《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》課程教學(xué)中的一些思考

（國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410073）

1 概述

氣象水文觀測(cè)資料是開(kāi)展大氣及海洋科學(xué)研究及業(yè)務(wù)保障的基礎(chǔ)，觀測(cè)資料的豐富性、準(zhǔn)確性及處理的科學(xué)性，不僅影響氣象海洋環(huán)境保障可靠性，同時(shí)對(duì)于加深對(duì)大氣海洋物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，揭示新的大氣海洋變化規(guī)律，完善天氣及海洋環(huán)境預(yù)報(bào)理論及預(yù)報(bào)模式也有重要意義。但實(shí)際氣象水文觀測(cè)及資料處理中面臨兩方面的問(wèn)題：一是氣象水文觀測(cè)資料受儀器原理、環(huán)境擾動(dòng)及操作人員等因素的影響，不可避免存在測(cè)量誤差，如何盡可能評(píng)估并減小這些誤差的影響，是保證資料可用首要需要解決的問(wèn)題；二是為揭示氣象水文信息變化特征、判斷不同天氣系統(tǒng)的變化規(guī)律，需要對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行合理處理（如統(tǒng)計(jì)分析、特征提取等），如何根據(jù)不同需求，合理選擇數(shù)學(xué)模型及方法實(shí)現(xiàn)這些資料的優(yōu)化處理這也是氣象水文觀測(cè)資料使用過(guò)程需解決的重要問(wèn)題。《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》就是針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)的一門課程。

在我校應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)體系中，《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》是一門核心專業(yè)課，其目的是建立起溝通大氣海洋探測(cè)原理、氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)及科學(xué)研究的“橋梁”。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，不僅要使學(xué)員鞏固前期的大氣物理、物理海洋與大氣探測(cè)學(xué)知識(shí)，了解觀測(cè)資料“到底是什么”、“有什么特性”、“如何使用這些資料”，也為后續(xù)的氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)、畢業(yè)綜合實(shí)踐及后續(xù)研究生深造等環(huán)節(jié)打下良好基礎(chǔ)。

2 主要教學(xué)內(nèi)容

《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》主要圍繞以下幾個(gè)問(wèn)題開(kāi)展教學(xué)，包括“氣象水文觀測(cè)資料處理有什么要求”、“如何控制數(shù)據(jù)質(zhì)量”、“采用什么方法分析數(shù)據(jù)”、“如何讓實(shí)現(xiàn)多種資料的融合提升”，“如何提高數(shù)據(jù)實(shí)戰(zhàn)分析能力”。按照該思路，本課程理論教學(xué)內(nèi)容大致可分為3篇章：

第一篇章是基礎(chǔ)篇。該部分教學(xué)內(nèi)容主要包括兩方面：一是介紹氣象水文觀測(cè)資料處理的三性要求（包括“代表性”、“準(zhǔn)確性”、“比較性”）及其在觀測(cè)資料處理中的典型個(gè)例；二是介紹誤差處理與質(zhì)量控制方法，包括如何剔除粗大誤差、發(fā)現(xiàn)并訂正系統(tǒng)誤差，如何評(píng)估觀測(cè)資料的隨機(jī)誤差并給出不確定度評(píng)定等。

第二篇為統(tǒng)計(jì)分析篇。主要針對(duì)資料的使用需求，介紹氣象水文觀測(cè)資料的常用處理方法，包括回歸分析、判別分析、聚類分析及主成分分析等，并結(jié)合實(shí)際氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)及科學(xué)研究的需求，設(shè)置典型案例，以需求為牽引，提升教學(xué)的問(wèn)題導(dǎo)向性及趣味性。

第三篇是融合同化篇。主要介紹數(shù)據(jù)的融合提升方法，包括信息融合方法、數(shù)據(jù)同化方法；為使學(xué)員掌握氣象水文觀測(cè)資料處理方法的計(jì)算實(shí)現(xiàn)原理，還增加了常用數(shù)值分析方法的介紹。

由于該課程的落腳點(diǎn)是為了提升學(xué)員的實(shí)際能力，理論教學(xué)的同時(shí)，還交叉安排了對(duì)應(yīng)的實(shí)踐課程，保證每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都能以計(jì)算程序的形式予以體現(xiàn)，將資料處理方法的基本物理模型及數(shù)學(xué)理論烙在學(xué)員心里，熟練在學(xué)生手上。

3 課程目標(biāo)及特點(diǎn)

本課程的教學(xué)目標(biāo)是：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握氣象觀測(cè)資料處理的基本要求、質(zhì)量控制方法、資料統(tǒng)計(jì)分析方法及資料融合提升技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)員綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際氣象水文觀測(cè)資料處理問(wèn)題的能力，打通從“資料是什么”到“資料怎么用”的關(guān)節(jié)，并通過(guò)資料“實(shí)戰(zhàn)化”處理，將理論轉(zhuǎn)為實(shí)踐能力。

本課程是一門集“理、工、技”于一體的綜合性課程，既有完整的理論體系，又與新技術(shù)、新理論緊密結(jié)合，同時(shí)也有技能培養(yǎng)要求。在教學(xué)實(shí)踐中，要高度注意理論講解與實(shí)踐能力培養(yǎng)的結(jié)合。除此之外，本課程還有以下特點(diǎn)：

一是“需求牽引性強(qiáng)烈”。本課程堅(jiān)持所有知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置以實(shí)際應(yīng)用為牽引，課程內(nèi)容設(shè)計(jì)以氣象水文資料處理的實(shí)際問(wèn)題為引入，通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)數(shù)學(xué)物理方法，最終解決實(shí)際業(yè)務(wù)及科學(xué)研究中的資料處理問(wèn)題；如在回歸分析中，選取了“鉑電阻溫度計(jì)定標(biāo)問(wèn)題”作為引入，在講授判別分析時(shí)選取了“天氣形勢(shì)判別”問(wèn)題作為切入點(diǎn)等。

二是“理論性強(qiáng)”。該課程學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)大氣物理、高等數(shù)學(xué)、矩陣論及概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等知識(shí)在氣象水文觀測(cè)資料處理領(lǐng)域的應(yīng)用，相關(guān)內(nèi)容難度大、理論性高。如在氣象水文觀測(cè)資料處理部分涉及大量的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)，在多級(jí)判別、資料同化應(yīng)用等知識(shí)講授過(guò)程中，需要學(xué)員對(duì)矩陣論、泛函分析及變分原理等高等數(shù)學(xué)知識(shí)有一定掌握。

三是“實(shí)操性高”。在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，高度重視資料處理能力的培養(yǎng)，特別是對(duì)資料分析能力、編程能力極具挑戰(zhàn)性。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅需要學(xué)員了解觀測(cè)資料的特性，同時(shí)需要考察學(xué)員如何合理選擇處理方法及模型，如何將模型進(jìn)行流程化設(shè)計(jì)，如何利用MATLAB或FORTRAN將相關(guān)知識(shí)落實(shí)于程序代碼等。

四是“探索度高”。隨著新探測(cè)手段的出現(xiàn)，新的觀測(cè)資料處理方法也急需配套，這不僅需要對(duì)探測(cè)原理和先進(jìn)數(shù)學(xué)方法的深入了解，也需要學(xué)員有敢于挑戰(zhàn)，敢于探索的勇氣。如通過(guò)對(duì)先進(jìn)氣象水文觀測(cè)平臺(tái)及傳感器的介紹（如“風(fēng)云4號(hào)”氣象衛(wèi)星及搭載的紅外高光譜輻射計(jì)、微波輻射計(jì)等），一方面使學(xué)員了解大氣探測(cè)技術(shù)最新進(jìn)展及原理，更重要的是鼓勵(lì)學(xué)員根據(jù)實(shí)際需求，針對(duì)性地去思考、學(xué)習(xí)和探索對(duì)應(yīng)的資料處理方法。

4 一些思考

針對(duì)《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》課程特點(diǎn)，在課程設(shè)計(jì)及講授過(guò)程中我們采用了以下教學(xué)方式：

（1）堅(jiān)持與實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，從實(shí)際的資料處理問(wèn)題及需求出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)員利用工具解決實(shí)際大氣探測(cè)問(wèn)題的能力。一方面，通過(guò)實(shí)際問(wèn)題牽引，激發(fā)學(xué)員專研氣象水文觀測(cè)資料處理方法的興趣，提升課堂的趣味性；通過(guò)講思路、講方法，培養(yǎng)學(xué)員提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。另一方面，在實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)際資料處理問(wèn)題分析、編程實(shí)踐、效果檢驗(yàn)、心得體會(huì)交流等過(guò)程的閉環(huán)，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力與工作能力。

（2）堅(jiān)持導(dǎo)學(xué)、研討、啟發(fā)相結(jié)合。堅(jiān)持“基本問(wèn)題導(dǎo)學(xué)、核心問(wèn)題研討、擴(kuò)展問(wèn)題啟發(fā)”。對(duì)于“基本問(wèn)題”，如基本概念及定義、儀器測(cè)量原理，在課前布置學(xué)員預(yù)習(xí)，課上提問(wèn)并釋疑，以導(dǎo)學(xué)的方式促進(jìn)學(xué)員自學(xué)能力的提升；對(duì)于“核心問(wèn)題”，如數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，不確定度評(píng)定、最小二乘原理等，則通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)牽引討論，深入認(rèn)識(shí)不同方法的本質(zhì)、不足和可能的改進(jìn)途徑，以研討促進(jìn)質(zhì)疑能力；對(duì)于“擴(kuò)展問(wèn)題”（如新型探測(cè)與遙感儀器的資料處理方法、最新數(shù)學(xué)物理方法在氣象水文觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用等），堅(jiān)持實(shí)際業(yè)務(wù)和應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的引領(lǐng)，使學(xué)員感覺(jué)到不斷探索的魅力，以啟發(fā)促進(jìn)培養(yǎng)創(chuàng)造能力。

（3）教員“導(dǎo)”、學(xué)員“學(xué)”和小組“研”相結(jié)合。充分發(fā)揮“導(dǎo)”的作用，注意在課堂上的引導(dǎo)和啟發(fā)，并注重課后的輔導(dǎo)，使學(xué)員學(xué)有方向；盡量發(fā)掘“學(xué)”的作用，教學(xué)的主體是學(xué)員，充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的積極性以提高教學(xué)質(zhì)量，并強(qiáng)調(diào)學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)比學(xué)會(huì)知識(shí)更重要，但學(xué)會(huì)知識(shí)是學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的途徑；堅(jiān)持發(fā)揚(yáng)“組”的作用，將學(xué)員分組，共同開(kāi)展預(yù)習(xí)、討論和研究，使學(xué)員認(rèn)識(shí)到大氣探測(cè)工作中團(tuán)隊(duì)意識(shí)的重要性，培養(yǎng)協(xié)作互補(bǔ)的精神。

5 結(jié)束語(yǔ)

氣象水文觀測(cè)資料的科學(xué)處理不僅是實(shí)現(xiàn)資料本身“可靠”的需求，也是保證后續(xù)科學(xué)研究及業(yè)務(wù)保障有效性的必要措施。為了有效銜接“氣象海洋觀測(cè)方法與技術(shù)”與氣象水文業(yè)務(wù)，我校針對(duì)應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè)，構(gòu)建了《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》課程，目的在于使學(xué)員了解“資料是什么”，“有什么特性”以及“用什么方法來(lái)處理這些數(shù)據(jù)”等，為學(xué)員從事第一任職或繼續(xù)深造打下良好基礎(chǔ)。本文主要介紹了該課程定位、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置等，并針對(duì)課程特點(diǎn)，介紹了個(gè)人在課程教學(xué)時(shí)的幾點(diǎn)體會(huì)與思考。希望通過(guò)課程不斷建設(shè)與完善，使之成為學(xué)員“喜聞樂(lè)見(jiàn)”、“增長(zhǎng)才干”的課程。