Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie

Garantující pracoviště: Katedra fyziky atmosféry
Oborový garant: doc. RNDr. Petr Pišoft, Ph.D.

Charakteristika studijního programu:
Studijní program "Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie" vede studenty a studentky k získávání znalostí a dovedností v oblasti chování atmosféry a souvisejících procesů. V rámci Univerzity Karlovy se jedná o program, který je jedinečný v komplexním pohledu na dynamický systém zemské atmosféry v širokých interdisciplinárních vazbách. I v rámci ČR se jedná o jediný program poskytující komplexní vzdělání v oblasti fyziky atmosféry, meteorologie a klimatologie. Studijní program navazuje na bakalářské studium fyziky, ve kterém si studenti a studentky osvojují potřebné matematické znalosti spolu s vědomostmi ze základních oblastí fyziky (mechanika, termodynamika, elektřina a magnetismus, optika a další). Předměty studijního programu jsou nejprve zaměřeny na získávání základních teoretických znalostí v oblasti atmosférické fyziky (hydrodynamika a termodynamika atmosféry), čímž se rozvíjí dříve nabyté znalosti v této oblasti. Dále se studium týká osvojování dovedností potřebných pro praktickou i vědeckou činnost v oboru fyziky atmosféry, tedy především v oblasti numerické matematiky, matematické statistiky, práce s daty a jejich vizualizace. Část předmětů má za cíl připravit absolventy a absolventky v základních aplikacích atmosférické fyziky, a to v předpovědi počasí, problematice znečištění ovzduší a výzkumu klimatu (včetně modelování a výzkumu vyšších vrstev atmosféry). Další předměty programu slouží k užšímu zaměření studentů a studentek či k rozšíření znalostí v oblastech blízkých jiným fyzikálním oborům (např. elektrické, optické a akustické jevy v atmosféře či děje v oceánech). Součástí studia je i vypracování diplomové práce, v rámci které se předpokládá aplikace kompetencí nabytých během absolvování předmětů a zároveň spolupráce na řešení vědeckého problému definovaného zadáním práce.

Profil absolventů a absolventek studijního programu a cíle studia:
Absolventi a absolventky disponují širokým spektrem znalostí a kompetencí v celé oblasti fyziky atmosféry, meteorologie a klimatologie. Získané znalosti umožňují jak profesní zaměření na základní a aplikovaný výzkum, tak i uplatnění v komerčním sektoru. Absolventi a absolventky mají širokou perspektivu v akademické sféře, ve výzkumných ústavech a na pracovištích vysokých škol, v průmyslových vývojových centrech zaměřených na studium proudění. V komerčním prostředí mohou využít expertní znalosti postupů statistického modelování, v oblasti krizového managementu své znalosti extrémních meteorologických jevů. Mohou nalézt uplatnění také v řadě hospodářských odvětví ovlivňovaných atmosférickými ději jako je energetika, doprava nebo zemědělství.

Absolventi a absolventky mají rozsáhlé a komplexní znalosti fyziky atmosféry, včetně statiky, dynamiky a termodynamiky atmosféry, atmosférické cirkulace všech prostorových měřítek, problematiky šíření elektromagnetických a akustických vln v atmosférickém prostředí, teorie hydrodynamických vlnových procesů, teorie nelineárních dynamických systémů, struktury a vývoje klimatického systému, přirozených i antropogenních klimatických změn. Ovládají soudobé metody distančního sondování atmosféry (meteorologické radiolokátory, lidary, sodary, technologie družicových pozorování). Umí zpracovánat rozsáhlé a složitě strukturované meteorologické a klimatologické datové soubory, jsou detailně obeznámeni s metodami matematické statistiky a s aplikacemi informačních technologií.

Doporučený průběh studia

Předpokladem úspěšného magisterského studia tohoto oboru je získání základních znalostí na úrovni následujících předmětů: NMET034 Hydrodynamika, NMET004 Šíření akustických a elektromagnetických vln v atmosféře, NMET012 Všeobecná klimatologie, NMET050 Statistické metody zpracování fyzikálních dat, NMET035 Synoptická meteorologie I, NMAF02 Deterministický chaos. Tyto předměty se obvykle zapisují ve třetím roce bakalářského studia programu Fyzika jako povinně volitelné. Pokud posluchač tyto nebo jim ekvivalentní předměty neabsolvoval, měl by si je ve vlastním zájmu zapsat jako volitelné v prvním roce navazujícího magisterského studia.

1. rok magisterského studia

2. rok magisterského studia

Seznam bloků podle akreditace:

319Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - povinné předměty (P)

320Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - předměty pro zpracování závěrečné práce (P)

321Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - povinně volitelné předměty (PV)

322Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - doporučené volitelné předměty (V)

319 (P) Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - povinné předměty

320 (P) Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - předměty pro zpracování závěrečné práce

321 (PV) Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - povinně volitelné předměty

322 (V) Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie - doporučené volitelné předměty

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

– získání alespoň 120 kreditů

– splnění všech povinných předmětů zvoleného programu

– splnění povinně volitelných předmětů zvoleného programu v rozsahu alespoň 25 kreditů

– odevzdání vypracované diplomové práce ve stanoveném termínu

Předmět lze splnit jeho úspěšným absolvováním či uznáním z předchozího studia.

Požadavky k ústní části státní závěrečné zkoušky

A. Společné požadavky

1. Statika a dynamika atmosféry
Atmosféra v hydrostatické rovnováze - homogenní, adiabatická, izotermní atmosféra. Vertikální stabilita atmosféry - metoda částice, metoda vrstvy a metoda vtahování, teplotní inverze a příčiny jejich vzniku. Kinematika a dynamika proudění vzduchu, vliv tření na proudění, základní typy proudění (geostrofický, ageostrofický vítr a jeho složky, gradientový, divergentní, nedivergentní proud apod.). Změny větru s výškou, střih větru, termální vítr. Vorticita a cirkulace - cirkulační teorémy, rovnice vorticity, divergenční teorém, balanční rovnice a jejich použití. Druhy a metody výpočtu vertikálních pohybů, rovnice omega a její diskuse. Předpověď konvekce. Energetika atmosféry, transformace energie v atmosféře, dostupná potenciální energie, vlnové pohyby a kmity v atmosféře.

2. Termodynamické děje v atmosféře
Termodynamicky ideální plyn a reálné plyny, stavové veličiny, základní termodynamické děje (polytropický, izotermický, izobarický, izosterický, adiabatický děj), termodynamické solenoidy, termodynamická práce, I. a II. hlavní termodynamická věta, entropie, entalpie, měrná a skupenská tepla, stavové rovnice, Poissonovy rovnice, Gibbsova-Dühemova rovnice, fázové přechody, Clausius–Clapeyronova rovnice, termodynamické potenciály. Termodynamika suchého, vlhkého a nasyceného vzduchu, závislost tlaku nasycené vodní páry na teplotě, analýza fázového diagramu vody, vlhkostní charakteristiky, vratné adiabatické děje v atmosféře, tzv. pseudoadiabatický děj, fázové změny vody, konzervativnost Gibbsova termodynamického potenciálu při fázových změnách - aplikace na vícesložkové systémy (např. roztoky, Raoultův zákon), na závislost tlaku nasycené vodní páry na zakřivení vodního nebo ledového povrchu, na vysvětlení existence přechlazených vodních kapiček a kvantitativní vyjádření jejich přechlazení apod.

3. Fyzika oblaků a srážek
Mikrostruktura a makrostruktura oblaků, morfologická klasifikace oblaků, termodynamické a dynamické podmínky pro vznik a vývoj oblaků, vodní, smíšené a ledové oblaky, nukleace vodní páry, kondenzace vodní páry v atmosférických podmínkách, úloha a mechanismy působení kondenzačních jader, kondenzační růst a zamrzání oblačných kapek, koalescence vodních kapek, ledová jádra, nukleace ledu, přechlazená voda v oblacích, primární a sekundární produkce ledu v oblacích, růst ledových částic, agregace, spektra velikostí oblačných, dešťových kapek a ledových krystalů, tvary ledových částic, vodní obsah oblaků, mechanismy vzniku srážek, vývoj srážek ve vrstevnatých a konvektivních oblacích.

4. Mezní vrstva atmosféry
Pojem mezní vrstvy atmosféry. Teorie vazkého proudění, Navierovy-Stokesovy rovnice, dynamická podobnost, Reynoldsovo číslo. Turbulence v atmosféře, Reynoldsovy rovnice turbulentního proudění,Reynoldsova napětí, směšovací délka, koeficient turbulentní difúze, přízemní a spirální vrstva, vertikální profily proudění v přízemní vrstvě, Ekmanova spirála. Konvektivní mezní vrstva, stabilní mezní vrstva, denní chod mezní vrstvy, charakteristické profily teploty, rychlosti proudění a turbulentních toků, oblačnost v mezní vrstvě. Interakce mezní vrstvy a zemského povrchu, toky hybnosti, tepla a vlhkosti, radiační a tepelná bilance zemského povrchu. Transformace kinetické energie v mezní vrstvě, turbulentní kinetická energie a její mechanická a termická produkce, izotropní a neizotropní turbulence, spektrum turbulentní kinetické energie. Teorie podobnosti a škálování, Richardsonovo číslo, Obuchovova délka, Moniova a Obuchovova teorie podobnosti, bezrozměrné vertikální profily složek hybnosti, teploty a vlhkosti. Mezní vrstva atmosféry v městských oblastech, proudění přes horské překážky. Problém uzávěru, modely mezní vrstvy atmosféry, simulace velkých vírů. Metody pozorování mezní vrstvy, experimentální metody pro výzkum turbulentního proudění.

5. Synoptická meteorologie a meteorologické jevy
Horizontální a vertikální rozdělení meteorologických prvků, denní a roční chody. Vzduchové hmoty - vznik, rozdělení, transformace, charakteristiky a podmínky počasí. Atmosférické fronty - definice, dynamická a kinematická podmínka, tlakové pole, druhy front, podmínky počasí. Frontogeneze a frontolýza. Tlakové útvary - barotropní a baroklinní instabilita. Stavba a vývoj tlakových útvarů, regenerace, změny tlaku, změny teplot, podmínky počasí v cyklonálním a anticyklonálním tlakovém poli, výškové frontální zóny, rapidní cyklogeneze. Tryskové proudění. Oblaky frontálních systémů a oblaky uvnitř vzduchových hmot, buněčná cirkulace v oblacích, struktura bouřkových oblaků (Cb), silné konvektivní bouře a s nimi spojené extrémní meteorologické jevy, multicely, supercely, tornáda. Tropické cyklony. Fén.

6. Klima a klimatický systém
Klimatický systém, pozorovaný stav atmosféry a oceánů (teplotní struktura, srážky, salinita), definice klimatu. Radiační a tepelná bilance zemského povrchu, atmosféry, soustavy Země-atmosféra (fyzikální zákony, sluneční radiace, dlouhovlnná radiace, rovnice radiačních přenosů). Skleníkový jev, skleníkové plyny v atmosféře, uhlíkový cyklus. Tok tepla do litosféry a hydrosféry. Denní a roční chody jednotlivých složek radiační a tepelné bilance. Vliv aktivního povrchu na radiační a tepelnou bilanci. Vodní bilance atmosféry, kontinentů, oceánů. Cirkulace atmosféry. Všeobecná cirkulace troposféry a stratosféry, pasátová a monzunová cirkulace, intertropická zóna konvergence, místní cirkulační systémy. Typy klimatu a jeho klasifikace. Základní rysy klimatu ČR. Cirkulace v oceánech. Interakce atmosféra-oceán, módy variability, dálkové vazby. Přirozené a antropogenní změny klimatu, příčiny klimatických změn, Milankovičova teorie klimatu. citlivost klimatického systému na vnější a vnitřní vlivy, zpětné vazby, globální a regionální klimatické modely. Metody statistické analýzy klimatických prvků a polí. Specifika klimatu v městských oblastech.

7. Vyšší vrstvy atmosféry
Stratosféra a mezosféra, přechodové vrstvy, vertikální profily a horizontální rozložení základních meteorologických prvků, cirkulace ve střední atmosféře. Roční chody teploty a proudění, charakteristiky polární cirkulace, srovnání severní a jižní hemisféry. Náhlé stratosférické oteplení, klasifikace, vývoj oteplení, vliv různých faktorů, dopady na další části atmosféry. Transport ve střední atmosféře, Brewer-Dobsonova cirkulace, vznik a základní charakteristiky, roční chod, výměna mezi troposférou a stratosférou. Radiační procesy. Gravitační vlny, planetární vlny, role vlnových procesů v dynamice střední atmosféry. Ozon ve stratosféře, vznik a destrukce ozonu, související chemické reakce, role halogenovaných uhlovodíků a dalších chemických skupin, ozonová díra, její vznik a vývoj, dlouhodobé trendy koncentrací ozonu. Vliv vulkanických erupcí a sluneční aktivity.

8. Metody dálkového průzkumu atmosféry
Družicová pozorování, měření meteorologických veličin a složení atmosféry. Meteorologické geostacionární družice, polární družice. Spektrální pásma a spektrální kanály, jejich základní vlastnosti. Odrazivost, propustnost, emisivita, jasová teplota. Základní spektrální vlastnosti oblačnosti a zemského povrchu. Současné operativní družice, základní metody zpracování družicových snímků, družicové snímání atmosférických sloupců plynů (ozón, NO2, SO2, formaldehyd, CO), aerosolů, optické vlastnosti aerosolů. Radarová měření. Princip funkce a použití radaru v meteorologii, radiolokační odrazivost, data Dopplerovských rychlostí, polarimetrická měření. Radiolokační rovnice, mikrovlnná refrakce, útlum, pozemní odrazy. Radiolokační odhady srážek, kombinace se srážkoměrnými daty. Metody snímání a zpracování dat. Interpretace radiolokačních měření, radiolokační charakteristiky konvektivní a vrstevnaté oblačnosti. Radiolokační síť v ČR. Detekce blesků, metoda stanovení času příchodu, metoda určení směru zdroje. Měření pomocí lidarů, pozemní lidary, letecké lidary. Měření pomocí sodaru, rozptyl zvukových vln v atmosféře. Využití GPS dat, radiookultační (RO) metoda.

B. Užší zaměření

Studenti a studentky si volí dva z následujících čtyř tematických okruhů.

1. Atmosférická chemie a kvalita ovzduší
Složení atmosféry, základy chemické kinetiky, základy troposférické a stratosférické chemie, atmosférická chemie pozadí, chemie oxidů dusíku, alkanů, alkenů, karbonylová chemie, alkoholy, aromáty, polycyklické aromatické uhlovodíky, dusíkaté organické sloučeniny, halogenované uhlovodíky, látky ohrožující ozonosféru, radikály a jejich role v chemismu atmosféry, antropogenní a biogenní těkavé organické látky a jejich reakce, fotochemický smog, prekurzory ozonu, reakce oxidů síry, heterogenní reakce, oxidace síry a dusíku, procesy tvorby aerosolů, primární a sekundární atmosférické aerosoly, spektra aerosolových částic. Typické antropogenní příměsi a jejich zdroje, emise, imise, emisní bilance a databáze, difúze příměsí v atmosféře, suchá a mokrá depozice příměsí. Typizace meteorologických podmínek pro účely ochrany čistoty ovzduší, monitorování znečištění vzduchu, hlavní typy modelů pro transport znečišťujících příměsí v atmosféře, lagrangeovské a eulerovské modely, gaussovské modely, vlečkové modely, tzv. puff modely, disperzní a receptorové modelování, fyzikální modelování, značkovací látky.

2. Klimatické modely, jejich druhy, struktura a aplikace
Typy klimatických modelů a jejich aplikace. Struktura energetických a radiačně konvekčních modelů, parametrizace mezišířkových přenosů energie a radiačních procesů, zpětné vazby. Globální klimatické modely, modely systému Země (ESM). Metody statistického downscalingu a regionální klimatické modely, jejich aplikace. Struktura modelů, parametrizace základních fyzikálních procesů, interpretace výstupů. Validace modelových výstupů. Emisní scénáře. Konstrukce scénářů změny klimatu. Zdroje neurčitostí ve výstupech klimatických modelů. Multimodelové a skupinové simulace a projekce.

3. Metody numerického modelování atmosféry
Formulace rovnic atmosférických modelů, zjednodušující aproximace, zahrnutí vlnových pohybů, modely v hydrostatickém přiblížení, rovnice mělké vody, formulace počátečních a okrajových úloh (globální model, model na omezené oblasti), horizontální i vertikální souřadnice používané v modelech, příprava vstupních údajů, objektivní analýza a asimilace dat, inicializace, normální módy, metody prostorové diskretizace a časové integrace rovnic meteorologických modelů, stabilita a konvergence numerických schémat, parametrizace fyzikálních dějů. Synoptická interpretace výstupů modelů, hlavní faktory limitující úspěšnou předpověď meteorologických polí, prediktabilita atmosférických procesů, teoretické a praktické meze prediktability.

4.Šíření elektromagnetických a akustických vln v atmosféře
Maxwellovy rovnice a jejich aplikace v atmosféře, vlnové rovnice, lom, odraz, rozptyl a útlum elektromagnetických vln v atmosféře, radiolokační rovnice, Rayleighův rozptyl, Mieův rozptyl, astronomická refrakce, spodní, svrchní a boční zrcadlení, fata morgána, snížení a zvednutí obzoru, deformace a laminace slunečního disku, zelený záblesk, barvy oblohy, soumrak a soumrakové jevy, duhy, koróny, glórie, halové jevy, dohlednost, polarizace světla oblohy. Šíření zvuku v atmosféře, rychlost zvuku, akustický index lomu, akustické stíny, anomální slyšitelnost, rázové vlny, útlum zvuku v atmosférickém prostředí. Elektrické pole v atmosféře, sférický kondenzátor, ionizace a elektrická vodivost vzduchu, vertikální elektrické proudy, oblačná a bouřková elektřina, elektrické vlastnosti oblaků, elektrický náboj ve srážkách, elektrická struktura kumulonimbů, mechanismy generování elektrických nábojů v oblacích, hrotové výboje, blesky, atmosfériky, TLE, bilance transportu elektrického náboje v atmosféře.