“數值模式與模擬”課程教學改革探討

梁佳

摘要：自20世紀50年代大氣數值模式被應用到業務預報中，大氣數值模式就成為了目前天氣預報、氣候預測以及科學研究中不可或缺的工具。結合近年來南京信息工程大學大氣科學專業在“數值模式和模擬”方面的教學內容和教學改革，本文探討了在培養學生使用數值模式的動手能力的重要性以及各學科之間交叉學習的必要性，并利用教學和課程實習中所涉及的數值模式基本數學物理模型、方案和模擬方法，以期提高學生使用數值模式和適應新模式的能力。

關鍵詞：數值模式；教學內容；動手能力；學科交叉

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0120-02

一、引言

從上世紀50年代開始，數值模式逐漸開始被應用到天氣預報中。隨著計算機技術的快速發展以及衛星雷達等遙感觀測資料的應用，大氣數值模式的發展已經從中尺度模式逐漸擴展到氣候模式和地球系統模式。同時，隨著大氣模式耦合大氣化學、大氣物理、海洋、陸面以及生態等模式，大氣數值模式已經成為目前天氣預報和氣候預測不可或缺的工具和認識天氣與氣候系統演變規律、提高理論認識的重要途徑。除了天氣預報和氣候預測，大氣數值模式還被廣泛應用于人工影響天氣、雷電預警、大氣成分分析、農業生態、空間天氣等諸多方面。隨著大氣數值模式耦合的領域更廣，時間尺度更長，水平尺度更精細，其預報能力會不斷完善提高。

“數值模式和模擬”是介紹大氣數值模式基本理論和模擬方法的一門課程。嚴格來說，不是學術型課程，而是以培養學生實際動手能力為主要目標，是近兩年在南京信息工程大學（原南京氣象學院）大氣科學專業新開設的專業任選課程。隨著大氣數值模式在天氣預報、氣候預測和科學研究中的廣泛使用，開設數值模式相關課程是學校應對大氣科學人才培養要求的重要途徑之一，而該課程教學內容和教學方法也直接影響著大氣科學人才培養的質量。一直以來，學校設置有課程“數值天氣預報”，該課程教學內容以介紹國內外數值天氣預報理論研究和業務應用的新進展為主，但在該課程中學生實際接觸模式機會較少，此外，數值模式的學習必須在多種學科相互滲透和結合的情況下才能提高操作能力。因此，為了適應大氣數值模式的變化發展和氣象人才需求，從2016年開始，我校設置了一門新課程——“數值模式和模擬”，采用講課和實驗結合的教學方法，使得該課程的教學內容更具操作性。

二、課程設置與教學內容

南京信息工程大學“數值模式和模擬”課程的總學時為48個學時，教學時長為16周，其中講課32學時，實驗16學時。前8周，每周講課2學時；后8周，每周講課2學時，實驗2學時，一般在大學四年級上學期開設這門課程。由于是新開設的專業選修課程，該課程教科書未有嚴格規定，目前使用課程教研組的自編講義。自編講義主要參考和借鑒相關教科書包括：沈桐立等編寫的《數值天氣預報》[1]，王澄海等編寫的《大氣數值模式及模擬》，Eugenia Kalnay編寫的《Atmospheric modeling，data assimilation and predictability》，曹鴻興編寫的《氣候動力模式與模擬》，董敏等編寫的《氣候模式的基本原理和技術方法》以及R.A.Pielke編寫的《中尺度氣象模擬》。

“數值模式和模擬”這門課程結合了大氣科學、海洋科學、地球物理學、計算機科學等多種學科，基本涉及了大氣數值模式和數值模擬的基礎理論、基本概念、基本方法技術及其最新的研究進展和發展展望。課程的講課內容包括：數值模式的發展歷史，模式主要有物理、化學過程及其參數化，大氣環流模式、海洋環流模式與海氣耦合，中尺度數值模式的基本原理和WRF模式介紹，最后介紹了資料同化方法的數學物理基礎、作用和發展進展。實驗內容包括模式運行操作的基本命令，模式的編譯安裝，模式資料的前處理，模式參數設置，模式的基本運行，模式結果后處理以及相關分析。這些內容可以使學生對數值模式的基礎原理、模式運行的基本步驟和使用的參數化方案有較完整的了解和認識。

三、教學模式的改革

雖然大氣模式的基本物理框架已經日趨穩定，但是在數值模式中有重要作用的初始條件和邊界條件所涉及的內容和技術仍然在發展，利用多種觀測資料和方法提高初始場質量的新方法也在不斷涌現，而模式也正在向多尺度、多耦合、多系統的方向發展。雖然是自編講義，教師在教學過程中不能簡單地按照課程內容的設置講授知識點，而是需要通過發現問題、提出問題、解決問題的思路和方式來激發學生對教學內容的興趣，調動學生學習的積極性。靠死記硬背記住模式常用的概念、參數化方案等是沒有意義的，而是需要學生了解不同概念和參數化方案在數值模擬中的適用范圍。例如，在講課過程中，教師都會提到WRF數值模式中使用的微物理方案，這些方案對激發模式中的對流有重要作用。WRF模式可供選擇使用的微物理方案有很多種，那么這些物理方案有什么區別？什么情況下使用哪一種？這就需要教師在講課過程中，通過舉例讓學生直觀的看到使用不同微物理方案得到的不同結果，而不是單純的讓學生記住這些微物理方案的原理。另外，教學中也要注意培養學生發現、分析、解決運行錯誤的能力。“數值模式和模擬”這門課程的主要目標是培養學生使用模式的能力。在模式使用過程中，必然會遇到模式報錯。在平時的講課環節中，教師要適當加入一些運行模式時會遇到的常見錯誤，讓學生學會看懂運行錯誤，分析錯誤，并最終解決錯誤。我們可以在實驗課程之前，提供學生一些方案和小問題，讓學生帶著問題進行上機實習。例如，讓學生先運行錯誤的namelist文件，然后查看報錯信息，根據錯誤信息修改namelist，從而得到正確的運行結果。實驗課程結束后，安排一定的時間進行課堂討論，交流遇到的錯誤，解決的方法，這樣有利于提高學生運行模式的動手能力，也能加深對講課內容的理解。

數值模式近年來更新的很快，會不斷的加入新的方案、模塊和功能來增強模式的模擬和預報能力，這就要求教師每年在制定教學大綱時不斷地更新和補充。另外，在教學模式上也需要進一步地完善。例如，在講解WRF模式的實際應用時，除了運行步驟、常用模塊、常用參數化方案，還需要講解一些常用的敏感性試驗設計，例如地形實驗。敏感試驗是數值模擬中很重要的實驗設計，但一般在教科書中不涉及，需要使用者自己摸索。因此，教師可以在講課過程中有意識地帶入敏感試驗的概念和基本方法。同時，也要培養學生自學及信息收集處理的能力。通常，本科生主要是通過課后閱讀教科書的方式來鞏固課堂上所學的知識，而很少查閱相關的文獻，因此本科生也要學會查閱相關的文獻。一方面，教師可以提供部分經典的文獻；另一方面需要學生發揮主觀能動性，通過網絡、圖書館等途徑自己查找收集文獻。

“數值模式和模擬”這門課程的講授需要了解的知識很多，這也需要學科之間的交叉。例如，WRF模式都是以Fortran語言編寫，并在大型計算機上進行并行計算，這就需要學生對linux系統下的基本指令和bash/shell腳本有一定的了解，因此需要教師在講課過程中適當補充linux系統的相關知識，也需要學生在學習過程中有意識地熟悉和使用相關的知識，注重知識和動手的有機結合。

四、結語

數值模式在業務預報和科學研究中的地位越來越重要，是認識氣候系統和預測未來氣候不可替代的工具。南京信息工程大學的大氣科學學科是國家級一流學科，承擔著為全國科研院校和氣象、海洋等部門培養優秀人才的重任，對教師隊伍的質量和水平以及學生的綜合能力都有很高的要求。“數值模式和模擬”是一門重要的課程，是適應人才需求的重要途徑之一。根據目前數值模式的發展，教師在重視教授與實踐相結合的基礎上，需要有針對性地修訂教學內容和培養方案，例如在講課內容中增加linux系統的基本知識、模式運行錯誤的基本介紹及敏感試驗的設計；在實驗教學中增加解決運行錯誤的內容。同時，鼓勵學生通過多種途徑，了解和獲取數值模式最新的信息，深化對課堂知識的理解，提高使用數值模式和適應新模式的能力，以迎接科技發展和社會發展的新挑戰。

參考文獻：

[1]沈桐立，田永祥，陸維松，陳德輝，沈新勇，孫旭光.數值天氣預報[M].北京：氣象出版社，2010.