программа - Географический факультет МГУ

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
Географический факультет
«Утверждено»
Академик РАН
Н.С.Касимов
«_____»_________ 20__г.
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Наименование дисциплины «Мезометеорологические процессы»
по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология» уровня высшего
профессионального образования бакалавриат с присвоением степени «бакалавр»
1. Цели и задачи освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины являются
Целью освоения дисциплины является получение базовых сведений по теории,
данным наблюдений, численному моделированию и прогнозу мезомасштабных
атмосферных процессов.
Задачами освоения дисциплины
Курс направлен на приобретение учащимися следующих знаний:
1) Базовые сведения о пространственной структуре, временной динамике и
географическом распространении различных типов мезометеорологических
процессов;
2) Представления о физических и гидродинамических механизмах
возникновения и развития мезомасштабных атмосферных циркуляций;
3) Базовые знания о методике мезомасштабного численного моделирования
атмосферных процессов, его приложениях в прогнозе погоды и
климатических задачах;
4) Общие
представления
об
аспектах
краткосрочного
прогноза
мезометеорологических процессов и связанных с ними опасных
гидрометеорологических явлений.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Данная дисциплина входит в модуль «Динамическая метеорология»
профессионального цикла вариативной части ООП.
Курс преподается на 4-м курсе, в 8-м семестре.
С точки зрения формирования теоретической основы прогноза погоды в
квалификации студентов данный курс дополняет курс синоптической
метеорологии. Кроме того, он методологически следует после курса
микроклиматологии и спутниковой метеорологии. В последнем рассматриваются
облачные системы ряда мезомасштабных атмосферных течений, а в настоящем
курсе приводится подробный анализ их физического механизма. Следует также
отметить, что материал курса частично пересекается с курсом динамической
метеорологии, а именно, приводится анализ механизмов конвективной и
бароклинной неустойчивости применительно к рассматриваемым мезомасштабным
явлениям.
Перед началом освоения дисциплины «Микроклиматология» студент должен
владеть инструментарием дифференциального и интегрального исчисления,
обладать базовыми знаниями по физике атмосферы и динамической метеорологии,
а также навыками интерпретации спутниковых изображений облачности.
По окончании освоения дисциплины студент должен иметь базовые представления
о теории, феноменологии, численном моделировании и методам прогноза
мезомасштабных атмосферных процессов.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: теорию физических механизмов образования и развития, данные
наблюдений о строении и эволюции, основы численного моделирования и прогноза
мезомасштабных атмосферных процессов;
Уметь: идентифицировать генезис (тип гидродинамической неустойчивости) и тип
мезомасштабных циркуляций по данным наблюдений и моделирования;
Владеть: теоретическими основами решения научных задач в области
мезометеорологии, а также прогноза мезомасштабных процессов, в т.ч. с
использованием результатов расчетов глобальных и мезомасштабных атмосферных
моделей.
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы1, 108
академических часов.
№
п/п
1
2
3
4
Сем
естр
Раздел (тема)
дисциплины
Введение
Раздел
1.
Система
уравнений гидродинамики
для
задач
мезометеорологии
Раздел
2.
Мезомасштабные системы
мелкой конвекции
Раздел
3.
Нед
еля
семе
стра
Виды учебной работы,
включая СРС и
трудоемкость (в часах)
лекция
семи
нар
СРС
8
8
1
1-2
1
2
1
2
4
4
8
2-4
4
4
4
8
4-6
5
5
4
Формы
текущего
контроля
успеваем
ости (по
неделям
семестра
)
Форма
промежу
точной
аттестац
ии
(по
семестра
м)
1
Зачетная единица – унифицированная единица измерения трудоемкости ООП;
одна зачетная единица соответствует примерно 36 академическим часам.
5
6
7
8
9
10
11
Мезомасштабные системы
глубокой конвекции
Раздел
4.
Мезомасштабные
циркуляции в циклонах
синоптического масштаба
Коллоквиум
по
теме
«Мезомасштабные
системы
конвекции»
(разделы 1-4)
Раздел 5. Орографические
мезомасштабные
циркуляции
Раздел 6. Циркуляции,
вызванные термической
неоднородностью
подстилающей
поверхности
Раздел 7. Ветры склонов и
горно-долинная
циркуляция
Раздел
8.
Численное
моделирование
мезомасштабных
атмосферных процессов
Семинарское занятие по
численному
моделированию
мезометеорологических
процессов
Итого
8
7
2
2
4
8
8
1
1
10
8
8-9
2
1
5
8
9-10
2
1
5
8
10-11
2
1
5
8
11-12
3
2
5
8
13
4
10
8
13
24
60
24
Коллокв
иум
В таблице должны быть перечислены разделы дисциплины (темы) с указанием
времени, отводимого на изучение каждого, а также форм текущего и
промежуточного контроля (зачета или экзамена).
Виды учебной работы: лекции, семинары, практические занятия, лабораторные
работы.
Формы текущего контроля успеваемости (для последней колонки таблицы):
устный или письменный опрос, защита и презентация домашних заданий,
контрольная работа, тест, коллоквиум, решение типовых задач, творческая
работа, эссе, реферат, составление опорных конспектов по темам и др.
4.2. Содержание дисциплины
Структура дисциплины
Введение.
Раздел 1. Система уравнений гидродинамики для задач мезометеорологии.
Раздел 2. Мезомасштабные системы мелкой конвекции.
Раздел 3. Мезомасштабные системы глубокой конвекции.
Раздел 4. Мезомасштабные циркуляции в циклонах синоптического масштаба.
Раздел 5. Орографические мезомасштабные циркуляции.
Раздел 6. Циркуляции, вызванные термической неоднородностью подстилающей
поверхности.
Раздел 7. Ветры склонов и горно-долинная циркуляция.
Раздел 8. Численное моделирование мезомасштабных атмосферных процессов.
Семинарские занятия по численному моделированию мезометеорологических
процессов.
Содержание дисциплины
Введение.
Исторические заметки о развитии мезометеорологии. Мезометеорология и средства
измерений в атмосфере. Феноменологическое и динамическое разделение
атмосферных процессов по пространственно-временным масштабам. Роль
мезомасштабных процессов в спектре атмосферных движений.
Раздел 1. Система уравнений гидродинамики для задач мезометеорологии.
Упрощения Буссинеска. Представление эффектов синоптического масштаба.
Система уравнений для задач мелкой конвекции и глубокой конвекции.
Раздел 2. Мезомасштабные системы мелкой конвекции.
Конвективные ячейки и гряды: данные наблюдений. Критерии конвективной
неустойчивости: частота Брента-Вяйсяля, энергия неустойчивости, число Рэлея и
др. Конвекция Бенара. Линейная теория Рэлея о неустойчивости состояния покоя
подогреваемого снизу слоя жидкости (газа). Физические эффекты, приводящие к
несимметричности восходящих и нисходящих течений в конвективных ячейках.
Нелинейная задача Лоренца о двумерной конвекции в подогреваемом снизу слое
жидкости (газа). Неустойчивость по начальным условиям и странный аттрактор в
задаче Лоренца.
Раздел 3. Мезомасштабные системы глубокой конвекции.
Сравнительная характеристика систем глубокой и мелкой конвекции.
Одноячейковые и многоячейковые системы глубокой конвекции. Одноячейковые
системы глубокой конвекции: «обыкновенные» ячейки (отдельные кучеводождевые облака) и суперъячейки. Роль вертикального сдвига ветра в развитии
ячеек. Механизм образования завихренностей в ячейках глубокой конвекции.
Морфологическая классификация Мэддокса для многоячейковых систем глубокой
конвекции. Мезомасштабные конвективные комплексы (данные наблюдений и
физические механизмы). Линии шквалов (данные наблюдений и физические
механизмы). Дугообразные системы многоячейковой глубокой конвекции.
Полярные депрессии (нефронтальные мезомасштабные вихри).
Раздел 4. Мезомасштабные циркуляции в циклонах синоптического масштаба.
Мезомасштабная структура атмосферных фронтов. Полосы осадков на теплом
фронте. Полосы осадков в теплом секторе. Полосы осадков на холодном фронте.
Полосы осадков позади холодного фронта. Полосы осадков на фронте окклюзии.
Механизм образования мезомасштабных полос осадков (симметричная
неустойчивость).
Раздел 5. Орографические мезомасштабные циркуляции.
Мезомасштабные барьерные эффекты. Фены (общая характеристика явления и
механизмы образования). Подветренные волны и роторы (общая характеристика
явления и механизмы образования). Подветренные вихревые цепочки (Кармана)
(общая характеристика явления и механизмы образования).
Раздел 6. Циркуляции, вызванные термической неоднородностью
подстилающей поверхности. Бризы (общая характеристика явления). Схемы
развития бриза по Ганну (первого рода) и Кошмидеру (второго рода).
Гидродинамические модели бризовой циркуляции, аналитические решения.
Влияние крупномасштабного потока на бризовую циркуляцию. Влияние состояния
деятельного слоя суши на бризовую циркуляцию. Другие циркуляции бризовой
природы: городской бриз, ледовый бриз и др.
Раздел 7. Ветры склонов и горно-долинная циркуляция.
Общая характеристика явления. Механизм ветра склонов и горно-долинной
циркуляции. Модель ветра склонов Прандтля.
Раздел 8. Численное моделирование мезомасштабных атмосферных процессов.
Гидродинамическая постановка задачи. Проблема граничных условий. Численные
методы реализации мезомасштабных моделей. Реализация программных
комплексов мезомасштабных моделей на компьютерах параллельной архитектуры.
Содержание семинарских занятий
Основные сведения о мезомасштабной атмосферной модели NH3D. Задание
начальных, граничных условий и параметров численных экспериментов. Вывод
результатов расчетов в файлы. Визуализация и физический анализ результатов.
4.3. Аннотация программы
Приводятся исторические сведения о развитии мезометеорологии и
соответствующих средств наблюдений. Рассматривается разделение атмосферных
процессов по пространственно-временным масштабам. На основе упрощений
Буссинеска выводятся системы уравнений мезометеорологии. Описываются
натурные данные о системах мелкой конвекции – грядах и ячейках облаков.
Излагается линейная теория Рэлея о неустойчивости состояния покоя
подогреваемого снизу слоя жидкости (газа). Решается нелинейная задача Лоренца о
двумерной конвекции в подогреваемом снизу слое жидкости (газа). Приводится
сравнительная характеристика систем глубокой и мелкой конвекции. Отдельно
рассматриваются одноячейковые и многоячейковые системы глубокой конвекции.
Среди одноячейковых выделяются «обыкновенные» ячейки (отдельные кучеводождевые облака) и суперъячейки. Представлен механизм образования
завихренностей в ячейках глубокой конвекции. Излагается морфологическая
классификация Мэддокса для многоячейковых систем глубокой конвекции,
включающая среди прочих мезомасштабные конвективные комплексы, линии
шквалов (для обеих систем приводятся данные наблюдений и физические
механизмы). Отдельно рассматриваются полярные мезоциклоны (нефронтальные
мезомасштабные вихри). Описывается мезомасштабная структура атмосферных
фронтов по данным наблюдения, включающая полосы осадков на теплом фронте,
полосы осадков в теплом секторе, полосы осадков на холодном фронте, полосы
осадков позади холодного фронта, полосы осадков на фронте окклюзии.
Объясняется механизм образования мезомасштабных полос осадков (симметричная
неустойчивость). Рассматриваются фены, подветренные волны и роторы,
подветренные вихревые цепочки (Кармана) (общая характеристика явления и
механизмы образования). В качестве классического примера циркуляций,
вызванных термической неоднородностью поверхности, приводятся бризы (общая
характеристика явления). Излагаются схемы развития бриза по Ганну и Кошмидеру.
Выводятся простые гидродинамические модели бризовой циркуляции.
Охарактеризовано влияние крупномасштабного потока и состояния деятельного
слоя суши на бризовую циркуляцию. Дается общая характеристика ветра склонов и
горно-долинной циркуляции. Объясняются качественно-физические, а также
количественные (модель Прандтля) теории явления. Ставится гидродинамическая
задача о мезомасштабном прогнозе в ограниченной области атмосферы.
Формулируется проблема граничных условий. Кратко рассмотрены численные
методы решения уравнений мезомасштабных моделей, а также их реализация на
компьютерах параллельной архитектуры.
5. Рекомендуемые образовательные технологии
При чтении курса применяются следующие виды лекции: вводная лекция, лекцияинформация, обзорная лекция, лекция-визуализация, лекция-консультация.
Применяются следующие образовательные технологии: проблемное обучение,
исследовательские методы в обучении.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины:
Примерный перечень вопросов к коллоквиуму по разделу «Мезомасштабные
системы конвекции»:
1) Разделение атмосферных процессов по масштабам. Определения мезомасштаба.
2) Системы уравнений мезометеорологии. Упрощения Буссинеска.
3) Мезомасштабные системы мелкой конвекции. Данные наблюдений.
4) Ячейковая конвекция Бенара. Линейная теория Рэлея о конвективной
неустойчивости слоя жидкости (газа).
5) Эффект термической нестационарности фонового состояния на ячейковую
конвекцию.
6) Нелинейная задача конвекции. Система уравнений Э. Н. Лоренца. Странный
аттрактор.
7) Системы одноячейковой глубокой конвекции: отдельные кучево-дождевые
облака и суперъячейки.
8) Гидродинамическая теория образования завихренностей в кучево-дождевых
облаках.
9) Многоячейковые системы глубокой конвекции: мезомасштабные конвективные
комплексы, линии шквалов, дугообразные долгоживущие системы.
10) Нефронтальные мезомасштабные вихри (полярные депрессии).
11) Микромасштабные явления, сопутствующие системам глубокой конвекции:
нисходящие порывы, фронты порывистости, торнадо.
Форма итоговой аттестации – экзамен.
Примерный перечень вопросов к экзамену:
1) Разделение атмосферных процессов по масштабам. Определения мезомасштаба.
2) Системы уравнений мезометеорологии. Упрощения Буссинеска.
3) Мезомасштабные системы мелкой конвекции. Данные наблюдений.
4) Ячейковая конвекция Бенара. Линейная теория Рэлея о конвективной
неустойчивости слоя жидкости (газа).
5) Эффект термической нестационарности фонового состояния на ячейковую
конвекцию.
6) Нелинейная задача конвекции. Система уравнений Э. Н. Лоренца. Странный
аттрактор.
7) Системы одноячейковой глубокой конвекции: отдельные кучево-дождевые
облака и суперъячейки.
8) Гидродинамическая теория образования завихренностей в кучево-дождевых
облаках.
9) Многоячейковые системы глубокой конвекции: мезомасштабные конвективные
комплексы, линии шквалов, дугообразные долгоживущие системы.
10) Нефронтальные мезомасштабные вихри (полярные депрессии).
11) Микромасштабные явления, сопутствующие системам глубокой конвекции:
нисходящие порывы, фронты порывистости, торнадо.
12) Мезомасштабная структура атмосферных фронтов: данные наблюдений.
13) Механизм развития мезомасштабных полос осадков на атмосферных фронтах:
симметричная неустойчивость.
14) Барьерные эффекты перетекания воздушной массы через горные хребты. Фены:
данные наблюдений и физические механизмы.
15) Подветренные волны, роторы и цепочки Кармана: данные наблюдений и
физические механизмы.
16) Бризы: общая характеристика явления. Бризы первого и второго рода.
Гидродинамические модели бриза.
17) Склоновые и горно-долинные ветры. Географическое распространение,
факторы интенсивности. Модель ветра склонов Прандтля.
18) Мезомасштабные численные модели атмосферы: гидродинамическая
постановка задачи, граничные условия, численные методы и аппаратные средства
реализации.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Мезометеорологические процессы»
а) Основная рекомендуемая литература

Амбрози П.,
Вельтищев Н.Ф.,
Гетц Г.,
Ноймайстер Х.,
Рункану Т.
Шабров В.Г. Использование данных о мезомасштабных особенностях
облачности в анализе погоды. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 150 с.
 Бурман Э.А. Местные ветры. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 341 с.
 Вельтищев Н.Ф. Мезометеорология и краткосрочное прогнозирование. Сб.
лекций – Женева, 1988. – 136 с.
 Вельтищев Н.Ф., Степаненко В.М. Мезометеорологические процессы. – М.:
Географический ф-т МГУ, 2007. – 127 с.
 Гутман Л.Н. Введение в нелинейную теорию мезометеорологических
процессов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 285 с.
 Кожевников В.Н. Динамика мезомасштабных процессов. Сб. лекций. – М.:
Физический ф-т МГУ, 2005. – 117 с.
 Atkinson B.W. Mesoscale atmospheric circulations. – London; New York;
Toronto; Sydney; San-Francisco. – Academic Press, 1981. – 495 p.
 Markowsky P, and Y. Richardson. Mesoscale meteorology in midlatitudes. WileyBlackwell, 2011, 407 pp.
 Pielke R.A. Mesoscale numerical modeling. – San Diego. – Academic Press,
2002. – 676 p.
б) дополнительная литература:






Динамика погоды. Пер. с англ. / под ред. А.С. Дубова. – Л.: Гидрометеоиздат,
1988. – 420 с.
Кибель И.А. Введение в гидродинамические методы краткосрочных
прогнозов погоды. – М.: Гостехиздат, 1957. – 375 с.
Кожевников В.Н. Возмущения атмосферы при обтекании гор. – М.: Научный
мир, 1999. – 160 с.
Русин И.Н., Тараканов Г.Г. Сверхкраткосрочные прогнозы погоды. – СПб,
изд. РГГМУ, 1996. – 308 с.
Atmospheric convection: research and operational forecasting aspects// CISM
courses and lectures, No. 475, Ed. Giaiotti D.B., Steinacker R., Stel F.,
SpringerWienNewYork, 2007, 226 pp.
Lin, Y.-L. Mesoscale Dynamics. Cambridge University Press, New York, 2007,
630 pp.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
- дистанционные учебные курсы MetEd, разработанные UCAR (University
Corporation for Atmospheric Research, USA) https://www.meted.ucar.edu
- руководство по спутниковой метеорологии ZAMG (Центральный институт
Метеорологии и Геодинамики, Австрия)
http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/SatManu/main.htm
8. Материально-техническое обеспечение
дисциплины____________________________
Учебная аудитория на 30 мест с мультимедийным проектором для проведения
лекционных и семинарских занятий с беспроводной Интернет-сетью.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта МГУ по направлению подготовки (указывается номер и название
направления)
Программа одобрена на заседании кафедры
___________________________________
Протокол №___ от ______20__г.
Зав. кафедрой
____________________________
подпись
Разработчик:
Степаненко Виктор Михайлович, с.н.с., к.ф.-м.н., МГУ имени М.В.Ломоносова,
НИВЦ, географический факультет
Эксперт:
Тросников Игорь Васильевич, проф., д.ф.-м.н., МГУ имени М.В.Ломоносова,
географический факультет, Гидрометцентр России