Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.geogr.msu.ru/cafedra/meteo/uchd/programs/Bakalavr-variat-dynam-meteor.doc Дата изменения: Sat Apr 26 11:38:13 2014 Дата индексирования: Sun Apr 10 05:07:55 2016 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: vallis

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Географический факультет














«Утверждено»



Академик РАН Н.С.Касимов


«_____»_________ 20__г.









ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ




Наименование дисциплины: «Динамическая метеорология»

по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология» уровня высшего
профессионального образования бакалавриат с присвоением степени «бакалавр»














1.Цели и задачи освоения дисциплины:
Целью освоения дисциплины является получение знаний об основных законах
сохранения (импульса, углового момента, массы, энергии) в сплошных средах и
их применению к динамике атмосферы.
Задачи освоения дисциплины:

- ознакомить с теорией турбулентных движений в атмосфере
- ознакомить с теорией различных циркуляционных систем атмосферы
- ознакомить с методами математического моделирования различных
циркуляционных систем.



2.Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Динамическая метеорология» входит в модуль «Динамическая
метеорология» профессионального цикла вариативной части ООП. Она изучается
на 3-м курсе в 5-м и 6-м семестрах. Изучение дисциплины базируется на
предварительном усвоении студентами материала дисциплин: «Общая физика»,
«Гидромеханика», «Высшая математика», «Физическая метеорология»,
«Климатология». Дисциплина призвана дать студентам знания по динамике
атмосферы, необходимые для изучения дисциплин: «Теория климата»,
«Синоптическая метеорология», «Мезометеорология», «Численные методы
прогноза погоды» и др.
Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь дисциплины
«Динамическая метеорология» с другими частями ООП определяется следующей
совокупностью входных компетенций, которыми должен обладать студент для
освоения данной дисциплины:
- владение фундаментальными разделами математики и физики;
- способность использовать знание об основах теоретический гидромеханики и
их приложений к описанию динамики атмосферы;
- владение знаниями о физических и химических процессах, протекающих в
атмосфере.

3.Требования к результатам освоения дисциплин.
Изучение дисциплины направлено на формирование следующих компетенций:
владеть базовыми знаниями об использовании методов гидромеханики при
описании динамики атмосферы, иметь представление о теории атмосферных
движений в объеме, необходимом для дальнейшего профессионального развития
метеоролога.
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать: методы гидромеханики и способы параметризации применительно к
задачам динамики атмосферы
Уметь: использовать и разрабатывать математические модели динамики
атмосферы, использовать знания при решении различных задач, связанных с
описанием динамики различных циркуляционных систем.
Владеть: методами математического моделирования различных циркуляционных
систем при решении различных задач в сфере гидрометеорологического
прогнозирования, природопользования, экологии, планирования, и
использовать их в научной деятельности и образовательном процессе.

Структура и содержание дисциплины
4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц (180 часов).
Аудиторная нагрузка в 5-м семестре - 90 часов, из них 54 часа - лекции, 36
часов - семинары, 18 часов - самостоятельная работа студентов. Аудиторная
нагрузка в 6-м семестре - 52 часа, из них 26 - лекции, 26 - семинары, 20 -
самостоятельная работа студентов.
| | |Семе|Неде|Виды учебной |Формы текущего|
| |Раздел |стр |ля |работы, включая |контроля |
|? |Дисциплины | | |самостоятельную |успеваемости |
|п/п | | | |работу студентов|(по неделям |
| | | | |и трудоемкость |семестра) |
| | | | |(в часах) |Форма |
| | | | | |промежуточной |
| | | | | |аттестации (по|
| | | | | |семестрам) |
| | | | |Лекц|Семи|Самос| |
| | | | |ии |нары|тоят.| |
| | | | | | | | |
| | | | | |и |работ| |
| | | | | |прак|а | |
| | | | | |тич.| | |
| | | | | |рабо| | |
| | | | | |ты | | |
|1 |Введение |5 |1 |3 |2 | | |
|2 |Раздел 1 |5 |2-6-|15 |10 |4 |Тест по |
| | | | | | | |лекционному |
| | | | | | | |материалу |
|3 |Раздел 2 |5 |7-10|12 |8 |5 |Тест по |
| | | | | | | |лекционному |
| | | | | | | |материалу |
|4 |Раздел 3 |5 |11-1|12 |8 |5 |Тест по |
| | | |4 | | | |семинару |
|5 |Раздел 4 |5 |15-1|12 |8 |4 |Тест по |
| | | |8 | | | |лекционному |
| | | | | | | |материалу |
|6 |Раздел 5 |6 |1-3 |6 |6 |5 |Тест по |
| | | | | | | |лекционному |
| | | | | | | |материалу |
|7 |Раздел 6 |6 |4-7 |8 |8 |5 |Тест по |
| | | | | | | |семинару |
|8 |Раздел 7 |6 |8-10|6 |6 |5 |Тест по |
| | | | | | | |лекционному |
| | | | | | | |материалу |
|9 |Раздел 8 |6 |11-1|6 |6 |5 |Тест по |
| | | |3 | | | |лекционному |
| | | | | | | |материалу |
| |Итого | |31 |80 |62 |38 |Зачет, |
| | | | | | | |экзамен, |
| | | | | | | |экзамен |

4.2. Содержание дисциплины
Структура дисциплины
Введение. Предмет и методы динамической метеорологии. Обзор развития и
современное состояние динамической метеорологии. Связь динамической
метеорологии с другими дисциплинами.
Раздел 1. . Кинематика и динамика сжимаемой жидкости. Некоторые сведения
из векторного исчисления. Основные операторы, используемые в
динамической метеорологии: градиент, дивергенция, завихренность, оператор
Лапласа. Некоторые сведения о кинематике жидкости: система координат,
траектории движения частиц жидкости, переменные Эйлера и Лагранжа. Скорость
и ускорение. Несжимаемая жидкость. Теорема переноса. Кинематика деформации.
Соленоидальный и безвихревой потоки, определение функции тока и
потенциала. Основные уравнения гидротермодинамики. Координаты,
используемые в гидродинамике: инерциальная и вращающиеся системы
координат. Уравнения движения в инерциальной системе координат в форме
Лагранжа и в форме Эйлера. Силы, определяющие ускорение частицы в
инерциальной системе координат: сила градиента давления, сила тяжести и
сила трения. Уравнения сохранения массы и баланса атмосферных примесей.
Уравнения Навье-Стокса. Уравнения движения на вращающейся Земле в векторной
форме. Сила Кориолиса и центробежная сила. Уравнения движения в
локальной декартовой системе координат. Уравнение состояния, уравнение
притока тепла и влаги.

Раздел 2. Уравнения гидротермодинамики для турбулентной среды.
Уравнения гидротермодинамики для турбулентной среды. Турбулентный
характер атмосферных движений и его математическое описание. Осреднение
уравнений движения, притоков тепла и влаги и баланса примеси. Уравнения
Рейнолдьдса.
Раздел 3. Масштабный анализ и упрощения уравнений гидротермодинамики.
Масштабный анализ и упрощения уравнений гидротермодинамики. Отдельные
виды стационарных движений: геострофический поток, потоки Куэтта и
Пуазейля. Уравнения баротропной атмосферы (уравнения мелкой воды).
Изменения геострофического ветра с высотой, термический ветер,
агеострофичесий ветер. Уравнения гидротермодинамики в криволинейных
координатах. Операторы градиента, дивергенции, вихря и Лапласа
в цилиндрических и сферических координатах. Уравнения
гидротермодинамики в сферических координатах. Геострофический ветер в
сферической системе координат. Уравнения движения на бета-плоскости,
бета-эффект. Уравнения гидротермодинамики в изобарической и изэнтропической
системах координат. Граничные условия на нижней и верхней границах
атмосферы при использовании в качестве вертикальной координаты
давления и потенциальной температуры. Орографические системы координат
(сигма система, эта система, гибридные системы координат).
Раздел 4. Квазигеострофическая теория. Уравнение вихря, уравнение
потенциального вихря, уравнение спиральности, уравнение дивергенции
скорости, уравнение энергии, уравнение тенденции. Определение вертикальной
скорости на основе уравнения неразрывности и уравнения притока тепла.
Квазигеострофическая теория, квазигеострофический потенциальный вихрь.
Раздел 5. Пограничные слои в атмосфере. Пограничные слои в атмосфере.
Гидродинамическое определение пограничных слоев и их толщин. Планетарный
пограничный слой (ППС) и внутренний (приземный) подслой.
Вертикальные профили метеорологических величин. Вертикальная скорость
на верхней границе ППС.
Раздел 6. Волновые движения в атмосфере. Линеаризация уравнений
гидротермодинамики. Волновые движения в атмосфере. Инерционные волны
в баротропной атмосфере (волны Россби) на бета-плоскости и на сфере.
Баротропная сдвиговая неустойчивость. Внешние гравитационные волны.
Гравитационно-инерционные волны в геострофическом потоке. Волны
Пуанкаре и Кельвина. Акустические волны. Внутренние гравитационные
волны. Адаптация полей ветра и давления.
Раздел 7. Бароклинная неустойчивость. Бароклинная неустойчивость.
Линейная теория бароклинной неустойчивости (задача Иди). Результаты
численного изучения бароклинной неустойчивости.
Раздел 8. Атмосферные фронты. Атмосферные фронты. Фронтогенез и
фронтолиз, волны на поверхности раздела.
4.3. Аннотация дисциплины
Дисциплина призвана дать теоретические представления о циркуляции
атмосферы. Она представляет собой часть геофизической гидродинамики. Из
общей науки о динамике сплошных сред ее выделяет то, что рассматриваются
движения с очень большими числами Рейнольдса на вращающейся сфере в
условиях хорошо выраженной стратификации среды. Дополнительным условием
является присущее планете Земля распределение поступления солнечной энергии
и своеобразное, вносимое фазовыми превращениями водяного пара.
Названные факторы определяют своеобразие динамики атмосферы, причем главное
внимание уделяется крупномасштабным особенностям внетропической атмосферы:
квазистатическому и квазигеострофическому режимам циркуляции.


5. Рекомендуемые образовательные технологии
В процессе преподавания дисциплины «Динамическая метеорология» применяются
следующие виды образовательных технологий: развивающее и проблемное
обучение. При чтении данного курса применяются такие виды лекций, как
вводная, обзорная, проблемная, лекция-визуализация. Курс лекций обеспечен
демонстрационным материалом в мультнмедийном виде.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации
по итогам освоения дисциплины
Темы практических занятий
1. Основные характеристики метеорологических полей.
1. Величины градиентов метеорологических элементов и их
составляющих.
2. Оценка порядков величин метеорологических элементов и их
производных.
3. Дивергенция и вихрь ветра.
2. Термодинамические процессы в сухом воздухе.
1. Первое начало термодинамики.
2. Адиабатические процессы в атмосфере.
3. Энтропия воздуха.
3. Статика.
1. Барометрические формулы. Приведение давления к уровню моря.
2. Геопотенциал и его применение.
4. Ветер в свободной атмосфере.
1. Геострофический ветер.
2. Термический ветер.
5. Волны в атмосфере.
6. Приземный слой атмосферы.
7. Пограничный слой атмосферы.
8. Энергетика атмосферы и циркуляция.
1. Энергетика атмосферы.
2. Теорема о циркуляции.
Примерные темы рефератов для самостоятельной работы студентов
Основные операторы, используемые в динамической метеорологии.
Функция тока и потенциал
Турбулентный характер атмосферных движений и его математическое описание.
Масштабный анализ и упрощения уравнений гидротермодинамики.
Адаптация полей ветра и давления.
Волновые движения в атмосфере.
Бароклинная неустойчивость.
Фронтогенез и фронтолиз.

Перечень контрольных вопросов и заданий
Вращающиеся системы координат.
Сила Кориолиса и центробежная сила.
Индивидуальная производная для скаляра в инерционной и вращающейся системе
координат.
Уравнения движения во вращающейся системе координат в векторной форме.
Уравнения гидротермодинамики для турбулентной атмосферы.
Квазигеострофические уравнения.

Контрольные вопросы к экзамену.

Кинематика жидкости. Понятие соленоидального и безвихревого течений,
функция тока и потенциал. Баротропные и бароклинные движения атмосферы.
Системы координат.
Уравнения движения в инерциальной системе координат в форме Лагранжа и
Эйлера. Силы, вызывающие ускорение частиц жидкости: сила градиента
давления, сила тяжести, сила трения. Вращающиеся системы координат, сила
Кориолиса и центробежная сила, индивидуальная производная для скаляра в
инерционной и вращающейся системе координат, уравнения движения во
вращающейся системе координат в векторной форме.
Уравнения движения в локальных декартовых координатах.
Уравнение сохранения массы.
Уравнения состояния и притока тепла.
Уравнения гидротермодинамики для турбулентной атмосферы: правила
сглаживания, вывод уравнений осредненного движения.
Анализ и yпрощение уравнений гидротермодинамики с помощью оценки порядка
членов уравнений.
Системы упрощенных уравнений: геострофический поток, уравнения мелкой воды.
Основные операторы (градиента, дивергенции, вихря и Лапласа) в
криволинейных координатах.
Уравнения гидротермодинамики в сферических координатах.
Уравнения гидротермодинамики для крупномасштабных атмосферных движений в
системе координат, связанных с давлением (р-система).
Начальные и граничные условия. Условия на нижней границе в разных системах
координат.
Уравнение вихря скорости.
Уравнение потенциального вихря.
Уравнения движения в бета-плоскости.
Уравнение дивергенции скорости. Уравнения баланса.
Квазигеострофические уравнения.
Пограничные слои в атмосфере: изменение ветра с высотой в планетарном
пограничном слое.
7.Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Литература
а) основная
Гилл А., Динамика атмосферы и океана. В 2-х томах, М., «Мир», 1986;
Курганский М. В., Введение в крупномасштабную динамику атмосферы, С-Пб.,
1993;
Монин А. С., Теоретические основы геофизической гидродинамики, Л., 1988;
Педлоски Дж., Геофизическая гидродинамика (два тома), М., 1984;
Халтинер Дж. и Мартин Ф. Динамическая и физическая метеорология. М., ИЛ,
1960;
Holton, J. R., An introduction to dynamical meteorology, Academic Press,
2004.
Vallis, G. K., 2006. Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics. Cambridge
University Press.
б) дополнительная
Белинский В. А., Динамическая метеорология, М. - Л. 1948;
Кибель И. А., Введение в гидродинамические методы краткосрочного прогноза
погоды, М., 1957
в) 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)

http://lance-modis.eosdis.nasa.gov/cgi-bin/imagery/realtime.cgi
(гидрометеорологические данные в видео диапазоне)


8. Материально-техническое обеспечение

1. Мультимедийное оборудование для демонстрации электронных презентаций.
2. Учебная аудитория на 20 мест для проведения лекционных занятий.
3. Компьютер с доступом в Интернет.
4. Компьютеры с операционной системой Windows или Linux для работы с
программами обработки метеорологических данных.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта МГУ по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология».



Программа одобрена на заседании кафедры метеорологии и климатологии

Протокол ?___ от ______20__г.

Заведующий кафедрой профессор Кислов А.В. ____________________________


подпись



Разработчик:

Тросников И.В., профессор, д.ф.-м.н., географический факультет МГУ им.
М.В.Ломоносова



Эксперт:

Р.М. Вильфанд, профессор, д.т.н., директор Гидрометцентр России