Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.geogr.msu.ru/cafedra/meteo/uchd/programs/Bakalavr-base-Distan-metody.doc Дата изменения: Sat Apr 26 11:38:13 2014 Дата индексирования: Sun Apr 10 05:06:11 2016 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: закон вина

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
Географический факультет




«Утверждено»

______________________

ФИО

_______________________

Подпись



ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ






Наименование дисциплины «Дистанционные методы измерений в
гидрометеорологии»

по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология» уровня высшего
профессионального образования бакалавриат с присвоением степени «бакалавр»
1. Цели и задачи освоения дисциплины
Основными целями освоения дисциплины «Дистанционные методы в
гидрометеорологии» являются:
. формирование представления о задачах, возможностях и проблемах
современных дистанционных методов измерений в гидрометеорологии, об их
точности и надёжности;
. получение знаний о физических основах основных методов дистанционных
наблюдений в метеорологии, океанологии и гидрологии суши;
. формирование представления об алгоритмах обработки данных
дистанционных измерений;
. получение навыков простейшей обработки данных дистанционных наблюдений
с помощью различных программных средств;
Для достижения данной цели необходима реализация следующих задач:
. ознакомление с основными понятиями и законами теории излучения и
теории переноса электромагнитных волн в атмосфере и океане;
. ознакомление с основными особенностями измерений радиационных потоков
в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах;
. ознакомление с особенностями активных и пассивных радиолокационных
измерений в микроволновом диапазоне, анализ уравнения радиолокации;
. изучение методов акустического зондирования атмосферы и океана;
. ознакомление с алгоритмами обработки данных дистанционных наблюдений и
восстановления гидрометеорологических характеристик по данным
дистанционных измерений

2. Место дисциплины в структуре ООП
Данная дисциплина входит в модуль «Методы получения и анализа
гидрометеорологической информации» общепрофессионального цикла базовой
части ООП по направлению «Гидрометеорология». Изучение курса базируется на
предварительном усвоении студентами материала следующих дисциплин: высшей
математики с основами математического анализа, общей физики, общей химии,
общего землеведения, картографии, аэрокосмических методов, метеорологии и
климатологии, физической метеорологии, гидрологии. На основе знаний,
полученных в рамках данной дисциплины, базируются следующие дисциплины,
входящие в ООП «Гидрометеорология»: спутниковая метеорология, синоптическая
метеорология, мезометеорология, климатология, теория климата.
Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь дисциплины
«Дистанционные методы в гидрометеорологии» с другими частями ООП
определяется следующей совокупностью компетенций, необходимых для освоения
данной дисциплины:
Студент должен:
знать: общие эколого-географические дисциплины, основы гидрометеорологии
(общие представления об атмосфере, океане и водах суши), общую физику,
высшую математику с основами математического анализа, основы геодезии и
картографии, аэрокосмические методы исследований;
уметь: использовать основные аэрокосмические методы исследования с целью
дешифрирования космических снимков, полученных с ресурсных спутников,
выполнять эколого-географическое описание регионов, решать простейшие
задачи математического анализа;
владеть: навыками программирования на любом из основных языков (FORTRAN,
С++, PYTHON); навыками работы в одном из основных программных пакетов,
позволяющих выполнять обработку рядов данных (EXCEL, STATISTICA, MATLAB);
первичными навыками дешифрирования космических снимков.

3.Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
готовность использовать современные методы обработки и интерпретации
гидрометеорологической информации в профессиональной деятельности (ПК-5)
В результате освоения дисциплины, студент должен:
знать: теоретические основы и методические принципы получения информации о
значениях гидрометеорологических величин дистанционными методами измерений
с искусственных спутников Земли, с самолетов-лабораторий, наземных
радиолокационных станций, лазерных и других оптических установок;
посредством акустического зондирования атмосферы, океана и гидросферы;
возможности дистанционных методов обнаружения загрязняющих веществ на
морских акваториях и водных объектах суши, а также в атмосфере (в случае
лесных пожаров, извержений вулканов, промышленных выбросов и аварий);
уметь: определять методами дистанционных измерений физические и
морфологические характеристики водных объектов (скорость и направление
течения, содержание взвешенных веществ их характер, температуру и
соленость воды, фронтальные зоны, характер фитопланктона в пресных и
соленых водоёмах, диагностировать пространственные особенности паводков и
половодий, ледовую обстановку); определять методами дистанционных измерений
физические характеристики атмосферы (температуру и влажность, водность,
геометрию и морфологию облачного покрова, скорость ветра);
владеть навыками получения данных дистанционного зондирования, методами их
статистической обработки (в том числе, автоматизированной) с применением
современных программных средств (GRADS, FORTRAN, IDL, FERET и др.);
методами их анализа и навыками использования результатов данного анализа в
научных, прикладных и производственных целях.

4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72
академических часов, дисциплина преподается в 5 семестре 2 часа в неделю.
Аудиторная нагрузка составляет 36 часов, из них лекционных - 18 часов,
семинарских - 18 часов. Самостоятельная работа студентов составляет 36
часов. Форма отчётности - зачёт

Распределение часов по разделам дисциплины и видам учебной работы

| | |С|Все|Виды учебной |Форма |
| |Раздел, тема |е|го |работы, включая|промежуточной |
|? | |м| |самостоятельную|аттестации |
|п/п | |е| |работу | |
| | |с| |студентов и | |
| | |т| |трудоемкость (в| |
| | |р| |часах) | |


| | | |Лекции |Семинары |Самостоятельная работа. | | |1. |Введение |5 |
|1 | |2 |Тестирование | |2. |Излучение, поглощение и рассеяние
электромагнитных волн в мутной среде |5 | |2 |2 |4 |Зачет по семинару | |3.
|Дистанционные измерения в видимом и в ультрафиолетовом диапазонах. |5 | |2
|2 |4 |Зачет по семинару | |4. |Измерения в микроволновом диапазоне
средствами пассивной локации. |5 | |2 |2 |4 |Зачет по семинару | |5.
|Измерения в микроволновом диапазоне средствами активной локации |5 | |2 |2
|4 |Зачет по семинару | |6. |Доплеровские системы наблюдений |5 | |2 |2 |4
|Зачет по семинару | |7. |Поляризационные измерения |5 | |2 |2 |4 |Зачет по
семинару | |8. |Определение скорости ветра по смещению в атмосфере
оптических неоднородностей |5 | |2 |2 |4 |Зачет по семинару | |9.
|Акустические методы зондирования в океане и атмосфере. |5 | |2 |2 |4
|Зачет по семинару | |10. |Дистанционные методы измерений и современные
проблемы мониторинга |5 | |1 |2 |2 |Зачет по семинару | | |ИТОГО: | |72 |18
|18 |36 |Зачёт | |
4.2. Содержание дисциплины.
Введение.
Принципы деления методов измерений на контактные, телеметрические и
дистанционные. Дистанционные методы пассивной и активной локации.
Гидрометеорологические величины, измеряемые дистанционно. Типы
используемых для измерений искусственных спутников Земли, требования,
предъявляемые к их орбитам для решения конкретных задач. Частоты
электромагнитного излучения. Роль дистанционных наблюдений в современной
гидрометеорологии, их место в Глобальной системе наблюдений. Точность
дистанционных наблюдений

Раздел 1. Излучение, поглощение и рассеяние электромагнитных волн в мутной
среде
Законы излучения Планка, Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Понятия об
излучательной и поглощательной способности различных тел и сред,
радиояркостной и радиационной температуре. Смысл абсолютно чёрного
тела. Серые и селективные поверхности и среды. Локализация и свойства линий
и полос поглощения в газах, их изменчивость. Основные газы, поглощающие
и излучающие электромагнитные волны, проблемы учёта влияния на измерения
«промежуточного слоя атмосферы».

Раздел 2. Дистанционные измерения в видимом и в ультрафиолетовом
диапазонах.
Солнечная радиация как средство пассивной локации. Оптико-фотографические и
телевизионные исследования облачности, пылевых скоплений, лесных пожаров,
наводнений, промышленных выбросов в атмосферу и в водоемы, водной
растительности, взвесей, донных отложений.


Раздел 3. Дистанционные измерения в инфракрасном участке спектра.
Уходящая от Земли радиация. Измерение температуры верхней границы облаков,
поверхности суши, океана и поверхности водных объектов суши, содержания в
воздухе водяного пара, концентрации парниковых газов.

Раздел 4. Измерения в микроволновом диапазоне средствами пассивной локации.
Микроволновой диапазон измерений. Определение солености морской воды,
влагосодержания почвы, водности облаков. Индикация плавучего льда,
образования пены, и морского волнения. Определение скорости приводного
ветра на основе данных о морском волнении.

Раздел 5. Измерения в микроволновом диапазоне средствами активной локации.
Активная локация. Радиолокаторы на спутниках и самолетах. Всепогодные
измерения степени морского волнения, идентификация морских льдов, индикация
изменений ледниковых покровов в горах, в Гренландии и Антарктиде.

Раздел 6. Доплеровские системы наблюдений.
Эффект Доплера. Доплеровские радиолокаторы и лидары. Измерение с помощью
доплеровских локаторов высоты облаков и интенсивности осадков, сравнение с
наземными наблюдениями. Восстановление на основе лидарных данных профилей
температуры и влажности воздуха, и их сравнение с данными
радиозондирования. Восстановление профилей аэрозолей и загрязняющих
веществ.

Раздел 7. Поляризационные измерения.
Поляризация. Отраженное поляризованное излучение. Получение информации о
микрофизической структуре облаков, фазе продуктов конденсации, их форме и
характеристиках аэрозольных частиц.

Раздел 8. Определение скорости ветра по смещению в атмосфере оптических
неоднородностей.
Использование системы геостационарных спутников для определения скорости
ветра по смещению облаков, неоднородностей в полях влажности и т.п.
Сравнение полученных величин с результатами радиозондирования и с другими
данными метеорологических измерений.

Раздел 9. Акустические методы зондирования океана и атмосферы.
Акустическая томография океана, анализ получаемых данных. Акустическое
зондирование атмосферы. Использование акустического зондирования для
изучения пограничного слоя атмосферы, построения вертикальных профилей
температуры, влагосодержания и компонент скорости ветра и их сравнение с
результатами радиозондирования.

Раздел 10. Дистанционные методы измерений и современные проблемы
мониторинга.
Роль дистанционных методов при мониторинге опасных явлений (лесные и
степные пожары, наводнения и др.). Экологический мониторинг. Использование
космической информации для мониторинга дрейфа айсбергов, динамики морских
льдов, описания покровного оледенения. Актуальные проблемы дистанционного
зондирования, пути их решения. Использование результатов дистанционных
данных в задаче гидродинамического прогноза погоды. Усвоение данных
дистанционных измерений в современной системе глобального анализа
гидрометеорологических данных.

4.3. Аннотация
Основной целью дисциплины «Дистанционные методы измерений в
гидрометеорологии» является формирование четкого представления об основных
методах дистанционных наблюдений в метеорологии, океанологии и гидрологии;
о их точности и об алгоритмах обработки; получение навыков простейшей
обработки данных дистанционных наблюдений с помощью различных программных
средств. Курс состоит из вводной части (Введение) и 10 разделов
(«излучение, поглощение и рассеяние электромагнитных волн в непрозрачной
среде», «дистанционные измерения в видимом и в ультрафиолетовом
диапазонах», «дистанционные измерения в инфракрасном участке спектра»,
«измерения в микроволновом диапазоне средствами пассивной локации»,
«измерения в микроволновом диапазоне средствами активной локации»,
«доплеровские системы наблюдений», «поляризационные измерения»,
«определение скорости ветра по смещению в атмосфере оптических
неоднородностей», «акустические методы зондирования океана и атмосферы»,
«дистанционные методы измерений и современные проблемы»). Изучение курса
базируется на предварительном усвоении студентами материала следующих
дисциплин: высшей математики с основами математического анализа, общей
физики, общей химии, общего землеведения, картографии, аэрокосмических
методов, метеорологии и климатологии, физической метеорологии, гидрологии.
На основе знаний, полученных в рамках данной дисциплины, базируются
следующие дисциплины, входящие в ООП «Гидрометеорология»: спутниковая
метеорология, синоптическая метеорология, мезометеорология, климатология,
теория климата. Дисциплина преподаётся в 5 семестре, ее общая трудоёмкость
составляет 72 часа (2 зачётные единицы).
5. Рекомендуемые образовательные технологии
В процессе преподавания дисциплины «Дистанционные методы измерений в
гидрометеорологии» применяется лекционно-семинарско-зачётная система
обучения. В рамках лекционной составляющей данной дисциплины применяются
такие виды лекций, как вводная, обзорная и проблемная. В рамках
семинарских занятий каждый обучающийся делает доклад по определенной теме,
остальные обучающиеся и преподаватель в обязательном порядке задают вопросы
докладчику, обсуждают его доклад. Также по каждому из десяти разделов
курса обучающиеся выполняют по одной практической работе по чтению и
обработке данных дистанционных наблюдений в электронном виде, визуальной
оценке изображений облачности, морской поверхности, водных объектов суши,
речных долин и состояния деятельной поверхности по спутниковым снимкам.
Итоговый зачет суммируется из результатам посещаемости лекций и семинаров,
из оценки качества сделанных докладов и активности обучающихся на
семинарских занятиях, а также из результатов практических работ,
промежуточных контрольных работ и коллоквиумов.

6.Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
Рекомендуется проводить промежуточную аттестацию по результатам семинарских
занятий и итогам самостоятельной работы. Самостоятельная работа студентов
направлена на подготовку докладов, а также на выполнение практических
заданий. По каждому из десяти разделов преподаватель оценивает результаты
работы студентов по зачётной системе («зачёт», «незачёт»). Итоговый зачёт
проставляется только в том случае, если обучающийся получил «зачёт» по всем
10 разделам.

Примерные темы докладов к семинару.
. Прогноз по спутниковым телевизионным снимкам перемещения и эволюции
тропических циклонов и полярных мезоциклонов.
. Нефанализ в тропической и умеренной зонах Земного шара и его
использование в задачах синоптической метеорологии.
. Изучение пограничного слоя атмосферы с помощью акустического
зондирования.
. Аэрозольно-оптическая толщина атмосферы по результатам лазерного
зондирования.
. Методы дистанционного обнаружения линей, гроз, града и шквалов.
. Точность восстановления характеристик облачности (балла, водности,
морфологической структуры) по спутниковым данным.
. Восстановление компонентов радиационного баланса Земли по спутниковыми
данным и сравнение с наземными наблюдениями.
. Изучение озонового слоя Земли с помощью дистанционных методов
измерения.
. Проблемы восстановления поля осадков по спутниковым данным.
. Восстановление вертикальных профилей ветра дистанционными методами.
. Анализ скорости приводного ветра и морского волнения на основе
спутниковых данных.
. Восстановление температуры поверхности океана по спутниковым данным и
сравнение с результатами контактных наблюдений
. Концентрация и пространственное распределение фитопланктона в Мировом
океане по спутниковым данным.
. Исследование морских течений на основе спутниковых данных.
. Изучение структуры морских льдов и их динамики на основе дистанционных
измерений
. Изучение синоптической изменчивости различных частей Мирового океана
на основе спутниковых данных.
. Применение дистанционных методов для оценки экологического состояния
морей и гидрологических объектов суши
. Проблемы изучения формирования речных пойм и динамики речных долин по
данным аэрокосмических съемок и спутниковых снимков.
. Измерение влажности почвы дистанционными методами.
. Изучение снежного покрова по спутниковым данным и прогноз слоя стока
половодья.
. Мониторинг половодий по спутниковым данным.
. Применение дистанционных методов для изучения колебаний уровня воды в
водохранилищах.
. Анализ катастрофических паводков и наводнения по спутниковым данным.
. Картографирование динамики речных дельт на основе космических снимков.

. Мониторинг горных ледников по спутниковым данным
. Использование спутниковых данных для задач мониторинга селеопасных
районов.
. Мониторинг покровного оледенения Гренландии и Антарктиды по
спутниковым данным.

Перечень контрольных вопросов и заданий.
. Чем принципиально отличаются контактные, телеметрические и
дистанционные методы?
. Перечислить носители, которые являются платформами для установки
аппаратуры, предназначенной для дистанционных измерений в
гидрометеорологии.
. Каковы требования к аппаратуре, предназначенной для пассивной локации
в видимом диапазоне атмосферы, наземных и ресурсных объектов?
. В каком участке спектра находятся «окна прозрачности»?
. Что называется «радиояркостной температурой»? Привести формулы.
. В каких пределах меняется излучательная способность суши и морской
поверхности в микроволновом диапазоне, от чего она зависит?
. Перечислите основные алгоритмы восстановления осадков по пассивным
микроволновым измерениям, поясните их основу и укажите на недостатки.
. Найдите на предлагаемых телевизионных снимках из Космоса облачные
образования, отражающие основные виды циркуляции атмосферы на уровне
верхней границы облаков.
. Что представляют собой радиолокационные системы бокового обзора?
Перечислите их достоинства и недостатки.
. От чего зависит распространение электромагнитных волн в атмосфере
содержащей продукты конденсации? Как найти необходимый для измерений
на земной поверхности частотный диапазон?
. Напишите и поясните уравнение радиолокации.
. Какие характеристики атмосферных взвесей определяются поляризационными
измерениями?
. В чём сущность акустического зондирования атмосферы?
. Изложить суть метода лазерного зондирования атмосферы.
. Изложить суть метода акустического зондирования океана
. На предлагаемых космических снимках найти мощные очаги кучево-дождевой
облачности.
. Используя космические снимки, найти и описать фронтальную облачность
. Прочитать и визуализировать любые глобальные спутниковые данные,
записанные в электронном виде в формате NetCDF
. Прочитать и визуализировать любые глобальные спутниковые данные,
записанные в электронном виде в формате GRIB или GRIB2
. На основе спутниковых данных о влагозапасе снежного покрова посчитать
слоя стока половодья в пределах конкретного речного бассейна
. Проанализировав предлагаемый космический снимок или аэрофотоснимок,
оценить основные параметры речной долины
. Дана суточная сумма осадков, полученная по спутниковым данным, и
осадки, полученные по станционным измерениям. Данные записаны в
электронном виде. Используя любой программный пакет (MATLAB, SERFER,
GRADS) оценить точность спутниковых данных (отклонения от станционных
значений по тестовой области и в точках станций, ошибку
пространственной дисперсии).
. Дана температура поверхности океана, полученная по спутниковым данным,
и по измерениям на сети ARGO. Данные записаны в электронном виде.
Используя любой программный пакет (MATLAB, SERFER, GRADS) оценить
точность спутниковых данных (отклонения от станционных значений по
тестовой области и в точках станций, ошибку пространственной
дисперсии).
. Используя любую ГИС-технологию, оценить площадь, занятую морскими
льдами на предлагаемом снимке.

7.Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
Литература
а) основная.
Вельтищев Н.Ф., Семенченко Б.А. Дистанционные методы измерений в
гидрометеорологии. М.изд. МГУ, 2005г. 129с.

б) дополнительная.
Герман М.А. «Спутниковая метеорология» Л. ГИМИЗ, 1975 г., 367 с.
Довиак Р., Зорнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические
наблюдения. Л., Гидрометеоиздат, 1988.
Калинин Г.П., Курилова Ю.В., Колосов П.А. «Космические методы в
гидрологии». Л. ГИМИЗ, 1977г. 184 с.
Кондратьев К.Я. «Спутниковая климатология» Л.ГИМИЗ,1973г. 261с.
Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В. «Оптические свойства природных вод и
дистанционное зондирование фитопланктона.» Л.Наука,1988, 178с.
Лаврова О. Ю., Костяной А. Г., Лебедев С. А. и др. Комплексный спутниковый
мониторинг морей России /- М.: ИКИ РАН, 2011.- 480 с.
Лаппо С.С., Арманд Н.А., Волков А.М. и др. «О концепции развития
космической океанологии в России на 1996- 2015 гг» «Исследование Земли из
Космоса» ? 2, 1997г. с. 70 -80.
Павлов Н.Ф. Аэрология, радиометеорология и техника безопасности. Л.,
Гидрометеоиздат, 1980.
Радиолокационная метеорология и активные воздействия. Санкт-Петербург,
2012.
Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе
погоды. Л., Гидрометеоиздат, 1982.
Тимофеев Ю.М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и
поверхности. Санкт-Петербург, 2010.


Информационное обеспечение
Фотокопии телевизионных снимков с орбитальных ИСЗ, атлас снимков с
геостационарного спутника в период АТЭП.
Ресурсы системы ГИС-метео: оперативные карты, снимки из Космоса, нефанализ.
Итернет-ресурсы:
http://www.aviso.oceanobs.com/en/data/products.html (содержатся данные об
аномалии уровня морской поверхности, абсолютной динамической топографии,
волнения ветра, течения. http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/ (содержатся
океанографические данные)
http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/giovanni/overview/index.html (большой портал
гидрометеорологических данных)
http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/services/NetCDF (большой портал
гидрометеорологических данных)
http://lance-modis.eosdis.nasa.gov/cgi-bin/imagery/realtime.cgi
(гидрометеорологические данные в видео диапазоне)
http://sst.jpl.nasa.gov/SST/ (данные о температуре поверхности океана)
Статьи по анализу гидрологических явлений:
http://istina.imec.msu.ru/accounts/profile/Kravtsova/
http://istina.imec.msu.ru/accounts/profile/labutinaia/
http://istina.imec.msu.ru/accounts/profile/olgatut/
http://scanex.ru/ (информация об исследованиях динамичных процессов в
гидрологии - русловые процессы, русловые деформации, устьевые процессы,
изменение морского края дельты, динамики гидрографической сети; cтатьи,
посвященные анализу затопления пойм при паводках, половодьях и
катастрофических наводнениях; мониторинг ледовых явлений на реках;
мониторинг ледников)
http://d33.infospace.ru/d33_conf/sb2012t1/258-268.pdf/ (снег, запасы воды
в снеге, температура снега)

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Учебная аудитория на 30 мест с мультимедийным проектором для проведения
лекционных занятий; компьютерный класс с доступом в Интернет.


Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта МГУ по направлению подготовки 021600 «Гидрометеорология».

Программа одобрена на заседании кафедры метеорологии и климатологии
Протокол ?___ от ______20__г.
Заведующий кафедрой профессор Кислов А.В. ____________________________

подпись

Разработчики:
Вельтищев Н.Ф., профессор географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова
Торопов П.А., доцент географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова
Семенченко Б.А., доцент географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова


Эксперты:
Вильфанд Р.М., директор ФГБУ Гидрометеоцентр РФ
Угрюмов А.И., профессор ГОУ ВПО Российский государственный
гидрометеорологический
Университет.