《海洋数据处理实验》的教学内容设计

宋雪珑　万剑锋　覃琴　陈家栋

【摘 要】本文根据海洋科学的资料和数据，以及Excel、Matlab和Ocean Data View三种软件，设计了《海洋数据处理实验》课程的教学内容。

【关键词】海洋实验；数据处理；教学内容

0 引言

近年来，国内外都非常重视海洋观测，通过遥感卫星、走航、浮标和潜标等监测手段，得到了大量的数据。这些数据需要研究人员进行详细整理和深入分析，才能得出科学的结论，体现观测数据的价值。因此，海洋数据处理对于海洋科学研究来说是至关重要的。然而，目前大多数海洋类院校并没有开设这门课程，或者只开设了海洋数据处理的理论课程，这样不利于提高学生的动手能力，也不利于学生在海洋科学研究方面的进一步发展。

根据海洋监测和科研中的需求，本人认为《海洋数据处理实验》课程的开设是非常有必要的，并设计了《海洋数据处理实验》课程的教学内容。这门课程根据网上开放下载的海洋资料和数据，指导学生采用Excel、Matlab和Ocean Data View软件进行分析处理，绘制成规范的图片。下面分别介绍Excel、Matlab和Ocean Data View这3种软件的教学内容。

1 Excel软件的教学内容

微软公司出品的Excel办公软件是功能强大、技术先进、使用方便且灵活的电子表格软件。Excel的主要功能包括制作电子表格、数据运算、数据分析与筛选、制作图表和打印数据等。在海洋科学方面，运用Excel软件能够进行科学计算、分析海洋数据、绘制海洋图表，相关的教学内容如下。

1.1 常用海洋单位的换算

实验目的：掌握海洋单位的换算；了解海洋物理量的计算。

实验内容：1）将128 dbar、45 dbar、9 dbar分别换算成巴、帕斯卡和百帕；2）将经纬度113.211°E、34.5123°N、83.134°S分别换算成度分秒格式；3）将14海里、370海里分别换算成千米和里；4）将10.8节、18节分别换算成千米每小时和米每秒；5）海水的密度为1024kg/m3，计算比容和密度超量；6）计算结果均保留完整的小数。

1.2 渤海各类水质的面积

实验目的：掌握饼状图的画法；了解我国渤海水质状况。

实验内容：1）记录《2015年中国海洋环境状况公报》中的秋季渤海海水水质数据；2）画出各类水质的面积饼状图；3）饼状图内显示水质等级和百分比；4）添加绘图区边框，边框颜色为“黑色”，宽度为“2磅”；5）字体均设置为“黑体”，“加粗”。

1.3 黄海绿潮面积的变化

实验目的：掌握柱状图的画法；了解黄海绿潮最大分布面积的变化。

实验内容：1）根据2008到2015年的《中国海洋环境状况公报》，记录每年黄海绿潮的最大分布面积；2）画出绿潮随时间变化的柱状图；3）纵坐标从0到60000，间隔为10000，横坐标间隔为1；4）柱形结构的填充颜色为浅绿色，添加数据标签；5）标题为“黄海绿潮分布面积（km2）”；6）字体均设置为“黑体”，“加粗”。

1.4 我国沿海省份海平面高度变化

实验目的：掌握直线图的画法；了解沿海省份海平面变化的特点。

实验内容：1）根据2007到2015年的《中国海平面公报》，画出辽宁、山东、浙江和海南的海平面高度变化直线图；2）横坐标为年份（2007到2015），纵坐标为高度（0到160）；3）横坐标间隔为1，纵坐标间隔为40；4）分别画出辽宁（黑）、浙江（蓝）、山东（橙）和海南（红）四条线，线条宽度设置为“2.5磅”；5）图片标题为“海平面高度变化（mm）”，显示图例，添加绘图区边框；6）字体均设置为“宋体”，“加粗”。

2 Matlab软件的教学内容

Matlab是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。Matlab的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。Matlab开发了海洋资料分析处理的应用程序，较容易地实现了海洋要素的计算、异常值处理、矢量图及其它图形的绘制和显示等功能，解决了其他应用难以解决的问题[1]，相关的教学内容如下。

2.1 潮汐曲线图

实验目的：掌握Matlab曲线图的绘制方法；了解潮汐高度的变化。

实验内容：1）根据北海市潮汐表，画出2016年5月13日的北海市潮汐曲线图；2）横坐标为小时，从0到24，纵坐标为高度，从0到500；3）添加横坐标和纵坐标的网格线；4）潮汐曲线的线条颜色为紫色，宽度设置为3.0；5）所有字体均设置为“宋体”，“加粗”。

2.2 海洋参数计算

实验目的：掌握Matlab统计函数；了解SeaWater函数工具包。

实验内容：1）根据海洋的温盐深仪（Conductivity-Temperature-Depth，CTD）数据，计算温度的平均值、中位数、最大值、最小值和标准差；2）利用Matlab中的hist和bar函数，画出温度的统计直方图；3）导入SeaWater函数工具包；4）根据SeaWater工具包中的函数，计算位温、密度和位密。

2.3 温盐散点图

实验目的：掌握散点图的绘制方法；了解海洋温度和盐度的特点。

实验内容：1）根据海洋的CTD数据，画出温盐散点图；2）横坐标为盐度，纵坐标为温度；3）横坐标标签为“盐度 /psu”，纵坐标标签为“温度 /°C”，标签字体大小为20；4）数据点的颜色为蓝色，大小為15；5）图片标题为“温盐散点图”，字体大小设置为20；6）图片中的字体均设置为“Times New Roman”。

3 Ocean Data View软件的教学内容

海洋数据视图（Ocean Data View，ODV）应用软件，是德国阿尔弗雷德·韦格纳极地与海洋研究所研制开发的海洋学应用软件包。ODV能够绘制出高质量的站位图、时间序列图、垂直断面图、散点图和空间分布图等，具有设计灵活、功能齐全、操作简单等特点，得到了海洋科研人员广泛的认可和应用[2]。掌握ODV软件，可以在海洋科学研究中，绘制出美观、规范的图片，相关的教学内容如下。

3.1 画出中国地图并标出岛屿位置

实验目的：掌握ODV地图的画法；了解我国岛屿的位置。

实验内容：1）查询下列岛屿的经纬度：永暑岛、永兴岛、钓鱼岛、曾母暗沙；2）画出完整的中国地图，并标出上述岛屿；3）地图的经纬度范围设置为纬度（0°到60°N），经度（70°E到140°E）；4）添加地形和国界线；5）调色板颜色设置为“GEBCO”；6）岛屿标记的大小设置为50，颜色为粉色；7）写上岛屿名字，字体为“幼圆”，大小为“10 pt”，取消斜体。

3.2 全球海表面温度

实验目的：掌握海表面温度散点图的绘制方法，了解全球海表面温度的特点。

实验内容：1）根据美国环境预报中心的海表面温度数据，画出全球海表温度图；2）经纬度范围设置为纬度（90°S到90°N），经度（180°W到180°E）；3）取消坐标轴题目，调色板颜色为“BlueGreenRed”；4）散点的大小设置为20；5）取消地形，颜色条范围设置为0到30，以10为间隔。

3.3 北冰洋海冰变化

实验目的：掌握海冰插值图的绘制方法；了解2006和2007年的海冰状况。

实验内容：1）根据遥感卫星的海冰密集度数据，分别画出2006和2007年北冰洋的海冰状况图；2）选择北极投影，纬度范围从65°N到90°N；3）插值方式采用DIVA，X轴和Y轴的平滑尺度均设置为30；4）调色板颜色设置为“Blueonly”，白色代表海冰，蓝色代表海水；5）取消地形，隐藏数据点；6）添加海冰密集度为50的等值线。

4 总结

在实际教学中，《海洋数据处理实验》这门课程充分调动了学生的积极性和主动性，教学效果非常好。学生在上机学习过程中，熟悉了海洋数据，掌握了分析数据的方法，了解了海洋科学的前言问题，为进一步的海洋研究打下了坚实的基础。

【参考文献】

[1]曹伟国，梁广建.MATLAB在海洋水文资料处理中的应用[J].气象水文装备， 2005，5：46-48.

[2]周雅静，林建国.海洋数据视图应用软件—ODV[J].海洋技术，2002，21（2）：41-43.

[責任编辑：朱丽娜]