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        《GPS氣象學(xué)》課程設(shè)計(jì)與探索

        2019-07-31 06:10:50嚴(yán)厲徐建軍鄭少軍
        教育教學(xué)論壇 2019年31期
        關(guān)鍵詞:課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革

        嚴(yán)厲 徐建軍 鄭少軍

        摘要:《GPS氣象學(xué)》是大氣科學(xué)專業(yè)的一門重要專業(yè)課,對(duì)應(yīng)于“GPS氣象學(xué)”這一具有廣闊發(fā)展前景的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。本著以學(xué)生為中心的理念,本課程設(shè)計(jì)不僅關(guān)注課程相關(guān)專業(yè)知識(shí)的講授,更強(qiáng)調(diào)和專業(yè)知識(shí)相結(jié)合的學(xué)生多維能力的培養(yǎng)。它具體包括四方面的能力:(1)逆向思維能力;(2)原理及公式的理解能力;(3)軟件使用能力;(4)數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用能力。本課程設(shè)計(jì)目標(biāo)即通過多維能力培養(yǎng),使學(xué)生不僅學(xué)習(xí)到《GPS氣象學(xué)》專業(yè)知識(shí),更能舉一反三,增強(qiáng)利用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的信心和能力。

        關(guān)鍵詞:GPS氣象學(xué);教學(xué)改革;課程設(shè)計(jì);多維能力

        中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2019)31-0098-02

        《GPS氣象學(xué)》是一門新興交叉學(xué)科,GPS指全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)。GPS氣象學(xué)是一門由衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)和氣象學(xué)交叉派生出的邊緣學(xué)科,是近20年來蓬勃興起的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在地球大氣探測(cè)中的全新應(yīng)用[1]。這門學(xué)科的核心思想在于利用GPS衛(wèi)星信號(hào)穿過地球大氣層的延遲量來反演大氣溫度、濕度和氣壓等大氣要素,特別是大氣濕度[1,2]。GPS氣象學(xué)根據(jù)GPS接收機(jī)安置位置分為兩大類,即地基GPS氣象學(xué)和空基GPS氣象學(xué),重點(diǎn)在于地基GPS氣象學(xué)。這門學(xué)科的主要內(nèi)容包括:(1)GPS探測(cè)大氣的意義、GPS系統(tǒng)的發(fā)展和組成、GPS衛(wèi)星定位原理;(2)地基GPS氣象學(xué)原理;(3)GPS氣象網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù);(4)地基GPS氣象網(wǎng)的資料解算;(5)GPS/PWV的精度檢驗(yàn)和誤差分析;

        (6)GPS/PWV資料在氣候和天氣分析中的應(yīng)用;(7)空基GPS氣象學(xué)的基本原理。

        可以看出,作為一門新興交叉學(xué)科,GPS氣象學(xué)的內(nèi)涵非常豐富。如何使學(xué)生透徹了解這些內(nèi)容,舉一反三鍛煉多方面的能力,是課程設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)難題。知識(shí)吸收是基礎(chǔ),能力培養(yǎng)是進(jìn)階。為此,我們對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行有益探索,除了新知識(shí)的接納學(xué)習(xí),更強(qiáng)調(diào)學(xué)生多維能力的培養(yǎng)。

        一、逆向思維能力的培養(yǎng)

        GPS氣象學(xué)中有一個(gè)非常有意思的問題,即對(duì)精密定位來說,GPS信號(hào)穿過大氣會(huì)引起折射和延遲,成為GPS定位的誤差源。測(cè)量學(xué)中,大氣延遲成為一個(gè)“噪聲源”需要去除,這就是所謂的正問題。但是反過來看,把這種誤差源(即在大地測(cè)量學(xué)需要濾掉的“噪聲”)轉(zhuǎn)換視角看作氣象學(xué)中需要捕捉的大氣信號(hào),并反演出有意義的大氣溫度、濕度、氣壓等,這就是反問題。這種視角的轉(zhuǎn)換促進(jìn)新興學(xué)科——GPS氣象學(xué)的誕生。實(shí)際上,由正問題向反問題這種逆向思維的應(yīng)用無(wú)處不在。比如統(tǒng)計(jì)中的傅立葉分析,也是一個(gè)逆向思維的典型例子。即如果若干不同周期的有序序列進(jìn)行疊加會(huì)生成一個(gè)雜亂無(wú)章的序列,反過來講,一個(gè)雜亂無(wú)章的序列必定可以分解為一系列不同周期的有序序列。這一分解便通過傅立葉分析達(dá)到,基函數(shù)正是周期性的三角函數(shù)。通過向?qū)W生講解其他逆向思維的例子,使學(xué)生對(duì)GPS氣象學(xué)中這一正反問題印象深刻,并注意在各類學(xué)習(xí)中感受逆向思維的魅力和力量,運(yùn)用逆向思維解決問題。

        二、對(duì)公式/原理理解能力的培養(yǎng)

        在各類基礎(chǔ)專業(yè)課中,原理和公式總是結(jié)伴而行,GPS氣象學(xué)也不例外。理解了公式往往就理解了原理;而理解了原理,公式也變得親切起來。以GPS衛(wèi)星定位中測(cè)距碼偽距法定位為例,一定要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)偽距是接收機(jī)測(cè)定的衛(wèi)星和接收機(jī)的距離,并不是一個(gè)真值。距離的真值是通過接收機(jī)的位置坐標(biāo)和GPS衛(wèi)星的坐標(biāo)求得的。真值和偽距的差值可以由真空中光速和衛(wèi)星鐘差(已知量)的乘積,以及真空中光速和接收機(jī)鐘差(未知量)的乘積給出。由此,可以列出方程,已知量有偽距、GPS衛(wèi)星坐標(biāo)(xi,yi,zi)和衛(wèi)星鐘差;未知量只有4個(gè),即接收站位置坐標(biāo)(x,y,z)和接收機(jī)鐘差。由此可知,只要接收機(jī)同時(shí)接收4顆GPS衛(wèi)星的信號(hào),建立4個(gè)本等式的聯(lián)立方程(i=1,2,3,4),就可解出接收機(jī)的坐標(biāo)和接收機(jī)的鐘差并定位成功。對(duì)這一定位原理理解的關(guān)鍵在于,理解真實(shí)的時(shí)間和測(cè)得的時(shí)間,即測(cè)得的衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)的時(shí)間和接收機(jī)接收到該信號(hào)的時(shí)間和它們各自真正的時(shí)間分別有鐘差,即衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差,由此導(dǎo)致測(cè)定距離是個(gè)偽距。又如,大氣濕度延遲公式的計(jì)算涉及將公式中隱含的前提條件進(jìn)行說明的情況,這里不再贅述??傊?,將公式中的潛臺(tái)詞顯式地向?qū)W生講明,將大大促進(jìn)學(xué)生對(duì)公式及對(duì)應(yīng)原理的理解能力。

        三、實(shí)踐能力的培養(yǎng)

        實(shí)踐能力的培養(yǎng)主要指軟件使用能力的培養(yǎng)。本課的學(xué)習(xí)中,我們學(xué)習(xí)了大氣延遲、天頂延遲和地圖延遲的計(jì)算,也學(xué)習(xí)了大氣天頂延遲和可降水量的計(jì)算??山邓考碢recipitable Water Vapor,英文簡(jiǎn)寫為PWV。關(guān)于大氣延遲、天頂延遲這一系列的計(jì)算,是為了推出可降水量PWV的公式。對(duì)于大氣探測(cè)、氣象分析的大數(shù)據(jù)來說,手動(dòng)演算顯然不能滿足計(jì)算的要求。在業(yè)務(wù)應(yīng)用上,日常實(shí)時(shí)處理的解算軟件主要包括GAMIT軟件和BERNESE軟件。其中,BERNESE軟件由瑞士伯爾尼大學(xué)研發(fā),GAMIT軟件由美國(guó)麻省理工學(xué)院研發(fā)。用任一軟件均可。所謂軟件使用能力的培養(yǎng),第一步是獲得并安裝GAMIT這一軟件。在麻省理工學(xué)院的網(wǎng)址上可以獲得這一軟件。安裝GAMIT軟件則分為GCC編譯器的安裝和GAMIT本身軟件的安裝。安裝完成以后,就可以使用GAMIT這一利器,包括解算前的資料準(zhǔn)備、軟件參數(shù)的設(shè)置、天頂總延遲量的計(jì)算和最終可降水量的計(jì)算。值得一提的是,安裝GAMIT的過程中使用UNIX命令,比如解開壓縮包的tar命令、改變位置到特定文件夾的cd命令、執(zhí)行Makefile文件的make命令、傳輸文件的ftp命令及命令參數(shù)等。通過向?qū)W生介紹一些UNIX的常用命令,可以為學(xué)生的機(jī)群操作打下良好基礎(chǔ)。軟件使用能力的培養(yǎng)可以樹立學(xué)生使用軟件解決實(shí)際問題的信心,切實(shí)提高學(xué)生使用專業(yè)軟件解算專業(yè)問題的意愿和能力。將書本學(xué)習(xí)拓展至應(yīng)用軟件解決實(shí)際問題的層次,不再紙上談兵,不僅是GAMIT軟件,擴(kuò)充到其他常用軟件,都可以活到老、學(xué)到老,更可以活到老、用到老。

        四、數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用能力的培養(yǎng)

        GPS氣象學(xué)的中心詞仍然是氣象學(xué)。如何將GPS氣象學(xué)中最重要的要素PWV用于氣候和天氣分析是永恒的主題。PWV資料多種多樣,比如探空觀測(cè)所得的Radio/PWV、水汽輻射計(jì)所得的WVR/PWV等。利用GPS探測(cè)大氣可降水量(GPS/PWV),具有時(shí)效性強(qiáng)、時(shí)間分辨率高、易于維護(hù)和更新、費(fèi)用較低、可全天候觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。因此,用GPS探測(cè)大氣可降水量GPS/PWV(PWV)已經(jīng)成為大氣研究和天氣預(yù)報(bào)中的寵兒。事實(shí)上,利用PWV資料的研究相當(dāng)廣泛,比如將PWV資料用于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)水汽在多個(gè)時(shí)間尺度上的氣候分析,并診斷長(zhǎng)江三角洲地區(qū)入梅日期,利用PWV資料分析臺(tái)風(fēng)期間大氣中水汽的變化,利用PWV資料對(duì)暴雨或飚線等強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行過程分析,對(duì)持續(xù)低溫雪雨中的水汽異常輸送信號(hào)、華西秋雨天氣過程中的水汽特征、PWV與大霧天氣關(guān)系特征等一系列的研究和分析。通過這些實(shí)例講解,引導(dǎo)學(xué)生思考如何應(yīng)用PWV資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力上的數(shù)據(jù)分析,落腳到研究天氣和氣候過程,并落實(shí)到寫出論文,解決實(shí)際氣象問題。

        誠(chéng)如以上所言,GPS氣象學(xué)是內(nèi)涵非常豐富的一門學(xué)科,是大地測(cè)量學(xué)、衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)的交叉學(xué)科。課程設(shè)計(jì)注重內(nèi)涵的傳遞,更注重和知識(shí)傳授相耦合的多方面能力的培養(yǎng):逆向思維能力的培養(yǎng)、對(duì)公式/原理理解能力的培養(yǎng)、實(shí)踐能力的培養(yǎng)以及數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用能力的培養(yǎng)。希望學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)中多維能力的培養(yǎng),不僅增強(qiáng)本門課程知識(shí)的接納、領(lǐng)悟、應(yīng)用能力,更能舉一反三,觸類旁通,對(duì)其他相關(guān)專業(yè)知識(shí)也有更多的領(lǐng)悟。更重要的是,建立利用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的信心,增強(qiáng)問題解決能力。

        參考文獻(xiàn):

        [1]李國(guó)平,黃丁發(fā),郭潔,陳嬌娜,李國(guó)翠,王皓.地基GPS氣象學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

        [2]丁金才.GPS氣象學(xué)及其應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2009.

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