3. Meteorologie a klimatologie

Garantující pracoviště: Katedra meteorologie a ochrany prostředí
Oborový garant: doc. RNDr. Josef Brechler, CSc.

Charakteristika studijního oboru:
Obor meteorologie a klimatologie vychází především z hydrodynamiky a termodynamiky atmosféry, přičemž široce využívá poznatků dalších fyzikálních oborů a výpočetních metod zejména numerické matematiky a statistiky. Je orientován na studium rozsáhlé škály atmosférických dějů včetně atmosférické optiky, akustiky a elektřiny, záření v atmosféře, fyziky oblaků a srážek apod. Soustřeďuje se především na aplikace dynamiky, energetiky a cirkulace atmosféry v oblasti meteorologických prognóz využívajících nejmodernějších metod numerické matematiky, dále na dnes silně aktuální problematiku znečištění ovzduší ve vztahu k ekologickým problémům, problematiku antropogenních vlivů na atmosféru, metody modelování klimatu, studium klimatických změn, problémů stratosférického i přízemního ozonu apod.

Cíle studia:
Cílem studia je vychovat absolventa se širokým spektrem znalostí a kompetencí v oblasti fyziky atmosféry, základního výzkumu i aplikované meteorologie a klimatologie s perspektivou uplatnění v ústavech Akademie věd, dalších výzkumných ústavech, na pracovištích vysokých škol, na pracovištích Českého hydrometeorologického ústavu, ve sféře ekologických aplikací poznatků o atmosféře, dále v řadě odvětví národního hospodářství ovlivňovaných atmosférickými procesy (doprava, zejména letecká, energetika, zemědělství atd.).

Profil absolventa:
Absolvent má široké znalosti ze základů fyziky, zejména s ohledem na fyziku atmosféry (hydrodynamika, termodynamika, šíření elektromagnetických vln, optika a elektřina, teorie nelineárních dynamických systémů, vlnové procesy apod.) a z potřebných matematických metod (řešení parciálních diferenciálních rovnic, numerická matematika, matematická statistika). Z hlediska vlastního oboru i příbuzných oborů je připraven pro řešení úkolů základního i aplikačního výzkumu i širokého spektra činností v praxi (povětrnostní služba, meteorologické zabezpečení v řadě odvětví národního hospodářství atd.). Obsahově je zaměřen především na problematiku dynamiky, energetiky a cirkulace atmosféry s perspektivou aplikací zejména v tematické oblasti numerických prognostických modelů, dále na oblast transportu, transformací a modelování znečišťujících příměsí v atmosféře a na oblast klimatologie vyznačující se aktuální problematikou modelování klimatu, antropogenních vlivů na klima, klimatické změny apod. Má rovněž znalosti z optiky a elektřiny atmosféry apod. umožňující jeho uplatnění v řadě technických aplikací výzkumného i provozního charakteru.

Doporučený průběh studia

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

kódPředmětKredityZSLS
NMET012Všeobecná klimatologie 64/0 Zk
NMET004Šíření akustických a elektromagnetických vln v atmosféře 43/0 Zk
NMET034Hydrodynamika 63/1 Z+Zk
NMET050Metody zpracování fyzikálních měření 62/2 Zk
NMET035Synoptická meteorologie I 32/0 Zk
NMAF026Deterministický chaos 32/0 Zk

Tyto povinně volitelné předměty se obvykle zapisují ve třetím roce bakalářského studia programu Fyzika. Pokud posluchač tyto nebo jim ekvivalentní předměty neabsolvoval, měl by si je ve vlastním zájmu zapsat v prvním roce navazujícího magisterského studia. Obsah uvedených předmětů je součástí společných požadavků státní závěrečné zkoušky.

1. rok magisterského studia

kódPředmětKredityZSLS
NMET074Dynamika atmosféry163/1 Z+Zk
NMET023Dynamická meteorologie163/1 Z+Zk
NMET036Synoptická meteorologie II 43/0 Zk
NMET002Fyzika mezní vrstvy 43/0 Zk
NMET013Analýza povětrnostní mapy 61/3 KZ
NMAF013Metody numerické matematiky I 32/0 Zk
NMAF014Metody numerické matematiky II 62/2 Z+Zk
NMET014Objektivní analýza meteorologických polí 64/0 KZ
NMET010Speciální klimatologický seminář 40/3 Z
NMET020Distanční pozorování a detekční metody v meteorologii I 52/1 Z+Zk
NMET003Fyzika oblaků a srážek 32/0 Zk
NMET033Synoptická interpretace diagnostických a prognostických polí 62/2 Z+Zk
NSZZ023Diplomová práce I 60/4 Z
NMET011Statistické metody v meteorologii a klimatologii 62/2 Z+Zk
NMET009Regionální klimatologie a klimatografie ČR 64/0 Zk
NMET025Vlnové pohyby a energetika atmosféry 43/0 Zk
NMET032Turbulence v atmosféře 43/0 Zk
NMET024Dynamické předpovědní metody 73/2 Z+Zk
NMET060Prognostické modely pro předpověď počasí 32/0 Zk
NMET065Uživatelsky přátelský Linux 40/3 Z
NMET067Stratosféra 62/2 Z+Zk
NMET008Numerické řešení rovnic prognostických modelů 32/0 Zk
NMET063Metody zpracování časových řad 52/1 Z+Zk
NMET071Užitá klimatologie I 32/0 Zk
NMET066Meteorologický počítačový seminář 40/3 Z
NMET068Oceány v klimatickém systému 62/2 Z+Zk
NMET064Aerosolové inženýrství 32/0 Zk
NMET075Klimatické extrémy a jejich modely 32/0 Zk

1 Student zapisuje pouze jeden z těchto dvou předmětů.

V 1. nebo 2. roce studia se doporučuje absolvovat 2 týdny odborné praxe a 3 týdny předdiplomní praxe.

2. rok magisterského studia

kódPředmětKredityZSLS
NMET019Chemismus atmosféry 32/0 Zk
NMET038Speciální meteorologický seminář I 40/3 Z
NMET039Speciální meteorologický seminář II 40/3 Z
NSZZ024Diplomová práce II 90/6 Z
NSZZ025Diplomová práce III 150/10 Z
NMET073Distanční pozorování a detekční metody v meteorologii II 52/1 Z+Zk
NMET015Letecká meteorologie 32/0 Zk
NMAF045Speciální seminář realizace numerických modelů I 30/2 Z
NMAF046Speciální seminář realizace numerických modelů II 30/2 Z
NMET001Elektrické jevy v atmosféře 32/0 Zk
NMET005Šíření exhalací v atmosféře 32/0 Zk
NMET031Atmosférické procesy mezosynoptického měřítka 43/0 Zk
NMET054Matematické modelování oblačných a srážkových procesů v atmosféře 32/0 Zk
NMAF036Numerické řešení problémů proudění 52/1 Z+Zk
NMET059Techniky modelování pro numerickou předpověď počasí 30/2 Z
NMET072Užitá klimatologie II 32/0 Zk
NMET061Projektový seminář I 60/4 Z
NMET062Projektový seminář II 60/4 Z
NMET517Vybrané partie geofyzikální hydrodynamiky 32/0 Zk

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 14 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

Horizontální a vertikální rozdělení meteorologických prvků, denní a roční chody. Termodynamika suchého, vlhkého a nasyceného vzduchu - vlhkostní charakteristiky, stavové rovnice, vratné adiabatické děje, pseudoadiabatický děj, fázové přeměny vody. Atmosféra v hydrostatické rovnováze - homogenní, adiabatická, izotermální 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, transforamace, 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. Předpověd 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.

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, tok tepla do litosféry a hydrosféry). Denní a roční chody jednotlivých složek radiační a tepelné bilance. Vliv aktivního povrchu na radiační a tepelnou bilanci. Základní parametrizace členů radiační a tepelné bilance. Vodní bilance atmosféry, kontinentů, oceánů. Cirkulace atmosféry. Všeobecná cirkulace troposféry a stratosféry, pasátová a monzunová cirkulace, intertropická zóna konvergence, místní cirkulační systémy. Cirkulace v oceánech, interakce atmosféra - oceán. Přirozené a antropogenní změny klimatu, příčiny klimatických změn, citlivost klimatického systému na vnější a vnitřní vlivy, zpětné vazby, globální klimatické modely. Metody statistické analýzy klimatických prvků a polí.

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.

Mikrostruktura a dynamika oblaků, morfologická klasifikace oblaků. Úloha kondenzačních a krystalizačních jader, koalescence, vývoj srážek ve vrstvnatých a konvektivních oblacích. Lom, odraz a rozptyl elektromagnetických vln v atmosféře, šíření zvuku v atmosféře, oblačná elektřina, elektrické výboje v atmosféře, vysvětlení základních úkazů atmosférické optiky, akustiky a elektřiny, teorie meteorologické dohlednosti, radiolokační rovnice, radarové a družicové metody meteorologických pozorování.

B. Užší zaměření

Posluchač si volí dva z okruhů otázek 1-3.

1. okruh
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 semi-Lagrangeovou 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 předpověd meteorologických polí, prediktabilita atmosférických procesů, teoretické a praktické meze prediktability.

2. okruh
Struktura energetických a radiačně konvekčních modelů, parametrizace mezišířkových přenosů energie, radiačních procesů, zpětné vazby. Trojrozměrné cirkulační klimatické modely. Struktura modelů se směšovací vrstvou v oceánu, interpretace modelových výstupů. Struktura modelů atmosféra-oceán, parametrizace základních fyzikálních procesů, interpretace výstupů (kontrolní klima, experiment s růstem koncentrací skleníkových plynů a aerosolů v atmosféře). Statistické metody objektivní klasifikace cirkulace atmosféry.

3. okruh
Antropogenní příměsi a jejich zdroje, emise, exhalace, imise, difúze příměsí vatmosféře, hlavní typy modelů pro transport znečištujících příměsí v atmosféře a jejich aplikace, vstupní parametry, prostorová měřítka transportu znečištujících příměsí, značkovací látky, suchá a mokrá depozice, chemické reakce znečištujících příměsí, základy atmosférické chemie, znečištění srážkové a oblačné vody, přízemní a stratosférický ozon, prekurzory ozonu, typizace meteorologických podmínek pro účely ochrany čistoty ovzduší, monitorování znečištění vzduchu, ekologické problémy související se znečištěním atmosféry.