“数值模式与模拟”课程教学改革探讨

梁佳

摘要：自20世纪50年代大气数值模式被应用到业务预报中，大气数值模式就成为了目前天气预报、气候预测以及科学研究中不可或缺的工具。结合近年来南京信息工程大学大气科学专业在“数值模式和模拟”方面的教学内容和教学改革，本文探讨了在培养学生使用数值模式的动手能力的重要性以及各学科之间交叉学习的必要性，并利用教学和课程实习中所涉及的数值模式基本数学物理模型、方案和模拟方法，以期提高学生使用数值模式和适应新模式的能力。

关键词：数值模式；教学内容；动手能力；学科交叉

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）18-0120-02

一、引言

从上世纪50年代开始，数值模式逐渐开始被应用到天气预报中。随着计算机技术的快速发展以及卫星雷达等遥感观测资料的应用，大气数值模式的发展已经从中尺度模式逐渐扩展到气候模式和地球系统模式。同时，随着大气模式耦合大气化学、大气物理、海洋、陆面以及生态等模式，大气数值模式已经成为目前天气预报和气候预测不可或缺的工具和认识天气与气候系统演变规律、提高理论认识的重要途径。除了天气预报和气候预测，大气数值模式还被广泛应用于人工影响天气、雷电预警、大气成分分析、农业生态、空间天气等诸多方面。随着大气数值模式耦合的领域更广，时间尺度更长，水平尺度更精细，其预报能力会不断完善提高。

“数值模式和模拟”是介绍大气数值模式基本理论和模拟方法的一门课程。严格来说，不是学术型课程，而是以培养学生实际动手能力为主要目标，是近两年在南京信息工程大学（原南京气象学院）大气科学专业新开设的专业任选课程。随着大气数值模式在天气预报、气候预测和科学研究中的广泛使用，开设数值模式相关课程是学校应对大气科学人才培养要求的重要途径之一，而该课程教学内容和教学方法也直接影响着大气科学人才培养的质量。一直以来，学校设置有课程“数值天气预报”，该课程教学内容以介绍国内外数值天气预报理论研究和业务应用的新进展为主，但在该课程中学生实际接触模式机会较少，此外，数值模式的学习必须在多种学科相互渗透和结合的情况下才能提高操作能力。因此，为了适应大气数值模式的变化发展和气象人才需求，从2016年开始，我校设置了一门新课程——“数值模式和模拟”，采用讲课和实验结合的教学方法，使得该课程的教学内容更具操作性。

二、课程设置与教学内容

南京信息工程大学“数值模式和模拟”课程的总学时为48个学时，教学时长为16周，其中讲课32学时，实验16学时。前8周，每周讲课2学时；后8周，每周讲课2学时，实验2学时，一般在大学四年级上学期开设这门课程。由于是新开设的专业选修课程，该课程教科书未有严格规定，目前使用课程教研组的自编讲义。自编讲义主要参考和借鉴相关教科书包括：沈桐立等编写的《数值天气预报》[1]，王澄海等编写的《大气数值模式及模拟》，Eugenia Kalnay编写的《Atmospheric modeling，data assimilation and predictability》，曹鸿兴编写的《气候动力模式与模拟》，董敏等编写的《气候模式的基本原理和技术方法》以及R.A.Pielke编写的《中尺度气象模拟》。

“数值模式和模拟”这门课程结合了大气科学、海洋科學、地球物理学、计算机科学等多种学科，基本涉及了大气数值模式和数值模拟的基础理论、基本概念、基本方法技术及其最新的研究进展和发展展望。课程的讲课内容包括：数值模式的发展历史，模式主要有物理、化学过程及其参数化，大气环流模式、海洋环流模式与海气耦合，中尺度数值模式的基本原理和WRF模式介绍，最后介绍了资料同化方法的数学物理基础、作用和发展进展。实验内容包括模式运行操作的基本命令，模式的编译安装，模式资料的前处理，模式参数设置，模式的基本运行，模式结果后处理以及相关分析。这些内容可以使学生对数值模式的基础原理、模式运行的基本步骤和使用的参数化方案有较完整的了解和认识。

三、教学模式的改革

虽然大气模式的基本物理框架已经日趋稳定，但是在数值模式中有重要作用的初始条件和边界条件所涉及的内容和技术仍然在发展，利用多种观测资料和方法提高初始场质量的新方法也在不断涌现，而模式也正在向多尺度、多耦合、多系统的方向发展。虽然是自编讲义，教师在教学过程中不能简单地按照课程内容的设置讲授知识点，而是需要通过发现问题、提出问题、解决问题的思路和方式来激发学生对教学内容的兴趣，调动学生学习的积极性。靠死记硬背记住模式常用的概念、参数化方案等是没有意义的，而是需要学生了解不同概念和参数化方案在数值模拟中的适用范围。例如，在讲课过程中，教师都会提到WRF数值模式中使用的微物理方案，这些方案对激发模式中的对流有重要作用。WRF模式可供选择使用的微物理方案有很多种，那么这些物理方案有什么区别？什么情况下使用哪一种？这就需要教师在讲课过程中，通过举例让学生直观的看到使用不同微物理方案得到的不同结果，而不是单纯的让学生记住这些微物理方案的原理。另外，教学中也要注意培养学生发现、分析、解决运行错误的能力。“数值模式和模拟”这门课程的主要目标是培养学生使用模式的能力。在模式使用过程中，必然会遇到模式报错。在平时的讲课环节中，教师要适当加入一些运行模式时会遇到的常见错误，让学生学会看懂运行错误，分析错误，并最终解决错误。我们可以在实验课程之前，提供学生一些方案和小问题，让学生带着问题进行上机实习。例如，让学生先运行错误的namelist文件，然后查看报错信息，根据错误信息修改namelist，从而得到正确的运行结果。实验课程结束后，安排一定的时间进行课堂讨论，交流遇到的错误，解决的方法，这样有利于提高学生运行模式的动手能力，也能加深对讲课内容的理解。

数值模式近年来更新的很快，会不断的加入新的方案、模块和功能来增强模式的模拟和预报能力，这就要求教师每年在制定教学大纲时不断地更新和补充。另外，在教学模式上也需要进一步地完善。例如，在讲解WRF模式的实际应用时，除了运行步骤、常用模块、常用参数化方案，还需要讲解一些常用的敏感性试验设计，例如地形实验。敏感试验是数值模拟中很重要的实验设计，但一般在教科书中不涉及，需要使用者自己摸索。因此，教师可以在讲课过程中有意识地带入敏感试验的概念和基本方法。同时，也要培养学生自学及信息收集处理的能力。通常，本科生主要是通过课后阅读教科书的方式来巩固课堂上所学的知识，而很少查阅相关的文献，因此本科生也要学会查阅相关的文献。一方面，教师可以提供部分经典的文献；另一方面需要学生发挥主观能动性，通过网络、图书馆等途径自己查找收集文献。

“数值模式和模拟”这门课程的讲授需要了解的知识很多，这也需要学科之间的交叉。例如，WRF模式都是以Fortran语言编写，并在大型计算机上进行并行计算，这就需要学生对linux系统下的基本指令和bash/shell脚本有一定的了解，因此需要教师在讲课过程中适当补充linux系统的相关知识，也需要学生在学习过程中有意识地熟悉和使用相关的知识，注重知识和动手的有机结合。

四、结语

数值模式在业务预报和科学研究中的地位越来越重要，是认识气候系统和预测未来气候不可替代的工具。南京信息工程大学的大气科学学科是国家级一流学科，承担着为全国科研院校和气象、海洋等部门培养优秀人才的重任，对教师队伍的质量和水平以及学生的综合能力都有很高的要求。“数值模式和模拟”是一门重要的课程，是适应人才需求的重要途径之一。根据目前数值模式的发展，教师在重视教授与实践相结合的基础上，需要有针对性地修订教学内容和培养方案，例如在讲课内容中增加linux系统的基本知识、模式运行错误的基本介绍及敏感试验的设计；在实验教学中增加解决运行错误的内容。同时，鼓励学生通过多种途径，了解和获取数值模式最新的信息，深化对课堂知识的理解，提高使用数值模式和适应新模式的能力，以迎接科技发展和社会发展的新挑战。

参考文献：

[1]沈桐立，田永祥，陆维松，陈德辉，沈新勇，孙旭光.数值天气预报[M].北京：气象出版社，2010.