诊断分析与绘图课程的教学软件更新

【摘 要】本文通过比较GrADS和NCL两个大气科学专业常用软件的功能，结合云南大学大气科学系的教学软、硬件条件，发现将NCL用于“诊断分析与绘图”课程的教学能提高大气科学专业本科生的数据分析和绘图能力，为其开展科研立项、创新实验及毕业论文提供更有力的技术保障。

【关键词】诊断分析与绘图 GrADS NCL 教学软件 更新

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2014）01-0069-02

随着计算机性能的日益提高和专业数据种类的日趋丰富，计算机绘图软件系统成为大气科学科研及业务工作中不可或缺的工具，而功能强大的绘图软件能使科研和业务工作事半功倍。诊断分析与绘图是云南大学大气科学专业本科教学计划中重要的实践类课程。学生通过该门课程的学习，了解大气科学常用数据的类型和格式，掌握对数据进行分析、显示的能力，并在本科生科研立项、创新实验及毕业论文设计等环节中应用所学知识解决科学问题，以丰富的图形展示研究结论。

本文结合大气科学系教学的软、硬件条件，对比两个常用专业绘图软件，拟选取教学效果更好的工具用于教学，以切实提高学生解决科研问题的能力。

一 GrADS和NCL简介

GrADS（The Grid Analysis and Display System）是由美国马里兰大学气象系Brian E. Doty开发的气象数据分析显示软件。该软件通过其集成环境，可以对气象数据进行读取、加工、图形显示和打印输出。云南大学大气科学专业自2003年开设诊断分析与绘图课程以来，一直使用GrADS作为教学软件，目前最新版本为2.0.2版。

NCL（The NCAR Command Language）是美国国家自然科学基金资助，国家大气研究中心（NCAR）计算与信息系统实验室开发并专门用于科学数据处理和数据可视化的解释型语言。目前最新版本是2013年2月7日的6.1.2版。

二 GrADS与NCL的功能比较

由以上简介可以看出，GrADS和NCL两个软件都是由大气科学研究人员开发，主要用于大气科学专业数据可视化的软件。从使用上来说它们之间有很多相同点：（1）软件安装文件均可从各自的官方网站免费下载，安装后均可在各自的集成环境下以命令行的方式交互操作，或编写脚本文件解释执行；（2）具有各自独有的编程语法，而且有很多类同于现代编程语言的特性，包括变量、运算符、表达式、条件语句、循环、函数与过程；（3）支持大气科学常用数据文件格式，能输出多种类型的图形；（4）具有大气科学特殊物理量的计算函数；（5）各个大气科学学科的专业论坛中都有大量用户对两款软件展开讨论，并有很多用户发表使用经验，分享数据资源。这些共同点保证了两个软件均可方便地用于地学数据，特别是大气科学专业数据的分析和可视化。

在上述共同点的基础上，两个软件在所需运行环境、支持的数据类型、图形显示设置和内建函数功能等方面又有着各自的特点。

1.运行环境

GrADS和NCL都是基于Linux系统开发的软件，可以在Linux和MacOSX系统下运行。如需在Windows系统下运行，则要额外安装Cygwin Unix模拟环境。

而同在马里兰大学的Daniel da Silva为增加GrADS的可拓展性，基于GrADS开发了OpenGrADS。OpenGrADS是能在Windows系统下直接安装运行GrADS版本，开发了为高级用户添加自定义命令和函数的框架，允许用户添加自己的动态链接插件，还提供了与其他脚本语言，如IDL、Malab、Perl和Python的接口。

面对国内Windows用户居多的实际情况，OpenGrADS的出现对于GrADS的推广起到了非常积极的作用。不论是

经验丰富的研究人员，还是大气科学专业的初学者，都可以在学习GrADS的基本操作和语法后，于熟悉的Windows环境中完成数据分析和显示的任务。如果使用NCL，在学习NCL的操作和语法之前，还必须具备Linux系统的相关知识，否则连程序安装都无法完成。

2.支持的数据类型

最新版的GrADS和NCL能读写二进制、ASSII、标准和第4版NetCDF（Network Common Data Form）数据；读入第1、2版GRIB（GRIdded Binary）、HDF4～SDS（Hierarchical Data Format～Scientific Data Set）和第5版HDF5数据。

两款软件都能处理大气科学常用的数据格式，而对其他一些矢量数据的支持则各有侧重。GrADS支持创建GeoTIFF、用于在地球浏览器中显示地理数据的KML（Keyhole Markup Language）以及美国环境系统研究所公司（ESRI）开发的空间数据开放格式Shapefile。NCL可创建netCDF3格式的数据，另外能读入Shapefile、MapInfo、GMT（Generic Mapping Tools）、TIGRE等文件。

在数据支持方面，不得不提到NCL的一个大优势：可以通过ncl_convert2nc一个命令将GRIB1，GRIB2，HDF4/5，HDF～EOS2/5或Shapefile数据方便地转换成更易使用的netCDF格式。这体现了NCL在数据输入输出上的灵活性，为不熟悉上述几种数据格式的学者带来了极大的便利。

3.图形显示功能

GrADS和NCL的主要功能之一是图形显示。那么图形显示类型是否丰富，就决定了软件是否能满足研究者展示科研结果的需要。两款软件都能绘制折线图、直方图、等值线图、填色图、散点图、流线图、风矢量图等常用图形，并且支持不同图形类型的叠加显示，都能满足使用者的基本需求。

但在图形输出类型方面，NCL比GrADS有更好的表现。NCL除支持上述图形类型外，还可以绘制箱线图、轨迹图等大气科学专业领域也经常使用的图形。对于WRF数值模式结果这样的特定数据，还可以输出三维图形，表现物理量在三维空间上的分布和变化，这也是NCL的一大亮点。

此外，由于NCL在图形设置方面有很多的属性参数可以设置，给用户在坐标轴、线条、调色板、地图投影方式等诸多方面有更多的选择，最终能得到更令人满意的图形显示效果。当然，满意的图形效果是以牺牲部分易用性为代价的。绘制同类型的图形，GrADS只有数条设置语句，而NCL可能会有十多个属性需要设置。这也是为什么通常NCL脚本文件比GrADS脚本文件长的原因之一。

4.内建函数功能

数据分析是这两个软件的另一重要功能，实现这一功能通常都是由软件内建函数来完成的。GrADS和NCL都有数学函数、分析统计函数、物理量计算函数等几大类内建函数。

从最常用的插值和统计分析应用来看，NCL的功能更强大。NCL有多个插值函数，不但能完成不同分辨率空间网格的插值，还有线性插值、双线性插值、样条插值等函数，甚至能进行地球坐标和笛卡尔坐标的转换；而GrADS的插值功能仅限于不同空间分辨率的插值，而且这一功能的实现还是通过用户自定义函数来实现的。另一方面，NCL 的内建函数还能进行经验正交分解、奇异值分解、累计分布函数等常用统计分析方法的计算，这为研究者们提供了极大的方便。熟练使用NCL一个软件，即可完成从数据分析到图形显示的全部工作内容，若使用GrADS，则需借助Fortran或Matlab等软件来完成复杂的数据分析工作。

通过上述比较，我们发现GrADS和NCL用做教学软件各有优缺点，但就提升学生实践能力这一目的来说，把NCL用于教学能直接提高学生的数据分析能力，以便学生把更多的时间用于科研思路培养上，这对本科学生在专业方向上的长远发展是更为有利的。

三 选用NCL的教学条件

自2003年大气科学系开设诊断分析与绘图课程以来，我们一直是使用GrADS软件进行教学，学生完成课程学习后能熟练使用GrADS进行数据读取、物理量计算以及图形绘制。在进行创新实验和毕业论文设计时，往往还要学习Matlab编程，才能完成科研数据分析的工作。

近年来，大气科学系的教学软、硬件环境均有较大改善，这使得选取NCL用于教学成为可能。鉴于大气科学学科中数值模式的应用越来越普遍，而多数数值模式都是基于Linux系统开发的，2006年修订本科生培养方案时，在三年级上学期增开了Linux操作系统课程，其目的是让学生了解Linux系统，并掌握该系统的基本操作。这门课程的开设为在三年级下学期诊断分析与绘图课程中使用NCL进行教学铺平了道路，这是软件环境方面的改善。学生通过学习“Linux操作系统”课程，消除了对NCL的运行环境的陌生感，操作系统方面的障碍不复存在。在学习使用NCL的过程中，又巩固、加深对Linux系统的理解，为以后安装调试数值模式奠定坚实的基础。

在硬件环境方面，2006年大气科学系购进一套曙光计算机集群系统。经过后续两次扩容，现有集群系统已具有21个计算节点，磁盘阵列容量为21T，基本满足教学科研需要。学生申请账号后，从机房电脑客户端登录集群，即可方便地在集群上使用NCL完成教学实验项目，开展科研工作，为NCL用于教学提供了硬件保障。

四 结论

在对两款软件功能进行对比，并结合实际教学条件综合分析后发现，将NCL用于“诊断分析与绘图”课程教学可行，并具有一定的优越性。通过合理安排教学内容，配套适合的实验项目，能更好地实现本门课程的教学目的，切实提高大气科学系本科生在科学研究方面的实践技能。

参考文献

[1]马红云、李丽平. GrADS软件基础教程[M].北京：气象出版社，2011

[2]方燕红、龚光彩、杨朝晖等.本科实验教学的改革与实践[J].高等理科教育，2004（2）：105～114

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