CN113903238A - 一种台风虚拟仿真实验教学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供针一种台风虚拟仿真实验教学系统及方法，对模拟台风形成与运动方式配套开发的可在网上开展的虚拟仿真实验。作为应用学科的大气科学专业，目的是培养精通理论、面向实践的应用型人才，为了培养学生的综合能力，本发明利用3D技术和WebGL技术构建云层漫游、台风过境、卫星云图等场景，实现4K的高清画质；学生通过掌握台风的基本特征、分布范围和不同等级划分的理论知识，对台风的形成、消失与运动过程产生深入的了解，同时对台风伴生的不同阶段的云系、气压场温度场的相关参数以及天气系统与致灾影响都能产生准确的演示。

Description

一种台风虚拟仿真实验教学系统及方法

技术领域

本发明属于大气科学与虚拟仿真交叉技术领域，具体涉及一种台风虚拟仿真实验教学系统及方法。

背景技术

台风属于热带气旋的一种，是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋，是一种强大而深厚的“热带天气系统”，由于热带气旋的广泛影响，而研究台风形成原因、形成结构、生命周期，了解台风的成熟过程，能有效对台风灾害进行预警，因此探索热带气旋的属性特征一直是大气科学和减灾领域的研究方向。

但在台风的研究过程中，由于台风中极端恶劣的天气环境、高危险实地研究很难开展，研究成本高、资源消耗大、不能随时随地进入相应的场景进行观测；在实际的教学工作中，实验和实训的差异限制，更会导致学生无法将课堂上学到的理论知识与实际相结合，基于此，通过对台风的仿真，对台风的形成与运动的全流程情景进行还原，该方法安全高效、且不受时间空间的影响，因此基于仿真模型对台风研究现成为一种趋势。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种台风虚拟仿真实验教学系统及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种台风虚拟仿真实验教学系统，包括教学模块。其中，教学模块包括多个功能模块和多个功能按钮；

其中一个模块，台风基本结构模块，包括台风的三维构造、台风基本特征、台风范围、不同等级划分标准以及相关知识拓展；

其中一个模块，台风形成原理模块，包括台风形成的至少七个条件，其中七个条件为：(1)经过太阳照射，海面形成很强的积雨云；(2)积雨云中热空气上升,周围相对较冷空气团补充进来，再次遇热上升；(3)上方空气热,下方空气冷，上方热空气里的水汽蒸发扩大了云带；(4)不断扩大的云团受地转偏向力的影响，形成热带气旋；(5)热带气旋中心的空气逐渐稀薄，空气压力逐渐减小,周围空气涌句热带低压；(6)热带气旋中心最大风力升高，气压进一步降低；(7)热带低压提升到热带风暴，形成台风或超强台风；

其中一个模块，运动因子模块，包含对地转偏向力、总压力、内力、扰动加速度进行介绍内容；

其中一个模块，致灾影响模块，存储有台风的危害性进行介绍的视频文字；

其中一个功能按钮，剖切模型按钮，点击后可对三维模型进行测量、注释；

其中一个功能按钮，知识拓展按钮，点击后对刚刚台风模型中的知识点进行拓展延展，使学生了解台风结构、外围螺旋云带、涡旋区、眼区及一些历史事件；

其中一个功能按钮，上方感叹号，点击后可查看远处台风的具体样貌，通过三维动画展现台风的整体形状与运动状态。

一种台风虚拟仿真实验教学方法，包括：

步骤1：实验采用教学模式、考核模式两种，分别适用于同学的反复学习及课后测试；

步骤2：教学模式下分为6个模块，首先进入模块一，模块一包括台风的三维构造、台风基本特征、台风范围、不同等级划分标准以及相关知识拓展；

步骤3：首先查看台风三维构造，点击左上角剖切模型按钮，可对三维模型进行测量、注释。三维建模采用3Dmax软件，对台风的螺旋雨带区、云墙区、台风眼区域进行三维仿真建模，按住鼠标右键可旋转台风三维模型360°进行观察，测量环节分别展示台风外围螺旋云带、涡旋区和眼区各个位置的直径大小；

步骤4：点击“知识拓展”按钮，对刚刚台风模型中的知识点进行拓展延展，使学生了解台风结构、外围螺旋云带、涡旋区、眼区及一些历史事件等；

步骤5：点击上方感叹号，可查看远处台风的具体样貌，通过三维动画展现台风的整体形状与运动状态；

步骤6：点击继续进入台风形成原理模块，该模块中逐一点击左侧7个条件，并观察右侧台风形成的简易过程，选择错误，系统将给出合适提示，并再次进行选择；

步骤7：答完后会对台风生成的热力条件进行一个总结，包括：热力条件、动力条件和对流层风速变化，学生可回顾刚所选的条件进行发散性思考；

步骤8：对台风源地分布、云系演变、气压场、温度场、风场进行了解，以利奇马台风为例，参考其生消过程中的压力风场数据，通过不同色块表示气压、风场等各个数值的变化，模拟整个过程，学生在操作过程中，选择错误将给出错误提示，一步步引导学生完成学习；

步骤9：选择云系演变，观察利奇马台风的台风卫星云图以及雷达图；

步骤10：分别对气压场、温度场、风场进行观察，通过maya软件对台风发展过程中的气压场、温度场、风场和假相当位温参数进行三维仿真模拟，以三维动画的形式表现出来；

步骤11：点击下一步，来到影响台风的运动因子模块，对地转偏向力、总压力、内力、扰动加速度进行介绍；

步骤12：下一步，分别学习台风与季节的关系、基本移动路径、经典移动路径、特殊路径；

步骤13：点击台风的致灾影响模块，以视频文字的形式对台风的危害性进行介绍。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明主要是通过三维仿真技术进行仿真模拟，对台风形成、消失的全流程进行模拟。系统操作者可通过键盘、鼠标对仪器以及场景中的三维模型进行浏览并点击操作，在三维的案例场景中，采用虚拟设备仪器系统开展针对性的交互使用训练，同时，本发明配以介绍和背景音乐，可以进行教学培训、授课、考核等教学工作，它可以使教学老师摆脱繁重的教学工作，大幅度提高教学效率和学生的学习积极性。同时，使学生能够不受时间和地点限制，完成专业的培训和锻炼，建成一套技术先进与实用相结合的实验教学系统。

附图说明

为更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的实验总计架构图；

图2为本发明的台风生成条件流程；

图3为本发明中的台风结构示意图；

图4为本发明中的实验报告示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

参考图1～图4，

台风虚拟仿真实验教学方法，包括：

步骤1：实验采用教学模式、考核模式两种，分别适用于同学的反复学习及课后测试。

步骤2：教学模式下分为6个模块，首先进入模块一，模块一包括台风的三维构造、台风基本特征、台风范围、不同等级划分标准以及相关知识拓展。

步骤3：首先查看台风三维构造，点击左上角剖切模型按钮，可对三维模型进行测量、注释。三维建模采用3Dmax软件，对台风的螺旋雨带区、云墙区、台风眼区域进行三维仿真建模，按住鼠标右键可旋转台风三维模型360°进行观察。测量环节分别展示台风外围螺旋云带、涡旋区和眼区各个位置的直径大小。

步骤4：点击“知识拓展”按钮，对刚刚台风模型中的知识点进行拓展延展，使学生了解台风结构、外围螺旋云带、涡旋区、眼区及一些历史事件等。

步骤5：点击上方感叹号，可查看远处台风的具体样貌，通过三维动画展现台风的整体形状与运动状态。

步骤6：点击继续进入台风形成原理模块，该模块中逐一点击左侧7个条件，并观察右侧台风形成的简易过程，选择错误，系统将给出合适提示，并再次进行选择。具体流程为：(1)经过太阳照射，海面形成很强的积雨云；(2)积雨云中热空气上升,周围相对较冷空气团补充进来，再次遇热上升；(3)上方空气热,下方空气冷，上方热空气里的水汽蒸发扩大了云带；(4)不断扩大的云团受地转偏向力的影响，形成热带气旋；(5)热带气旋中心的空气逐渐稀薄，空气压力逐渐减小,周围空气涌句热带低压；(6)热带气旋中心最大风力升高(眼墙)，气压进一步降低；(7)热带低压提升到热带风暴，形成台风或超强台风。

步骤7：答完后会对台风生成的热力条件进行一个总结，包括：热力条件、动力条件和对流层风速变化等，学生可回顾刚所选的条件进行发散性思考。

步骤8：下一步，对台风源地分布、云系演变、气压场、温度场、风场进行了解，以利奇马台风为例，参考其生消过程中的压力风场数据，通过不同色块表示气压、风场等各个数值的变化，模拟整个过程，学生在操作过程中，选择错误将给出错误提示，一步步引导学生完成学习。

步骤9：选择云系演变，观察利奇马台风的台风卫星云图以及雷达图。

步骤10：分别对气压场、温度场、风场进行观察，通过maya软件对台风发展过程中的气压场、温度场、风场和假相当位温参数进行三维仿真模拟，以三维动画的形式表现出来。

步骤11：点击下一步，来到影响台风的运动因子模块，对地转偏向力、总压力、内力、扰动加速度进行介绍。

步骤12：下一步，分别学习台风与季节的关系、基本移动路径、经典移动路径、特殊路径。

步骤13：点击台风的致灾影响模块，以视频文字的形式对台风的危害性进行介绍。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述具体实施方式，上述实施方式仅是示意性的，不是限制性的，本领域的技术人员在本发明的启示、不脱离本发明宗旨和权利要求保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种台风虚拟仿真实验教学系统，其特征在于，包括教学模块，所述教学模块包括：多个功能模块和多个功能按钮；

其中一个模块，模块一，包括台风的三维构造、台风基本特征、台风范围、不同等级划分标准以及相关知识拓展；

其中一个模块，台风形成原理模块，包括台风形成的至少七个条件，其中七个条件为：(1)经过太阳照射，海面形成很强的积雨云；(2)积雨云中热空气上升,周围相对较冷空气团补充进来，再次遇热上升；(3)上方空气热,下方空气冷，上方热空气里的水汽蒸发扩大了云带；(4)不断扩大的云团受地转偏向力的影响，形成热带气旋；(5)热带气旋中心的空气逐渐稀薄，空气压力逐渐减小,周围空气涌句热带低压；(6)热带气旋中心最大风力升高，气压进一步降低；(7)热带低压提升到热带风暴，形成台风或超强台风；

其中一个模块，运动因子模块，包含对地转偏向力、总压力、内力、扰动加速度进行介绍内容；

其中一个模块，致灾影响模块，存储有台风的危害性进行介绍的视频文字；

其中一个功能按钮，剖切模型按钮，点击后可对三维模型进行测量、注释；

其中一个功能按钮，知识拓展按钮，点击后对刚刚台风模型中的知识点进行拓展延展，使学生了解台风结构、外围螺旋云带、涡旋区、眼区及一些历史事件；

其中一个功能按钮，上方感叹号，点击后可查看远处台风的具体样貌，通过三维动画展现台风的整体形状与运动状态。

2.一种台风虚拟仿真实验教学方法，其特征在于，包括：

步骤1：实验采用教学模式、考核模式两种，分别适用于同学的反复学习及课后测试；

步骤2：教学模式下分为6个模块，首先进入模块一，模块一包括台风的三维构造、台风基本特征、台风范围、不同等级划分标准以及相关知识拓展；

步骤3：首先查看台风三维构造，点击左上角剖切模型按钮，可对三维模型进行测量、注释，三维建模采用3Dmax软件，对台风的螺旋雨带区、云墙区、台风眼区域进行三维仿真建模，按住鼠标右键可旋转台风三维模型360°进行观察，测量环节分别展示台风外围螺旋云带、涡旋区和眼区各个位置的直径大小；

步骤4：点击“知识拓展”按钮，对刚刚台风模型中的知识点进行拓展延展，使学生了解台风结构、外围螺旋云带、涡旋区、眼区及一些历史事件等；

步骤5：点击上方感叹号，可查看远处台风的具体样貌，通过三维动画展现台风的整体形状与运动状态；

步骤6：点击继续进入台风形成原理模块，该模块中逐一点击左侧7个条件，并观察右侧台风形成的简易过程，选择错误，系统将给出合适提示，并再次进行选择；

步骤7：答完后会对台风生成的热力条件进行一个总结，包括：热力条件、动力条件和对流层风速变化，学生可回顾刚所选的条件进行发散性思考；

步骤8：对台风源地分布、云系演变、气压场、温度场、风场进行了解，以利奇马台风为例，参考其生消过程中的压力风场数据，通过不同色块表示气压、风场等各个数值的变化，模拟整个过程，学生在操作过程中，选择错误将给出错误提示，一步步引导学生完成学习；

步骤9：选择云系演变，观察利奇马台风的台风卫星云图以及雷达图；

步骤10：分别对气压场、温度场、风场进行观察，通过maya软件对台风发展过程中的气压场、温度场、风场和假相当位温参数进行三维仿真模拟，以三维动画的形式表现出来；

步骤11：点击下一步，来到影响台风的运动因子模块，对地转偏向力、总压力、内力、扰动加速度进行介绍；

步骤12：下一步，分别学习台风与季节的关系、基本移动路径、经典移动路径、特殊路径；

步骤13：点击台风的致灾影响模块，以视频文字的形式对台风的危害性进行介绍。

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