Meteorologie a klimatologie

3. Meteorologie a klimatologie

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

Charakteristika studijního oboru:
Obor meteorologie a klimatologie vychází především z hydrodynamiky a termodynamiky atmosféry, přičemž široce využívá poznatků dalších fyzikálních disciplín a matematických metod, zejména metod numerické matematiky a statistiky. Je orientován na studium celého spektra atmosférických dějů včetně šíření elektromagnetických vln, jevů atmosférické optiky, akustiky a elektřiny, záření v atmosféře, fyziky oblaků a srážek, atmosférické turbulence, extraterestrických vlivů apod. Soustřeďuje se především na aplikace dynamiky, energetiky a cirkulace atmosféry, na problematiku kvality ovzduší, antropogenních vlivů na atmosféru, modelování klimatu, studium klimatických změn anebo metod distančního sondování atmosféry. Uplatňují se i významné interdisciplinární přesahy například do anorganické a organické chemie. V základním přístupu se dnes uplatňuje i obecný kontext fyziky planetárních atmosfér.

Profil absolventa studijního oboru a cíle studia:
Absolvent má široké znalosti základních fyzikálních disciplín ve vztahu k fyzice atmosféry (hydrodynamika, termodynamika, teorie elektromagnetických vln, optika, akustika a elektřina, teorie nelineárních dynamických systémů, vlnové procesy apod.) a adekvátních matematických metod (řešení parciálních diferenciálních rovnic, numerická matematika, matematická statistika) se zahrnutím znalostí soudobých informačních technologií. Je připraven pro řešení úkolů základního i aplikovaného výzkumu a rozsáhlého spektra činností v praxi. Obsahově a metodologicky je zaměřen na problematiku dynamiky, energetiky a cirkulace v nelineárním systému atmosféry v oblasti numerických prognostických modelů, kvality ovzduší včetně postupů modelování, na aplikoce teorie a modelování turbulence a na oblast teorie klimatickéhío systému a problematiku modelování klimatu, antropogenních vlivů na klima a klimatických změny. Má rovněž znalosti z optiky, akustiky, elektřiny a chemismu atmosféry umožňující jeho efektivní uplatnění v řadě technických aplikací výzkumného i provozního charakteru.

Cílem studia je rozsáhlé spektrum znalostí a kompetencí v oblasti fyziky atmosféry, základního výzkumu i aplikované meteorologie a klimatologie s perspektivou uplatnění ve výzkumných ústavech, na pracovištích vysokých škol, v Českém hydrometeorologickém ústavu, v oblasti krizového managmentu v souvislosti s extrémními meteorologickými jevy anebo v řadě hospodářských odvětví ovlivňovaných atmosférickými procesy (letecká a ostatní doprava, energetika, zemědělství, lesní hospodářství atd.).

Doporučený průběh studia

Předpokladem úspěšného magisterského studia tohoto oboru je získání základních znalostí na úrovni následujících předmětů:

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. Obsah uvedených předmětů je součástí společných požadavků státní závěrečné zkoušky.

1. rok magisterského studia

¹ Místo této přednášky lze zapsat NMET023 (Dynamická meteorologie).

2. rok magisterského studia

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

– získání alespoň 120 kreditů

– splnění všech povinných předmětů zvoleného oboru

– splnění povinně volitelných předmětů zvoleného oboru v rozsahu alespoň 20 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 
Horizontální a vertikální rozdělení meteorologických prvků, denní a roční chody. Atmosféra v hydrostatické rovnováze - homogenní, adiabatická, izotermní atmosféra. Vertikální stabilita atmosféry - metoda částice, metoda vrstvy, 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. Vzduchové hmoty - vznik, rozdělení, transformace, charakteristiky a podmínky počasí. Atmosférické fronty - definice, dynamická a kinematická podmínka, tlakové pole, druhy front, počasí. Tlakové útvary - barotropní a baroklinní instabilita. Stavba a vývoj tlakových útvarů, regenerace, změny tlaku, změny teplot, podmínky počasí v tlakové výši a níži, výškové frontální zóny, deformační pole. Tryskové proudění. 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. Konstrukce přízemních a výškových map, metody předpovědi polí meteorologických prvků.

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, 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. Šíření elektromagnetických a akustických vln v atmosféře 
Maxwellovy rovnice a jejich aplikace pro atmosférické prostředí, vlnové rovnice, lom, odraz, rozptyl a útlum elektromagnetických vln v atmosféře zejména pro viditelné a infračervené záření a pro radiovlny, radiolokační rovnice, Rayleighův rozptyl, Mieova teorie rozptylu, 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, schéma sférického kondenzátoru, ionizace vzduchu a jeho elektrická vodivost, vertikální elektrické proudy v atmosféře, oblačná a bouřková elektřina, elektrické vlastnosti oblaků, elektrický náboj v padajících srážkách, elektrická struktura kumulonimbů, mechanismy generování elektrických nábojů v oblacích, hrotové výboje, blesky, atmosfériky, TLE (přechodné světelné úkazy), bilance transportu elektrického náboje v atmosféře.

4. 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.

5. Mezní vrstva atmosféry 
Pojem mezní vrstvy atmosféry. Teorie vazkého proudění, Stokesovy a Navierovy rovnice, charakteristiky podobnosti. Turbulence v atmosféře, mechanické a termické příčiny turbulentní difúze, rovnice turbulentního proudění, Reynoldsova napětí, Prandtlova teorie směšovací délky, koeficient turbulentní difúze, izotropní a neizotropní turbulence, intenzita turbulence, dynamická (frikční) rychlost. Teorie přízemní a spirální vrstvy, laminární podvrstva, vertikální profily proudění v přízemní vrstvě, Taylorova (Ekmanova) spirála a její zobecnění vzhledem k dějům v reálné atmosféře. Difúze tepla a vodní páry v mezní vrstvě, chody teploty a charakteristik vlhkosti vzduchu, konvekce v mezní vrstvě, turbulentní a konvekční toky tepla a vodní páry, podmínky výparu z hlediska dějů v mezní vrstvě, radiační děje v blízkosti zemského povrchu. Transformace kinetické energie v mezní vrstvě, kinetická energie turbulentních fluktuací rychlosti proudění, teorie podobnosti, Richardsonovo číslo, Moninova a Obuchovova délka, bezrozměrné vertikální profily složek hybnosti, teploty a vlhkosti, problém uzávěru. Proudění přes horské překážky, modely mezní vrstvy atmosféry.

6. 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, kondenzace vodní páry v atmosférických podmínkách, úloha a mechanismy působení kondenzačních jader, koalescence vodních kapek, kondenzační růst a zamrzání oblačných kapek, ledová jádra, přechlazená voda v oblacích, primární a sekundární produkce ledu v oblacích, spektra velikostí oblačných kapek a tvary ledových částic, vodní obsah oblaků, mechanismy vzniku srážek, vývoj srážek ve vrstevnatých a konvektivních oblacích, znečištění oblačné s srážkové vody.

Frontální systémy oblaků a oblaky uvnitř vzduchových hmot, buněčná cirkulace v oblacích, struktura bouřkových oblaků (Cb), konvektivní bouře a s nimi spojené extrémní meteorologické jevy.

7. Metody dálkového průzkumu atmosféry 
Družicová pozorování a měření. Meteorologické geostacionární družice, meteorologické družice na polárních drahách. Spektrální pásma a spektrální kanály, jejich základní vlastnosti. Odrazivost, propustnost, emisivita, jasová teplota. Základní spektrální vlastnosti oblačnosti a zemského povrchu. Organizace EUMETSAT. Družice organizací NOAA (POES, NPP, JPSS, GOES) a EUMETSAT (Metop, Meteosat - MSG, MTG). Spektrální kanály přístrojů SEVIRI (MSG) a FCI (MTG). Základní metody zpracování družicových snímků. RGB kompozitní snímky a základy jejich interpretace. 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, nepřesnosti odhadu srážek a jejich korekce, kombinace se srážkoměrnými daty. Metody snímání a zpracování dat. Interpretace radiolokačních měření, radiolokační charakteristiky konvektivní a vrstevnaté oblačnosti. Radiolokační síť v ČR.

B. Užší zaměření

Posluchač si volí dva z následujících tří tematických okruhů.

1. Metody numerického modelování atmosféry 
Formulace rovnic předpovědních modelů, zjednodušující aproximace, zahrnutí vlnových pohybů, předpovědní model v hydrostatickém přiblížení, rovnice mělké vody, formulace počátečních a okrajových úloh předpovědních modelů (globální model, model na omezené oblasti), horizontální i vertikální souřadnice používané v modelech, transformovaná vertikální souřadnice kopírující terén, příprava vstupních údajů, objektivní analýza a asimilace dat, inicializace, normální módy, metody časové integrace rovnic meteorologických modelů (explicitní a semiimplicitní metody časové aproximace), stabilita aproximace a konvergence schémat časové integrace, prostorová aproximace rovnic - diferenční metody, Galerkinovy aproximace - spektrální metody a metoda konečných prvků, metody faktorizace, aproximace nelineárních členů rovnic v Eulerově tvaru semiLagrangeovou metodou, parametrizace některých fyzikálních dějů (fázových změn vody v atmosféře, srážek, konvekce, dějů v mezní vrstvě, záření apod.). Synoptická interpretace výstupů modelů, hlavní faktory limitující úspěšnou předpověď meteorologických polí, prediktabilita atmosférických procesů, teoretické a praktické meze prediktability.

2. Klimatické modely, jejich druhy, struktura a aplikace 
Typy klimatických modelů a jejich aplikace. Struktura energetických a radiačně konvekčních modelů, parametrizace mezišířkových přenosů energie, 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. Antropogenní znečištění atmosféry 
Typické antropogenní příměsi a jejich zdroje, přístupy ke klasifikacím zdrojů, emise, exhalace, imise, emisní bilance a databáze, difúze příměsí v atmosféře a její prostorová měřítka, 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, suchá a mokrá depozice příměsí.

Základy troposférické a stratosférické chemie, reakce oxidů síry a oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, metanu a formaldehydu, benzen, polycyklické aromatické uhlovodíky, benzo(a)pyren apod., PANs, halogenované uhlovodíky, látky ohrožující ozonosféru, radikály OH a HO2 a jejich role v chemismu atmosféry, antropogenní a biogenní těkavé organické látky a jejich reakce, přízemní a stratosférický ozon, redukční a oxidační smog, prekurzory ozonu, procesy nukleace, primární a sekundární atmosférické aerosoly, spektra aerosolových částic, frakce PM.

Typizace meteorologických podmínek pro účely ochrany čistoty ovzduší, monitorování znečištění vzduchu, ekologické problémy související se znečištěním ovzduší.