关键词： 大气科学（水文气象）专业 水文气象导论 水文学原理 课程建设
近年来，全球各地出现了很多极端水文气象事件和破纪录事件，包括欧洲和俄罗斯的热浪、美国的卡特里娜（Katrina）飓风、缅甸的纳尔吉斯（Nargis）热带气旋、巴基斯坦的水灾和亚马逊盆地、澳洲及东非的旱灾，以及我国的泥石流和山体滑坡[1]。为解决洪涝、干旱、台风、山洪、泥石流等种种极端水文气象事件，拥有“气象人才”摇篮美誉的南京信息工程大学凭借在大气科学方面的雄厚实力，于2011年9月率先成立了大气科学（水文气象）本科专业，并开始招生，成为我国首家培养大气科学（水文气象）专业本科生的高校，同时也是目前我国唯一具有大气科学（水文气象）专业的高校。大气科学（水文气象）专业的成立，在国内外引起了广泛的关注。现本专业有3届本科生，总人数160人。
课程建设是教学建设的基本内容、教学质量的中心环节，是落实教学计划、提高教学质量、实现培养目标的奠基性工程。对于年轻的大气科学（水文气象）专业来说，迫切需要开展课程建设并完善研究。本文就大气科学（水文气象）专业水文气象导论和水文学原理课程建设和完善等方面，提出了一些思路和观点与各位同仁共同探讨。
1.水文气象导论课程的建设和完善
1.1课程设置的必要性
刚进大学的新生对所学专业及就业去向普遍感到比较迷茫和困惑，如果在学习基础课程阶段不及时引导，则会使学生学习动力不足，学习起来甚为被动，产生消极情绪，甚至可能会直接导致4年大学生活缺乏规划，得过且过。因此在大学一年级上学期开设专业导论课，甚为重要。它可以帮助学生了解所学专业的背景和基本概念，熟悉专业知识链的构成，掌握大学时期的学习方法，从而激发学生的学生兴趣[2]。水文气象导论是大气科学（水文气象）专业的入门课程，它是一门面向大学新生、引导学生了解大气科学（水文气象）专业的入门课程，是解决新生对未来大学生活疑问与困惑的课程。水文气象导论的开设，对大气科学（水文气象）专业的大学新生起着启蒙和指导作用，它在整个专业教学体系中占据着举足轻重的位置。
1.2课程知识体系的构建及授课方式探讨
水文气象导论课程主要回答学生对大气科学（水文气象）专业最关心的三个问题：大气科学（水文气象）专业是干什么的、学什么的和做什么的。其最终目的是让学生意识到：（1）大气科学（水文气象）专业是“最好的”；（2）大气科学（水文气象）专业很有用。以问题激发兴趣，以兴趣唤起求知欲，以求知欲带动学习，在一个个具体的水文气象问题案例中引发思索。
目前尚未有正式出版的《水文气象导论》书籍可以直接借鉴。构建水文气象导论课程知识体系时，首先，应通过一个个具体水文气象极端事件案例及前沿信息，使学生深有感触，通过分析和关键问题的延展式探讨，启发学生思索和了解大气科学（水文气象）专业是干什么的及为什么要学气科学（水文气象）专业，即使学生意识到作为大气科学（水文气象）专业学生的无比光荣的使命；其次，通过讲述水文气象学的发展简史，引申亟须解决的问题是什么，让学生了解为什么气象和水文相结合往往有助于更好地解决一些工程建设和实际生产课题，并对大气科学（水文气象）专业的科学研究方法有一个初步了解。在此节的讲述过程中，除了讲述水文气象学科发展过程中的重要发现和重要人物及当时的自然和社会背景之外，还应当重点剖析在这个发展过程中，科学思维所起到的重要作用。以本学科的重大发现激励学生，以学科奠基人的故事吸引学生，以科学家对待实验的态度引导学生，从而使学生树立科学的世界观、人生观和价值观；接下来以现在亟须解决的问题为引子，让学生积极主动地查阅文献，相互探讨教学方法，从而刺激学生求知欲与探索欲，达到训练思维的目的，培养学生初步的科研能力；最后在探讨结果的基础上，总结大气科学（水文气象）专业所需要学习的知识，使学生对本专业整体框架有一个了解。
2.水文学原理课程的建设和完善
2.1课程设置的必要性
大气科学（水文气象）专业主要的研究方向是水循环要素监测、精细降水预报、可能最大降水、防洪设计标准和水文气象集合预报和流量概率预报。水文学原理主要阐述水文现象的成因和机理，通常涵盖的主要内容有水文循环过程、蒸发及下渗过程与机理、土壤水形与运移、洪水波运动、产汇流机理等[3]。水文学原理具有鲜明的专业特征和基础特征，是大气科学（水文气象）专业的基础课程之一，考虑到本课程对学生前期知识体系的要求（此课程需要开设在高等数学、大学物理、水力学等先行课程之后），目前将其安排在大学二年级下学期开设。水文学原理起着联系基础课和专业课之间的桥梁作用，为专业课的学习奠定必要的基础。如果不打好该基础，不能牢固掌握灵活应用它，学生就无法学好工程水文学、水文气象集合预报等相关课程，因此，水文学原理在整个大气科学（水文气象）专业课程中起着承上启下的作用，在大气科学（水文气象）专业人才培养中占有重要的地位和作用。
2.2课程知识体系的构建及授课方式的探讨
目前南京信息工程大学大气科学（水文气象）专业所使用的水文学原理的教材是芮孝芳教授著的，中国水利水电科学出版社出版的《水文学原理》。该教材章节内容丰富、涉及知识广，难度相对较高。在教学计划中，本课程计划学时只有48学时，而水文学原理具有理论性较强的特点，仅仅从理论上进行分析和灌输，会使整个课程显得枯燥、乏味。水文学原理课程的特点，决定了在教学过程中，应当重视实践教学环节，采用提问及互动探讨授课法等多元化的教学方法；加上学时的限制，则要求教师除了认真钻研、精心备课外，还有一个重要的环节，就是准确构建本课程知识体系。
大气科学（水文气象）专业是一个新生的专业，构建水文学原理课程知识体系时，不能直接照抄照搬，复制克隆其他相关专业的课程知识体系，应根据自身专业的特点，敢于突破，搭建具有本专业特色的知识体系。譬如第九章地下水流、第十章地表水流第八节湖水运动、第十四章冰雪水文和第十五章水质及河流生态环境章节可以不做讲解；第八章产流机制和第十二章流域产流都是产流部分，可并做一章讲解；第十章地表水流和第十一章洪水演算也可并做一章讲解；鉴于天气学原理、雷达气象学、卫星气象学的开设，第四章降水第二节降水类型及影响因素，第五节雷达测雨可简单带过。“教学的艺术不在于传授本领而在于激励、唤醒、鼓舞”[4]。在每章的讲解中，以问题为先导，带动好奇，然后以好奇带动求知，各章节主线问题见表1所示。
表1 水文学原理课程章节主线问题
3.结语
针对大气科学（水文气象）专业学生，本文给出了水文气象导论和水文学原理课程建设和完善的一些建议。另外，建议教师可以尝试每次快结束时课预留10分钟做Q-A环节（questions and answer）。大部分美国教授讲课，每讲完一个问题，教授就要问“Any questions”？有问题立即解决。在我国则不能照搬，但Q-A环节的增加对学生和教师都有很大益处。“石本无火，相撞方显灵光。水本无华，相荡方显涟漪”。
参考文献：
[1]World meteorological organization，The global climate 2001-2010 a decade of climate extremes summary report[R].Published by WMO，2013.
[2]李莉.导论课程在专业教学体系中的定位与作用[J].集美大学学报，2013，14（2）：117-120.
[3]芮孝芳.水文学原理[M].北京，中国水利水电出版社，2004.
[4]侯立柱.“水文学原理”课程创新性教学研究[J].中国地质教育，2011，（4）：92-94.
MeteoMet计划是EMRP的一部分，并得到欧洲国家计量院联合会（EURAMET）的资助。参加此计划的包括受到资助的18个研究机构和3所大学，以及34个未予以资助的合作机构。该计划的执行期为3年，经费预算为4413683欧元，有6个工作组，30个子项目，计划交付65个成果，总共需要419人月的工作量。
1.主要方向
MeteoMet计划的主要研究方向是气候变化观测所涉及的计量溯源性，以及从计量学的角度对地面和高空大气的温度、气压、湿度、风向风速、太阳辐射观测和气象要素观测量之间的相互影响的研究。
2.科技目标
MeteoMet计划的科技目标基本上可以分为3部分，即新的计量方法，新的校准设施，以及对历时气候资料的计量学处理。具体包括5个方面：气候观测的不确定度评估方法。研发对空气温度传感器进行精确校准的实验室设施和方法；研究建立风速观测计量溯源性的方法。改进湿度传感器及其校准方法。研制可溯源、可自校准、可调式吸收光谱法二极管激光器（TDLAS），研究水分子的吸收线；研究包括基于准球面腔体微波共鸣技术的湿度计、无接触式大气测量量多传感器装置、超声风速计，以及新的基于GPS和伽利略导航卫星的测量方法；研究无线电探空仪观测的计量溯源性；获取用以改进水汽公式的新资料，提出新的用于水汽压力曲线方程式。参考探空仪的校准装置。研发创新性校准系统，包括具有高度优化的热量和物质传导特性的测量箱，建立基于探空仪观测的计量溯源性。自动气象站的校准装置。提出新的自动气象站校准方法和协议，评估太阳辐射和元器件老化对自动气象站的影响；研制可对温度、湿度和气压传感器进行同时校准的实验室和现场校准设施；研发对自动气象站软件进行确认的协议。历史温度资料的计量学处理。评估用旧的技术（方法和仪器）获得的历史温度数据，估计当代数据与历史数据的一致性；研究和开发具有A类和B类不确定度①的不均一的历史观测资料的分析评估方法和软件。
3.MeteoMet计划的6个工作组
MeteoMet计划从管理和专业研究的需要出发，设立了6个工作组：高空观测传感器和技术工作组。研究新的用于高空观测的湿度传感器，建立基于TDLAS的绝对湿度传感器的计量溯源链；研制可溯源至国家标准的可移动校准的标准湿度发生器和新的探空仪传感器校准箱；进行在接近真实高空条件和拥有国家标准环境下的传感器比对。气候要素观测的新方法和新仪器工作组。研究用于低空和高空大气温度、湿度和气压观测的新方法和新仪器，以获取改进饱和水汽方程准确性的新数据。该方程适用的温度范围是－80～100℃，目标不确定度②为0.85%～0.04%。地面气象观测测量方法和协议工作组。针对气候研究和气象学长期、大尺度观测的需要，研究地面温度、湿度、气压和风速观测的可溯源的观测方法和协议，研究超声风速计观测资料的不确定度评估和现场校准方法。观测资料协调化工作组。主要进行历史温度观测资料评估和数据融合的工作。研究历史温度观测资料不确定度的来源，并将这种来源的不确定纳入总的不确定计算报告中，修正气候模式的输入数据。通过这种工作，强化对气候变化的识别、预测和适应性评估。除上述4个专业研究工作组外，MeteoMet计划还设立了“推广和传播”和“管理与协调”两个工作组。
4.MeteoMet计划的预期结果和影响
通过MeteoMet计划的实施，可以推动计量学和气象学研究的发展。预期成果包括：获得一个经过确认的用于欧洲气候指示因子的基本参数规定；获得可靠的测量协议和可溯源的传感器校准规程；推动气象机构所属自动气象站的校准直接溯源至国家标准，使得观测资料更准确并附有不确定度报告；提高对大尺度和长期温度观测资料的标准化和保证计量溯源性的方法的需求。MeteoMet计划的实施，可以促进气候观测资料可靠性的提高和对历史数据的正确解读，降低气候影响模式的不确定度，从而提高长期和短期气候变化预测结果的可靠性。而更可靠的气候变化影响模式可以为制定有效的国际和国家应对气候变化的政策提供更好的指导和依据。
二、MeteoMet计划研究示例
MeteoMet计划所有项目的核心和亮点就是计量溯源性。而计量溯源性的两个核心要素就是校准（不间断的校准链）和不确定度（校准链的每项校准均会引入测量的不确定度）。为满足气候观测的需要，获取高质量的气候资料，进行真正符合计量学意义的校准和不确定度分析具有重要的现实意义。例如，由于不具备符合校准条件的设施，对探空仪就不能实现业务化的实验室校准。对大量布设的自动气象站也不能进行严格现场校准。再例如，气候观测业务采用新的观测方法需要研究解决校准问题。现行的业务化的校准方法也需要改善和优化。例如，目前对于温度观测仪器的校准通常是在液体槽中进行的。而实际上，气温是在空气中观测的。由于空气和液体的性质不同，它们对气温观测所引入的不确定度的贡献也是不同的。这种不同对于气候观测资料的质量也是有影响的。此外，对历史气候资料的计量学处理，主要面临的问题也是计量溯源性和不确定度。MeteoMet计划正是围绕这些实际问题开展了有非常有意义的工作。以下列举几个与我国有关工作可进行对照的MeteoMet计划的研究示例，以帮助对该计划有一个感性的了解。
1.研制探空仪湿度传感器快速校准系统
该项目主要针对的是对参考级探空仪进行实验室校准问题。提高探空仪湿度观测的质量是WMO世界气候观测网参考探空网（GRUAN）的重点。要达到GRUAN要求的精度目标，获得可靠的气候观测资料，一个关键的因素就是通过科学的校准使探空资料具有良好计量溯源性。但是，目前对探空仪的实验室校准是非常困难的。由于在模拟高对流层和低平流层的实验室环境条件下进行湿度校准非常耗时，因而，对探空仪进行实验室校准在目前是难以实现的。为此，MeteoMet计划研发对探空仪湿度和温度传感器的校准方法，创建一个用于建立探空仪观测计量溯源性的参考装置。该项目主要由芬兰计量认证中心承担，具体研发内容包括：应用热量和物质传导研究成果，结合相关的试验，设计和建造一个高效的测量箱。这种测量箱可以缩短包括在低温范围的校准时间，使一套探空仪的校准可以在一天之内完成；研发一种基于饱和器的低至－90℃的霜点温度参考标准；研制对测量箱的空气温度和霜点温度进行准确和有效控制的装置；对整个测量箱进行测试，并进行全面的不确定度分析。
2.研究在空气中进行温度传感器校准的设施和方法
该项目主要针对的问题是降低温度观测的不确定度。对全球气候变化的估计，需要的温度观测资料的不确定度要小于0.1℃。降低温度观测资料的不确定度，需要考虑源自传感器校准方法本身的不确定度。目前，对温度传感器的校准是在液体槽中进行的。而液体与空气的热力环境是完全不同的，由此产生的额外的不确定度经常被忽略。该项目的研究目标是将空气温度传感器校准的不确定度，在－20～50℃范围内，从0.08℃降到低于0.05℃。这项研究有助于增加对气象温度观测的误差来源和现实不确定度的认识。这将提高温度观测（特别是空基观测）的准确度。该项目由英国国家物理实验室负责，具体研发内容是：研制一个准确的空气温度校准设施。该设施将可对气流进行控制，并可随校准环境的变化对热交换进行调整。同时，对仪器和其他热源产生的误差和不确定进行研究分析。最终，在－20～50℃的温度调整范围内，使在空气中进行的温度校准的不确定度小于0.05℃。同时，提出如何将温度调整范围延展的建议。
3.研制可同时对气象站温度、湿度、气压传感器
进行组合校准的实验室校准设施该项目针对的是气象观测要素之间相互影响的问题。目前对自动气象站的校准缺乏对各要素之间的相互影响的考虑。由于传感器的校准不是在类似于野外环境的条件下进行的，所以，常规的校准可能引入系统误差。目前，在欧洲没有专用的可以同时产生和控制温度、湿度、压力、风速和太阳辐射的环境校准箱。这种能同时模拟地球表面条件的校准装置，可以更好地对气象站观测资料的不确定度进行评价，使其具有更可靠的计量溯源性。MeteoMet计划将研制以上所述需求的校准装置。拥有了这种装置将可对温度、湿度、气压单独的校准曲线之间量值的相互干扰，以及太阳辐射和风速对其他观测要素的影响进行研究。这项工作将提出自动气象站温度、湿度、气压传感器校准的新协议和流程，同时还对实验室校准与现场校准的关系进行分析。该项目由多个欧洲科研和计量单位完成，具体研发内容包括：由波兰低温和结构研究院等在实验室条件下，用自动气象站使用的温度（－50～50℃）、湿度（10%Rh～98%Rh）和气压（800～1100hPa）传感器进行测量。用测量结果与华沙大学的自动气象站的日常观测结果进行比对分析。这种比对分析结果可为制定自动气象站校准规范提供基础。由芬兰计量认证中心利用其压力－温度－湿度校准设施，对前述3种气象要素之间，在－50～－20℃的低温范围内相关性进行研究。在此基础上设计出一种考虑到3个要素之间相关性的优化校准规程。由意大利国家计量院建造一个新的自动气象站参考设施，以满足用户对计量溯源性的要求。该装置为圆柱体，直径约1.3m，长度为1m。该校准装置的内部结构适合安装各种自动气象站和气象观测用传感器。温度、压力和湿度可分别单独控制，可同时实现：温度控制偏差小于0.05℃，温度调整范围为－40～50℃；压力控制偏差小于0.1hPa，压力调整范围为750～1100hPa；在温度为0～50℃条件下，湿度范围为5%～98%，准确度为0.3%～0.7%。该装置还可产生最大30m/s的风速，并具有太阳辐射发生器，用以评估风速和太阳辐射对温度、压力和湿度传感器的影响。
4.研制可溯源的自动气象站现场校准装置
该项目主要是针对自动气象站的现场校准问题。现行的自动气象站现场校准存在许多计量学方面的弱点。首先，由于用于比对的标准器不能长期在露天状态下工作，所以校准不能覆盖传感器的整个量程，因此不能完整地确定传感器的直线性和不确定度。同时，也无法对观测要素之间的相互影响进行评估。此外，对在高海拔和极地地区安放的自动气象站需要有明确的校准规定，以保证这些自动气象站能溯源至国家标准。MeteoMet计划研制一种用于自动气象站现场校准的，可安放在中型汽车上的小尺寸可搬运的气候箱。通过这项工作，可以提出保证布设在遥远和高海拔地区的自动气象站的计量溯源性的方法和规程。这种可以同时产生温度、湿度和压力值的气候箱，将建在珠穆朗玛峰脚下，位于尼泊尔境内海拔5050m处的金字塔观测站。通过这种装置和专用的规程，促进高海拔地区气候监测的进步。该项目由意大利国家计量院负责，具体研发内容包括：研究和建造一个缩小尺寸的设施，用于自动气象站的现场校准。这种装置可对温度、湿度和压力传感器进行同时校准，测量范围覆盖自动气象站可能遇到的环境条件。其温度控制偏差小于0.05℃，温度调整范围为－20～50℃；气压控制偏差小于0.1hPa，气压调整范围为500～1100hPa；湿度调整范围为5%～95%，不确定度为1.5%。该装置产生的温度、湿度和气压的值的仪器测量是直接用测量基准进行校准的。
5.开发考虑计量溯源性的用于历史和未来温度资料协调处理的计算模式
该项目主要针对的是历史气候资料的不均一问题。为了改进历史资料序列，需要对不同时期由于采用新的协议对气候资料的影响进行最优估计；同时，还要在模式中考虑不同地区的人类活动。为了获得气候评估所需的时间序列资料的修正值，必须要用最新的统计技术或新的程序进行统计均一性试验和时间序列均一化处理。MeteoMet计划研制一套数学软件模式，用来从计量学测量和不确定度的角度，对时间序列历史资料进行模式化处理。该项目由多个欧洲计量单位负责，具体研发内容包括：由捷克计量院和斯洛伐克计量院负责开发克服历史观测资料地点和时间的不均一性的方法。该方法基于对历史资料的认识和MeteoMet计划其他相关部分研究结果的数学软件模式。该方法可以根据国际温标的演变，重新计算温度值，并包含B类不确定估计；依据对测量方法、观测仪器等方面现有的知识，按照历史资料的质量，对部分或整个资料集进行加权处理。将A类不确定度和B类不确定度包含在对温度趋势的评估中。由挪威计量局负责对该模式进行测试，对取得的进步和遇到的问题进行评估。
三、结束语
水汽是一种在全球气候系统中起关键作用的温室气体，它不仅吸收和辐射太阳能量，对低层大气的化学作用也有影响，我们设法利用GPS定位中的误差源来反演大气中的水汽。如果地面上的GPS接收机的精确三维坐标通过其他方法确定，则可从GPS接收机测量的卫星信号传播的总延迟量中提取水汽造成的湿延迟，进而反演出信号路径上水汽的累积量。这就是地基GPS气象学的基本原理。GPS反演大气可降水量流程如图1所示。
2地基GPS反演大气可降水量处理流程
在应用GAMIT软件处理GPS数据反演可降水量时，GPS数据处理按照4个步骤进行。首先是数据准备，包括GPS观测数据(rinex格式的o文件)、广播星历(brdc文件)、精密星历文件(igs)、气象观测数据和相关表文件;接着用GAMIT软件处理各时段GPS的观测数据，得到一个基线解算文件;然后用GLOBK(卡尔曼滤波)进行多时段综合解算，以得到网平差的结果及各个测站的平均坐标和速度等参数;最后把精确的测站坐标带回GAMIT，对待求测站进行强约束，反演对流层的天顶延迟，得到可降水量。如果解算时发现各个时段的坐标相差较大，应该分析原因，重新进行解算。
3南极地基GPS数据解算实例
3．1站点选择和数据准备
本次实验所选取的站点采取引入长距离测站的方式获得绝对PWV。本次实验参与解算的站包括7个IGS站，分别是VESL，SYOG，MAW1，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4;此外，还有中国的两个南极跟踪站长城站GRW1和中山站ZHN1(如图3所示)。为了在解算时较精确地得到可降水量，我们从SOPAC网站上查到2009年7个IGS站的精确坐标，长城站和中山站的坐标可以通过解算得到。这样在解算时对坐标点给予较强的约束。本次解算的是2009年全年9个站的GPS数据，准备好所有的数据文件后，便可以执行GAMIT的批处理命令让其自动解算一年的数据，就可以自动解算出9个站一年的数据。
3．2可降水量的提取及其精度分析
3．2．1提取可降水量
在GAMIT中提取可降水量的命令为sh_metutil。由于参与计算的天数有365d，要比对的站有5个，逐天逐条每个站下命令将很麻烦。这时，可以利用Linux系统的SHELL的功能，编写一个小程序，实现三重循环。用VI编辑器编写一个三重循环，以CAS1站为例，编写一个名为xunhuan．sh的文件，然后通过命令chmod使之成为可执行文件，具体命令为:Chmod+xxunhuan．sh。通过调用．/xunhuan．sh来批量执行几百条命令，这样就比较方便，其他几个站以此类推。得到各个站点每天的可降水量，然后通过grep命令提取各个站点的可降水量。通过数据的整理分析，每个站点整理出一个可降水量文件。
3．2．2GPS/PWV与探空Radio/PWV的比较
目前，世界气象部门对大气中水汽的探测主要还是依赖于探空气球的探测，为了验证GPS/PWV的正确性和稳定性，将GPS/PWV和Radio/PWV进行比较。本次参与解算的9个站中有5个附近同时安装有探空站，分别是SYOG，DAV1，CAS1，DUM1，MCM4。下面将就这5个站解算出的GPS/PWV和探空PWV进行比较，其中探空PWV数据可以从美国怀俄明州大学的网站上下载。把2009年5个站点的GPS/PWV和Radio/PWV进行比较。由于两者的PWV在数值上比较接近，数据量又较大，为了能在图上清晰的显示，图4至图8画出GPS/PWV的时间序列图，以及GPS/PWV减去Radio/PWV的差值的时间序列图。5幅图中上面的曲线代表GPS/PWV，下面的曲线代表它和Radio/PWV的差值。从定性上去分析图4至图8可以得出以下特点:1)除个别点外，GPS/PWV比探空Radio/PWV系统性偏大，这说明用GPS探测水汽有偏高的迹象，并且当PWV值偏大时，GPS所测的数值会表现的更敏感一些，也就是说当绝对PWV较小时两者更为接近。2)图像显示PWV两端较大。差不多是年积日的0～50和300～365这两个范围PWV较大，这个时间段恰好是南极的夏天，天气较为湿润，出现降雨的可能性大些，这样和实际降水测量较为一致，解算的结果正确地反映了降水量的变化趋势，体现了解算的合理性和正确性。个别站点如CAS1站和SYOG中间也有一段时间(150～200d)PWV也偏大，这与南极部分地区季风性气候有关，造成这一时段降水天气的可能性增大。由上述5个图表显示及分析可知，GPS/PWV和Ra-dio/PWV在整体上是比较一致的，少部分天数两者的差距较大。总的来说，5个站点的PWV值常年都比较小，有少部分天数PWV急剧上升，这些天数发生降雨的可能性就很大。为了得到更为精确的数据分析，表1从数理统计方面分别进行定性分析。1)从平均偏差来看从表1中的平均偏差数据可知，GPS站反演的PWV高于探空站资料计算的PWV，不同站点的差异各不相同。从表1看出，SYOG站点差异较为明显，分析原因可知，该站点使用的探空仪器是VaisalaRS2－91传感器，这种传感器的误差较大，这可能是造成两者之间偏差较大的一个重要因素;SYOG站在垂直方向上的高差相差较大，这也是造成两者偏差大的一个因素;MCM4站GPS和探空站在垂直方向上的高差最大，但由于它的可降水量太小，故没能在平均偏差中反映出和其他站点显著的差异。造成Radio/PWV和GPS/PWV差异的因素还有很多，这些差异与各地的气候特征、其站点分布的各自海拔高程以及两者探测水汽方法本身的精度密切相关。2)从均方差和相对方差来看从表1中数据可以看出，除SYOG站外，其他4个站的均方差都在0．9mm以内，说明利用GPS观测资料反演PWV具有一定的精度。均方差比平均偏差的值稍大，5个站的均方差值和平均方差值显示出一定的相关性，一般来说，平均偏差大的，均方差也偏大。5个站的相对方差，除SYOG站外，都在20%以下，最小的CAS1站为7．91%，该站离中山站最近，约110km，对中山站的可降水量有着较大的参考价值。在检验GPS/PWV的精度时，不能单纯以均方差大小衡量GPS/PWV的精度，还要结合相对方差的大小。3)从相关系数来看从表1可以看出，用GPS和探空两种方法计算的PWV相关系数很高，都在92%以上，说明GPS/PWV和Radio/PWV在变化上有很好的一致性，即使偏差较大的SYOG站也不会像其他3个指标那样表现明显。这充分说明了用GPS反演可降水量的变化方面有着很高的精度。如果需要得到更为细致的结论，应该把一年分成几个季节或按月份来分别进行统计分析。但由于南极地区的绝对PWV值比较小，所以只把整年的数据放在一起进行分析。
3．2．3GPS/PWV的误差分析
和任何一种测量手段一样，用GPS来反演可降水量，它的误差是不可避免的。总得来说，有以下3个来源。1)GPS测量的误差。包括电离延迟误差、接收机钟差、多路径效应等测量误差。2)静力延迟量误差。由于对流层模式不是很完善，再加上测量大气元素气温、气压等气象要素的误差，这些将最终表现在延迟量上，造成对流层延迟估算不准确。3)反演误差。由湿延迟反演到PWV的主要误差有湿延迟和转换因子误差。以上三个方面将综合影响GPS探测PWV的最终精度，我们必须注意用适当的方法，将这些误差尽量减少，以提高探测精度。
4结束语
1“水文气象学”研究现状
在大气—陆地—海洋—大气这一水汽大循环中,水文学是研究水在陆地以及地—气和海—陆两个界面之间的发生、存在、运动和转化规律的科学,水文学的一些问题和气象学紧密相关,由此产生了水文气象学这一交叉学科。水文气象学是一门年轻的应用学科,它的产生和发展,与人类社会对干旱、洪涝等极端自然灾害的认知水平、抗御灾害的能力等密切相关。20世纪30年代,美国天气局成立水文气象处,从气象资料推算可能最大降水和可能最大洪水,以满足防洪建筑设计的需要,这是水文和气象相结合的开始[1]。随着气象雷达、气象卫星等探测技术的发展,降水监测的水平有了很大提高,为降水短时预报与洪水预报的结合创造了条件,使水文气象学得到了新的发展[2]。在欧洲和美国,目前在行政管理和学术研究中,水文和气象科学是结合在一起的(例如,日本、俄罗斯、乌克兰和英国都设有水文气象研究中心或研究院所,美国的国家海洋大气管理总署设有水文气象设计研究中心)[3];但是在学生的培养过程中,水文专业的学生仅学一点基本的气象知识(诸如普通气象学,天气学等),而气象类专业的学生是几乎不学水文的。水文和气象分离的现状阻碍了水文气象科学的发展。美国国家海洋大气管理总署(National Oceanic and Atmospheric Administration,简称NOAA)的有识之士,近年来一直在呼吁成立水文气象专业。在国内一些高等院校中,水文气象学课程是气象类本科专业的选修课程,但现有教学方法使一些学生学过这门课却不知道为什么学,所学知识也远落后于科学研究的发展,并且只有极少数的学生毕业后能够胜任水文气象方面的工作。然而,随着水文气象学的内涵和覆盖的领域不断地深化和发展,水文学的一些问题必须结合气象学的方法来解决。实际中,气象学专业的学生虽具有丰富的气象学知识却无法用其解决水文问题。这种现状对水文气象学的教学是一个亟待解决的重要问题。水文气象学主要为水资源以及与水资源密切相关的极端水文气象事件服务,随着气候变化与人类活动的加剧导致水资源日益短缺,极端水文气象事件越来越频发导致水资源在时间和空间的分布上变化加剧。可以预料,水文气象学科必将受到整个社会越来越高的重视。
2“水文气象学”课程体系研究
目前,水文气象学方面的研究受到高度重视。在本科教学中,通过改革教学内容和教学方法,抓住水文气象学的重点,使应用气象学学生尽可能掌握水文学的基本理论知识,培养学生运用气象学方法和水文学方法相结合去解决实际生产问题的能力。
2.1明确定位“水文气象学”,确定课程内容
“水文气象学”作为应用气象学专业本科生专业选修课,其课程体系的基本定位是多学科交叉,不求在基本理论及基础知识上精益求精,而是直接面向实际问题,深入到水文气象方面的具体问题,以问题带动教学,以兴趣带动知识学习,以案例引发思索,在一个个具体的水文气象问题中提升学生。在明确定位的基础上,将此课程内容按照水文气象学的基本定义和内容,基本的水文气象预报、预警方法和技术,建成课程教学体系。
2.2采用科研驱动式教学,建设主动、启发式学习的教学方法
应用气象学专业学生没有水文学知识的基础,所以需要有一套适合本课程并卓有成效的教学方法。在基础知识方面要补充水文学的知识,水文学是比较抽象的,比如地下水储存及运动形式,可以借助网络技术、多媒体技术为辅助手段,增强感性认识,提高教学质量,这就要求做好协调传统教学手段和现代教育技术的应用,并做好与课程的整合。在基本理论和技能层面不应拘泥于课本知识,从主讲教师参加的专题研究项目和社会比较关注的水文气象事件增加前沿信息,并通过分析和关键问题的延展式探讨,启发学生思索和了解水文气象问题的实质及其发展方向,让学生了解为什么气象和水文相结合往往有助于更好地解决一些工程建设和实际生产课题,启发学生如何运用气象学方法更好的解决水文学问题,使学生摆脱教材的束缚,积极主动地查阅文献,刺激学生的求知欲与探索欲,达到训练思维的目的,培养学生初步的科研能力。
2.3开展综合能力训练
课程教学既要强调基本理论、基本知识的传授,同时更应注重学生的实践能力的培养。“水文气象学”的课程性质要求本课程要开展综合能力训练,强调水文与气象直接的结合。目前,将气象预报与水文预报相结合是延长洪水预报预见期,提高预报精度的技术手段之一。陈金荣等[4]从长江流域防洪的丰富实践中对水文气象预报进行了精辟而深刻的论述,指出气象预报同水文预报结合的必要性,是水文预报发展的必然趋势。国内外一些水文气象预报方面的研究[5]也表明水文气象预报具有很大的发展空间和广泛的应用潜力。针对这种情况,对学生进行水文气象预报方面的训练。这一阶段主要是结合“水文气象因素分析”、“水循环分析”、“水流河道演算”等本课程的基础知识,同时结合主讲教师专题项目培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。针对这种情况,在本课程的中后期安排两次训练:一是让学生以报告形式讲述他们所理解的水文气象学,他们所关注的水文气象学问题,及如何将气象学方法、理念引入水文工作等;二是结合专题项目,如:在2007级“水文气象学”教学中,本人结合“淮河流域水文气象耦合方法洪水预报研究”将训练过程分为三部分:(1)用水文气象学方法对洪水进行预报需要收集哪些资料,进行洪水预报必须要哪些参数,这些参数与哪些因素有关,如何计算;(2)目前有哪些模型进行洪水预报,各有哪些优缺点;(3)分析淮河流域特点,哪个模型比较适合,并进行成果计算,进行讨论并写总结报告。通过这些训练可以巩固学生的基本知识,引导学生提出解决水文气象问题的有效方案和建议,提高解决问题的能力。
摘要:分析得出影响天水苹果正常生长的主要农综合评价z业气象灾害是前秋9月大气干旱、冬季12—2月暖冬高温、苹果花期4月下旬高温干旱和春季4月下旬低温危害。各灾害发生频率在53%~70%之间,以前秋9月干旱最多,春季4月下旬低温危害最少;前秋9月大气干旱以中—大灾为主;其他灾害均以轻、中灾最多,大灾居次;各种灾害因子重灾年份最少,仅在6%~15%之间。农业气象灾害综合评估除轻灾评估准确率略低,为89%外,中—重灾评估准确率均达100%,灾害评估效果比较理想,对农业防灾减灾有一定的指导意义。
关键词:气象;灾害;苹果生产;甘肃天水
我国是自然灾害频发国之一,年均灾害损失约510×108~640×108元。其中由气象灾害引起的损失占85%左右,仅干旱、洪涝、风暴潮、冰雹、低温冷害这几种气象灾害造成的粮食损失占所有自然灾害损失的97%左右,直接经济损失占总经济损失的76%以上[1]。天水地处黄土高原与西秦岭山地大陆性干旱半干旱气候区,海拔在750~3120m之间,年均气温7.0~11.1℃,年降水量430~600mm之间,平均日照总时数2000~2400h,无霜期156~188d,极适宜优质苹果生产,是甘肃省主要苹果产业发展基地,所产苹果以个大、色艳、硬度强、糖分高、品质佳、耐储存而深受广大客商和消费者青睐,“花牛苹果”已获得全国知名品牌类注册证明商标,是支撑天水市经济发展的四大支柱产业之一。天水市现有苹果面积约6.5×104hm2,总产量约54×104t。但由于境内山多川少,沟壑纵横,海拔高差大,气候差异显著,属全国气象灾害高发区域,干旱、洪涝、冰雹、低温冷害等气象灾害频繁发生,苹果产量、品质和优质率提高很慢,极大地限制了苹果产业化发展。
近年来,气象灾害评估技术研究已引起众多学者高度关注,但大多局限于单种气象灾害[2-5]的定性化研究。特别是针对多年生果树,在实况灾害资料极度缺乏的情况下,果树气象灾害风险评估的研究报道很少。为此,本文利用统计学方法,确定影响该地苹果生产的主要农业气象灾害因子,并将各农业气象灾害因子划分等级,进行天水主要农业气象灾害对果树作物量化评估影响研究,为有效防御农业气象灾害,最大限度减轻或减免农业损失提供参考。
1资料来源与研究方法
1·1资料来源苹果产量资料取自天水市统计年鉴1978—2007年;相关气象资料取自天水市关山区清水、渭北旱区秦安和河谷区麦积二县一区气象站1978—2007年气象观测资料。
1·2研究方法
1·2·1代表点的选取根据天水气候区划,选取渭北旱区、关山区和河谷川区苹果种植面积较大的秦安县、清水县和麦积区作为代表点。
1·2·2苹果产量资料的处理苹果气候产量资料分解的方法和准确性,会直接影响苹果农业气象灾害的分析评估研究。
在参照仅有的农业气象灾害观测调查资料的基础上,将天水市苹果总产量资料按3、5年滑动平均法、线性法、正交多项式法、指数法等多种函数分解方法[6]提取其趋势产量。统计分析表明:天水市苹果总产趋势产量的提取以指数法效果最佳(图1),趋势产量提取方程为y=8682·2e0·126t(y:趋势产量;t:时间序列,t=1,2,3,…;n=30;r=0·93)。用y′i=(Yi-yi)/yi×100%计算逐年苹果总产量动态相对偏差百分率[6-7](y′:苹果气候产量增减率;Yi:苹果实际产量;yi:逐年苹果趋势产量;i:年份)。
1·2·3影响天水市苹果总产量的主要农业气象灾害因子的提取农业气象灾害对天水苹果生产的影响研究[8]中,通过分区统计分析,得出影响天水渭北旱区、关山区和河谷川区三区苹果正常生长的主要农业气象灾害均为上年秋季9月大气干燥度,冬季12月至2月负积温的光照条件订正值和苹果花期4月下旬平均最高气温的大气相对湿度订正值,春季低温晚霜冻出现频率和危害程度正在逐步减轻。
为了更进一步提取影响天水市苹果总产量的主要农业气象灾害因子,将3个气候区主要灾害因子与天水市苹果总产量动态相对偏差百分率进行逐步回归[9],建立如下影响苹果气候总产量的主要农业气象灾害因子提取方程:式中,y′i为苹果总产量动态相对偏差百分率;K′9秦安为渭北秦安上年秋季9月大气干燥度∑T≤0℃×Q12-2麦积为河谷区麦积冬季12—2月负积温的光照条件订正值;TM4月下旬/U麦积为河谷区麦积苹果花期4月下旬平均最高气温的大气相对湿度订正值;Tn4月下清水为关山区清水苹果花期4月下旬平均最低气温。12—2月暖冬高温虽然不属于气象学上定义的气象灾害因子,但随日益加剧的暖干气候[10],暖冬高温对苹果生长影响极大,仅次于前秋9月干旱灾害。
1·2·4气象灾情等级划分标准将渭北秦安上年秋季9月干旱(用大气干燥度表示)、河谷区麦积暖冬(用冬季12—月负积温的光照条件订正值表示)和花期高温危害(用苹果花期4月下旬平均最高气温的大气相对湿度订正值表示)、关山区清水春季低温危害(用4月下旬最低平均气温表示)4种标准化处理后的主要农业气象灾害标准值作为成灾变异值。再将1978—2007年30年成灾变异值中大于或等于0·1以上的成灾变异值(春季低温为小于或等于-0·1以下的成灾变异值),按变异值的离散程度[11]分成相等的4个组,从小到大将灾情等级依次划分为轻灾、中灾、大灾和重灾4个等级,并采用分级赋值和内插法依次赋以1~3、4~6、7~9、10~12。9月干燥度(秦安)、暖冬(麦积)和花期高温(麦积)成灾变异值小于0·1为无灾;春季低温(清水)成灾变异值Z大于0·1为无灾,无灾年份灾害等级分值ci按0分赋值(表1)。
1·2·5灾情指数的计算及综合评价方法式(1)得出影响天水市苹果总产量的主要农业气象灾害为渭北秦安上年秋季9月大气干旱、河谷区麦积12—2月暖冬和4月下旬花期高温干旱、关山区清水春季4月下旬苹果花期低温危害。
为此,本文将以上4种灾害作为影响天水市苹果总产量的主要农业气象灾害因子。用式(1)计算得出的相应站点灾害因子的贡献率(方程中相应灾害因子系数/4种灾害因子系数绝对值之和×100%)作为相应站各类灾害因子的影响权重(wij:其中渭北秦安9月干旱w1=37%;河谷区麦积暖冬w2=27%,花期高温危害w3=22%;关山区清水春季低温危害w4=14%),并与其对应站点相应灾害类型的等级分值相乘,4种灾害类型进行累加[式(2)]就得到农业气象灾情的灾情指数(Pk),并以此作为农业气象灾害危害评估指标,与苹果气候产量增减率实况分级进行对比分析(苹果气候产量增减率实况亦分为无、轻、中、大、重5级,分级方法同灾害成灾变异值分级)。
Pk=∑4j=1Cij×wij(2)式中,Pk为灾情指数;Cij为4种灾害等级分值(i:1978—2007年各年份,i=1,2,3,…,30;为4种农业气象灾害,j=1,2,3,4;下同);wij为相应灾害因子的影响权重。灾情指数(Pk)越大,表明农业气象灾害对农业生产的影响越大,灾情越重;反之,对农业生产的影响小,灾情越轻。
2综合评价
2·1主要农业气象灾害分布表2是影响天水苹果生产的前秋9月干旱、冬季12—2月高温、花期4月下旬高温干旱气候和春季4月下旬低温发生频率统计。1978—2007年30年中,前秋9月旱灾最多,发生频率70%,主要以中—大灾为主,占旱灾年份的52%;轻灾年份次之,占38%;重灾年份最少,占10%。暖冬和花期高温灾害次之,发生频率分别为63%和67%,均以轻灾为主,分别占灾害年份的47%和45%;中—大灾次之,分别占47%和40%;重灾年份最少,分别占5%和15%。春季低温危害最少,发生频率53%,仍以轻灾居多,占灾害年份的50%;中—大灾次之,占44%;重灾年份最少,占6%。
2·2综合评价将式(2)计算的逐年农业气象灾害综合灾情指数(Pk)分成1、2、3、4、5相等的5个组从小到大将灾情等级依次划分为无灾、轻灾、中灾、大灾和重灾5个等级与苹果总产量动态相对偏差百分率实况分级(表3)进行对比分析。
天水市1978—2007年30年逐年主要农业气象灾害对苹果生产的影响进行综合评估,并与实况(表4)进行对比分析。评估无灾11年,与实况相符10年,评估准确率91%。灾害年份中,评估轻灾9年,与实况相符8年,评估准确率89%。评估中灾5年,大灾5年,重灾1年,均与实况相符,评估准确率均为100%。灾害年份除轻灾评估准确率略低外,中—重灾评估准确率较高,特别是重灾的1991年、大灾的1984年、1987年、1989年、1992年和1997年,苹果均出现较大幅度减产,灾害评估效果比较理想。
3结论与讨论
(1)分析得出影响天水苹果正常生长的主要农业气象灾害是前秋9月大气干旱、冬季12—2月暖冬高温、苹果花期4月下旬高温干旱和春季4月下旬低温危害。各灾害发生频率在53%~70%之间,以前秋9月干旱最多,春季4月下旬低温危害最少;前秋9月大气干旱以中—大灾为主;其他灾害均以轻、中灾最多,大灾居次;各种灾害因子重灾年份最少,仅占6%~15%。
(2)综合评估表明:影响天水市苹果生产的农业气象灾害综合评估除轻灾评估准确率略低(89%)外,中—重灾评估准确率均达100%,灾害评估效果比较理想。
(3)由于苹果灾害实况调查观测资料极少,给苹果灾害的评估研究工作带来了极大不便。
为此,本文主要采用统计学方法,利用苹果产量资料,在参照仅有的农业气象灾害观测调查资料的基础上,将指数法分解后的苹果总产量动态相对偏差百分率,按其离散程度确定为无灾、轻灾、中灾、大灾和重灾5种灾害程度实况类型。影响天水市苹果总产量的主要农业气象灾害因子的提取,也是采用了统计分析方法,进行理论提取。研究结论除轻灾评估准确率略低外,中—重灾评估准确率较高,在缺乏农业气象灾害实况观测调查资料的情况下,可作为气象灾害评估的有效方法,对农业防灾减灾有一定的指导意义。但因苹果灾害实况灾情资料极少,现实生产中仍有待更进一步研究验证。
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明代茅元仪《武备志》中收录了《测天赋》、《玉帝亲机》二书，收集了许多有关天气的经验性认识，其中的天气谚语集中体现了古代劳动人民的智慧。这些谚语来自生活实践，因难免受封建迷信思想的影响，不少谚语有不科学之处。到了明末，我国的气象事业有了一定的发展。但人们对于气象的认识较为分散，而且也局限于知识分子阶层，没有普及到群众中去。《天经或问》作为第一本天文科普读物，以一问一答的形式，像百性普及相关知识，其中也涉及到气象知识，通俗易懂，是中国气象学的启蒙之作。
二、《天经或问》中的气象学知识
《天经或问》共有四卷。卷一共有22图：昊天一气浑沦变化图，黄赤道南北极图，三轮六合八觚之图等；卷二有问答17条，各有标题：天体，地体，黄赤道，南北极，子午规，地平规，太阳，太阴，日食，交食，朔望弦晦等；卷三有问答25条，各有标题：岁差，经星名位，恒星多寡，大星位分，太阳出入赤道度分，经星东移，觜宿古今测异，七曜各丽天，恒星天等；卷四有问答27条，各有标题：分野，年月，历法，霄霞，风云雨露雾霜，雪霰，雹，雷电，霾，慧孛，虹，日月晕，日月重见，风雨徵等。游艺结合中西科技成果，撰成通俗读物《天经或问》一书，很有独特见解，被收入《四库全书》，并流传日本，多次翻印发行。《四库全书》总纂纪昀评述这部书：凡天地气象、日月星辰之运行，月盈日蚀的道理，以及风云、雷电、雨露、霜雾、云霓的变化，都设有问答，明其所以然，条理清晰，通俗易懂；至于星占应验之术，则摒弃不谈。
（一）各类天气现象
“问：雹，冷物也，何以不降于寒而降于暑也？或谓蜥蜴所喷，或谓龙鳞所藏？是乎？否乎？曰：气之三际：中为冷际，下为地温，上近火热，极冷之处乃在冷际之中。二时之雨，三冬之雪，盖至冷之初际，即已变化下零矣。冬月气升，其力甚缓，非大地同云不能扶势，故云足甚广；二时之云足亦阔，云生缓迟，即雨舒徐，皆变于冷之初际也。夏月郁积浓厚，决绝上腾，力专势迟，故云足促狭···沟浍旋盈，盖因其专锐，故能径至于冷之深际。气升愈厚，腾上愈速，人冷愈深，变合愈骤，结体愈大矣。升入极冷之际，骤凝为雹。雹体大小，又因入冷之深浅、云气之厚薄也。雹中沙土，更多于雪；雹体中虚，以其激结之骤，包气于中也。若夫蜥蜴龙鳞之说，则樵木市语也。”在该书中，游艺在对雹进行解释时很明显的受到了西方“三际说”的影响。在明末清初之际，有一些西方传教士对“三际说”作了简要介绍，如利玛窦的《乾坤体仪》将大气分为“暖域、冷域、热域”，熊三拔的《泰西水法》将大气分为“温际、冷际、热际”等，但均未对“三际说”作更为深入的分析。作为最早将西方中世纪气象知识与理论介绍到中国的气象学专著，《空际格致》对大气分层学说进行了相对全面地阐述。依据《空际格致》“，气厚分有上中下三域：上域近火，近火常热；下域近水土，水土常为太阳所射，足以发暖，故气亦暖；中域上远于天，下远于地，则寒。”高一志将大气分为上域、中域和下域，三域的特点分别是热、寒、暖。此处所说的下域，和我们今天气象学里面的对流层极为相似。高一志还提到了下域“暖”形成的原因“，下域近水土，水土常为太阳所射，足以发暖”，太阳辐射中的一部分被地面所吸收，所以高一志认为被吸收的太阳辐射足以使下域“发暖”。“上域近火，近火常热”，高一志的“上域”和现在的“热层”相类似，由于太阳辐射中的强紫外辐射的光化学分解和电离反应，使得这一层的温度随高度的增加而迅速升高。“中域上远于天，下远于地，则寒”，“中域”相当于现在的“中间层”，中间层大气吸收的辐射能量很少，温度随高度而降低，它是地球大气中最冷的部分。在“三际说”的基础上，对雹作出了进一步解释。冬天的时候，这些气体继续上升，但是十分缓慢，力量也比较薄弱，只能依靠大地上性质相同的云，此时的云范围较为广泛；夏天的时候，气体越积越浓厚，继续上升，力量较强，直达冷际深处。气体越往上升，越来越厚密，速度也越来越快，聚散变化也越来越突然频繁。当气体进入极冷之际时，会骤然凝结成雹。雹体积的大小，与进入冷际的深浅、云的厚薄程度息息相关。雹中所含的沙土也比雪多，而且雹的中心是虚的，这是由于它是骤然凝结而成当中包含了气体的缘故。至于说，是雹是蜥蜴所喷或是龙鳞所藏，都只是老百姓们的市井流言而已。现代气象学上认为冰雹来自对流特别旺盛的对流云中。云中的上升气流要比一般雷雨云强，小冰雹是在对流云内由小雹体上下数次和极冷水滴碰撞而增长起来的，当云中的上升气流支托不住时就下降到地面。大冰雹是在具有一支很强的斜升气流、液态水的含量很充沛的雷暴云中产生的。游艺用通俗易懂的语言解释了雹的来源，并且指出民间的流言都是不可信的，在一定程度上破除了封建迷信思想。
（二）大气光象
《天经或问》中还涉及到很多大气光象。如：①霄霞依据《天经或问》，如霄霞“，问：霄，未见天之何色而指也，霞则见天之五色而著也。虽日月星辰不如霞之彩，测步者独不关之者何也？曰：霄者，天之无云气而青碧者也。天色在五行之外，青亦非其真体壮生。所谓天之苍苍其正色耶？其远而无所至极耶？其视下也，亦若是则已矣。霞者，云正受日光则透白，虚斜相交则起色，皆假日之光或成五彩也···”游艺认为“霞”是由于云受太阳光照射虚实相交后而形成了五颜六色的光象，这与现代气象学对“霞”的解释极为相似，都认为“霞是由于大气对日光的散射作用而产生的一种自然现象。”当阳光透过厚厚的大气层时，被大量的大气分子散射。当空中的水汽、杂质等越多，其色彩越显著。②日月晕“问：虹是薄雨为日光所映而成红绿也，然则日月四旁时有红白之气围抱成环，谓之日晕，此晕是何？曰：晕乃空中之气直逼日月之光围抱成环，其有缺者、有围者、抱者、背者、薄者、厚者，皆是气所注射，又有一等气在天上，外浅中深如井者，深是气厚处日光所照，一般浅系气薄日照之，故白色如井栏等。”晕是由于日月光线透过卷层云时受折射作用而形成的。天空中有一层高云，阳光或月光透过云中的冰晶发生了折射或反射，便在太阳或者月亮周围产生彩色光环。大气的厚薄程度不同，日晕和月晕的形状也大小不一。③日月重见“问：日月晕，气是也。日为诸阳之尊，有重出为之抗者，此是何物也？曰：日有重叠，见两三者，以云封日，一层云稍薄能透光，却被日光所射后，边却又有一层黑而厚者，挡住日光，反透薄云故成重日之象。”这跟高一志《空际格致》中提到的“日有重叠”现象有相似之处。《空际格致》中提到“太阳行时,不拘南北,忽遇润云在旁,其云间日之面为薄,故深受日光及像,其背日之面为厚,故所受之光与像不能通透,乃退而不及人目,与成虹之云相似,致见日有二,其一系本轮,乃真者,一系旁云,乃伪者。正如对镜者必生像于镜内，凡在旁者见一真人与镜中所退宛有二像矣。”由于云层有厚有薄，日光透过薄的云层，遇到较厚的云层时则被挡住了，又反射至旁边较薄的云层形成了另一轮“太阳”。游艺的解释通俗简单，容易理解，即使是不了解气象学的人，读过之后也是一目了然，清楚明白。
（三）风雨预测
“问：日月晕与重出皆雨征也。然晕与重不常见而风雨则常有者，更有何征乎？曰：气行空中为湿性所碍，不得上升，观之见其弯曲者，雨征也；晓间雾开而复拥者，雨征也；晨起气昏者，雨征也……日出时云多，破漏日光散射者，雨征也；日光暗淡而色苍白者，雨征也……”中国的气象谚语有很多，如元代娄元礼的《田家五行》中涉及到很多用自然现象来预测天气。游艺在《天经或问》中也对其中的一部分进行了总结，并做了简单扼要的解释，便于理解。
三、影响
坚持用科学发展观指导现代气象建设
胡锦涛主席深刻指出，要把科学发展观放在整个马克思主义理论体系中来学习和理解，特别要注意认真学习马克思主义哲学，掌握辩证唯物主义和历史唯物主义的世界观和方法论。我们要完整准确地领会科学发展观的科学内涵和精神实质，真正掌握科学发展观的基本立场、观点和方法，从根本上把科学发展观作为重要指导方针牢固确立起来。
深刻领会科学发展观集中体现的马克思主义世界观和方法论
科学发展观正确回答了新世纪新阶段我国面临的“为什么发展”、“为谁发展”、“靠谁发展”和“怎样发展”等一系列重大问题，深刻揭示了我国现代化建设的发展道路、发展模式、发展战略、发展目标和发展手段，集中体现了马克思主义关于发展的世界观和方法论。
坚持以人为本的历史唯物主义根本观点。党的十六大以来，以胡锦涛同志为总书记的党中央把以人为本确立为科学发展观的本质和核心，强调发展为了人民，发展依靠人民，发展成果由人民共享，强调要始终把最广大人民的根本利益作为党和国家工作的根本出发点和落脚点。以人为本的提出，进一步丰富发展了唯物史观，充分体现了马克思主义关于人民群众在社会发展中地位和作用的鲜明立场，是治党治国治军理念的一次重要升华，为加强现代气象建设提供了根本的世界观意义上的指导。
我们要牢固确立以人为本的理念，把以人为本的政治要求体现到领导决策和气象全面建设的方方面面。要把以人为本作为基本的政治准则，始终坚持公共气象的根本性质，坚决维护人民群众的根本利益，任何时候、任何情况下，都要把人民群众防范自然安全放在首位。要把以人为本作为基本的领导原则，充分尊重全体干部职工的主体地位，坚定地相信和依靠广大群众，切实重视群众的全面发展和进步，努力使各项工作更好地体现广大群众的根本利益。要把以人为本作为基本的管理法则，切实做到尊重人、理解人、关心人，重视解决干部职工工作生活中的实际困难和问题，不断提高职工的思想政治素质、科学文化素质、业务专业素质和身体心理素质，维护职工正当的民主权益，激发广大职工的积极性和创造性。
把握统筹兼顾的辩证方法。科学发展观强调统筹兼顾，就是要总揽全局、科学筹划、兼顾各方、协调发展，正确处理经济发展和社会全面进步的关系，正确处理人口、资源、环境的关系，正确处理改革、发展、稳定的关系，妥善解决发展中的各种矛盾，努力实现全面协调可持续发展。解决当前本部门建设中存在的问题，必须进一步完善工作协调机制，加强统筹指导、宏观监督和有效调控。
一是要把握联系的全面性要求。现代气象业务建设是统一的整体，行政管理、党的建设、后勤保障、气象装备各项工作密不可分。抓现代气象业务工作没有政治头脑，就会迷失方向；政治工作脱离中心任务，也就失去了意义。要正确处理局部与整体、重点与一般的关系，防止和克服顾此失彼，确保气象建设各个层面、各个要素、各项工作全面发展，共同进步。二是要把握矛盾的依存性要求。一切事物都是对立统一体，矛盾双方在既对立又统一中推动着事物的发展。三是要把握发展的持续性要求。科学发展观强调的统筹兼顾，不仅要统筹眼下的发展，更要着眼未来、谋求长远发展，保持发展的阶段性与连续性的统一。同经济社会的发展一样，现代气象建设也是一个循序渐进的过程，不能只顾眼前、忽视长远，更不能急功近利。要坚持集中抓与经常建相结合，抓重大任务与抓经常性工作相结合，对事关气象建设全局、具有长远意义的工作，要扭住不放，使长劲，求实效。
激发自主创新的内在动力。党的十六届五中全会作出走中国特色自主创新之路、建设创新型国家的战略决策，这是我们党综合分析国际形势和国内发展阶段提出的重大指导方针，是推动我国经济社会发展转入科学发展轨道的正确选择。气象领域是最具活力、最需要创新的领域。我们贯彻落实科学发展观，就要在创新中贯彻，在落实中创新，着力推动军事理论创新、技术创新、组织体制创新和管理创新，真正使创新成为推动气象发展进步的不竭动力。当前，在建设中遇到许多新情况新问题，迫切要求我们树立新的管理理念，掌握现代管理方法，提高科学管理能力。
注重质量效益的发展要求。科学发展观注重发展的质量和效益，追求又快又好的发展。“快”与“好”是对立统一体。我们强调又快又好，就是要好中求快，快中求好，就是要善于把握事物发展的“度”，善于寻求数量与质量的统一，善于确定实现统一的最佳结合点。
提高现代气象建设的质量效益，一是要处理好投入与产出的关系。搞建设、上项目、抓工作必须讲科学、讲效益，力求做到低投入、高产出，使有限的资源和经费发挥出最大的效益。二是要处理好近期效益与长远效益的关系。要切实端正指导思想，把高昂的热情与求实的态度结合起来，把近期目标与长远规划统一起来，把出政绩与打基础一致起来，真正做到“当一任领导，负几代责任”。
坚定 和谐进步的发展目标。构建社会主义和谐社会，是贯彻落实科学发展观、更好地推进我国经济社会发展的战略举措。科学发展观提出的社会主义社会的发展目标，内含着构建和谐社会的战略任务；科学发展观坚持的以人为本的发展理念，为实现社会和谐提供了价值取向；科学发展观强调的全面、协调、可持续发展，为推进社会和谐进步指明了根本途径；科学发展观要求的实现经济社会又快又好发展，就是要在发展中实现和谐，在和谐中促进发展。
我们学习掌握科学发展观的世界观和方法论，一个重要的方面，就是要坚定和谐进步的发展目标，在构建社会主义和谐社会中发挥积极作用。要维护本部门的高度稳定和集中统一，进一步密切上下关系、干群关系，努力使本部门在构建社会主义和谐社会中走在前列。要不断提高有效履行气象部门在抗拒自然灾害方面的使命的能力，为全面建设小康社会提供坚强有力的安全保证。
要把对科学发展观的学习成果，转化为谋划发展的思想理念。按照科学发展观要求加强现代气象建设，需要确立的理念很多，比如，全面建设的观念、统筹发展的观念、质量效益的观念、以人为本的观念，等等。要真正把这些新的理念牢固确立起来，一是要敢于冲破传统观念的束缚。树立一种新观念不容易，清理头脑中的陈旧观念也不容易。作为领导干部，要有一种敢于自我否定、敢于大胆扬弃、敢于破旧立新的勇气，对一切有悖于科学发展观的思想观念和领导方法，都要认真地加以纠正和克服。二是要不断实现思想理念的与时俱进。要根据形势任务的发展变化，不断接受新事物，把握新要求。既要考虑到部门的特殊性，又要考虑到新时代对气象的新需求，不断改进部门教育管理的内容和手段。三是坚持用实践来验证。自觉坚持用是否有利于现代气象建设的发展进步、有利于气象预报准确率力的提高、有利于解决职工的实际问题来衡量和检验我们的工作，真正把求真务实的精神贯穿到现代气象建设的全过程，体现到气象建设的各项工作中去。
要把对科学发展观的学习成果，转化为促进发展的决策措施。对各级领导干部来说，科学发展观学习理解得怎么样，很重要的一个方面，就是看能不能运用科学发展观的基本立场、观点和方法，作出科学决策，拿出具体措施。领导干部要树立科学决策理念，努力掌握和运用科学决策方法，确保重大决策的正确性。
