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刘树华:专业基础课与人才培养的实践
【时间:2012/3/20 】 【来源:北大教学论坛 2009.03.26 】 【作者: 北京大学物理学院大气科学系 刘树华】 【已经浏览2746 次】

    今天,我以讲授《大气探测学》的经验为例,谈一些“专业基础课与人才培养的实践”的感想。这个课是一门大气科学专业的本科生专业基础课,是学习大气科学其他课程的重要基础课程。通过教学要求学生掌握有关云、天气现象、能见度的基本知识;以及大气温度、湿度、压力、风速、辐射和降水蒸发等大气要素的探测理论和仪器原理。为进一步学习其他专业课和从事教学、研究奠定基础。这个课99年被评为教育部名牌课程建设项目;02年建设完成,被评为教育部名牌课程;03年被教育部评为国家精品课。
 
    这个课是大气科学专业教育部规定的四门基础课之一,学习内容是我们讨论制定的。《大气探测学》最初为120学时,后来教学改革改成了90学时,64学时,现在又变成了45学时,这样就使教学的难度增加了很多。学时的减少是在“拓宽基础、淡化专业、分流培养”的指导思想下进行的。
 
    今天要讲的主要有四个内容,一个是教师如何教专业基础课;二学生如何学专业基础课;三是互动融会贯通的教学方法,因为大气探测学是一个实用性非常强的这么一个课程;四是教学课件、教学网站以及辐射作用,就是全国其它学校和国家气象局在用我们的课件方面的问题。
 
    一、专业基础课教师应当具备的素质
 
    关于上好专业基础课应有的准备,我这儿列了几条:
 
    第一,要清楚专业基础课的特点。专业基础课与国家、社会对人才需求紧密相关,与学科的发展有密切的联系。那有人说了,我这个基础课数学、普物,就不是国家急需了?也是,但是专业基础课,我后面还要讲到,根据国家的发展、学科的发展,要不断地变化的,教师要有高度的责任感。
 
    这门课我是讲了十几年了,主讲讲了十几年。我从留校就当助教,就是这个课,从讲习题课到实习,以后讲一章、两章,逐渐地讲一半,到了九几年的时候,就是我主讲了。老师当时教我的时候,就是基本的天气四大要素的探测,我完全可以按照那个来教。但是呢,随着学科的发展,很多内容都变了,那个时候老师没有教过我的我现在要教,比如说激光雷达,风廓线雷达,像这样的一些仪器,那时我没听说过;超声风速仪,也是80、90年代,我们国家才有。这些先进的仪器,你完全可以不讲,但是学生将来出去走上科研岗位或者出国,就会很不适应。所以呢,必须得有高度的责任感,有些东西你必须现学来教给学生。
 
    第二,要了解学科国际国内发展进展及前沿。《大气探测学》是推动我们这个学科的一种基础、实验课程。比方说大气边界层、大气动力学的一些理论结果,要靠我们的观测来验证,经常有新的结果出来,所以就要紧跟这个学科国际发展前沿。有关大气探测的一些新的发展、新的进展,特别一些新的仪器的在大气科学的应用,我都要补充到讲义里头去。如果照原来讲义讲,省时省力,但是同样对学生将来的实际工作会有一定影响。
 
    第三,教师要具备扎实的专业基础。因为一些探测工作、仪器的原理,需要专业理论的解释,才能使学生融会贯通,不能只讲表面的结论或使用方法。
 
    第四,要充分应用现代教学方法和技术。有些内容,你不用现代的教学方法和技术,不能充分展示清楚。比如说卫星探测,光凭语言文字就很难理解,下载一个软件或动画来演示一下,学生就看得很清楚了。
 
    第五,因为我们是一个应用实用学科,要通过参观、考察、报告了解对专业人才的需求。
 
    第六,是基本的原则,你要热爱教学工作。你有动力,才能做好这个工作。
 
    二、如何上好专业基础课
 
    具体教学中如何指导上好专业基础课?我体会最关键的是要结合应用、结合前沿、结合实际工作。
 
    1、结合专业在国民经济建设中的地位–我们这个大气科学专业,在国民经济建设中,它具备什么样的地位,明确学习目的,变被动学习为主动学习。
 
    我们的学生呢,大物理招进来,物理学院每年招200个学生,第四学期到第五学期,基础课学完了,要分专业。那个时候呢,学生还不知道大气科学专业是做什么的,所以这个时候我们要给他到年级上去讲、去报告,大气科学是做什么的。平时在这个课上,我一般地也要讲大气科学将来要做什么,使学生明确学习目的。这是“加强基础、淡化专业、分流培养”这个教育方针所带来的问题。“专业淡化”,对专业的学习,就有一定的影响,所以教师在课上就应当适当加强一点。
 
    2、结合国家建设的需求和现状,激发学生学习专业课的热情。我经常给学生举一些现实应用的例子,来激发他们对学习的热情。
 
    3、通过考察参观气象台站,激发学习专业的积极性。像我们组织学生到一些科研业务单位,中国科学院、国家气象局、气象台站等地去考察。在一年级要进行一次业务单位的考察,在三年级暑期要组织一次气象台站的考察,还有其它不定期的参观活动。
 
    要让学生了解大气探测学在国家国民经济建设的、以及国防建设的地位。我这儿举了几个例子,像98南方大洪水,当时中央的总书记江泽民,一晚上有三次电话打到国家气象局,为什么呢?因为南方告急,洪水差两个厘米就要漫过长江大坝。当时是保武汉,还是要淹公安三县,还有长江三峡的工程是不是要撤,人员和机械撤出来,一撤一进就要损失3.2个亿,对工程质量可能威胁更大。我们在这个事件当中,大气科学的工作人员可以说为国家立了功。当时是长江三峡的工程不停,武汉市民不用撤,公安三县实在不行就淹了泄洪。预报的结果,保住了长江三峡,保住了武汉,还保住了公安三个县的土地。当时预报虽然下雨,但风很小,风小的话就不容易起浪,不容易破坏大坝。当时冒着风险,顶着中央的压力,预报了大坝安全的结果。关键是我们气象雷达网起了重要的作用,这就又回到了我们的课程——《大气探测学》。
 
    再像刚发生的2008初年南方暴雪冰冻,2008年8月8日北京奥运会开幕式的气象保障等,我下一次课就要增加这个内容。这样的事例讲起来,能给同学以深刻的印象。既有兴趣听,又记得牢固,还学会学以致用,可以说一举多得。需要注意的是你不能光讲故事,还要讲清原理,回到专业中来。
 
    像国防建设,航天卫星的发射、导弹防御的系统,都需要大气探测来做一个保障。大家知道卫星发射基地、导弹发射基地等都有气象保障团。我们以前发射导弹命中精度非常低,有时有一二百公里误差。在95年,我带领一个班的同学,到一个导弹基地去做了一个实验。我们做了一个大气的探空,探测从地面到四五千米这个高度,风是怎么分布的。我们发现了在某一个高度,受大兴安岭剪切气流影响,有一个非常强的风激流区,对火箭飞行有很大影响。我们测了这个风的结构,做了一个模型,可以在地面把气象数据输进去,来校正风的影响,从而大大提高了精度。这个工作得了一个解放军科技进步三等奖。回到了我们的课上,这就是大气探测学的高空观测部分的一个内容。
 
    如果不让学生了解这些东西,光说温度怎么测、风速怎么测,只有僵化的知识,恐怕不容易学好。
 
    我国现在的气象预报的准确率和预报时效明显与世界先进国家存在水平差距,这是国家气象局局长郑国光的原话。他说,代表一个国家的气象科技水平的数值天气预报分辨率,美国是10公里,日本是20公里,中国则是60公里,还不一定达到,南方暴雪就没报出来。
 
    因为我国探测技术整体水平差距较大,大气探测装备自主研发能力明显偏低,就只能靠买,靠我们的外汇指标来买这些仪器。探测仪器依靠进口,受国际制约明显,我们的气象事业可以说养活了美国好多家气象仪器公司。像多普雷达网,就跟美国签订合同,美国的雷达仪器公司,专供我们国家建雷达网。因为美国的多普雷达网上世纪70年代全国就普及了,我们争取2030年建成,差了多少?半个多世纪。我们的雷达网建不起来,那些灾害性天气我们就不可能报得准。
 
    中国需要从气象大国向气象强国迈进。什么叫气象大国?我们全国有6万气象职工,还不包括高校做气象研究工作的人,科学院也不包括。要成为气象强国就需要解决人才问题,大气探测技术问题,大气探测的仪器设备问题,气象预报水平和准确率问题等等。像这个气象仪器,郑国光举了个例子,说我们在一个地区,要进行一次大气边界层的探测,想借助于美国的一种投掷式探空仪。可以用飞机飞到一个高度,几千米上万米,把那个探空仪一扔,这个探空仪从扔的那个高度一直落到地面,这个过程中就把大气探测数据发射出来。扔几个探空仪他们就要我们一百万美金。所以说,气象水平的提高需要有先进的数值预报模式和探测设备支撑,要做到这个,当代的青年学生身负重要的责任。
 
    总而言之,结合所发生的气象灾害以及国家的需求学习专业课,可以有效地激发学生对专业课学习的主动性和积极性。
 
    三、互动融会贯通的教学方法
 
    下面我讲一下《大气探测学》教学中具体的过程与事例。
 
    主要教学内容包括:基本气象业务所需要的常见气象观测问题,就是说我们的气象台站都是观测什么东西;特殊的大气探测问题,一些特殊的研究、特殊的需求,像我们的卫星发射基地保障,导弹发射系统的天气保障,那都是特殊的大气探测需求;还有卫星遥感的探测问题,等等,大概要牵涉到这些内容。
 
    1、常见气象的观测
 
    从基本的大气要素探测的原理上说,风、压、温、湿,这是我们大气科学的四大要素,所有形成天气的风雨霜雪,都是这四大要素起的作用;还有我们天天面对的太阳辐射问题,或者云天气现象的形成原理,这些都是我们基本的一些问题。
 
    (刘老师提供了很多指示图表,文中所说的“这个”“这是”“这样”“这种”等等,很多都是指示图表而说,在此没有附图,请读者理解)
 
    先来看气象站。这就是常规气象站观测场的仪器设置,这个气象站是国际规范的气象站,就是国际气象组织(WMO)规定的气象站就是这样的建设。气象站建设是有严格规范的,我们气象法规定:气象站周围多远之内不准有建筑,因为有建筑物就会改变风向。大家知道,国际规范的气象站形成的数据是全球通用的,我们可以用欧洲的资料来报,他们也可以用我们的资料。气象站内部的仪器布局也都是有规范的,这个是10米高度的风速风向,是在最北边;百叶箱,辐射仪器是在最南边,就是说从低到高来进行仪器的摆设,这是基本的原则。
 
    现在我国有143个基准站;有530个一般的气象观测站,是地区站;还1736个县级站,我们有1800多个县,那还有的县没有气象站。这些都是标准站,它们的数据是要供全球使用的。比较重要的高空的地区站,就是那143个基准站,其数据是供国际基准大气要素标定使用的;比方说大气化学的东西,在这些站上都有观测。还有高空探测站,124个,每天放气球探空的,一天放二到四次。这些探空站,是了解5000米高空的数据。有时候甚至能到上万米高度,也就是飞机国际航线的高度;但一般的只是在八九千米高度时的数据还是正常的。
 
    还有126个雷达站,就是雷达布网的站点,比较高级的是我们新一代的天气雷达站点。大家到全国各个地方去,特别在高速公路上经过一些省城的时候,看见有这样的一些塔,就是我们建的这个新一代天气雷达,它是用来实时监测天气现象的。北京的就在北大门佛爷顶上,是检测北京西北方向的点。
 
    这是全球的地面天气报告站,也就是标准的地面气象站;这是全球的一个整体站网,有的还在海上。
 
    这是全球地基观测系统的分布图,红色的是船舶,就是海上的浮标站。
 
    这是全球的高空站,监测全球的大气层,可以说,整个的地球,在人类掌控中。
 
    再来看观测仪器。像测风仪器的基本的原理、概念等,学生要掌握,对此我都概述成简单的文字,讲一些原理。比方说,像这种最早使用的蜗杆形的这种风速表,它是齿轮转速转换成风速关系。然后,就有一些电感式的,就是电感、电压转换成风速的关系。然后是光电式,光电式就是无磨损的。然后发展到悬浮式。最后是超声,超声波在大气中传播,由此来测大气的风速。像超声风速仪,我们要求学生推导超声与风速的关系式,考试时经常考这样的问题。
 
    讲温度的时候呢,要给大家讲,国际上几个重要的K氏温标,摄氏温标,华氏温标。大家要会换算,要会用。比如你到美国去,他们用的是华氏,你要知道,华氏212相当于多少度。
 
    这是测温的时候用到的双金属片温度计,这是一个实物,这是一个原理图,能够让学生很快地来理解这些仪器的原理,并且会推导这些仪器的测温的一些表达式。
 
    讲到气压的时候,我们要给同学讲清楚这个大气压。气压表的发明,是1644年意大利的托里拆利兄弟,那时候他们用图示的那种方法来测气压。而我们现在发明了这种动槽式和定槽式的气压表。它的原理是:因为大气压力,一个真空管插到水银里头会形成落差,立一个标尺就可以测量气压了。比如说,先测一个海平面的气压,然后拿着这个气压表爬到山上,你就可以知道这气压减了多少,一个大气压相当于多少米,你就可能换算出这个山有多高。像这个空盒气压计,同学是经常用的,它是一个能够自动记录的气压计,其原理基本上是一样的,这些测压的原理都要求学生掌握。
 
    在测辐射平衡的时候,学生要了解大气当中辐射平衡的这些量度;然后,再了解它怎么观测,怎么来测量。这些是辐射表,要掌握在大气当中它的一些测量方法;这是一个直接辐射表;这是各种辐射表在气象台站的排列顺序。如果学生走上工作岗位,来做这个工作,你知道这些基本的问题。这是一个自动跟踪太阳的一个辐射计;这也是自动跟踪太阳的一些辐射计,在应用当中都会用到。
 
    上面讲了几个要素的基本观测仪器的情况,下面讲云的形成原理以及云、天气现象的观测,让学生有个基本的了解。
 
    学生来上课,他们都有一定的基础,那么这个课讲到云的时候,首先要讲,云的形成机理。云有不同种类的,比如说,这种云是怎么形成的呢?大概是在5公里的尺度,由一个对流形成的,也就是地表加热对流形成的;这个高度我们叫做凝结高度,凝结高度以上就生成云了。生成云,继续有对流加强的话,它就形成这样的一个云,叫表面加热和自由对流时形成的云。
 
    这是一个地形抬升形成的云,这个高度也是叫做凝结高度。这个山坡有水汽,比方说有植被,水汽比较多,那么上升气流抬升到这个高度,就形成云;下坡风的时候,由于蒸发,云就消失了。
 
    这是一个空气辐合抬升形成的云,这边有个低压,那么周围空气过来以后辐合就形成了云。
 
    这是一个锋面抬升形成的云。就是说我们大气当中有冷锋、暖锋,冷锋过来以后,把热的空气抬升就形成云。这种云,一般来说,尺度比较大,是天气系统形成的云。
 
    知道了云是怎么形成的,下一步在学习天气学,或者其它课程的时候,就有了这样的一些基本知识。比如说对流积云的形成,加热、上升形成对流泡,到了凝结高度,形成云;这就是对流云的原理。我们在飞机上观测的这种云就是对流云。飞机在某个区域的时候,颠簸就非常厉害,为什么呢?就是因为大气当中对流非常强,就是对流云的作用。
 
    这个是云的在大气过程中的一种形成原理,是从淡积云、浓积云到积雨云发展的过程。首先是淡积云,这是一个温度廓线,这是对流云形成凝结高度,形成云;进一步发展,上边是稳定层,它抑制这个云的生长;混合层、不稳定层比较厚,继续发展,发展成这样的一个强的对流云;上边是稳定层,它就发展不上去了,这个云就要快降雨了。
 
    这个是冰雹形成的机理。冰雹是一种很强的对流,里头有一个凝结核,这个是零度层;它向上升,在这一层的时候是一层水,到了零度以上,就是冻抑层;那么有下沉气流它又到这一层了;到这层,云是往这个方向走的,它又把它推上去,又结一层;所以冰雹,切片的时候,它是一层一层的;所以这就是冰雹形成的一个过程。
 
    这是各种云图,像我们上课就让学生背这种云图。会看天,会识云,就是说你看看这个云是什么云,它的国际电码是什么电码,国际这个云的名字是什么;关键是你还要记住这种云代表什么样的天气现象,来了这种云,要知道它下雨还是不下雨,它会降什么雨,等等。
 
    这是一种降雨的对流云,这是一种发展的浓积云,这是些各种的浓积云。这是一种发展旺盛的就是说秃积云:这已经是产生降水了,已经消散了;这是产生降水,有雨翻,所以这种云是一种很强的对流;这层高度以上已经是冰晶,它闪闪发亮。
 
    这是一种毛卷云,像羽毛一样;这是堡状云,这种天气呢,是很不稳定的。这些是各种云。像这种云过来就代表高空天气系统已经侵入到你这个站,大概在几个小时到半天之内,很可能浓云就过来,先变成伪卷云再变成密卷云;然后就是阴天,进一步就是降水;像这种天气都是很不稳定的天气。学生学了以后,他就会看云识天,等等。
 
    地形云的形成,这个已经说过。还有一些荚状云的形成机理,经过一个山区,就在大气的过程当中形成一种这种像云结一串儿下去,就形成了荚状云。这是过山气流形成的荚状云,非常漂亮。像这种云,过山气流形成的蘑菇云,在高寒地区,也是非常漂亮。这是形成的各种的荚状蘑菇云,都是在高寒的山区。
 
    像我学这个课程的时候呢,老师经常考我们。我们在物理大楼上课,他就让一位同学上去看看什么云,下来写一个条给我,这是作为平时成绩来考察的。现在我上课,讲到云这一章的时候,经常也是如此。因为有的学生,你再怎么说,他都不太注意;所以,要学会看这些。
 
    这是锋面抬升作用形成的云,这当然是很专业了的。这个是我从网上切下来的美国新奥尔良那次飓风的暴雨云系。这是发展时期,可以说地表的这个能量非常强,对流非常强,像巨大的原子弹云一样,汽车什么的就能被吸上去;这是旺盛时期,非常强,大概就是降雨了;下边是衰退时期,衰退时期最后就消散了,成为了这样的一个云。这是一个过程。
 
    这是不稳定混乱的一些云,这种天气很可能就来天气巨大的变化。这是一些混乱的天空,这是海上的混乱天空、虹。
 
    雷电也作为一章的内容,讲雷电是怎么观测,雷有好多种。像我们的老师原来在泰山顶上、庐山顶上气象站的实习,他们那时候有两门课,分地面观测和高空观测,两门课讲三个学期。其中有一个学期是在泰山顶上气象站实习,有位老师在值班,结果有一个雷跑到屋子里头炸了,把头发都给烧了。这种雷就是一种从窗户缝里能进到屋子里头的那种雷,球状闪电。而这种雷怎么防就是个问题,有一些防雷的措施。关于防雷,我们有一个雷电专业委员会,是指导全国的这个防雷、怎么防雷。
 
    下面再讲述典型灾害天气形成的云物理过程。像2008年1月中国南方暴雪冰冻灾害天气的形成条件,我总结了一下,大概有5条,才形成了这次冰冻。一个是大气环流异常,且阻塞高压稳定20天。本来,水汽从中国的东南方进入到我国以后,如果阻塞高压不强的话,南方就会有降水,直到东北降雪,这样它就出去了。但是今年不行,积攒了大量的大气环流,使得水汽输送进来了以后,因为北方有阻塞高压,稳定了20天没有动,使得南方的水汽往北走不了,就稳定在南方,降了这种连续20多天的暴雪和冰冻,使得东南方输送大量暖湿气流至我国的南方,这是第二个条件。第三个条件:这个是一个很专业的说法,就是我们气象学上说的准静止锋,维持在那儿,使得那个地方连续地降水。第四个条件,大气存在强逆温层,使得那地方的逆温层控制大气的过程。第五个,就是地表的温度低于零度,所以,降下来的是冻雨。
 
    这是截获的图片,是交通的灾难、通信的灾难。之所以导致了这样的一些过程,是因为地面温度低于零度,水汽和过冷水滴,遇到物体时结冰,碰到什么就结在什么上,无论是电线杆还是那些电线。大家可以看到电线冻得那么粗,当时都拿着棍子上去敲;在树枝上形成这个树挂,或者称为雾凇。这就是它的原理。
 
    这个同学都很清楚,在课上专门有一页讲这个,就是说温度垂直分布与降水的现象。礼拜一赵老师来讲的时候会讲这个问题,他应该从我们这个PPT上去贴一张图,解释就更清楚了。这种情况是降雪,这是零度线,这是温度廓线。什么叫廓线呢?就是温度随着高度的变化大概到3500米,温度从地面到高空一直都是低于零度,所以雪不化,降下来就是雪。这个是雨雪混合的,这是个零度线,这是温度廓线,那上边低于零度就形成雪。这一层,我们叫深度结冰层。就是说,在上面一层它化成雨了,但是到了近地面层的时候呢,又是低于零度,不过它冻不实,所以就是雨夹雪,或者叫霰,冬天有时候就碰上。这个是冻雨,就是我们今年1月份的冰冻形成的原理。深色的一层,在零度以上,叫做强逆温层,到了近地面层,又低于零度。所以,这个很厚的一层完全是液体,地表又很冷,降下来就成了冻雨。这个是雨,在高空3000米左右都是低于零度,然后一直到地面都是零度以上,所以降下来是雨。这就是我们南方的冰冻形成的原理。
 
    2、特殊的大气探测学
 
    这是区域大气探测的一些研究仪器图,包括飞机、卫星、探空。这就是探空仪,测风、温等等,还有其他一些的气体探测;这是铁塔、雷达,有风廓线雷达、车载雷达等等。我们申请了一个项目,做京津冀,就是天津、北京和河北这一带,大气环流异常的项目,我们就要上很多这样的一些观测。
 
    这是城市区域大气探测,是城市尺度的。除了应用卫星、飞机、探空、系留汽艇、铁塔,还有观测站,等等。还有一些流动观测车,来进行这个区域的一些观测。这些我们课上会具体讲这些内容。
 
    这是一个对于北京的局地污染大气形成情况的观测系统,我们又叫城市热岛环流与大气污染的探测。比方说北京白天的时候,由于山体的增温较快,就形成南风。北京一年四季都是北转南、南转北,白天是南风,晚上是北风。
 
    这个是我们要探测的一个大气边界层高度。这个高度与北京的空气质量有直接的关系,因为这个高度比较高,那么大气容量就比较大,使得北京,在同样是300万辆汽车排放量的条件下,大气的质量就比较好。如果由于地形形成,这个边界的高度比较低,那么大气容量就小,那么同样污染物排放,大气污染就严重。所以,这些工作需要我们来进行大气探测和污染物的测量。这个是晚上,晚上的边界层高度较低,所以晚上更容易形成大气严重污染。白天对流比较强,边界层高度比较高,所以大气质量好一些;到了晚上,开始乌烟瘴气的,就是这个原因。这些都需要我们来大气探测,比方说北京有一个325米铁塔,在科学院,从79年到现在,一直连续监测北京的大气过程。
 
    这个是激光雷达测量大气的原理图。激光雷达发射一束光,碰到大气中的一些云或者气溶胶等等就会反射回来,那么根据反射的强度和高度,来测量大气的垂直的过程。这是一个光学的大气探测仪器;这是个探头,由记录的电脑来控制。这一些仪器,都是近些年才有的。
 
    这是大气所的对边界层探测研究的铁塔,325米高,装了15层仪器,能够让我们来实时监测北京的大气的过程。至于这些仪器,对温室风以及污染物怎么观测,我们在课上要具体讲。这是北京周边地区大气边界层的观测点,现在北京是325米,天津是280米,周围还有一些,建了一些几十米的铁塔,来监测大气的过程。
 
    这是系留气球,来测大气的边界层。这一种,北京买了三个,在前几年大家可以看到飞过我们校园,像个飞机一样;这是可以载人的,人在上头可以来进行对城市、地表的拍摄。这种是不载人,但是,也可以搞一个筐,人就可以上去了。
 
    这是风廓线雷达,它是测风速的垂直分布的。这个箭头的方向是风的来向。这个标度是10秒/米,就是说每一个长杠是2秒/米,每一个短杠1秒/米。由此可以看到某一个时间,在垂直高度上的风速风向的变化。这是连续观测以后,看到风在某一高度的转向,它的风速的大小和转向的情况等,以此来了解大气的一些边界层过程。这都是些观测的资料。
 
    这个是声雷达,测大气温度、风速、风向等等,主要的是测温度。
 
    这是车载的观测系统,我们可以在车上走。北京气象局的测量,从上地一直到城南,从长安街一直到通县,以此测量这个城市的温度分布。
 
    这个是美国的测大气边界层的仪器。我在课上有时要给同学以震撼,让大家看看人家美国的大气探测的设备,惊人的先进。这是在海上建了一个固定的塔,可以打到100多米高。并且它这些臂都是垂直地测量的,这一个塔就相当于我们几个塔。最震惊的是这样:它平时是个巨轮,开到某一个地方,想在这个地方观测了,它一头就下沉,变成一个巨塔。展开的臂可以在不同高度测海上的大气要素。
 
    我还给同学们讲,在九几年我们有可能跟台湾打仗的时候,我们在海峡上还没有行动,美国已经在我们的海峡布满了这样的海上探测系统。我们的海流等等,全让他们测完了。一旦我们跟台湾打起来,他们的核潜艇可以在我们的海峡里头自如的来回游动,就是因为他掌握了海流的流向,掌握这个大气的过程。所以这个时候说,我们的先进程度,可以说还差得很远。其实我们在南海也做这样的工作,像973项目等,要在海上建一个40米的铁塔。来回地审计好几遍,20万给你砍成10万,10万觉得还多,再砍。我是去参加那个评审的,我说这种塔建在海上,你要给他砍,砍得很便宜了,本来它可以用10年,结果5年就可能塌了,因为海上腐蚀很厉害。你要砍价,给他砍得很低的话,必然在质量上受到影响。你还不如给他钱多一点,让他建得结实一些。
 
    这个是去南极的“雪龙号”,进行南北极大气观测研究。“雪龙号”装备还是很全的。有一年参加在青岛海洋大学的一个项目评审,当时“雪龙号”在青岛停着,我们有幸上去看了一看,确实还是很先进的。这个是在北极的自动观测站。我上课的时候经常考学生:极地的太阳能电池为什么装成垂直的?它不像我们都有一个纬度角度,在南北极的太阳能电池都是垂直的。这是南极的自动气象站,从地表一直到这儿,这是在2005年1月28的时候,南极夏季建成的。这个是我们的南极考察船在行进过程当中,海上进行考察所使用的仪器设备。
 
    还有我们国家准备要建全球气候观测系统,也就是说将来有我们自己的系统。卫星已经有了,可以看这个模型。这很自豪啊,我参加了这一系统规划,觉得我们国家现在真的强大了。
 
    3、卫星遥感大气探测学
 
    这个是它的原理图,它要围着地球扫,是立体的,扫出来以后就是下图这个结果。这个是卫星在它的高度下的柱浓度,能够测到二氧化碳的浓度。那么就可以实时看到全球哪些地方二氧化碳浓度高,哪些地方二氧化碳浓度低,就是说可以来监测全球大气的二氧化碳的浓度的问题。
 
    这是美国的NASA目前运行的卫星计划,这个卫星计划预测到2020年完成,它要在这几年每年按计划发卫星。我们这儿毕业了一个学生,在美国读博士,他就想用美国的资源卫星来做全美的地表特征这个研究。后来牵扯到一些歧视问题,他一气之下不做了,回国了。回国以后在银联工作,现在年薪70万,不做他们这个专业了。
 
    这是我国的全球空基观测系统图,也是全球的情况。这张图,前几年的时候看了以后非常自豪,觉着我们国家从一个卫星的贫国,已经步入到卫星的强国了。为什么呢?原来我们国家天气预报,那时候叫东张西望。往东,是求日本,我们用你的通道,用你的气卫星资料,做天气预报用。跟日本关系不好了我们就求美国,求求美国你给我一个通道来用。以前是这样的,所以我们老一辈的老师那时候做天气预报很可怜,要是用卫星云图的话,都是要求日本或美国的,所以叫东张西望。现在我们可以谁也不用求,现在上边儿有两个卫星,“风云二号”已经到了C星。“风云一号”、“风云二号”,同时两个星在工作,所以能够保证天气预报的全球云图,时时地都有监测。
 
    下边是我们国家的到2020年的规划。2007年,我们“风云3A”实验卫星;2008年,“风云二号”E星;2009年,“风云二号3B”星;2010年,“风云二号F”星;2011年,“风云二号3AM1”星;2012年,“风云二号2G”星,等等,每年我们都发。到2019年,发“风云3RMS”星;到2020年,发“风云4MS”星。可以说,我们现在准备发的资源卫星,是全球性的系统;像现在美国,它就掌握着全球性的系统。比方说,某一个地方农业遭灾了,它早早地就知道,它的卫星非常精确。它的卫星精确到什么程度呢?我们的指纹,假如外边大晴天能见度很好,你手一扶汽车顶,要是卫星经过的话,你的指纹它都能看到。当然那种卫星是间谍卫星,对他们来说,查看汽车牌号是很容易的事情。像他们那样,探测到某地方的农业遭灾了,他就可以把粮食往这个地区来投入,就能赚钱。我们以前的农业是估产,就是说各大队、各乡、各镇报到县区,县区报到省,省报到中央。这样的办法,现在已经不用了,卫星已经能做到了,卫星监测的比你报的还准,当然美国更不用说了。所以,资源的卫星需要重点发展,应用于气象服务的气象卫星也要发展。在将来,我们国家的天气预报,争取到2020年,精度要达到10公里。到那个时候,我们的精确度可以说就跟美国现代的水平大致相当。
 
    四 教学课件与教学网站
 
    最后是教学课件与网站。这是我的group网站,在此点击“课程资源”,有个“大气探测学”,点击下载按钮,里面不光有课件,还有很多相关的参考的东西。还有这个是物理学院的一个网站。还可以点击我们教务部的网站,点击“精品课专栏”,点击“2003年精品课”,再点击“大气探测学”,也能找到。
 
    “大气探测学”在南京大学、青岛海洋大学、解放军雷达学院及国家气象局培训中心等单位都作为教学课件使用,他们使用的效果也是不错的。这些学校的学生来考我们的研究生,面试的时候,我提几个问题就知道他学的什么。因为我提的问题他们都很清楚,那他们上课就肯定是用的我的这个课件。
 
    谢谢大家。
 
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    课后问答
 
    问:刘老师,我有一个问题。现在学时减少了,你的内容、课程内容有没有减少?
 
    答:肯定减少。
 
    问:这种减少对课程的教学质量会不会有影响?
 
    答:对教学质量,可以说影响不大。原来我上课的时候,会有些公式推导,那很占时间的。但现在,则是一半部分放PPT,必要的时候我再推导。不像我们的老师,我上学的时候,老师每一个字都要写的;而现在的情况不同,可以说在这个方面就节省了1/3的学时。
 
    问:您刚才提到的实习,就是你的老师,他们会有三个学期在外面带学生实习,那我们现在的学生要实习吗?
 
    答:实习很有意义。我上这个课的时候,还有三个月的台站实习。我在佛爷顶待过,在很多地方台站我去实习过。但现在,实习条件确实不允许,我们就带着学生,走马观花地在台站看看,不具体当班。
 
    问:这影响他们的实干能力吗?
 
    答:我们可以说现在的学生很聪明,可能到台站上,我估计很快就能掌握。这样也好,可以节约一下学时,学一些其他更重要的课程。
 
    问:您说你这个课程的课件很多学校也都采用了,是不是因为它有很丰富的素材?这种素材不是平常人所能得到的,所以对课件的成功起了很大的作用?关于资料获得的经验能不能跟我们分享一下?
 
    答:资料的获得,就是网上下载,勤快一点儿。当时,在2000年左右的时候,我就把这个课件的全部章节做成PPT了。因为当时申请国家精品课有一条,必须得上网,必须得有PPT,那时候很多老师来不及,就没赶上。那些事先用了的,已经实行了的,那就正好省劲儿了。很多学校愿意采用,有几个原因:一个是宣传。因为原来我是教育部大气学科教学指导委员会副主任,所以我召集了这个学科全国的教学研讨会。这个会就是研讨我们这四大课程怎么来施行教学,内容、形式,等等。我这个课就走在前边儿了,大家知道了,所以被采用。再一个就是说很多地方,在PPT就很精炼,比如说一些公式,我可以在旁边推导,而主要的公式和结果就打在ppt上,这样就很直观。
 
    问:您的这个课是基础课,向本科生授课的。我想问的问题是,您的课程教学大纲如何与现在的大气探测的进步保持衔接?
 
    答:这课程的教学大纲,是按照教育部规定编写的,教育部对课程必须讲哪些东西有具体的规定。像这个课的教学大纲,就在网上放着,前边几章是必讲的,后边几章是自学的。自学的那些就是教学大纲里不要求的,包括雷达观测。雷达观测原来我们专门有门课,就叫雷达,因为雷达的一些原理、一些东西,不光是大气科学应用,还有一些雷达专业的东西。这是严格按照教育部规定来写教学大纲的,必须的内容这儿都有。
 
    问:刘老师,你这个课程建设,看得出是花了很大力气的,这个从人力、物力方面院里有没有支持?
 
    答:这个都是国家支持的。就是说像原来的叫做“名牌课程立项”,立了项以后给两万;“国家精品课”,国家答应给十万,但结果国家赖账,没有完全落实。
 
    问:那组织学生参观台站这些活动,这些费用是哪里出?
 
    答:这些费用是我们本科生基地出。我们大气科学本科生基地的一部分专门经费就是为本科生出去用的。

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    本文根据刘树华老师在“第二届北大教学论坛”上的讲座编辑整理而成。
    编辑整理:安超,鲁鹏一,郭九苓。
    讲座视频:rtsp://162.105.14.149/forum/7.rm

 

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