摘要: 为解决气象预报教学中存在的过往天气气候不可逆，雷电、暴雨等极端天气的高风险、不可及，以及大气辐射和大气污染物的不可见等问题，规划建设了高空气象要素探测、暴雨过程模拟、天气过程云系变化、典型强对流、大气长波辐射测定、大气光化学过程与浓度变化，以及PM2.5称重法采样等12类虚拟仿真实验教学资源，构建了界面友好、人机互通、功能完备的虚拟仿真资源共享平台。
Abstract: In order to solve the problems of irreversible of past weather and climate, high risk and unreachable of extreme weather such as lightning and rainstorm, and invisible atmospheric radiation and pollutants in the teaching of meteorological forecast, we have established 12 kinds of experimental teaching resources such as the upper-air atmospheric sounding, heavy precipitation simulation, changes of cloud systems, typical strong convection, measurement of atmospheric long wave radiation, atmospheric photochemical process and concentration change, PM2.5 weighing method and sampling experiment, and also established a virtual simulation resource sharing platform with friendly interface, man-machine communication and complete functions.
1. 引言
虚拟仿真实验教学是现代信息技术与学科专业深度融合的产物，在专业课程教学过程中充分运用虚拟仿真实验能够较好地拓展教学内容的广度和深度，是提升教学质量和水平的重要手段[1]-[3]。就大气科学类专业而言，灾害性天气预报预警、大气流体运动、气象要素观测等实验是专业课程教学的重要内容，也是培养学生实践能力，塑造学生创新精神的核心环节[4]-[6]。地球大气存在本身无色无味，且运动具有复杂多变、形式多样、不可重复的特点，同时大气圈还受到冰雪圈、岩石圈、生物圈等其他圈层的影响，这些特点决定了大气中某些过程具有高风险、不可及、不可见等特性，如火山爆发的高风险性，太阳活动的不可及性，海气相互作用的不可见性。然而，在现实中对上述大气现象进行再现和预报难度极大，因此，将虚拟仿真实验应用于实践教学，对大气中复杂的物理和化学过程进行虚拟再现，能够有效解决真实实验中存在的安全、场地、设施、直观度和运行成本等问题，并可进一步通过网络平台实现优质教学资源的广泛共享[7]-[9]。
2. 气象预报课程教学和实验面临的问题
气象预报实验是大气科学类专业(大气科学和应用气象学2个专业)本科生的必修课程，包括基础类、综合实践类、创新研究类和业务应用类等多个层面的实验，同时也是大气科学类研究生开展前沿研究和科技研发的重要手段。但由于大气流体的特殊性，在实验室内真实再现大气运动往往遇到较大障碍。一般而言，实践中难以开展的大气实验主要包括如下几类：(1) 高危险性实验。强对流天气过程观测实验、人工影响天气实验等一般都会伴随雷电、大风、暴雨等恶劣天气，属于危险性较高的实验类型。(2) 无法再现型实验。例如地球大气三圈环流、台风、东亚季风环流、气候变化等由于时空尺度因素无法在实验室中真实再现的实验。(3) 仪器设备更新换代较快的实验。如在灾害性天气系统和气象要素观测实验中往往需要雷达、卫星接收机等先进设备，相关仪器设备精密性强、种类多、价格不菲、台套数有限，且更新换代快，导致实验成本较高，高校一般难以按照设备正常更新换代的速度同步引进。(4) 视觉不可见型实验。太阳辐射、大气污染物扩散、大气光化学过程等大气过程由于难以通过肉眼观察，导致相关实验可行性较低。可见，一系列问题制约了气象预报课程教学中进行真实实验，导致学生对部分大气现象产生和发展机理难以理解，对气象预报技术手段的掌握难以实现。
3. 气象预报虚拟仿真实验教学体系建设
成都信息工程大学是原中国气象局直属的三所气象院校之一，大气科学类专业一直是学校的传统优势专业。为进一步加强人才培养质量，学校于2015年成立气象预报虚拟仿真实验教学中心，并在实验室软硬件设施、虚拟仿真实验教学项目开发、教学平台和实验教学队伍等方面开展持续建设。2017年，中心被评为气象预报四川省虚拟仿真实验教学中心，并规划建设了搭建了高空气象要素探测仿真、暴雨过程仿真、天气过程云系仿真、典型强对流仿真、大气长波辐射测定仿真、大气光化学过程仿真等12类虚拟仿真实验教学资源，构建了虚拟仿真共享平台，基本形成了大气结构与气象观测仿真、灾害性天气预报和机理仿真以及大气污染传输与预警仿真三大类气象特色鲜明的虚拟仿真实验教学体系。
3.1. 气象预报虚拟仿真实验教学平台架构
气象预报虚拟仿真实验教学平台结构如图1所示，现已建设初步构建了高空气象要素探测、暴雨过程模拟、天气过程云系变化、典型强对流、大气长波辐射测定、大气光化学过程与浓度变化，以及PM2.5称重法采样等12类虚拟仿真实验教学项目，基本涵盖了专业基础课、专业核心课、专业选修课等不同性质课程中的大部分教学内容，满足了专业天气学原理、雷达气象学、大气探测学、大气环流、气候学、大气流体力学、污染气象学、数值预报方法、航空气象学、大气化学等十余门专业课程的实验教学任务需求，初步形成较完整的实验教学体系，学生能够通过网络教学平台和单机版本操作进行各类气象类虚拟仿真课程学习。
Figure 1. Architecture of the virtual simulation experiment teaching platform for weather forecasting
图1. 气象预报虚拟仿真实验教学平台架构
3.2. 大气结构与气象要素观测仿真平台
大气结构与气象要素观测仿真平台通过虚拟仿真技术，能够清晰、形象地演示大气基本结构和气象要素探测原理。该平台主要功能为支撑专业基础课和气象类通识课程中的相关教学内容开展虚拟仿真，如气象要素观测等部分教学任务还可采用虚实结合，在室内进行虚拟仿真学习后，在室外开展真实气象观测仪器操作。该平台已建成相关虚拟仿真项目3个，包括东亚大气环流演示、高纬极区极光现象演示、高空气象要素探测演示，可支撑大气探测学、大气环流、天气学原理、中国天气、大气物理学、航空气象学、气候学以及天气分析预报综合实验等课程的虚拟仿真学习。
(1) 东亚大气环流演示项目(图2)。能够支撑本专业“大气环流”、“天气学原理”、“中国天气”等课程的东亚大气环流系统演示实验。学生可以在网上对东亚大气环流系统成员进行了解，同时还在平台上对东亚大气环流系统时空变化特征知识点的掌握度进行虚拟测试。
Figure 2. Demonstration of East Asian atmospheric circulation
图2. 东亚大气环流演示
(2) 高纬地区极光现象演示项目(图3)。形成了高纬地区极光现象发生原理、形成条件和动态演示虚拟仿真可见，能够较为生动形象地展示太阳带电粒子流进入地球磁场后，在地球南北两极高空中形成极光的全过程，并展示其形成机制和条件。该项目主要支持“大气物理学”等课程的演示实验部分。学生通过演示项目了解极光发生的位置和机理。
Figure 3. Demonstration of aurora phenomena in high-latitude regions
图3. 高纬地区极光现象演示
(3) 高空气象要素探测演示(图4)。研发了高空气象要素探测全流程演示系统，能够让学生高空气象要素探测的准备工作、探测步骤、数据整理和资料应用等知识点，并可以结合大气探测学和天气分析预报综合实验等课程，初步掌握利用高空气象探测资料进行气象预报的能力。该项目主要支撑“大气探测学”等课程的演示实验，学生可利用虚拟仿真实验了解高空气象探测的方法和基本原理。
Figure 4. Demonstration of upper air meteorological element detection
图4. 高空气象要素探测演示
3.3. 灾害性天气预报和机理仿真平台
该实验平台主要支持《中小尺度天气》《天气学原理与方法》《动力气象学》等多门专业理论课程的实验部分。暴雨过程模拟仿真实验对四川省三次暴雨过程WRF中尺度模式模拟过程进行数值仿真，包括模式模拟区域设置、模式参数化方案选择等，还可以得到模拟分析动态结果。该实验将科学研究转化为教学资源，指导学生进行WRF中尺度过程仿真。
(1) 暴雨过程模拟仿真实验(图5)。该项目主要支撑“中小尺度天气学”等课程的演示实验，学生可利用WRF中尺度数值模式开展多个例暴雨研究，解决了学生对数值模式使用的陌生感问题。
Figure 5. Demonstration of WRF simulation for heavy rainfall events
图5. 暴雨过程WRF模拟仿真演示
(2) 典型强对流仿真实验(图6)。将我校大气探测和气象预报科研成果转化为本科生“大气探测性”、“中小尺度天气学”等专业课的实践内容成果，通过仿真技术揭示天气雷达观测方法及强对流探测结果，可为气象预报提供支撑。
Figure 6. Typical strong convection simulation demonstration
图6. 典型强对流仿真演示
3.4. 大气污染传输与预警仿真平台
该平台主要为《大气化学》《污染气象学》等专业课程提供虚拟仿真实验支持。具体包括大气光化学过程与臭氧浓度变化仿真项目(图7)。主要目的在于通过仿真项目使得学生熟悉污染气体仪器及测量原理、掌握数据处理及分析方法并交接大气污染传输与预警相关专业知识。
Figure 7. Demonstration of atmospheric photochemical processes and concentration variation simulation
图7. 大气光化学过程与浓度变化仿真演示
4. 结语
介绍了成都信息工程大学气象预报虚拟仿真实验中心的基本状况。通过建设，已初步达到虚拟仿真实验室建立的预期目标。未来将在稳定提升实验室现有实验项目的基础上进一步拓宽实验领域，提升虚拟仿真实验层次，实现人才培养质量的进一步提高。
基金项目
本文得到四川省成都信息工程大学本科教学工程项目(JYJG2024061、JYJG2024062)资助。