Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.geogr.msu.ru/cafedra/meteo/uchd/programs/Bakalavr-variat-physic-meteo.doc Дата изменения: Sat Apr 26 11:38:13 2014 Дата индексирования: Sun Apr 10 05:07:57 2016 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: воздушные массы

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
Географический факультет


«Утверждено»

Академик РАН Н.С.Касимов
«_____»_________ 20__г.





ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ






Наименование дисциплины «Физическая метеорология»

по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология»
уровня высшего профессионального образования бакалавриат с присвоением
степени «бакалавр»
1. Цели и задачи освоения дисциплины

Основной целью освоения дисциплины «Физическая метеорология» является
изучение физических свойств атмосферного воздуха, процессов излучения и
радиационного переноса в атмосфере, термодинамики атмосферы и её водного
режима, основ динамики атмосферы.
Для достижения данной цели необходима реализация следующих задач:
- сформировать чёткие представления о целях, задачах, возможностях и
проблемах современной метеорологии, о метеорологических величинах,
методах и точности их измерений;
- дать фундаментальные знания о составе и строении земной атмосферы и
протекающих в ней физических процессах;
- дать фундаментальные знания о законах излучения и основах
радиационного переноса в атмосфере;
- дать фундаментальные знания об основах атмосферной оптики;
- сформировать представления о климатической роли атмосферной радиации;
о радиационном бюджете системы «Земля-атмосфера»;
- дать фундаментальные знания о термодинамических процессах, протекающих
в атмосфере, об обмене теплом, влагой и количеством движения между
атмосферой и земной поверхностью в разных физико-географических
условиях и при различном состоянии атмосферы;
- дать фундаментальные знания о водном режиме атмосферы (о глобальном
влагообороте, водном балансе атмосферы, о процессах испарения,
конденсации, формирования облаков и осадков)
- дать знания об основах динамики атмосферы;
- дать общие знания об атмосферной акустике; сформировать представления
о распространении звуковых волн в атмосфере (атмосферная акустика).
- обучить студентов основам метеорологических и радиационных измерений и
их интерпретации;
- обучить простейшим методам расчета и оценки термодинамических
характеристик, компонентов теплового баланса;
- обучить простейшим методам расчета скоростей ветра на различных
высотах и потоков импульса в приземном слое атмосферы;
- обучить методам теоретических и полуэмпирических расчётов и оценок
метеорологических и актинометрических величин;
- привить навыки умения выбора методов анализа метеорологической и
климатической информации, с целью её использования для решения
прикладных и теоретических задач.


2. Место дисциплины в структуре ООП

Данная дисциплина входит в модуль «Физическая метеорология и химия
атмосферы» вариативной части профессионального цикла 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,
метеорологии и климатологии, гидрологии. На основе знаний, полученных в
рамках данной дисциплины, базируются все следующие дисциплины, входящие в
ООП «Гидрометеорология», в том числе: динамическая метеорология,
климатология, микроклиматология, синоптическая метеорология и др.
Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь дисциплины
«Физическая метеорология» с другими частями ООП определяется следующей
совокупностью компетенций, необходимых для освоения данной дисциплины:
Студент должен:
Знать: общие эколого-географические дисциплины, (в том числе метеорологию с
основами климатологии), общую физику, общую химию, основы математического
анализа;
Уметь: выполнять основные метеорологические и актинометрические наблюдения,
решать простейшие задачи общей физики и математического анализа;
Владеть: методами первичной обработки данных метеорологических наблюдений,
основами математического анализа и общей физики.


3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
специализированных компетенций: владение знаниями о физических и химических
процессах, протекающих в атмосфере, о взаимодействии атмосферы с земной
(морской) поверхностью при решении научных и практических задач
метеорологии.
Студент должен:
знать: предмет, объект, цели, задачи и методы современной метеорологии;
физические свойства атмосферы, ее состав и строение; основы термодинамики
атмосферы, тепловой и водный режим атмосферы; законы теплооборота и
влагооборота, структуру и основные закономерности теплового баланса
подстилающей поверхности, деятельного слоя суши и океана; основы динамики
атмосферы и её общей циркуляции; основы радиационного переноса в атмосфере,
основы атмосферной оптики; основные физические закономерности атмосферной
акустики;
уметь: выполнять полный комплекс стандартных метеорологических и
радиационных наблюдений, их обработку, анализ и интерпретацию (в том числе
с использованием современных языков программирования и программных
средств), выполнять расчеты и оценки компонентов радиационного, теплового и
водного баланса, простейших радиационных характеристик атмосферы,
характеристик атмосферного движения, термодинамических характеристик;
владеть: основными методами измерения и обработки метеорологических и
радиационных данных (в том числе с использованием современных языков
программирования и программных средств), методами микроклиматических
наблюдений; методами расчёта компонентов радиационного баланса, а также
теплового баланса атмосферы и деятельного слоя суши и океана, методами
расчёта характеристик простейших атмосферных движений в различных слоях
атмосферы; знаниями о формировании и генезисе атмосферных процессов и
понимать роль различных факторов определяющих их особенности.


4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 252 часа (7 зачётных единиц.).
Общая аудиторная нагрузка составляет 150 часов, из них лекционных - 75
часов (36 часов в 3 семестре, 39 часов в 4 семестре), семинарских - 75
часов (36 часов в 3 семестре, 39 часов в 4 семестре); самостоятельная
работа в рамках дисциплины составляет 102 часа (36 часов в 3 семестре, 66
часов в 4 семестре). Форма отчётности: после 3 семестра - экзамен, после 4
семестра - экзамен.




| | |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 |3 |6
|2 |2 |2 |Тестирование | |2. |Состав и строение атмосферы |3 |24 |8 |8 |8
|Контрольная работа | |3. |Термодинамика атмосферы |3 |42 |14 |14 |14
|Контрольная работа и коллоквиум | |4. |Водный режим атмосферы |3 |36 |12
|12 |12 |Контрольная работа и коллоквиум | |5. |Основы динамики атмосферы
|4 |36 |10 |10 |16 |Контрольная работа и коллоквиум | |6. |Атмосферная
радиация и основы радиационного переноса |4 |36 |10 |10 |16 |Зачет по
семинару | |7. |Основы атмосферной оптики
|4 |26 |6 |6 |14 |Зачет по семинару | |8. |Радиационный бюджет системы
Земля-атмосфера |4 |34 |10 |10 |14 |Зачет по семинару | |9. |Основы
атмосферной акустики |4 |12 |3 |3 |6 |Зачет по семинару | | |ИТОГО: | |252
|75 |75 |102 |Экзамен, экзамен | |

4.2. Содержание дисциплины
Введение.
Предмет и методы физической метеорологии, её связь с другими науками
геофизического цикла. История метеорологии. Структура современной
метеорологии, ее роль и место в Мировой экономике, в решении актуальных
глобальных и региональных проблем. Международная кооперация в изучении
атмосферы, океана и климата. Метеорологические наблюдения. Всемирная служба
погоды, региональные гидрометеорологические службы.

Раздел 1. Состав и строение атмосферы.
Метеорологические величины, размерности, точность измерений. Газовый состав
воздуха в нижних слоях атмосферы и на большой высоте. Атмосферные аэрозоли.
Молекулярно-кинетическая теория применительно к атмосферным газам.
Уравнение состояния сухого и влажного воздуха. Барометрическая формула
Больцмана. Вертикальное строение атмосферы. Основные физические свойства
верхней атмосферы. Распределение Максвелла и диссипация газов в верхней
атмосфере. Основное уравнение статики атмосферы. Барометрические формулы.
Барическая ступень. Абсолютный и относительный геопотенциал. Карты
барической топографии. Механизм изменения атмосферного давления в точке.
Горизонтальная неоднородность атмосферы. Понятие о воздушных массах,
барических системах, атмосферных фронтах.

Раздел 2. Тепловой режим атмосферы и земной поверхности.
Первое и второе начало термодинамики, уравнение притока тепла в общем виде.
Политропические и адиабатические процессы в сухом воздухе.
Сухоадиабатический градиент. Потенциальная температура, энтальпия и
энтропия. Термодинамика влажного воздуха, влажноадиабатический градиент.
Условия и критерии термодинамической устойчивости воздушных масс. Методы
частицы, метод слоя, фактор вовлечения. Уровень конденсации и уровень
конвекции. Частота Брента-Вяйселя. Уравнение притока тепла в атмосфере.
Притоки тепла: адвективный, конвективный, радиационный, явный и скрытый.
Закономерности переноса тепла в приземном слое атмосферы, в планетарном
пограничном слое и в свободной атмосфере. Тепловой баланс земной
поверхности и деятельного слоя. Поток тепла в почву, законы Фурье.
Турбулентный тепло- и влагообмен подстилающей поверхности и атмосферы.
Затраты тепла на таянье снега и льда.

Раздел 3. Водный режим атмосферы.
Условия фазовых переходов воды в атмосфере. Термодинамический потенциал
Гиббса. Законы испарения, теория Шулейкнина. Уравнение диффузии водяного
пара, распределение водяного пара по вертикали в приземном слое и в
тропосфере. Конденсация. Туманы и облака. Международная классификация
облаков. Микроструктура облаков, их водность, водозапас. Процесс укрупнения
облачных элементов и образования осадков. Осадки, их классификация.
Вымывание осадками загрязняющих веществ из атмосферы. Химический состав
осадков.

Раздел 4. Основы динамики атмосферы.
Силы, действующие в атмосфере. Закон сохранения момента количества движения
применительно к атмосфере (второй закон Ньютона). Уравнения движения
турбулентной атмосферы. Траектории и линии тока. Закон сохранения массы
применительно к атмосфере, уравнение неразрывности. Вертикальные движения.
Движения в свободной атмосфере: геострофический и термический ветер.
Движение воздуха при круговых изобарах в свободной атмосфере. Ветер в
планетарном пограничном слое, влияние силы трения. Спираль Экмана. Движение
воздуха при круговых изобарах в планетарном пограничном слое. Ветер в
приземном слое. Основы теории приземного слоя. Масштабы атмосферных
движений. Основные черты общей циркуляции атмосферы. Общие сведения о
циркуляции в тропиках: пассаты, муссоны, тропические циклоны. Общие
сведения о циркуляции в умеренных широтах: западный перенос, планетарная
фронтальная зона. Атмосферные фронты. Циклоны и антициклоны. Мезомасштабная
циркуляция атмосферы - конвективные явления, фёны, катабатические ветры,
бризы, горно-долинная циркуляция. Некоторые сведения о циркуляции воздуха в
стратосфере и о процессах в верхней атмосфере.

Раздел 5. Атмосферная радиация и основы радиационного переноса.
Солнце как источник энергии на Земле. Солнечная постоянная, солнечная
активность. Основные законы излучения. Основные радиометрические величины и
единицы измерения. Закон Бугера-Ламберта. Понятие ослабления и эмиссии.
Уравнение Шварцшильда. Уравнение радиационного переноса для плоско-
параллельной атмосферы. Характеристики взаимодействия излучения со средой
(индикатриса рассеяния, объемный показатель ослабления и др.). Оптические и
радиационные характеристики газово-аэрозольного состава атмосферы.

Раздел 6. Основы атмосферной оптики.
Приближение геометрической оптики атмосферные явления: уравнение рефракции,
виды рефракции. Особые явления в атмосфере: сумерки, радуга, гало. Свет
как электромагнитное излучение. Вывод уравнений Максвелла. Волновые
явления: интерференция, дифракция. Основы рассеяния излучения. Релеевское
рассеяние. Основы теории Ми. Оптические свойства подстилающей поверхности.
Молекулярное поглощение в атмосфере Земли. Спектры поглощения атмосферных
газов. Контур спектральной линии. Банки данных спектроскопических
параметров. Основные фотометрические величины. Естественная освещенность
земной поверхности. Световой эквивалент. Теория видимости в атмосфере.

Раздел 7. Радиационный бюджет системы Земля-атмосфера.
Радиационный бюджет системы «Земля-атмосфера». Радиационное воздействие
(радиационный форсинг) различных атмосферных параметров. Составляющие
радиационного баланса у поверхности Земли и факторы их определяющие.
Характеристики прозрачности атмосферы. Эффект Форбса. Методы измерений
составляющих радиационного баланса у поверхности земли и на верхней границе
атмосферы.

Раздел 8. Основы атмосферной акустики. Основы теории распространения звука.
Объективные и субъективные характеристики звука. Зависимость скорости
распространения звука от метеорологических факторов. Санитарно-
гигиенические аспекты шумовых загрязнений атмосферы.

4.3. Аннотация дисциплины
Основной целью дисциплины «Физическая метеорология» является изучение
физических основ общей метеорологии, а именно - физических свойств
атмосферного воздуха, процессов излучения и радиационного переноса в
атмосфере, термодинамики атмосферы и её водного режима, основ динамики
атмосферы. Дисциплина «Физическая метеорология» включает в себя вводную
часть (введение) и 8 разделов («состав и строение атмосферы», «тепловой
режим атмосферы и земной поверхности», «водный режим атмосферы», «основы
динамики атмосферы», «атмосферная радиация и основы радиационного
переноса», «основы атмосферной оптики», «радиационный бюджет системы Земля-
атмосфера», «основы атмосферной акустики»). Изучение курса «Физическая
метеорология» базируется на предварительном усвоении студентами материала
следующих дисциплин: высшей математики с основами математического анализа,
общей физики, общей химии, общего землеведения, метеорологии и
климатологии, гидрологии. На основе знаний, полученных в рамках курса
«Физическая метеорология», базируется большая часть дисциплин, входящих в
ООП «Гидрометеорология». Дисциплина преподаётся в 3 и 4 семестре, ее общая
трудоёмкость составляет 252 часа (7 зачётных единиц).

5. Рекомендуемые образовательные технологии.
В процессе преподавания дисциплины "Физическая метеорология" применяются
следующие виды образовательных технологий: развивающее и проблемное
обучение, проектные методы обучения, лекционно-семинарско-зачётная система
обучения, технология развития критического мышления. При чтении данного
курса применяются такие виды лекций как вводная, обзорная и проблемная. В
рамках семинарских занятий решаются задачи по Физике атмосферы (в основном
в рамках разделов 1,3,4,5), в том числе на ЭВМ с использованием языка
программирования FORTRAN.

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 выполнения
практических работ, сдаче коллоквиумов и по мере прохождения основного
лекционного материала.

Примерные темы рефератов для самостоятельной работы студентов
1.Техногенное влияние на состав атмосферного воздуха, процессы, протекающие
в атмосфере.
2.Атмосферные аэрозоли, их роль в процессах осадкообразования и теплообмена
в атмосфере.
3.Влияние облачности на радиационные потоки в атмосфере и у земной
поверхности. Современные методы определения оптических свойств и количества
облаков.
4.Методы активного воздействия на облака с целью предотвращения
катастрофических градобитий, ливней, схода лавин и селей.
5. Сравнительная характеристика циркуляции атмосферы и циклонической
деятельности в умеренных и тропических широтах.
6.Особенности обмена явным и скрытым теплом и количеством движения в
приземном и планетарном пограничном слое.
7.Тропические циклоны их энергетика, траектории и регенерация.
8. Электрические разряды в атмосфере, их разновидности. Современные
гипотезы о физике шаровой молнии.
9.Атмосферная акустика. Физические и санитарно-гигиенические аспекты.
10.Физические основы акустического зондирования атмосферы.

Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу.
Строение атмосферы. Газовый состав атмосферного воздуха у земной
поверхностии на высотах.
Основные метеорологические величины, их размерности. Точность измерений в
метеорологии. Виды метеорологических измерений. Всемирная служба погоды.
Молекулярно-кинетическая теория применительно к атмосферным газам.
Уравнение состояния сухого и влажного воздуха.
Распределение Максвелла. Барометрическая формула Больцмана. Диссипация
газов в верхней атмосфере.
Уравнение статики атмосферы. Барометрические формулы. Барическая ступень.
Геопотенциал.
Барометрическая температура. Связь геопотенциала с температурой столба
воздуха. Механизм изменения давления в точке.
Первое и второе начала термодинамики. Потенциальная температура, энтальпия
и энтропия. Адиабатические и политропические процессы в атмосфере. Сухо и
влажно-адиабатический градиент температуры.
Критерии атмосферной устойчивости: метод частицы и метод слоя. Учет
вовлечения. Частота Брпента-Вяйселя.
Стратификация атмосферы. Термодинамические диаграммы. Энергия
неустойчивости.
Уравнение притока тепла. Виды притоков тепла в атмосфере. Факторы,
определяющие изменение температуры в приземном, планетарном пограничном
слоях и в свободной атмосфере
Распределение температуры с высотой в приземном слое атмосферы. Суточный
ход температуры.
Перенос тепла в атмосфере и в деятельном слое суши и водоемов. Поток тепла
в почву, законы Фурье.
Турбулентный тепло и влагообмен поверхности и атмосферы.
Равновесие фаз в атмосфере. Термодинамический потенциал Гиббса. Уравнение
Клаузиса-Клапейрона.
Испарение с водной поверхности и с поверхности суши. Теория Шулейкина
Уравнение диффузии водяного пара. Испарение и конденсация.
Микрофизическая структура облаков. Типы облаков, международная
классификация. Туманы.
Процесс роста и укрупнение облачных капель. Механизмы образования осадков.
Виды осадков и их классификация.
Силы, действующие в атмосфере. Уравнение движения атмосферы в общем виде.
Геострофический ветер. Движение в случае прямолинейных и круговых изобар в
свободной атмосфере.
Изменение ветра с высотой в свободной атмосфере. Термический ветер.
Изменение ветра с высотой в пограничном слое атмосферы. Движение в случае
прямолинейных и круговых изобар в пограничном слое. Спираль Экмана.
Изменение ветра с высотой в приземном слое. Применение теории подобия для
описания изменения метеорологических характеристик в приземном слое.
Условия существования фронтальных поверхностей в атмосфере. Фронты, и их
типы.
Классификация атмосферных движений. Волны и вихри в атмосфере. Циклоны и
антициклоны.
Общие особенности циркуляции атмосферы в тропиках и в умеренных широтах
Мезомасштабные процессы в атмосфере и их физические механизмы. Местные
ветры.
Акустическое зондирование атмосферы.
Солнечная внеатмосферная радиация и солнечная активность.
Основные законы излучения. Уравнения Максвелла для вакуума.
Основные радиометрические величины и единицы измерения. Характеристики
взаимодейcтвия излучения со средой (индикатриса рассеяния, объемный
показатель ослабления и др).
Закон Бугера-Ламберта. Понятие ослабления и эмиссии. Уравнение Шварцшильда.
Уравнение переноса для плоско- параллельной атмосферы.
Озон. Особенности распределения озона в атмосфере и его временная
изменчивость. Влияние озона на УФ радиацию. Проблемы озонового слоя Земли.
Атмосферный аэрозоль. Микрофизические, оптические и радиационные свойства.
Аэрозоль различного генезиса.
Макро- и микрофизические, оптические и радиационные свойства облаков.
Приближение геометрической оптики атмосферные явления: уравнение рефракции,
виды рефракции.
Особые явления в атмосфере: сумерки, радуга, гало.
Свет как электромагнитное излучение. Вывод уравнений Максвелла для среды.
Волновые явления: интерференция, дифракция.
Основы рассеяния света. Релеевское рассеяние.
Основы рассеяния света. Основы теории Ми.
Оптические свойства подстилающей поверхности.
Молекулярное поглощение в атмосфере Земли. Спектры поглощения атмосферных
газов.
Контур спектральной линии. Банки данных спектроскопических параметров.
Основные фотометрические величины. Естественная освещенность земной
поверхности. Световой эквивалент.
Теория видимости в атмосфере.
Характеристики прозрачности атмосферы.
Составляющие радиационного баланса у поверхности Земли и факторы их
определяющие.
Радиационный форсинг различных атмосферных параметров.
Радиационный бюджет системы «Земля - атмосфера».

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
Литература
а) основная
Матвеев Л.Т. "Физика атмосферы" изд. СПб, ГИМИЗ, 2000г. 778 с.
Лиоу К.Н., Основы радиационных процессов в атмосфере, Ленинград,
Гидрометеоиздат, 1984, 376 стр.
Семенченко Б.А. "Физическая метеорология" М. изд.Аспект-Пресс, 2002г., 502
с.
Тимофеев Ю.М., А.В. Васильев. Теоретические основы атмосферной оптики,
Санкт-Петербург, «Наука», 474 стр., 2003.

б) дополнительная.
Мак-Картни. Оптика Атмосферы. Издательство МИР, Москва, 1979
Хргиан А.Х. "Физика атмосферы" в 2т. Л.ГИМИЗ,1978 г. т. 1 - 247 с., т.2 -
219 с.
Хромов С.П., Мамонтова Л.И. " Метеорологический словарь". Л.ГИМИЗ, ГИМИЗ,
1974 г.,568 с.
Хромов С.П., Петросянц М.А."Метеорология и климатология" М. Изд.МГУ,
2001 г.,520 с.
Wallace J.M., Hobbs P.V. Atmospheric science. 2nd ed. Amsterdam. Elsevier.
2006. 484 p.

Программное обеспечение и Интернет-ресурсы.
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)

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Учебная аудитория на 40 мест с мультимедийным проектром для чтения лекций.
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:
Торопов П.А., доцент, к.г.н., географический факультет МГУ имени
М.В.Ломоносова
Чубарова Н.Е., ведущий научный сотрудник, д.г.н., географический факультет
МГУ имени М.В.Ломоносова
Семенченко Б.А., доцент, к.г.н., географический факультет МГУ имени
М.В.Ломоносова

Эксперт:
Архипкин В.С., доцент, к.г.н., географический факультет МГУ имени
М.В.Ломоносова