目标及特点

本课程的教学目标是：通过本课程的学习，使学生掌握气象观测资料处理的基本要求、质量控制方法、资料统计分析方法及资料融合提升技术，培养学员综合应用所学知识解决实际气象水文观测资料处理问题的能力，打通从“资料是什么”到“资料怎么用”的关节，并通过资料“实战化”处理，将理论转为实践能力。

本课程是一门集“理、工、技”于一体的综合性课程，既有完整的理论体系，又与新技术、新理论紧密结合，同时也有技能培养要求。在教学实践中，要高度注意理论讲解与实践能力培养的结合。除此之外，本课程还有以下特点：

一是“需求牵引性强烈”。本课程坚持所有知识点的设置以实际应用为牵引，课程内容设计以气象水文资料处理的实际问题为引入，通过引进先进数学物理方法，最终解决实际业务及科学研究中的资料处理问题；如在回归分析中，选取了“铂电阻温度计定标问题”作为引入，在讲授判别分析时选取了“天气形势判别”问题作为切入点等。

二是“理论性强”。该课程学习强调大气物理、高等数学、矩阵论及概率论与数理统计等知识在气象水文观测资料处理领域的应用，相关内容难度大、理论性高。如在气象水文观测资料处理部分涉及大量的概率论与数理统计知识，在多级判别、资料同化应用等知识讲授过程中，需要学员对矩阵论、泛函分析及变分原理等高等数学知识有一定掌握。

三是“实操性高”。在理论学习的同时，高度重视资料处理能力的培养，特别是对资料分析能力、编程能力极具挑战性。在实践环节，不仅需要学员了解观测资料的特性，同时需要考察学员如何合理选择处理方法及模型，如何将模型进行流程化设计，如何利用MATLAB或FORTRAN将相关知识落实于程序代码等。

四是“探索度高”。随着新探测手段的出现，新的观测资料处理方法也急需配套，这不仅需要对探测原理和先进数学方法的深入了解，也需要学员有敢于挑战，敢于探索的勇气。如通过对先进气象水文观测平台及传感器的介绍（如“风云4号”气象卫星及搭载的红外高光谱辐射计、微波辐射计等），一方面使学员了解大气探测技术最新进展及原理，更重要的是鼓励学员根据实际需求，针对性地去思考、学习和探索对应的资料处理方法。

4 一些思考

针对《气象水文观测资料处理方法》课程特点，在课程设计及讲授过程中我们采用了以下教学方式：

（1）坚持与实际应用为导向，理论与实验教学相结合，从实际的资料处理问题及需求出发，培养学员利用工具解决实际大气探测问题的能力。一方面，通过实际问题牵引，激发学员专研气象水文观测资料处理方法的兴趣，提升课堂的趣味性；通过讲思路、讲方法，培养学员提出问题、分析问题和解决问题的能力。另一方面，在实践环节，通过实际资料处理问题分析、编程实践、效果检验、心得体会交流等过程的闭环，将理论知识转化为实践能力与工作能力。

（2）坚持导学、研讨、启发相结合。坚持“基本问题导学、核心问题研讨、扩展问题启发”。对于“基本问题”，如基本概念及定义、仪器测量原理，在课前布置学员预习，课上提问并释疑，以导学的方式促进学员自学能力的提升；对于“核心问题”，如数据质量控制方法，不确定度评定、最小二乘原理等，则通过问题驱动牵引讨论，深入认识不同方法的本质、不足和可能的改进途径，以研讨促进质疑能力；对于“扩展问题”（如新型探测与遥感仪器的资料处理方法、最新数学物理方法在气象水文观测领域的应用等），坚持实际业务和应用需求驱动的引领，使学员感觉到不断探索的魅力，以启发促进培养创造能力。

（3）教员“导”、学员“学”和小组“研”相结合。充分发挥“导”的作用，注意在课堂上的引导和启发，并注重课后的辅导，使学员学有方向；尽量发掘“学”的作用，教学的主体是学员，充分调动学员的积极性以提高教学质量，并强调学会学习比学会知识更重要，但学会知识是学会学习的途径；坚持发扬“组”的作用，将学员分组，共同开展预习、讨论和研究，使学员认识到大气探测工作中团队意识的重要性，培养协作互补的精神。

5 结束语

气象水文观测资料的科学处理不仅是实现资料本身“可靠”的需求，也是保证后续科学研究及业务保障有效性的必要措施。为了有效衔接“气象海洋观测方法与技术”与气象水文业务，我校针对应用气象学专业，构建了《气象水文观测资料处理方法》课程，目的在于使学员了解“资料是什么”，“有什么特性”以及“用什么方法来处理这些数据”等，为学员从事第一任职或继续深造打下良好基础。本文主要介绍了该课程定位、教学内容设置等，并针对课程特点，介绍了个人在课程教学时的几点体会与思考。希望通过课程不断建设与完善，使之成为学员“喜闻乐见”、“增长才干”的课程。