《海洋數據處理實驗》的教學內容設計

宋雪瓏　萬劍鋒　覃琴　陳家棟

【摘 要】本文根據海洋科學的資料和數據，以及Excel、Matlab和Ocean Data View三種軟件，設計了《海洋數據處理實驗》課程的教學內容。

【關鍵詞】海洋實驗；數據處理；教學內容

0 引言

近年來，國內外都非常重視海洋觀測，通過遙感衛星、走航、浮標和潛標等監測手段，得到了大量的數據。這些數據需要研究人員進行詳細整理和深入分析，才能得出科學的結論，體現觀測數據的價值。因此，海洋數據處理對于海洋科學研究來說是至關重要的。然而，目前大多數海洋類院校并沒有開設這門課程，或者只開設了海洋數據處理的理論課程，這樣不利于提高學生的動手能力，也不利于學生在海洋科學研究方面的進一步發展。

根據海洋監測和科研中的需求，本人認為《海洋數據處理實驗》課程的開設是非常有必要的，并設計了《海洋數據處理實驗》課程的教學內容。這門課程根據網上開放下載的海洋資料和數據，指導學生采用Excel、Matlab和Ocean Data View軟件進行分析處理，繪制成規范的圖片。下面分別介紹Excel、Matlab和Ocean Data View這3種軟件的教學內容。

1 Excel軟件的教學內容

微軟公司出品的Excel辦公軟件是功能強大、技術先進、使用方便且靈活的電子表格軟件。Excel的主要功能包括制作電子表格、數據運算、數據分析與篩選、制作圖表和打印數據等。在海洋科學方面，運用Excel軟件能夠進行科學計算、分析海洋數據、繪制海洋圖表，相關的教學內容如下。

1.1 常用海洋單位的換算

實驗目的：掌握海洋單位的換算；了解海洋物理量的計算。

實驗內容：1）將128 dbar、45 dbar、9 dbar分別換算成巴、帕斯卡和百帕；2）將經緯度113.211°E、34.5123°N、83.134°S分別換算成度分秒格式；3）將14海里、370海里分別換算成千米和里；4）將10.8節、18節分別換算成千米每小時和米每秒；5）海水的密度為1024kg/m3，計算比容和密度超量；6）計算結果均保留完整的小數。

1.2 渤海各類水質的面積

實驗目的：掌握餅狀圖的畫法；了解我國渤海水質狀況。

實驗內容：1）記錄《2015年中國海洋環境狀況公報》中的秋季渤海海水水質數據；2）畫出各類水質的面積餅狀圖；3）餅狀圖內顯示水質等級和百分比；4）添加繪圖區邊框，邊框顏色為“黑色”，寬度為“2磅”；5）字體均設置為“黑體”，“加粗”。

1.3 黃海綠潮面積的變化

實驗目的：掌握柱狀圖的畫法；了解黃海綠潮最大分布面積的變化。

實驗內容：1）根據2008到2015年的《中國海洋環境狀況公報》，記錄每年黃海綠潮的最大分布面積；2）畫出綠潮隨時間變化的柱狀圖；3）縱坐標從0到60000，間隔為10000，橫坐標間隔為1；4）柱形結構的填充顏色為淺綠色，添加數據標簽；5）標題為“黃海綠潮分布面積（km2）”；6）字體均設置為“黑體”，“加粗”。

1.4 我國沿海省份海平面高度變化

實驗目的：掌握直線圖的畫法；了解沿海省份海平面變化的特點。

實驗內容：1）根據2007到2015年的《中國海平面公報》，畫出遼寧、山東、浙江和海南的海平面高度變化直線圖；2）橫坐標為年份（2007到2015），縱坐標為高度（0到160）；3）橫坐標間隔為1，縱坐標間隔為40；4）分別畫出遼寧（黑）、浙江（藍）、山東（橙）和海南（紅）四條線，線條寬度設置為“2.5磅”；5）圖片標題為“海平面高度變化（mm）”，顯示圖例，添加繪圖區邊框；6）字體均設置為“宋體”，“加粗”。

2 Matlab軟件的教學內容

Matlab是一種用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境。Matlab的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。Matlab開發了海洋資料分析處理的應用程序，較容易地實現了海洋要素的計算、異常值處理、矢量圖及其它圖形的繪制和顯示等功能，解決了其他應用難以解決的問題[1]，相關的教學內容如下。

2.1 潮汐曲線圖

實驗目的：掌握Matlab曲線圖的繪制方法；了解潮汐高度的變化。

實驗內容：1）根據北海市潮汐表，畫出2016年5月13日的北海市潮汐曲線圖；2）橫坐標為小時，從0到24，縱坐標為高度，從0到500；3）添加橫坐標和縱坐標的網格線；4）潮汐曲線的線條顏色為紫色，寬度設置為3.0；5）所有字體均設置為“宋體”，“加粗”。

2.2 海洋參數計算

實驗目的：掌握Matlab統計函數；了解SeaWater函數工具包。

實驗內容：1）根據海洋的溫鹽深儀（Conductivity-Temperature-Depth，CTD）數據，計算溫度的平均值、中位數、最大值、最小值和標準差；2）利用Matlab中的hist和bar函數，畫出溫度的統計直方圖；3）導入SeaWater函數工具包；4）根據SeaWater工具包中的函數，計算位溫、密度和位密。

2.3 溫鹽散點圖

實驗目的：掌握散點圖的繪制方法；了解海洋溫度和鹽度的特點。

實驗內容：1）根據海洋的CTD數據，畫出溫鹽散點圖；2）橫坐標為鹽度，縱坐標為溫度；3）橫坐標標簽為“鹽度 /psu”，縱坐標標簽為“溫度 /°C”，標簽字體大小為20；4）數據點的顏色為藍色，大小為15；5）圖片標題為“溫鹽散點圖”，字體大小設置為20；6）圖片中的字體均設置為“Times New Roman”。

3 Ocean Data View軟件的教學內容

海洋數據視圖（Ocean Data View，ODV）應用軟件，是德國阿爾弗雷德·韋格納極地與海洋研究所研制開發的海洋學應用軟件包。ODV能夠繪制出高質量的站位圖、時間序列圖、垂直斷面圖、散點圖和空間分布圖等，具有設計靈活、功能齊全、操作簡單等特點，得到了海洋科研人員廣泛的認可和應用[2]。掌握ODV軟件，可以在海洋科學研究中，繪制出美觀、規范的圖片，相關的教學內容如下。

3.1 畫出中國地圖并標出島嶼位置

實驗目的：掌握ODV地圖的畫法；了解我國島嶼的位置。

實驗內容：1）查詢下列島嶼的經緯度：永暑島、永興島、釣魚島、曾母暗沙；2）畫出完整的中國地圖，并標出上述島嶼；3）地圖的經緯度范圍設置為緯度（0°到60°N），經度（70°E到140°E）；4）添加地形和國界線；5）調色板顏色設置為“GEBCO”；6）島嶼標記的大小設置為50，顏色為粉色；7）寫上島嶼名字，字體為“幼圓”，大小為“10 pt”，取消斜體。

3.2 全球海表面溫度

實驗目的：掌握海表面溫度散點圖的繪制方法，了解全球海表面溫度的特點。

實驗內容：1）根據美國環境預報中心的海表面溫度數據，畫出全球海表溫度圖；2）經緯度范圍設置為緯度（90°S到90°N），經度（180°W到180°E）；3）取消坐標軸題目，調色板顏色為“BlueGreenRed”；4）散點的大小設置為20；5）取消地形，顏色條范圍設置為0到30，以10為間隔。

3.3 北冰洋海冰變化

實驗目的：掌握海冰插值圖的繪制方法；了解2006和2007年的海冰狀況。

實驗內容：1）根據遙感衛星的海冰密集度數據，分別畫出2006和2007年北冰洋的海冰狀況圖；2）選擇北極投影，緯度范圍從65°N到90°N；3）插值方式采用DIVA，X軸和Y軸的平滑尺度均設置為30；4）調色板顏色設置為“Blueonly”，白色代表海冰，藍色代表海水；5）取消地形，隱藏數據點；6）添加海冰密集度為50的等值線。

4 總結

在實際教學中，《海洋數據處理實驗》這門課程充分調動了學生的積極性和主動性，教學效果非常好。學生在上機學習過程中，熟悉了海洋數據，掌握了分析數據的方法，了解了海洋科學的前言問題，為進一步的海洋研究打下了堅實的基礎。

【參考文獻】

[1]曹偉國，梁廣建.MATLAB在海洋水文資料處理中的應用[J].氣象水文裝備， 2005，5：46-48.

[2]周雅靜，林建國.海洋數據視圖應用軟件—ODV[J].海洋技術，2002，21（2）：41-43.

[責任編輯：朱麗娜]