“数值天气预报”教学改革探索

方雪薇 李兴 苏东生

［摘 要］ “数值天气预报”是当前天气预报、气候预测等气象业务的重要内容，也是大气科学专业本科的核心课程。为了应对当前信息化背景下日益增强的构建科研与气象业务紧密联系的知识体系的需求，结合实际教学经验，从教学内容和教学方法入手，对成都信息工程大学大气科学学院本科“数值天气预报”课程不断进行改革，探讨了从理论学习为主转型为基于理论知识、主动探索前沿科学问题的学生培养改革措施，讨论了重点培养学生使用数值模式动手解决实际问题能力的必要性，以期提高学生适应社会和科技发展新挑战的能力。

［关键词］ 数值天气预报；改革探索；教育转型；动手能力

［基金项目］ 2023年度成都信息工程大學“《数值天气预报》线上线下混合式一流课程建设项目”（JYJG2023097）

［作者简介］ 方雪薇（1990—），女，安徽淮北人，理学博士，成都信息工程大学大气科学学院副教授，主要从事陆面过程与气候变化研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）12-0065-04［收稿日期］ 2022-04-22

引言

数值天气预报的成功是20世纪以来人类最重要的社会技术和科学成就之一，解决了长期以来天气预报准确率低的问题。如今，天气预报的准确率的高低主要取决于数值天气预报的发展。目前，数值天气预报的水平是衡量世界各国气象业务现代化水平的标准。一方面，数值模式的广泛应用为预报业务提供丰富的模式诊断产品，这为人工影响天气、生态农业、雷暴预警等气象服务拓展提供了重要支撑；另一方面，数值模式的迅速发展为深入认识和理解天气和气候系统演变规律、大气与多圈层相互作用机制探索等科研工作提供重要途径。

自20世纪60年代起，计算机技术迅速发展，多尺度观测手段不断完善，数值模式逐渐发展为大气物理、大气化学、海洋过程、陆面过程及生态过程等多模式耦合的气候系统与地球系统模式，并广泛应用于气象业务及科研工作。2010年4月，中国气象局数值预报中心成立，吹响了我国数值预报自主研发的号角；2014年，高分辨率资料同化与数值天气模式被确定为国家气象科技创新工程三大攻关任务之一；2018年至今，随着GRAPES全球集合预报系统研发的完成并成功应于业务，我国建成了以自主研发为核心的全球、区域确定性和集合预报系统并位于世界前列。高分辨率资料同化技术与数值天气模式发展等科研工作的不断突破，为当前预报体系的完善及气象服务质量的提高提供了重要基础。我国“十四五”气象发展规划表明，未来我国数值天气预报的发展方向以数值模式为基础，以资料同化和数值预报产品释用技术为支撑的无缝隙智能化网格预报。这意味着未来大气科学研究工作与气象业务及服务工作的联系将更加紧密。作为大气科学本科核心专业课程之一，“数值天气预报”课程教学内容及教学方法将直接影响大气科学人才培养质量，从而对我国未来气象发展规划实施产生重要影响。为了应对当前大气科学专业人才培养要求，成都信息工程大学“数值天气预报”课程组对该课程教学内容和教学方法不断优化，在注重理论教学的同时，更加注重多学科交叉及实际动手能力的培养，提升学生实际运行模式的能力，充实教学内容，以期使学生形成较为完善的气象业务与科学研究紧密联系的知识体系［1］。

一、教学内容及开设情况

本校“数值天气预报”课程总计48学时，其中授课40学时，实验8学时，教学时长10周，选用教材为田永祥等人编写的《数值天气预报》，主要参考教科书包括沈桐立等人编写的《数值天气预报》和王澄海等人编写的《大气数值模式及模拟》。课程教学主要包括以下内容：数值预报模式基本方程组；地图投影坐标系中的大气运动基本方程组；数值差分计算方法；正压原始方程模式；斜压原始方程模式；初始条件和边界条件；模式中的物理过程及其参数化方法。其中，地图投影坐标系大气运动基本方程组及正压原始方程模式部分分别设计了2学时及6学时的实验上机课程，主要目的为锻炼学生实际编写程序及运行模式的能力，并通过该过程进一步加深学生对课堂理论知识的理解。

课程实验部分不仅包含基本数学物理知识的具体应用，还包含了大气流体、大气动力、天气诊断分析等专业基础知识的综合应用，涉及Fortran编程语言和NCL语言以及GrADS等画图软件的实际应用，对学生的专业知识综合运用能力和编程及绘图参数设置能力要求高［2］。此外，课程授课内容理论性也很强，涉及大量烦琐公式，抽象的公式推导及计算是大部分学生充分理解课程内容和进一步将其应用于课程实习的障碍，导致学生最终学习效果欠佳。例如，在讲述地图投影坐标系中大气基本运动方程组的相关内容时，学生对气象上常用的兰勃特投影基本概念掌握较为清晰，在具体推导过程中，经详细演示后大部分同学都可以理解掌握，但涉及综合使用公式、编程语言实际计算有关参数时，学生出现的问题比较多，其分析和解决运行错误的能力有所欠缺，这表明大部分学生在将所学知识应用于处理具体实际问题的过程中存在明显问题。因此，如何解决这一问题也成了“数值天气预报”课程改革的重点方向之一。

二、教学实践改革及探索

为了奠定学生未来从事气象预报、数值模式研发及产品释用的坚实的理论及实践基础，近年来，“数值天气预报”课程在教学内容及教学方法上不断完善。一方面，注重理论知识的多元化演绎，让学生更直观和简洁地获取主要知识点，大量充实与前沿科研工作相关的教学内容和实验，增加反映最新科研成果的内容；另一方面，以引导学生发现问题、解决问题为宗旨，在教学过程中激发学生的学习热情和主观能动性，适当调整考核方法，使学生主动摒弃靠死记硬背常用概念、参数化方案及公式等完成任务的学习方式。

（一）完善教学内容，丰富教学资源

当代多尺度气象观测不断完善，为数值模式提供了多样化的初始条件、边界条件及高质量的初始场，这对数值模式的不断发展至关重要。近年来，数值模式不断更新，参数化方案不断增加和完善，新数值模块不断加入使得大气模式的模拟和预报能力不断提高，并朝着多尺度、多系统耦合方向发展［3］。为了应对日新月异的发展形势，课程教学内容除基本的预报原理方法及简单的数值预报模式介绍外，也要大量增加与之密切关联的前沿科研工作中常用的各类复杂的数值模式及最新的科研成果介绍，不断丰富教学资源，使学生了解当前大气数值模式的攻关难点及未来的发展方向。这不仅可以在一定程度上帮助学生理解传统知识点，还可以进一步引导学生发散思维，拓宽视野，为日后开展数值模拟和研究奠定良好基础。比如，在介绍数值计算方案时，要通过误差分析评估各差分方案对数值模拟的影响。教师对课程的讲解如果只停留在种类繁多的差分方程构造原理及误差推导层面，会使学生感到枯燥无味，无法真正理解差分方式的选取对实际科研工作及预报业务的重要作用，从而丧失学习兴趣，只通过死记硬背的方式完成硬性学习任务。但如果在差分格式介绍过程中，穿插展示当前实际数值模拟工作中网格分辨率提高前后的地形对比图，就能让学生直观感受差分模式中，如果选取合适的差分方法构造方程，提高网格分辨率，会大大减小截断误差，提高数值计算的精确度，使学生深刻理解差分格式对数值模拟的重要性。同时，从提出到系统阐释当前科研热点问题的过程，也会激发学生对数值模式的探索及数值模拟过程的兴趣，调动学生对实际模拟工作的积极性，对实践课程的有效开展产生积极影响。

（二）优化教学方法，加强科研实践

“数值天气预报”课程目标之一是通过数值天气预报的设计实践，加深学生对数值天气预报基本原理和方法的理解，学会运用所学编程知识进行数值计算，提高学生模式运行能力和解决问题能力。因此，有必要在保证理论教学质量的同时，不断优化教学方法，增强课程与科研实践的联系。对于理论教学部分，采取引导学生课前积极预习、课后及时归纳为主的教学方式，帮助学生及时归纳知识点，提高学习效率。比如，介绍正压原始方程模式时，学委在课前及时发布课件，使学生对即将进行的课程的重点、难点做到心中有数，有助于学生在课堂学习中时刻保持清晰的学习思路；课后及时向学生发布内容精练的录播视频，标记重难点公式，学生可在课后通过回放学习，根据自身需要查漏补缺；课程内容即将完结时，引导学生跳出课本和讲义，脱稿回顾归纳各章节主要内容和重要知识点，从课程设计者的角度梳理各主要章节内在逻辑和联系，进一步加深学生对所学知识的理解和掌握。在实践教学时，除了引导学生通过实际敏感性实验，例如差分格式实验，了解不同差分方程的构造对正压原始方程模式模拟结果的影响，还要进一步鼓励学生通过虚拟仿真实验室对当前科研及预报业务常用的预报模式，如WRF（Weather Research and Forecast）模式进行实际操作和运行。通过对模式的运行、参数化方案选取的敏感性实验以及模式输出结果后处理过程的演示，学生直观了解并学习了教科书中未涉及的技能知识，这些技能需要使用者通过实际摸索获得，对实际科研工作及预报业务至关重要，可有效激发学生学习兴趣。例如，在WRF模式的运行演示过程中，介绍包含风温湿压、云水、降雨、蒸发、土壤温湿、地表反照率等气象变量的NCEP网格数据，让学生了解什么是模式运行的背景场；通过展示零时刻格点变量的值、计算区域外围各层变量的值，使学生了解什么是模式运行的初始场及边界条件；通过模拟区域输出要素与实际个例的比较，使学生了解什么是模式的后处理过程，以及通过模式模拟的精度的分析，进一步引导学生了解参数化方案选取对模式模拟结果的直接影响。虽然已在教科书及课堂教学中重点介绍了这些知识点，但通过此种实际操作方式，学生可直观地了解教科书中各概念的具体意义，从而更加顺畅地从理论学习为主过渡为以发现和解决实际问题为主；同时，通过实践操作进一步加强学生对所学理论知识的理解。另外，当前大气数值模式均在Linux系统搭建环境中运行，这就要求学生在实际运行模式前必须掌握Linux系统的基本操作指令。通过Xshell客户端远程登录Linux系统，为学生展示常用指令的使用方式及效果，了解Linux系统特点及用户环境信息设置方式，让学生通过操作和模仿，顺其自然地掌握常用操作指令并使用Linux系统进行模式编译及运行，而非直接发布相关运行指令手册，让学生死记硬背，丧失学习兴趣。

在模式编译及运行过程中遇到报错情况时，可通过网络搜索、文献下载等方式，实际演示错误原因及排查和解决过程，进行启发式教学，而非直接帮学生解决某一问题。通常，本科生遇到问题或困难时倾向于通过询问教师、查阅教科书的方式，以期快速获得解决方法。学生缺乏独立思考问题、解决问题的过程，难以培养分析问题和解决问题的能力。因此，教师在日常教学中，特别是实践教学中，要有意识地培养学生利用多种方式收集所需信息的习惯，培养其独立解决实际问题的能力。学生在实际科研问题的解决过程中得到了锻炼，这在一定程度上有助于提升学生对自己所学专业的了解和兴趣，同时也有助于提高学生的成就感与获得感，从而在后续的学习中由被动获取转变为主动探索，营造良好的学习氛围。

结语

随着计算技术的迅速发展及多元观测资料的广泛应用，数值天气预报已成为目前气象业务不可或缺的重要工具。作为为全国高校及科研院所、气象和海洋服务部门培养气象人才的摇篮，成都信息工程大学大气科学学院一直积极探索，与时俱进，不斷优化课程结构，以迎接科技发展新需求、新挑战。目前数值模式发展的多样性和普遍性，要求专业教师时刻保持跟进最新的数值天气预报研究进展，不断更新知识体系，丰富教学内容，在教学实践中不断完善教学方法，有针对性地向学生传输科研工作及气象业务中至关重要的实际操作知识，例如，目前本科课程未涵盖的Linux系统操作及使用知识，用实际的科研思维培养学生提出问题和解决问题的能力，提高学生的学习能力，更好地适应中华民族伟大复兴新时代下社会发展对气象人才的要求。

参考文献

［1］苏冬梅，刘洁晶.学校应用转型与教学手段改革研究［J］.教育现代化，2018，5（26）：31-32.

［2］刘宇迪，郭海龙.关于教学转型后《数值天气预报》教学改革的思考［J］.教育现代化，2019，6（30）：59-60.

［3］梁佳.“数值模式与模拟”课程教学改革探讨［J］.教育教学论坛，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