《GPS气象学》课程设计与探索
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摘要：《GPS气象学》是大气科学专业的一门重要专业课，对应于“GPS气象学”这一具有广阔发展前景的多学科交叉的新兴学科。本着以学生为中心的理念，本课程设计不仅关注课程相关专业知识的讲授，更强调和专业知识相结合的学生多维能力的培养。它具体包括四方面的能力：（1）逆向思维能力；（2）原理及公式的理解能力；（3）软件使用能力；（4）数据分析及应用能力。本课程设计目标即通过多维能力培养，使学生不仅学习到《GPS气象学》专业知识，更能举一反三，增强利用专业知识解决实际问题的信心和能力。
关键词：GPS气象学；教学改革；课程设计；多维能力
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）31-0098-02
《GPS气象学》是一门新兴交叉学科，GPS指全球定位系统（Global Positioning System）。GPS气象学是一门由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的边缘学科，是近20年来蓬勃兴起的卫星导航技术在地球大气探测中的全新应用[1]。这门学科的核心思想在于利用GPS卫星信号穿过地球大气层的延迟量来反演大气温度、湿度和气压等大气要素，特别是大气湿度[1，2]。GPS气象学根据GPS接收机安置位置分为两大类，即地基GPS气象学和空基GPS气象学，重点在于地基GPS气象学。这门学科的主要内容包括：（1）GPS探测大气的意义、GPS系统的发展和组成、GPS卫星定位原理；（2）地基GPS气象学原理；（3）GPS气象网的建设、运行和维护；（4）地基GPS气象网的资料解算；（5）GPS/PWV的精度检验和误差分析；
（6）GPS/PWV资料在气候和天气分析中的应用；（7）空基GPS气象学的基本原理。
可以看出，作为一门新兴交叉学科，GPS气象学的内涵非常丰富。如何使学生透彻了解这些内容，举一反三锻炼多方面的能力，是课程设计面临的一个难题。知识吸收是基础，能力培养是进阶。为此，我们对课程设计进行有益探索，除了新知识的接纳学习，更强调学生多维能力的培养。
一、逆向思维能力的培养
GPS气象学中有一个非常有意思的问题，即对精密定位来说，GPS信号穿过大气会引起折射和延迟，成为GPS定位的误差源。测量学中，大气延迟成为一个“噪声源”需要去除，这就是所谓的正问题。但是反过来看，把这种误差源（即在大地测量学需要滤掉的“噪声”）转换视角看作气象学中需要捕捉的大气信号，并反演出有意义的大气温度、湿度、气压等，这就是反问题。这种视角的转换促进新兴学科——GPS气象学的诞生。实际上，由正问题向反问题这种逆向思维的应用无处不在。比如统计中的傅立叶分析，也是一个逆向思维的典型例子。即如果若干不同周期的有序序列进行叠加会生成一个杂乱无章的序列，反过来讲，一个杂乱无章的序列必定可以分解为一系列不同周期的有序序列。这一分解便通过傅立叶分析达到，基函数正是周期性的三角函数。通过向学生讲解其他逆向思维的例子，使学生对GPS气象学中这一正反问题印象深刻，并注意在各类学习中感受逆向思维的魅力和力量，运用逆向思维解决问题。
二、对公式/原理理解能力的培养
在各类基础专业课中，原理和公式总是结伴而行，GPS气象学也不例外。理解了公式往往就理解了原理；而理解了原理，公式也变得亲切起来。以GPS卫星定位中测距码伪距法定位为例，一定要向学生强调伪距是接收机测定的卫星和接收机的距离，并不是一个真值。距离的真值是通过接收机的位置坐标和GPS卫星的坐标求得的。真值和伪距的差值可以由真空中光速和卫星钟差（已知量）的乘积，以及真空中光速和接收机钟差（未知量）的乘积给出。由此，可以列出方程，已知量有伪距、GPS卫星坐标（xi，yi，zi）和卫星钟差；未知量只有4個，即接收站位置坐标（x，y，z）和接收机钟差。由此可知，只要接收机同时接收4颗GPS卫星的信号，建立4个本等式的联立方程（i=1，2，3，4），就可解出接收机的坐标和接收机的钟差并定位成功。对这一定位原理理解的关键在于，理解真实的时间和测得的时间，即测得的卫星发出信号的时间和接收机接收到该信号的时间和它们各自真正的时间分别有钟差，即卫星钟差和接收机钟差，由此导致测定距离是个伪距。又如，大气湿度延迟公式的计算涉及将公式中隐含的前提条件进行说明的情况，这里不再赘述。总之，将公式中的潜台词显式地向学生讲明，将大大促进学生对公式及对应原理的理解能力。
三、实践能力的培养
实践能力的培养主要指软件使用能力的培养。本课的学习中，我们学习了大气延迟、天顶延迟和地图延迟的计算，也学习了大气天顶延迟和可降水量的计算。可降水量即Precipitable Water Vapor，英文简写为PWV。关于大气延迟、天顶延迟这一系列的计算，是为了推出可降水量PWV的公式。对于大气探测、气象分析的大数据来说，手动演算显然不能满足计算的要求。在业务应用上，日常实时处理的解算软件主要包括GAMIT软件和BERNESE软件。其中，BERNESE软件由瑞士伯尔尼大学研发，GAMIT软件由美国麻省理工学院研发。用任一软件均可。所谓软件使用能力的培养，第一步是获得并安装GAMIT这一软件。在麻省理工学院的网址上可以获得这一软件。安装GAMIT软件则分为GCC编译器的安装和GAMIT本身软件的安装。安装完成以后，就可以使用GAMIT这一利器，包括解算前的资料准备、软件参数的设置、天顶总延迟量的计算和最终可降水量的计算。值得一提的是，安装GAMIT的过程中使用UNIX命令，比如解开压缩包的tar命令、改变位置到特定文件夹的cd命令、执行Makefile文件的make命令、传输文件的ftp命令及命令参数等。通过向学生介绍一些UNIX的常用命令，可以为学生的机群操作打下良好基础。软件使用能力的培养可以树立学生使用软件解决实际问题的信心，切实提高学生使用专业软件解算专业问题的意愿和能力。将书本学习拓展至应用软件解决实际问题的层次，不再纸上谈兵，不仅是GAMIT软件，扩充到其他常用软件，都可以活到老、学到老，更可以活到老、用到老。
四、数据分析及应用能力的培养
GPS气象学的中心词仍然是气象学。如何将GPS气象学中最重要的要素PWV用于气候和天气分析是永恒的主题。PWV资料多种多样，比如探空观测所得的Radio/PWV、水汽辐射计所得的WVR/PWV等。利用GPS探测大气可降水量（GPS/PWV），具有时效性强、时间分辨率高、易于维护和更新、费用较低、可全天候观测等优点。因此，用GPS探测大气可降水量GPS/PWV（PWV）已经成为大气研究和天气预报中的宠儿。事实上，利用PWV资料的研究相当广泛，比如将PWV资料用于长江三角洲地区水汽在多个时间尺度上的气候分析，并诊断长江三角洲地区入梅日期，利用PWV资料分析台风期间大气中水汽的变化，利用PWV资料对暴雨或飚线等强对流天气进行过程分析，对持续低温雪雨中的水汽异常输送信号、华西秋雨天气过程中的水汽特征、PWV与大雾天气关系特征等一系列的研究和分析。通过这些实例讲解，引导学生思考如何应用PWV资料进行统计、动力上的数据分析，落脚到研究天气和气候过程，并落实到写出论文，解决实际气象问题。
诚如以上所言，GPS气象学是内涵非常丰富的一门学科，是大地测量学、卫星动力学、气象学的交叉学科。课程设计注重内涵的传递，更注重和知识传授相耦合的多方面能力的培养：逆向思维能力的培养、对公式/原理理解能力的培养、实践能力的培养以及数据分析及应用能力的培养。希望学生通过课程设计中多维能力的培养，不仅增强本门课程知识的接纳、领悟、应用能力，更能举一反三，触类旁通，对其他相关专业知识也有更多的领悟。更重要的是，建立利用专业知识解决实际问题的信心，增强问题解决能力。
参考文献：
[1]李国平，黄丁发，郭洁，陈娇娜，李国翠，王皓.地基GPS气象学[M].北京：科学出版社，2010.
[2]丁金才.GPS气象学及其应用[M].北京：气象出版社，2009.
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