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日志

数值天气预报可视化资源的教学价值

已有 471 次阅读2021-10-29 17:33 |个人分类:专题研究|系统分类:地理学科| 地理, 气候


——利用Windy气压场和风场数据学习判断风向







来到徐汇中学,这样一个具有103年历史的崇思楼里面参加教研活动,感觉自己的智商一下子提升了一点点。

我们先来猜一个谜语,猜一个人物——他才华横溢,但经常迷茫,乘坐的飞机,在大雾弥漫中辨不清方向,不幸遇难,年仅34岁……猜出来了么?比如他喜欢写这样的诗:我不知道风/是在哪一个方向吹/我是在梦中/黯淡是梦里的光辉。对了,他就是徐志摩。

地理老师遇到这类的学生可能就会比较痛苦,总是搞不清楚风向。因为我们在教学当中要教会学生判断风向和风速,今天我的发言就是:数值天气预报可视化资源的教学价值。

 

一、数值天气预报和Windy可视化资源

windy是一个特别好的教学资源,网页版内容很丰富,也有APP应用,对我们的教学特别有帮助。

实际上我们目前的天气预报都是靠超级计算机计算出来的,这就是数值天气预报,而过去我们的天气预报都是靠一个一个的站点监测,通过无线电通讯汇集多个站点的数据,靠人工绘制天气图,上海气象博物馆里面有最早的一张东亚地区的手绘天气形势图,这种预报主要是靠经验预报。而在上个世纪60年代气象学发展有一个本质的飞跃,那就是广泛运用气象卫星遥感和雷达观测,结合地面自动观测站,制定出这个数值天气预报。

数值天气预报需要有数学和物理模型,我们来看一下数值天气预报的重大意义。世界气象组织认为,数值天气预报是20世纪最伟大的科技发展之一。

这里2021年的诺贝尔物理学奖,也奖给了两个气象学家,他们的主要贡献是建立了地球气候的数值模型,可靠地预测了这个全球变暖的趋势,比方说这位日裔学者真锅淑郎,已经加入美国国籍。

加州理工学院有一个气候建模联盟(Climate Modeling Alliance,简称CliMA),就是专门研究天气预报和气候预报的模型。因为我们知道天气现象是一个混沌系统,一个微小的不确定性就可能产生巨大的影响,这就是我们所说的蝴蝶效应。提高分辨率会产生巨大的计算量,数值预报离不开超级计算机,现在人工智能也运用到气候模型软件之中。

世界上有三十几个国家能够独立作出自己的数值天气预报。但是这里面的水平还是差异比较大,处在第一梯队的是欧洲中期天气预报中心,第二梯队的有英国、美国、日本等等,我们国家处在第三梯队。

比如这个水平最高的欧洲中期天气预报中心,它的模式(或者模型)分辨率达到9千米,垂直高度的大气分层数据有130多层。

我们来看一下,这是中国气象局的一个全球天气模式预报产品,主要是这个气压和风向,叫全球同化预报系统。我们也有这样的天气地图网站,能够看到风场,看到风的动态运动,但总体上数据还是比较有限。

这是中国气象局网站的一则新闻,国家气象局的局长庄国泰强调,数值预报是气象领域的芯片和国之重器,可见其重要性。

好,回到我们提到的windy网站,在这个网页图像右下方有三种预报模式,一个是欧洲中期天气预报模式,一个是美国的预报模式,还有一个是德国的,当然这里面质量最高的是欧洲中期天气预报中心的模式。

所以,数值天气预报是用模型来模拟实际的大气运动,我们平时教学用到的三圈环流这个大气运动的模型可能是最简单的一种,有点像婴儿的学步车;第2幅图是我们老教材的地图册,上面有这样一张图,考虑到了高空的西风带;第3幅图就是运用这个windy网站得到的这么一个高空的气流流场,是数值模拟的复杂模型,好比特斯拉汽车,科技含量很高。模型越复杂,也就越接近实际的大气运动状况。

 


二、根据等压线分布图判断风向和风速

根据等压线分布图来判断风向和风速,这是我们教学当中一个重点、难点知识。包括我们现在的新教材必修一内容,这也是一个非常重要的知识点。我们可以利用windy网站的可视化资源,来改进我们的教学。

比方说我们有时候会设计这样的学生活动:呈现简易的等压线图,让学生画出北半球各点的风向。学生经常遇到的困难,来自三个方面:

第一,不知道这些图的观察视角。这是一个水平等压线分布,是从高空俯视地面,是上帝、神仙的视角,其中默认方位是“上北下南、左西右东”。

第二,是地偏向力。北半球向右偏,南半球向左偏,这个左右是一个模糊的概念,很多学生学生难以做出准确的判断。

第三,是画风向的时候,这个风向和等压线斜交,相交的这个角度到底有多大?很模糊,不能够确定,这个也让学生困惑,犹疑不定。

这是我们一般讲解提到判断风向的方法,先看气压梯度力,再看地转偏向力,还有风向和等压线相交的角度,一般来说跟摩擦力的大小有关系,海面上摩擦力小,中纬度地区大概是15度,陆地上摩擦力大,中纬度地区风向和等压线相较大约是30度。

我们来看一些具体的案例,通过windy的网站,例如:我们能看到夏威夷群岛附近平行的等压线,风向怎么判断?把风场的这个粒子动画图显示出来非常直观。低气压控制的希腊附近雅典、低气压西部的纽芬兰岛。还有新西兰岛惠灵顿附近的风向,怎么判断这里受高气压控制的风向?这里隐含了一个区域认知的考查:这里位于南半球,地转偏向力应该向左偏。

这样我们就把一些抽象的学习任务还原到真实的区域情境当中,有助于学生的理解,借助于windy网站,这个动态风场的支持,对学生的学习很有帮助。

 

三、运用天气预报可视化资源辅助教学

运用数值天气预报的可视化资源可以做很多事情。这个网站的数据十分丰富;一些可视化的图像,大气运动的学习,不再是捕风捉影;全球尺度从地面到高空的风场,有利于我们完善自己的认识,从整体上去理解全球性的大气环流;这些动态结合的图像可以认识大气动态的变化,了解重要的天气变化过程;还可以自由缩放,深入研究任何区域,任何地方的天气问题,真是一个教学的好帮手。

再看其他的例子:比方,南亚地区的季风成因,南半球的东南信风越过赤道,地转偏向力向右偏,成为西南季风,我们可以动画来显示,非常直观。还有即时了解当前的天气系统和天气形势,这里有4天前对今天1100的天气预报形势图以及今天上午11:00的天气形势图,两张图差异不大,欧洲的中期预报中心的预报,还是非常厉害的。

 

四、核心素养导向下地理课堂教学改进

最后谈谈核心素养导向导向下的地理课堂教学改进。

第一点,就是我们要用好地理学的语言多种图像素材,掌握地理学的三代语言:文字是第一代语言,地图是第二代语言,还有地理信息技术第三代语言。这样的产品很多,关键我们怎么去用。

第二点,就是要把地理的现象、地理概念、地理原理落实到现实的区域当中,时刻想到地理学的区域研究传统。

第三点,就是我们强调地理实践力,提倡具身学习,给学生更多生动的学习体验。

地理学的研究有4个传统,对我们开展教学设计也是非常具有借鉴价值和意义的。

 

所以,可能我们地理老师更喜欢这样的诗:太阳是明亮的/草在结它的种子/风在摇它的叶子/我们站着,不说话/就十分美好。

天地有大美而不言,学好地理,能深刻理解各种自然现象,我们就能听懂大自然的语言,地理的语言。可以静静的欣赏大自然的美好。

这就是我今天发言的内容,感谢大家的聆听。

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