结合ArcGIS技术探讨“气象灾害影响及风险评估”课程新模式

［摘 要］ 当今社会对气象防灾减灾工作的要求越来越高，如何减少气象灾害引起的损失，加强气象灾害风险管理成了迫切的需求。“气象灾害影响及风险评估”作为一门新兴的课程，旨让学生通过理解灾害风险评估中致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力等组成要素，建立风险评估模型，进行气象灾害风险预警和管理，为学生从事气象应急减灾相关工作打下坚实的基础。结合ArcGIS技术，通过对课程设计、课程实施等方面进行研究，探索“气象灾害影响及风险评估”课程新模式，提出了符合风险评估本科教学要求的实践教学体系和主要内容，以提升师资队伍的实践指导水平，提高课程的教学效果，为学科设计和教学工作的开展提供参考依据。

［关键词］ ArcGIS；气象灾害；风险评估；课程模式

［基金项目］ 2019-2022年广东海洋大学教育教学改革项目“结合ArcGIS技术对气象灾害风险评估新课程的研究与探索”（570219043）；2021年度广东海洋大学校级教研室“气候及气候变化类课程教研室”（010217032201）；2022-2025年广东海洋大学博士启动费研究生培养经费“模式预报中季风切变线对南海土台风生成影响”（060302032108）

［作者简介］ 梁 梅（1989—），女，广西玉林人，博士，广东海洋大学海洋与气象学院讲师（通信作者），主要从事热带气旋动力学及其气候变化研究。

［中图分类号］ G643.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）02-0049-04 ［收稿日期］ 2022-11-01

引言

极端天气气候事件在全球变暖背景下频发。2022年，全球范围内出现了罕见的高温天气，从东南亚到北美、欧洲大陆，北半球几乎都受到高温热浪的影响。我国也受到高温炙烤，如成都8月份最高温度达43℃，这是成都有气象记录以来的最高气温。全社会对气象灾害越发关注，科学防灾、综合减灾的防灾减灾思路日益强化。我国政府及相关部门对气象灾害防御的重视程度逐步提高，支持力度亦逐步加大，但目前风险评估制度仍有待完善［1］。比如，台风带来的大风、暴雨和风暴潮，以及滑坡、泥石流等次生灾害的风险评估与区划仍需推广落实，对城乡规划和重点工程的气候可行性论证尚未开展；此外，山洪易发地区防御工程措施不够完善，基础设施薄弱的偏远地区灾害风险仍然很高。章国材［2］提出，气象灾害风险评估和区划是提高决策气象服务科技含量的必由之路。因此，有效利用气象灾害风险评估方法与体系，科学培养防灾人才，是时代发展的需要。但目前高校应急减灾人才培养规模却远不能适应行业发展需求［3-5］。

ArcGIS（ESRI ArcGIS Desktop），简称地理信息系统，其核心是计算、分析和管理地理坐标位置信息及相关位置上属性信息的数据库系统［6-7］。由于ArcGIS空间叠加分析和图形表达功能很强大，在自然灾害风险评估与区划中发挥着重要作用，气象防灾减灾行业广泛需要熟练掌握该技术的人才，因此，“气象灾害影响及风险评估”作为应急减灾的重要课程之一，基于ArcGIS技术，从致灾因子危险性、承灾体易损性、气象灾害风险评估与区划方面进行分析与研究，成为课程的要点与亮点。

“气象灾害影响及风险评估”课程是广东海洋大学（以下简称“我校”）应用气象学专业应急减灾方向学生的专业核心课程之一，在应用气象学课程中，尤其是涉及防灾减灾知识体系中尤为重要。主要内容包括：认识自然灾害风险，了解致灾因子及承灾体脆弱性、敏感性、暴露度等主要物理量，建立风险评估模型，掌握风险评估与管理方法。拟通过对本课程的学习，使学生具备判断气象灾害风险高低的能力，为区域开发、工程建设及城乡规划等应当避开的气象灾害高风险区提供参考，旨在为学生从事相关专业技术工作及科学研究工作打下基础，培养应急减灾型人才。

一、课程现状分析

目前，我国众多高校中开展气象灾害风险评估相关课程的并不多。其中课程设置较为成熟的有同济大学城市风险管理研究院、北京师范大学减灾与应急管理研究院及南京信息工程大学应用气象学院等，但这几所高校均没有将此类课程纳入本科课程。我校应用气象学专业设置应急减灾方向适应了气象事业发展需要。ArcGIS能方便统一管理空间数据和属性数据，将ArcGIS技术应用在风险评估中具有很大的优势。结合ArcGIS技术探讨气象灾害风险评估课程新模式，建立对应实习课程，让本科生能够应用遥感技术、构造损失评估体系进行风险分析，最终做好灾害预警发布和风险处置对接，实行区域单一气象灾害风险管理和区域综合气象灾害风险管理，为学生今后从事气象灾害应急减灾方面或相关专业的技术工作和科学研究工作打下坚实的基础。

我国气象灾害风险评估的研究和教学工作起步晚，课堂作业内容也多为模拟性质，缺乏具有应用性质的实践内容，无法较好刺激学生的求知欲；实验室环境有待提高，相关实验设备不足。受资金和专业发展等方面因素制约，一些常用、有效的评估软件无法安装，如主要模拟城市内涝的软件FloodArea等；师资力量相对薄弱，教学经验也较为缺乏。传统实践教学由校内教师开展，实践教学内容与行业岗位脱节，导致学生应用能力不强，难以满足行业现实需求。基于以上的特点和不足，本文结合ArcGIS技术，建议增加风险评估专业实习课程，进行处理空间数据的练习，包括矢量和栅格数据，采集、处理与分析，以及空间统计分析，使学生熟练掌握ArcGIS专题图制作，综合运用所学知识与技能对结果进行分析执行，拟通过课程与实践教学体系改革，构建应用型专业人才培养方法。

二、进行课程改革建立新模式

立足破解教学与行业脱节问题，建设贴近行业的实践教学，需从学生入学到毕业依次开展GIS技能实习、风险评估实习及毕业实习等实践教学环节，引导学生认识应用气象学专业应急减灾方向的发展趋势，提升学生的应急减灾技能水平，增强学生在应用气象学专业领域的就业竞争力，全过程推动应用气象学中应用型实践教学体系改革。

（一）融入案例式教学的教学设计

案例式教学属于情境式案例教学课，该教学方式可有效地促进课程中设计的显性知识与隐性知识相互转换。通过具体的情境介绍分析，将隐性知识具体化、形象化，或将显性的知识抽象内涵化［6，8］。2021年郑州发生了“7·20”特大暴雨灾害，这是一场因1小时的短时强降水导致城市内涝严重、山洪滑坡、泥石流等多种灾害同时发生的百年一遇的特大自然灾害。该案例值得深入地探讨以及学习。该事件中，暴雨中心自西向东推进，与河流走向一致，山区暴雨径流和水库下泄流量进入郑州市区，导致城市河道水位快速抬升。在课程中引入该事件，利用地面气象站逐小时观测资料数据，分析洪涝灾情成因，构建郑州市主城区水文水动力二维洪涝模型，覆盖郑州的主要城区范围及郑州市泄洪排涝骨干河道，模拟郑州洪水淹没过程。通过融入该案例，加强课程的时效性，让实践教学内容与应急减灾行业岗位相联系，满足行业实际需求，加强学生的应用能力。

（二）确立课程培养目标，开设相应实习课程

开设气象灾害风险评估课程实习，目的是让学生对灾害风险组成要素及评估方法进行计算演练，从而进行准确的灾害风险评估，并将评估结果更好地运用到现有灾害风险计划、应急计划和发展规划中。课程大纲包括5个部分：（1）致灾因子危险性计算与分析，主要包括计算高温、大风、面雨量等主要影响因子的临界值，学习ArcGIS中矢量、栅格数据处理及多种空间插值等操作。（2）孕灾环境敏感性计算，包括缓冲区分析、水网密度计算、地形标准差计算、栅格图层运算。（3）建立承灾体易损性模型，即挑选合适的因子、构建易损性的数据库、计算承灾体的脆弱性曲线；学习ArcGIS中多边形属性表关联、矢量面数据转换为栅格数据的演练。（4）防灾抗灾能力的计算及评估。（5）建立灾害风险评估模型，进行风险区划，熟练掌握ArcGIS专题图制作；了解最新的灾害风险计划、应急计划和风险评估发展规划。通过该课程的实习，聚合专业知识点，加强专业技能，提升课程的应用性，满足应急减灾行业对应用型人才的需求。在实习课程中倡导“做—学—教”一体的现场化教学，课程可以采用“行动导向、任务驱动”的开放式教学模式［9］。以教师为队长，提前培养及筛选熟练掌握ArcGIS操作的学生，组建ArcGIS技术实践团队，以“朋辈导师”的形式在ArcGIS实习过程中参与指导。其次，对ArcGIS技术实习成果分析进行综合评价，加强学生之间的交流互动，取长补短，有利于深入理解风险评估的内涵及掌握风险评估流程。此外，要求学生通过实践练习之后，在课程的最后一天应用掌握的知识解决同类问题。此外，除上述内容外，学生必须在课程结束后的两周内提交实习报告。学生的表现将通过实验室表现和实习报告进行综合评估。最后，每一届学生均进行风险评估实习课程反馈调查分析，总结应用气象学（应急减灾方向）专业学生综合实践教学的经验，总结针对灾害风险评估理论与实践的不足与优势，寻求合适的方案。

（三）使用ArcGIS技术完成毕业设计课题，培养实际操作能力

应急减灾方向的学生通过将ArcGIS技术应用于毕业设计、完成毕业论文，培养学生对ArcGIS技术的应用能力。我国台风灾害综合风险评估、我国极端降水时空特征及风险分析、某地某次山洪灾害风险评估、某城市某场暴雨内涝模拟与风险评估、基于信息扩散理论的某省气象灾害风险评估等这些方向均可作为学生的毕业论文题目。具体以山洪滑坡为例，本科生毕业论文可通过定量（风险分析）和定性（风险感知）两种方式分析滑坡和山洪易发地区的风险程度和脆弱性，采用风险分析方法描述某山地的风险状况，以及不同地区的物理暴露和脆弱性。利用滑坡易感性图，找出影响滑坡易损区因素的指标。偏远山区大多数防灾减灾项目都是针对滑坡群体的。通过毕业设计课题，强化ArcGIS技术，加深对致风险源的危险性、孕灾环境敏感性及承灾体的易损性等基本风险要素的认识。

（四）积极完善实验室建设，加强实践教学基地建设点

FloodArea是基于栅格且完全集成在ArcGIS用于计算洪水区域的2D模型，除了各种洪水灾害地图和运行堤防决堤模型外，该模型已在强降雨和分散防洪领域使用了20年［10］，主要适用于洪涝灾害的二维水动力模拟、洪水淹没面积与深度计算、致灾临界雨量确定及动态风险评估制图等。高校可申请相关的教学改革项目，获取经费引进FloodArea等常用模拟软件，改善实验室软环境。利用互联网查找各种常用软件模型，将实验室的空间、设备进行整合，使实验室资源得到充分的利用。此外，需要开展校企合作，扩大实践教学基地建设，可与行业知名企业开展合作，签订协议建立实践教学基地，建立针对性的核心课程建设，将专业课程与企业一线相贯通，实行学校教师与企业工程师在同一课程上双教学，提升风险评估课程的实践教学水平。师资方面，一方面要提高专业教师队伍的专业素养，另一方面也要提高实验技术人员的专业技术及综合素质。教师是课程的灵魂，教师的专业素养决定了课程知识讲授的深度，要加强对专业教师队伍进行风险评估知识与ArcGIS技术的培养，倡导教师积极参加相关的灾害管理培训课程，或者到业务单位挂职，提高实践技术层次。实验人员是实习工作的支撑，要求实验教师队伍具有较高的实验技术素养，提高实验操作水平。可通过校企双聘、外聘兼职、师资共享等方式，建设分别由课程负责人领衔、实验人员为主、外聘兼职为辅的理论与实践教学团队。

结语

“气象灾害影响及风险评估”是应用气象学的专业核心课程之一。该课程需要理解并计算致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力等要素，建立合理的风险评估模型，进行风险评估与区划，最终将评估结果进行可视化。要提高课程的教学效果，必须开展结合ArcGIS的实践教学部分，需要结合ArcGIS从教学设计、教学手段及教学组织管理方面着手策划及改善。笔者结合自身的理论与实践教学经历，探讨了“气象灾害影响及风险评估”课程尚存的问题，拟引进ArcGIS技术，通过对课程设计、课程实施等方面进行研究，探索气象灾害风险评估课程新模式，提出符合风险评估本科教学要求的实践教学体系及相应解决对策。“气象灾害影响及风险评估”课程教学改革和建设是长期的、系统化的工程，需要不断地根据各种极端气象灾害的发生，制定新的评估标准和评估方案，使学生在有限的课堂学习中掌握相应的知识和技能，培育出更多的高素质人才，满足社会对风险评估与管理人才的需求。