《中尺度氣象學(xué)》教學(xué)體會(huì)與思考

李艷

摘要：《中尺度氣象學(xué)》是大氣科學(xué)專業(yè)本科學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)課程，是在學(xué)習(xí)完成《天氣學(xué)原理》、《動(dòng)力氣象》、《天氣學(xué)基礎(chǔ)》等基本專業(yè)知識(shí)之后對(duì)氣象學(xué)理論與實(shí)踐應(yīng)用的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)與提升，在大氣科學(xué)中占有重要的地位。文章總結(jié)歸納了近幾年在《中尺度氣象學(xué)》教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)與思考，提出了“復(fù)雜的理論、豐富的圖表、細(xì)致的歸納”相結(jié)合的教學(xué)方法、啟發(fā)性的教學(xué)理念，以及天氣個(gè)案例析的教學(xué)思路，希望為《中尺度氣象學(xué)》的教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：中尺度氣象學(xué)；教學(xué)；課程

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）27-0210-02

中尺度氣象學(xué)是研究中尺度天氣系統(tǒng)及與其相聯(lián)系的嚴(yán)重災(zāi)害性天氣（如雷暴、暴雨、冰雹、龍卷、下?lián)舯┝鞯龋┑陌l(fā)生、發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和預(yù)報(bào)理論及方法的學(xué)科，是當(dāng)代大氣科學(xué)中倍受人們關(guān)注的研究領(lǐng)域之一，在大氣科學(xué)中占有重要的地位[1-4]。此課程是南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院針對(duì)已經(jīng)修完基本專業(yè)理論課程（包含《流體力學(xué)》、《天氣學(xué)原理》、《動(dòng)力氣象》）以及基礎(chǔ)應(yīng)用分析課程（包含《中國天氣》、《天氣學(xué)基礎(chǔ)》）的學(xué)生開設(shè)的。課程內(nèi)容包括九章，依次為：中尺度大氣運(yùn)動(dòng)的特征及控制方程組、地形性中尺度環(huán)流、自由大氣非對(duì)流性中尺度環(huán)流、中尺度孤立對(duì)流系統(tǒng)、中尺度帶狀對(duì)流系統(tǒng)、中尺度對(duì)流復(fù)合體、鋒面氣旋及臺(tái)風(fēng)附近的中尺度雨帶、影響中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的因子、中尺度天氣的預(yù)報(bào)。課程的主要目的是進(jìn)一步提高本專業(yè)學(xué)生的理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行理解與分析復(fù)雜天氣過程的能力，熟悉目前的研究進(jìn)展與研究思路，明確中小尺度天氣與天氣尺度（天氣預(yù)報(bào)）的聯(lián)系與差異，從而提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。本文將從以下幾個(gè)方面闡述筆者近幾年來從事《中尺度氣象學(xué)》教學(xué)中的部分經(jīng)驗(yàn)與思考，與大家共勉。

一、“復(fù)雜的理論、豐富的圖表、細(xì)致的歸納”相結(jié)合的教學(xué)方法

《中尺度氣象學(xué)》歷年來均是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。因?yàn)閷W(xué)生需要具備較完整的氣象專業(yè)理論知識(shí)，以及較為熟練的基礎(chǔ)專業(yè)分析能力，而此兩點(diǎn)僅有部分學(xué)生能夠做到。即便如此，能夠在較為復(fù)雜的中尺度天氣過程中將復(fù)雜的理論基礎(chǔ)與合理的天氣分析結(jié)合起來的學(xué)生少之又少。因此，“復(fù)雜的理論、豐富的圖表、細(xì)致的歸納”相結(jié)合的教學(xué)方法應(yīng)運(yùn)而生。其一，與中尺度天氣過程相聯(lián)系的天氣系統(tǒng)，如暴雨、龍卷、中尺度對(duì)流復(fù)合體（MCC）、重力波等，均是天氣學(xué)分析與預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，所用的基礎(chǔ)理論更加復(fù)雜、更加系統(tǒng)；其二，學(xué)生對(duì)復(fù)雜的理論、非線性的偏微分方程的求解等難有感性的認(rèn)識(shí)，必須輔以清晰的、合理的圖表方能讓學(xué)生進(jìn)一步的理解；其三，歸納總結(jié)、對(duì)比分析是學(xué)生理解、掌握的最后保障。因此，只有引導(dǎo)學(xué)生逐一經(jīng)過理論認(rèn)識(shí)、感性認(rèn)識(shí)、到系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的過程，才能增強(qiáng)認(rèn)識(shí)問題與分析問題的能力。

以重力波的特征分析為例闡述“復(fù)雜的理論、豐富的圖表、細(xì)致的歸納”相結(jié)合的教學(xué)方法的應(yīng)用。關(guān)于重力波的定義與特征早在《動(dòng)力氣象學(xué)》中已經(jīng)有所涉及，《動(dòng)力氣象學(xué)》課程上通過非線性偏微分方程求解的方式給出了重力波的頻散關(guān)系式、相速度、群速度等理論關(guān)系式。學(xué)生對(duì)重力波的認(rèn)識(shí)是初步的、公式層面的。因此，課堂上首先把《動(dòng)力氣象學(xué)》中重力波所涉及的內(nèi)容給學(xué)生簡要的復(fù)習(xí)一遍，給出重力波的重要關(guān)系式，通過較為熟悉的內(nèi)容完成“復(fù)雜的理論”部分；接著，利用大量的圖片，包括觀測的山脈背風(fēng)坡的云圖、理想的背風(fēng)波云系等，告訴學(xué)生重力波不僅僅是一種抽象的概念，也是在我們身邊實(shí)實(shí)在在存在的大氣現(xiàn)象。但是重力波到底在天氣過程中起到怎樣的作用？重力波引起天氣變化的作用機(jī)制是什么？必須帶著這些問題去進(jìn)一步學(xué)習(xí)重力波的結(jié)構(gòu)與傳播。通過結(jié)構(gòu)圖的引入學(xué)生基本能夠理解重力波傳播過程中哪些位置有利于垂直對(duì)流，哪些位置有利于高空輻散等，對(duì)于由于重力波參與的天氣過程有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。最后，“歸納總結(jié)”才能讓學(xué)生印象深刻并完全理解。大家所熟悉的Rossby波與重力波存在哪些相似與不同？其發(fā)生的天氣現(xiàn)象有何差異？通過以上問題學(xué)生基本能夠掌握重力波的基本知識(shí)，完成了從抽象概念到理解應(yīng)用的跨越。

課程中“中尺度孤立對(duì)流系統(tǒng)”、“中尺度帶狀對(duì)流系統(tǒng)”，與“中尺度對(duì)流復(fù)合體”這三章內(nèi)容是由淺入深、相輔相成的學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)，需要學(xué)生完全領(lǐng)會(huì)與掌握。這三章內(nèi)容所涉及的中尺度對(duì)流系統(tǒng)分別是：普通單體雷暴、多單體雷暴、超級(jí)單體雷暴、龍卷雷暴、颮線、中尺度對(duì)流復(fù)合體，其相互獨(dú)立又密不可分、相互演變。這部分內(nèi)容的授課過程中，“復(fù)雜的理論、豐富的圖表、細(xì)致的歸納”起了關(guān)鍵的作用。以單體生命史的演變的結(jié)構(gòu)與云水特征圖作為普通單體雷暴的重要目標(biāo)圖形、以多個(gè)普通單體經(jīng)過統(tǒng)一環(huán)流組織起來的多單體特征作為多單體雷暴的基本目標(biāo)圖形、以具有顯著統(tǒng)一環(huán)流與旋轉(zhuǎn)特征的3-D結(jié)構(gòu)圖作為超級(jí)單體風(fēng)暴的特征圖，講授孤立對(duì)流單體部分，這樣學(xué)生通過對(duì)比基本能夠掌握孤立對(duì)流單體的特征，對(duì)其發(fā)展與強(qiáng)度有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，講授由不同孤立對(duì)流單體經(jīng)過有組織的環(huán)流約束排列成帶狀的颮線系統(tǒng)就相對(duì)容易。颮線的結(jié)構(gòu)與中尺度結(jié)構(gòu)圖就是帶狀對(duì)流系統(tǒng)的重點(diǎn)，理論學(xué)習(xí)從基本的結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)變?yōu)轱R線的形成機(jī)制問題。中尺度對(duì)流復(fù)合體是有以上不同的孤立對(duì)流系統(tǒng)與帶狀對(duì)流系統(tǒng)組成的，因此其單體的結(jié)構(gòu)特征與演變是類似的，主要差異是中尺度對(duì)流復(fù)合體是近乎于圓形的。因此，中尺度對(duì)流復(fù)合體的圖表重點(diǎn)應(yīng)該放在中尺度對(duì)流復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、降水特征上，理論重點(diǎn)是解決為什么其會(huì)呈現(xiàn)出圓形的特征來。

二、啟發(fā)性的教學(xué)理念

《中尺度氣象學(xué)》的教學(xué)目的不僅僅是讓學(xué)生掌握相關(guān)內(nèi)容，更重要的是給學(xué)生提出問題與思考，增進(jìn)學(xué)生獨(dú)立認(rèn)識(shí)與解決問題的能力。因此，在教學(xué)過程中需要啟發(fā)性的教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生自己思考解決問題。比如，在講述大氣層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題時(shí)，先給出傳統(tǒng)的位勢穩(wěn)定度的概念，然后提出問題：利用傳統(tǒng)的位勢穩(wěn)定度怎樣解釋超級(jí)對(duì)流單體與熱帶輻合帶地區(qū)云系的發(fā)展？學(xué)生經(jīng)過思考后就比較容易接受后面的第二類條件性不穩(wěn)定的概念了。隨后可以進(jìn)一步提出問題：對(duì)流只能垂直發(fā)展嗎，對(duì)于傾斜對(duì)流的問題應(yīng)該如何去理解？這樣條件性不穩(wěn)定就順利成章地被引出來。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中學(xué)生通過主動(dòng)的思考過程，加深了對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)于課程的學(xué)習(xí)將更加主動(dòng)與積極。

《中尺度氣象學(xué)》的另一個(gè)主要特征是隨著社會(huì)的觀測網(wǎng)絡(luò)與理論分析能力的提高，部分講授內(nèi)容在不斷完善，部分研究理論在不斷深入的特征。研究問題的復(fù)雜性使其仍存在許多正在解決或尚需要進(jìn)一步研究的難題。而課程大綱要求學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容更偏向于天氣發(fā)展的表象，對(duì)其原因的分析并不深入。比如學(xué)習(xí)完成颮線的定義、結(jié)構(gòu)、天氣特征后，合上書本，與學(xué)生一起把所學(xué)內(nèi)容復(fù)習(xí)總結(jié)后，大部分學(xué)生可能感覺到掌握新知識(shí)的欣喜了。接著我會(huì)問颮線為什么會(huì)是這樣的帶狀分布？它為什么會(huì)形成在鋒面前沿的？對(duì)于這些沒有明確解釋的內(nèi)容我會(huì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考，鼓勵(lì)大家發(fā)言。然后根據(jù)自己的理解給他們進(jìn)一步地解釋，也把問題清晰地留給學(xué)生思考，提醒學(xué)生學(xué)無止境，認(rèn)識(shí)總在不斷前進(jìn)。

三、天氣個(gè)案例析的教學(xué)思路

《中尺度天氣學(xué)》是一門理論結(jié)合實(shí)踐的課程，天氣分析與總結(jié)是基礎(chǔ)，復(fù)雜中尺度天氣的機(jī)制認(rèn)識(shí)與應(yīng)用是關(guān)鍵。因此，課程的講述中，典型的天氣個(gè)案的分析與理解是必不可少的。比如，講到颮線時(shí)，大家針對(duì)這一代表性的中尺度系統(tǒng)還是相對(duì)比較陌生的，對(duì)其發(fā)生機(jī)理、造成的天氣影響等方面的認(rèn)識(shí)還只停留在書面上。因此，我會(huì)先將課本上的典型個(gè)例給學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)講解；然后結(jié)合最近1-2年內(nèi)的國內(nèi)外的研究成果，選取具有代表性的個(gè)例（如，2009年6月14日安徽、江蘇邊界的颮線對(duì)流天氣），首先針對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容通過天氣個(gè)例進(jìn)行驗(yàn)證與加深認(rèn)識(shí)，然后就目前的研究方向，提出研究問題，引領(lǐng)大家思考并簡要介紹目前的主要研究手段與研究結(jié)果。這樣學(xué)生對(duì)于颮線的認(rèn)識(shí)就更加深刻了。

講述環(huán)境風(fēng)場的垂直切變對(duì)對(duì)流發(fā)展的作用時(shí)，首先通過理論推導(dǎo)得出即使大氣層結(jié)非常穩(wěn)定時(shí)，一定的環(huán)境風(fēng)垂直切變?nèi)匀荒軌虼龠M(jìn)對(duì)流發(fā)展，因此很多強(qiáng)對(duì)流天氣均伴有高低空急流的耦合作用。然后利用多個(gè)實(shí)際天氣個(gè)例分析，說明不同的對(duì)流發(fā)展階段，環(huán)境風(fēng)垂直切變的作用不同，有時(shí)是對(duì)流發(fā)展的積極作用，有時(shí)又起到削弱作用。比如，對(duì)于臺(tái)風(fēng)發(fā)展初期，較強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)垂直切變是其發(fā)展的不利條件；而當(dāng)臺(tái)風(fēng)發(fā)展到較強(qiáng)強(qiáng)度時(shí)合適的環(huán)境風(fēng)垂直切變有利于對(duì)流層中層暖心結(jié)構(gòu)的維持從而使臺(tái)風(fēng)不斷發(fā)展。但是需要特別指出的是，環(huán)境風(fēng)垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)發(fā)展的影響非常復(fù)雜，在實(shí)際臺(tái)風(fēng)發(fā)展過程中總是能觀測有些臺(tái)風(fēng)在環(huán)境風(fēng)場垂直切變非常強(qiáng)的時(shí)候仍能夠迅速發(fā)展。因此天氣過程是復(fù)雜多變的，一方面其具有相對(duì)普適的規(guī)律，一方面具體問題需要謹(jǐn)慎對(duì)待。

四、結(jié)語

《中尺度氣象學(xué)》是一門需要教師與學(xué)生相互配合，理論與實(shí)踐密切結(jié)合的課程。因?yàn)槠湟话闩c災(zāi)害性天氣相聯(lián)系，也是大氣科學(xué)專業(yè)中難度較大但實(shí)踐意義重大的課程，是大氣科學(xué)專業(yè)本科生走向工作崗位或繼續(xù)科研工作的奠基石。本文從“復(fù)雜的理論、豐富的圖表、細(xì)致的歸納”相結(jié)合的教學(xué)方法、啟發(fā)性的教學(xué)理念，以及天氣個(gè)案例析的教學(xué)思路三個(gè)方面闡述了作者近幾年來的教學(xué)心得，希望能調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，把《中尺度氣象學(xué)》掌握好。

參考文獻(xiàn)：

[1]壽紹文，勵(lì)申申，壽亦萱，等.中尺度天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社，2009：2.

[2]壽紹文，勵(lì)申申，王善華，等.天氣學(xué)分析[M].北京：氣象出版社，2008：2.

[3]壽紹文，勵(lì)申申，壽亦萱，等.中尺度大氣動(dòng)力學(xué)[M].高等教育出版社，2009：1.

[4]壽紹文.天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社，2009：1.