【摘 要】本文通過(guò)比較GrADS和NCL兩個(gè)大氣科學(xué)專業(yè)常用軟件的功能，結(jié)合云南大學(xué)大氣科學(xué)系的教學(xué)軟、硬件條件，發(fā)現(xiàn)將NCL用于“診斷分析與繪圖”課程的教學(xué)能提高大氣科學(xué)專業(yè)本科生的數(shù)據(jù)分析和繪圖能力，為其開(kāi)展科研立項(xiàng)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)論文提供更有力的技術(shù)保障。

【關(guān)鍵詞】診斷分析與繪圖 GrADS NCL 教學(xué)軟件 更新

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2014）01-0069-02

隨著計(jì)算機(jī)性能的日益提高和專業(yè)數(shù)據(jù)種類的日趨豐富，計(jì)算機(jī)繪圖軟件系統(tǒng)成為大氣科學(xué)科研及業(yè)務(wù)工作中不可或缺的工具，而功能強(qiáng)大的繪圖軟件能使科研和業(yè)務(wù)工作事半功倍。診斷分析與繪圖是云南大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃中重要的實(shí)踐類課程。學(xué)生通過(guò)該門(mén)課程的學(xué)習(xí)，了解大氣科學(xué)常用數(shù)據(jù)的類型和格式，掌握對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示的能力，并在本科生科研立項(xiàng)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)論文設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決科學(xué)問(wèn)題，以豐富的圖形展示研究結(jié)論。

本文結(jié)合大氣科學(xué)系教學(xué)的軟、硬件條件，對(duì)比兩個(gè)常用專業(yè)繪圖軟件，擬選取教學(xué)效果更好的工具用于教學(xué)，以切實(shí)提高學(xué)生解決科研問(wèn)題的能力。

一 GrADS和NCL簡(jiǎn)介

GrADS（The Grid Analysis and Display System）是由美國(guó)馬里蘭大學(xué)氣象系Brian E. Doty開(kāi)發(fā)的氣象數(shù)據(jù)分析顯示軟件。該軟件通過(guò)其集成環(huán)境，可以對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、加工、圖形顯示和打印輸出。云南大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)自2003年開(kāi)設(shè)診斷分析與繪圖課程以來(lái)，一直使用GrADS作為教學(xué)軟件，目前最新版本為2.0.2版。

NCL（The NCAR Command Language）是美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助，國(guó)家大氣研究中心（NCAR）計(jì)算與信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)并專門(mén)用于科學(xué)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化的解釋型語(yǔ)言。目前最新版本是2013年2月7日發(fā)布的6.1.2版。

二 GrADS與NCL的功能比較

由以上簡(jiǎn)介可以看出，GrADS和NCL兩個(gè)軟件都是由大氣科學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)，主要用于大氣科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)可視化的軟件。從使用上來(lái)說(shuō)它們之間有很多相同點(diǎn)：（1）軟件安裝文件均可從各自的官方網(wǎng)站免費(fèi)下載，安裝后均可在各自的集成環(huán)境下以命令行的方式交互操作，或編寫(xiě)腳本文件解釋執(zhí)行；（2）具有各自獨(dú)有的編程語(yǔ)法，而且有很多類同于現(xiàn)代編程語(yǔ)言的特性，包括變量、運(yùn)算符、表達(dá)式、條件語(yǔ)句、循環(huán)、函數(shù)與過(guò)程；（3）支持大氣科學(xué)常用數(shù)據(jù)文件格式，能輸出多種類型的圖形；（4）具有大氣科學(xué)特殊物理量的計(jì)算函數(shù)；（5）各個(gè)大氣科學(xué)學(xué)科的專業(yè)論壇中都有大量用戶對(duì)兩款軟件展開(kāi)討論，并有很多用戶發(fā)表使用經(jīng)驗(yàn)，分享數(shù)據(jù)資源。這些共同點(diǎn)保證了兩個(gè)軟件均可方便地用于地學(xué)數(shù)據(jù)，特別是大氣科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)的分析和可視化。

在上述共同點(diǎn)的基礎(chǔ)上，兩個(gè)軟件在所需運(yùn)行環(huán)境、支持的數(shù)據(jù)類型、圖形顯示設(shè)置和內(nèi)建函數(shù)功能等方面又有著各自的特點(diǎn)。

1.運(yùn)行環(huán)境

GrADS和NCL都是基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件，可以在Linux和MacOSX系統(tǒng)下運(yùn)行。如需在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，則要額外安裝Cygwin Unix模擬環(huán)境。

而同在馬里蘭大學(xué)的Daniel da Silva為增加GrADS的可拓展性，基于GrADS開(kāi)發(fā)了OpenGrADS。OpenGrADS是能在Windows系統(tǒng)下直接安裝運(yùn)行GrADS版本，開(kāi)發(fā)了為高級(jí)用戶添加自定義命令和函數(shù)的框架，允許用戶添加自己的動(dòng)態(tài)鏈接插件，還提供了與其他腳本語(yǔ)言，如IDL、Malab、Perl和Python的接口。

面對(duì)國(guó)內(nèi)Windows用戶居多的實(shí)際情況，OpenGrADS的出現(xiàn)對(duì)于GrADS的推廣起到了非常積極的作用。不論是

經(jīng)驗(yàn)豐富的研究人員，還是大氣科學(xué)專業(yè)的初學(xué)者，都可以在學(xué)習(xí)GrADS的基本操作和語(yǔ)法后，于熟悉的Windows環(huán)境中完成數(shù)據(jù)分析和顯示的任務(wù)。如果使用NCL，在學(xué)習(xí)NCL的操作和語(yǔ)法之前，還必須具備Linux系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，否則連程序安裝都無(wú)法完成。

2.支持的數(shù)據(jù)類型

最新版的GrADS和NCL能讀寫(xiě)二進(jìn)制、ASSII、標(biāo)準(zhǔn)和第4版NetCDF（Network Common Data Form）數(shù)據(jù)；讀入第1、2版GRIB（GRIdded Binary）、HDF4～SDS（Hierarchical Data Format～Scientific Data Set）和第5版HDF5數(shù)據(jù)。

兩款軟件都能處理大氣科學(xué)常用的數(shù)據(jù)格式，而對(duì)其他一些矢量數(shù)據(jù)的支持則各有側(cè)重。GrADS支持創(chuàng)建GeoTIFF、用于在地球?yàn)g覽器中顯示地理數(shù)據(jù)的KML（Keyhole Markup Language）以及美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（ESRI）開(kāi)發(fā)的空間數(shù)據(jù)開(kāi)放格式Shapefile。NCL可創(chuàng)建netCDF3格式的數(shù)據(jù)，另外能讀入Shapefile、MapInfo、GMT（Generic Mapping Tools）、TIGRE等文件。

在數(shù)據(jù)支持方面，不得不提到NCL的一個(gè)大優(yōu)勢(shì)：可以通過(guò)ncl_convert2nc一個(gè)命令將GRIB1，GRIB2，HDF4/5，HDF～EOS2/5或Shapefile數(shù)據(jù)方便地轉(zhuǎn)換成更易使用的netCDF格式。這體現(xiàn)了NCL在數(shù)據(jù)輸入輸出上的靈活性，為不熟悉上述幾種數(shù)據(jù)格式的學(xué)者帶來(lái)了極大的便利。

3.圖形顯示功能

GrADS和NCL的主要功能之一是圖形顯示。那么圖形顯示類型是否豐富，就決定了軟件是否能滿足研究者展示科研結(jié)果的需要。兩款軟件都能繪制折線圖、直方圖、等值線圖、填色圖、散點(diǎn)圖、流線圖、風(fēng)矢量圖等常用圖形，并且支持不同圖形類型的疊加顯示，都能滿足使用者的基本需求。

但在圖形輸出類型方面，NCL比GrADS有更好的表現(xiàn)。NCL除支持上述圖形類型外，還可以繪制箱線圖、軌跡圖等大氣科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域也經(jīng)常使用的圖形。對(duì)于WRF數(shù)值模式結(jié)果這樣的特定數(shù)據(jù)，還可以輸出三維圖形，表現(xiàn)物理量在三維空間上的分布和變化，這也是NCL的一大亮點(diǎn)。

此外，由于NCL在圖形設(shè)置方面有很多的屬性參數(shù)可以設(shè)置，給用戶在坐標(biāo)軸、線條、調(diào)色板、地圖投影方式等諸多方面有更多的選擇，最終能得到更令人滿意的圖形顯示效果。當(dāng)然，滿意的圖形效果是以犧牲部分易用性為代價(jià)的。繪制同類型的圖形，GrADS只有數(shù)條設(shè)置語(yǔ)句，而NCL可能會(huì)有十多個(gè)屬性需要設(shè)置。這也是為什么通常NCL腳本文件比GrADS腳本文件長(zhǎng)的原因之一。

4.內(nèi)建函數(shù)功能

數(shù)據(jù)分析是這兩個(gè)軟件的另一重要功能，實(shí)現(xiàn)這一功能通常都是由軟件內(nèi)建函數(shù)來(lái)完成的。GrADS和NCL都有數(shù)學(xué)函數(shù)、分析統(tǒng)計(jì)函數(shù)、物理量計(jì)算函數(shù)等幾大類內(nèi)建函數(shù)。

從最常用的插值和統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用來(lái)看，NCL的功能更強(qiáng)大。NCL有多個(gè)插值函數(shù)，不但能完成不同分辨率空間網(wǎng)格的插值，還有線性插值、雙線性插值、樣條插值等函數(shù)，甚至能進(jìn)行地球坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；而GrADS的插值功能僅限于不同空間分辨率的插值，而且這一功能的實(shí)現(xiàn)還是通過(guò)用戶自定義函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另一方面，NCL 的內(nèi)建函數(shù)還能進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解、奇異值分解、累計(jì)分布函數(shù)等常用統(tǒng)計(jì)分析方法的計(jì)算，這為研究者們提供了極大的方便。熟練使用NCL一個(gè)軟件，即可完成從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示的全部工作內(nèi)容，若使用GrADS，則需借助Fortran或Matlab等軟件來(lái)完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析工作。

通過(guò)上述比較，我們發(fā)現(xiàn)GrADS和NCL用做教學(xué)軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，但就提升學(xué)生實(shí)踐能力這一目的來(lái)說(shuō)，把NCL用于教學(xué)能直接提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，以便學(xué)生把更多的時(shí)間用于科研思路培養(yǎng)上，這對(duì)本科學(xué)生在專業(yè)方向上的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是更為有利的。

三 選用NCL的教學(xué)條件

自2003年大氣科學(xué)系開(kāi)設(shè)診斷分析與繪圖課程以來(lái)，我們一直是使用GrADS軟件進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后能熟練使用GrADS進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、物理量計(jì)算以及圖形繪制。在進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)論文設(shè)計(jì)時(shí)，往往還要學(xué)習(xí)Matlab編程，才能完成科研數(shù)據(jù)分析的工作。

近年來(lái)，大氣科學(xué)系的教學(xué)軟、硬件環(huán)境均有較大改善，這使得選取NCL用于教學(xué)成為可能。鑒于大氣科學(xué)學(xué)科中數(shù)值模式的應(yīng)用越來(lái)越普遍，而多數(shù)數(shù)值模式都是基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，2006年修訂本科生培養(yǎng)方案時(shí)，在三年級(jí)上學(xué)期增開(kāi)了Linux操作系統(tǒng)課程，其目的是讓學(xué)生了解Linux系統(tǒng)，并掌握該系統(tǒng)的基本操作。這門(mén)課程的開(kāi)設(shè)為在三年級(jí)下學(xué)期診斷分析與繪圖課程中使用NCL進(jìn)行教學(xué)鋪平了道路，這是軟件環(huán)境方面的改善。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)“Linux操作系統(tǒng)”課程，消除了對(duì)NCL的運(yùn)行環(huán)境的陌生感，操作系統(tǒng)方面的障礙不復(fù)存在。在學(xué)習(xí)使用NCL的過(guò)程中，又鞏固、加深對(duì)Linux系統(tǒng)的理解，為以后安裝調(diào)試數(shù)值模式奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在硬件環(huán)境方面，2006年大氣科學(xué)系購(gòu)進(jìn)一套曙光計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)后續(xù)兩次擴(kuò)容，現(xiàn)有集群系統(tǒng)已具有21個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，磁盤(pán)陣列容量為21T，基本滿足教學(xué)科研需要。學(xué)生申請(qǐng)賬號(hào)后，從機(jī)房電腦客戶端登錄集群，即可方便地在集群上使用NCL完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)展科研工作，為NCL用于教學(xué)提供了硬件保障。

四 結(jié)論

在對(duì)兩款軟件功能進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合實(shí)際教學(xué)條件綜合分析后發(fā)現(xiàn)，將NCL用于“診斷分析與繪圖”課程教學(xué)可行，并具有一定的優(yōu)越性。通過(guò)合理安排教學(xué)內(nèi)容，配套適合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能更好地實(shí)現(xiàn)本門(mén)課程的教學(xué)目的，切實(shí)提高大氣科學(xué)系本科生在科學(xué)研究方面的實(shí)踐技能。

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