結(jié)合ArcGIS技術(shù)探討“氣象災害影響及風險評估”課程新模式

梁梅 范伶俐 薛宇峰

［摘 要］ 當今社會對氣象防災減災工作的要求越來越高，如何減少氣象災害引起的損失，加強氣象災害風險管理成了迫切的需求?！皻庀鬄暮τ绊懠帮L險評估”作為一門新興的課程，旨讓學生通過理解災害風險評估中致災因子危險性、承災體易損性、防災減災能力等組成要素，建立風險評估模型，進行氣象災害風險預警和管理，為學生從事氣象應急減災相關(guān)工作打下堅實的基礎。結(jié)合ArcGIS技術(shù)，通過對課程設計、課程實施等方面進行研究，探索“氣象災害影響及風險評估”課程新模式，提出了符合風險評估本科教學要求的實踐教學體系和主要內(nèi)容，以提升師資隊伍的實踐指導水平，提高課程的教學效果，為學科設計和教學工作的開展提供參考依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］ ArcGIS；氣象災害；風險評估；課程模式

［基金項目］ 2019-2022年廣東海洋大學教育教學改革項目“結(jié)合ArcGIS技術(shù)對氣象災害風險評估新課程的研究與探索”（570219043）；2021年度廣東海洋大學校級教研室“氣候及氣候變化類課程教研室”（010217032201）；2022-2025年廣東海洋大學博士啟動費研究生培養(yǎng)經(jīng)費“模式預報中季風切變線對南海土臺風生成影響”（060302032108）

［作者簡介］ 梁 梅（1989—），女，廣西玉林人，博士，廣東海洋大學海洋與氣象學院講師（通信作者），主要從事熱帶氣旋動力學及其氣候變化研究。

［中圖分類號］ G643.1 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）02-0049-04［收稿日期］ 2022-11-01

引言

極端天氣氣候事件在全球變暖背景下頻發(fā)。2022年，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了罕見的高溫天氣，從東南亞到北美、歐洲大陸，北半球幾乎都受到高溫熱浪的影響。我國也受到高溫炙烤，如成都8月份最高溫度達43℃，這是成都有氣象記錄以來的最高氣溫。全社會對氣象災害越發(fā)關(guān)注，科學防災、綜合減災的防災減災思路日益強化。我國政府及相關(guān)部門對氣象災害防御的重視程度逐步提高，支持力度亦逐步加大，但目前風險評估制度仍有待完善［1］。比如，臺風帶來的大風、暴雨和風暴潮，以及滑坡、泥石流等次生災害的風險評估與區(qū)劃仍需推廣落實，對城鄉(xiāng)規(guī)劃和重點工程的氣候可行性論證尚未開展；此外，山洪易發(fā)地區(qū)防御工程措施不夠完善，基礎設施薄弱的偏遠地區(qū)災害風險仍然很高。章國材［2］提出，氣象災害風險評估和區(qū)劃是提高決策氣象服務科技含量的必由之路。因此，有效利用氣象災害風險評估方法與體系，科學培養(yǎng)防災人才，是時代發(fā)展的需要。但目前高校應急減災人才培養(yǎng)規(guī)模卻遠不能適應行業(yè)發(fā)展需求［3-5］。

ArcGIS（ESRI ArcGIS Desktop），簡稱地理信息系統(tǒng)，其核心是計算、分析和管理地理坐標位置信息及相關(guān)位置上屬性信息的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)［6-7］。由于ArcGIS空間疊加分析和圖形表達功能很強大，在自然災害風險評估與區(qū)劃中發(fā)揮著重要作用，氣象防災減災行業(yè)廣泛需要熟練掌握該技術(shù)的人才，因此，“氣象災害影響及風險評估”作為應急減災的重要課程之一，基于ArcGIS技術(shù)，從致災因子危險性、承災體易損性、氣象災害風險評估與區(qū)劃方面進行分析與研究，成為課程的要點與亮點。

“氣象災害影響及風險評估”課程是廣東海洋大學（以下簡稱“我校”）應用氣象學專業(yè)應急減災方向?qū)W生的專業(yè)核心課程之一，在應用氣象學課程中，尤其是涉及防災減災知識體系中尤為重要。主要內(nèi)容包括：認識自然災害風險，了解致災因子及承災體脆弱性、敏感性、暴露度等主要物理量，建立風險評估模型，掌握風險評估與管理方法。擬通過對本課程的學習，使學生具備判斷氣象災害風險高低的能力，為區(qū)域開發(fā)、工程建設及城鄉(xiāng)規(guī)劃等應當避開的氣象災害高風險區(qū)提供參考，旨在為學生從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作及科學研究工作打下基礎，培養(yǎng)應急減災型人才。

一、課程現(xiàn)狀分析

目前，我國眾多高校中開展氣象災害風險評估相關(guān)課程的并不多。其中課程設置較為成熟的有同濟大學城市風險管理研究院、北京師范大學減災與應急管理研究院及南京信息工程大學應用氣象學院等，但這幾所高校均沒有將此類課程納入本科課程。我校應用氣象學專業(yè)設置應急減災方向適應了氣象事業(yè)發(fā)展需要。ArcGIS能方便統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，將ArcGIS技術(shù)應用在風險評估中具有很大的優(yōu)勢。結(jié)合ArcGIS技術(shù)探討氣象災害風險評估課程新模式，建立對應實習課程，讓本科生能夠應用遙感技術(shù)、構(gòu)造損失評估體系進行風險分析，最終做好災害預警發(fā)布和風險處置對接，實行區(qū)域單一氣象災害風險管理和區(qū)域綜合氣象災害風險管理，為學生今后從事氣象災害應急減災方面或相關(guān)專業(yè)的技術(shù)工作和科學研究工作打下堅實的基礎。

我國氣象災害風險評估的研究和教學工作起步晚，課堂作業(yè)內(nèi)容也多為模擬性質(zhì)，缺乏具有應用性質(zhì)的實踐內(nèi)容，無法較好刺激學生的求知欲；實驗室環(huán)境有待提高，相關(guān)實驗設備不足。受資金和專業(yè)發(fā)展等方面因素制約，一些常用、有效的評估軟件無法安裝，如主要模擬城市內(nèi)澇的軟件FloodArea等；師資力量相對薄弱，教學經(jīng)驗也較為缺乏。傳統(tǒng)實踐教學由校內(nèi)教師開展，實踐教學內(nèi)容與行業(yè)崗位脫節(jié)，導致學生應用能力不強，難以滿足行業(yè)現(xiàn)實需求?；谝陨系奶攸c和不足，本文結(jié)合ArcGIS技術(shù)，建議增加風險評估專業(yè)實習課程，進行處理空間數(shù)據(jù)的練習，包括矢量和柵格數(shù)據(jù)，采集、處理與分析，以及空間統(tǒng)計分析，使學生熟練掌握ArcGIS專題圖制作，綜合運用所學知識與技能對結(jié)果進行分析執(zhí)行，擬通過課程與實踐教學體系改革，構(gòu)建應用型專業(yè)人才培養(yǎng)方法。

二、進行課程改革建立新模式

立足破解教學與行業(yè)脫節(jié)問題，建設貼近行業(yè)的實踐教學，需從學生入學到畢業(yè)依次開展GIS技能實習、風險評估實習及畢業(yè)實習等實踐教學環(huán)節(jié)，引導學生認識應用氣象學專業(yè)應急減災方向的發(fā)展趨勢，提升學生的應急減災技能水平，增強學生在應用氣象學專業(yè)領域的就業(yè)競爭力，全過程推動應用氣象學中應用型實踐教學體系改革。

（一）融入案例式教學的教學設計

案例式教學屬于情境式案例教學課，該教學方式可有效地促進課程中設計的顯性知識與隱性知識相互轉(zhuǎn)換。通過具體的情境介紹分析，將隱性知識具體化、形象化，或?qū)@性的知識抽象內(nèi)涵化［6，8］。2021年鄭州發(fā)生了“7·20”特大暴雨災害，這是一場因1小時的短時強降水導致城市內(nèi)澇嚴重、山洪滑坡、泥石流等多種災害同時發(fā)生的百年一遇的特大自然災害。該案例值得深入地探討以及學習。該事件中，暴雨中心自西向東推進，與河流走向一致，山區(qū)暴雨徑流和水庫下泄流量進入鄭州市區(qū)，導致城市河道水位快速抬升。在課程中引入該事件，利用地面氣象站逐小時觀測資料數(shù)據(jù)，分析洪澇災情成因，構(gòu)建鄭州市主城區(qū)水文水動力二維洪澇模型，覆蓋鄭州的主要城區(qū)范圍及鄭州市泄洪排澇骨干河道，模擬鄭州洪水淹沒過程。通過融入該案例，加強課程的時效性，讓實踐教學內(nèi)容與應急減災行業(yè)崗位相聯(lián)系，滿足行業(yè)實際需求，加強學生的應用能力。

（二）確立課程培養(yǎng)目標，開設相應實習課程

開設氣象災害風險評估課程實習，目的是讓學生對災害風險組成要素及評估方法進行計算演練，從而進行準確的災害風險評估，并將評估結(jié)果更好地運用到現(xiàn)有災害風險計劃、應急計劃和發(fā)展規(guī)劃中。課程大綱包括5個部分：（1）致災因子危險性計算與分析，主要包括計算高溫、大風、面雨量等主要影響因子的臨界值，學習ArcGIS中矢量、柵格數(shù)據(jù)處理及多種空間插值等操作。（2）孕災環(huán)境敏感性計算，包括緩沖區(qū)分析、水網(wǎng)密度計算、地形標準差計算、柵格圖層運算。（3）建立承災體易損性模型，即挑選合適的因子、構(gòu)建易損性的數(shù)據(jù)庫、計算承災體的脆弱性曲線；學習ArcGIS中多邊形屬性表關(guān)聯(lián)、矢量面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)的演練。（4）防災抗災能力的計算及評估。（5）建立災害風險評估模型，進行風險區(qū)劃，熟練掌握ArcGIS專題圖制作；了解最新的災害風險計劃、應急計劃和風險評估發(fā)展規(guī)劃。通過該課程的實習，聚合專業(yè)知識點，加強專業(yè)技能，提升課程的應用性，滿足應急減災行業(yè)對應用型人才的需求。在實習課程中倡導“做—學—教”一體的現(xiàn)場化教學，課程可以采用“行動導向、任務驅(qū)動”的開放式教學模式［9］。以教師為隊長，提前培養(yǎng)及篩選熟練掌握ArcGIS操作的學生，組建ArcGIS技術(shù)實踐團隊，以“朋輩導師”的形式在ArcGIS實習過程中參與指導。其次，對ArcGIS技術(shù)實習成果分析進行綜合評價，加強學生之間的交流互動，取長補短，有利于深入理解風險評估的內(nèi)涵及掌握風險評估流程。此外，要求學生通過實踐練習之后，在課程的最后一天應用掌握的知識解決同類問題。此外，除上述內(nèi)容外，學生必須在課程結(jié)束后的兩周內(nèi)提交實習報告。學生的表現(xiàn)將通過實驗室表現(xiàn)和實習報告進行綜合評估。最后，每一屆學生均進行風險評估實習課程反饋調(diào)查分析，總結(jié)應用氣象學（應急減災方向）專業(yè)學生綜合實踐教學的經(jīng)驗，總結(jié)針對災害風險評估理論與實踐的不足與優(yōu)勢，尋求合適的方案。

（三）使用ArcGIS技術(shù)完成畢業(yè)設計課題，培養(yǎng)實際操作能力

應急減災方向的學生通過將ArcGIS技術(shù)應用于畢業(yè)設計、完成畢業(yè)論文，培養(yǎng)學生對ArcGIS技術(shù)的應用能力。我國臺風災害綜合風險評估、我國極端降水時空特征及風險分析、某地某次山洪災害風險評估、某城市某場暴雨內(nèi)澇模擬與風險評估、基于信息擴散理論的某省氣象災害風險評估等這些方向均可作為學生的畢業(yè)論文題目。具體以山洪滑坡為例，本科生畢業(yè)論文可通過定量（風險分析）和定性（風險感知）兩種方式分析滑坡和山洪易發(fā)地區(qū)的風險程度和脆弱性，采用風險分析方法描述某山地的風險狀況，以及不同地區(qū)的物理暴露和脆弱性。利用滑坡易感性圖，找出影響滑坡易損區(qū)因素的指標。偏遠山區(qū)大多數(shù)防災減災項目都是針對滑坡群體的。通過畢業(yè)設計課題，強化ArcGIS技術(shù)，加深對致風險源的危險性、孕災環(huán)境敏感性及承災體的易損性等基本風險要素的認識。

（四）積極完善實驗室建設，加強實踐教學基地建設點

FloodArea是基于柵格且完全集成在ArcGIS用于計算洪水區(qū)域的2D模型，除了各種洪水災害地圖和運行堤防決堤模型外，該模型已在強降雨和分散防洪領域使用了20年［10］，主要適用于洪澇災害的二維水動力模擬、洪水淹沒面積與深度計算、致災臨界雨量確定及動態(tài)風險評估制圖等。高?？缮暾埾嚓P(guān)的教學改革項目，獲取經(jīng)費引進FloodArea等常用模擬軟件，改善實驗室軟環(huán)境。利用互聯(lián)網(wǎng)查找各種常用軟件模型，將實驗室的空間、設備進行整合，使實驗室資源得到充分的利用。此外，需要開展校企合作，擴大實踐教學基地建設，可與行業(yè)知名企業(yè)開展合作，簽訂協(xié)議建立實踐教學基地，建立針對性的核心課程建設，將專業(yè)課程與企業(yè)一線相貫通，實行學校教師與企業(yè)工程師在同一課程上雙教學，提升風險評估課程的實踐教學水平。師資方面，一方面要提高專業(yè)教師隊伍的專業(yè)素養(yǎng)，另一方面也要提高實驗技術(shù)人員的專業(yè)技術(shù)及綜合素質(zhì)。教師是課程的靈魂，教師的專業(yè)素養(yǎng)決定了課程知識講授的深度，要加強對專業(yè)教師隊伍進行風險評估知識與ArcGIS技術(shù)的培養(yǎng)，倡導教師積極參加相關(guān)的災害管理培訓課程，或者到業(yè)務單位掛職，提高實踐技術(shù)層次。實驗人員是實習工作的支撐，要求實驗教師隊伍具有較高的實驗技術(shù)素養(yǎng)，提高實驗操作水平?？赏ㄟ^校企雙聘、外聘兼職、師資共享等方式，建設分別由課程負責人領銜、實驗人員為主、外聘兼職為輔的理論與實踐教學團隊。

結(jié)語

“氣象災害影響及風險評估”是應用氣象學的專業(yè)核心課程之一。該課程需要理解并計算致災因子危險性、承災體易損性、防災減災能力等要素，建立合理的風險評估模型，進行風險評估與區(qū)劃，最終將評估結(jié)果進行可視化。要提高課程的教學效果，必須開展結(jié)合ArcGIS的實踐教學部分，需要結(jié)合ArcGIS從教學設計、教學手段及教學組織管理方面著手策劃及改善。筆者結(jié)合自身的理論與實踐教學經(jīng)歷，探討了“氣象災害影響及風險評估”課程尚存的問題，擬引進ArcGIS技術(shù)，通過對課程設計、課程實施等方面進行研究，探索氣象災害風險評估課程新模式，提出符合風險評估本科教學要求的實踐教學體系及相應解決對策?！皻庀鬄暮τ绊懠帮L險評估”課程教學改革和建設是長期的、系統(tǒng)化的工程，需要不斷地根據(jù)各種極端氣象災害的發(fā)生，制定新的評估標準和評估方案，使學生在有限的課堂學習中掌握相應的知識和技能，培育出更多的高素質(zhì)人才，滿足社會對風險評估與管理人才的需求。

參考文獻

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［10］GERMER M. Decision support for flood risk management at the Yangtze River by GIS/RS-based flood damage estimation ［M］. Giessen： Shaker，2004：108-127.

A New Model of Meteorological Disaster Risk Assessment Course Combining with ArcGIS Technology

LIANG Meia， b， FAN Ling-lia， b， XUE Yu-fenga， b

（a. College of Ocean and Meteorology， b. South China Sea Institute of Marine Meteorology & College of Ocean and Meteorology， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088， China）

Abstract： The requirements for meteorological disaster mitigation are getting higher and higher today. How to reduce the losses caused by meteorological disasters and strengthen the risk management of meteorological disasters has become an urgent need. The course Meteorological Disaster Impact and Risk Assessment is an emerging course， which enables students to establish a risk assessment system by understanding the dangers of hazard-causing factors， the vulnerability of hazard-bearing bodies， the ability to prevent and resist disasters， and the risk handling system. It is an important course to carry out meteorological disaster risk early warning and management， and lays a solid foundation for students to engage in meteorological disaster reduction related work. This paper studies the course design， course implementation， etc.， and explores the course model of meteorological disaster risk assessment. It also proposes a practical teaching system and main content that meet the requirements of undergraduate risk assessment teaching. Therefore， it provides a reference basis for the development of subject design and teaching work.

Key words： ArcGIS; meteorological disaster; risk assessment; curriculum model