Исследования и мониторинг атмосферы и подстилающей

Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
Федеральное государственное бюджетное учреждение
«Центральная аэрологическая обсерватория»
(ФГБУ «ЦАО»)
Утверждаю
Директор ФГБУ «ЦАО»
___________Ю. А. Борисов
«_18_» 12.
2014 г.
Рабочая программа дисциплины (модуля)
Исследования и мониторинг атмосферы и подстилающей
поверхности с использованием самолетов-лабораторий
подготовки кадров высшей квалификации,
направление подготовки 05.06.01 Науки о Земле
г. Долгопрудный, 2014
2
Рабочая программа составлена на основании паспорта научной специальности 25.00.29
«Физика атмосферы и гидросферы», в соответствии с Программой-минимум кандидатского
экзамена по специальности 25.00.29 "Физика атмосферы и гидросферы", разработанной
экспертным советом Высшей аттестационной комиссии, Программой кандидатского экзамена,
утвержденной Ученым советом ФГБУ "ЦАО" 23.03.2004 г., протокол № 1 и Учебным планом
Основной образовательной программы высшего образования по направлению подготовки
05.06.01 Науки о Земле (уровень подготовки кадров высшей квалификации).
Составитель рабочей программы: М.А. Струнин, зав. лабораторией, дф-мн.
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании Ученого совета ФГБУ «ЦАО»,
протокол № 5 от 11.12.2014 г.
3
1. Цели и задачи дисциплины, ее место в системе подготовки аспиранта, требования к
уровню освоения содержания дисциплины
1.1.
Цели и задачи изучения дисциплины
Цель изучения дисциплины – формирование у
обучающихся углубленных
профессиональных знаний в области методов исследования атмосферы и подстилающей
поверхности с борта самолета-лаборатории.
Задачи дисциплины:
 сформировать у обучающихся представление об истории развития исследований
атмосферы с помощью самолетов-лабораторий;
 сформировать у обучающихся твердые знания о методах исследования
термодинамического состояния атмосферы, а также представления о самолетных
измерениях газового и аэрозольного состава атмосферы, излучения в атмосфере,
радиоактивных загрязнений, микрофизической структуры облаков, электрических
параметров атмосферы, методов дистанционного радиолокационного исследования
атмосферы с борта самолета-лаборатории.
 Подготовить обучающихся к практическому применению полученных знаний при
проведении конкретных исследований в области изучения атмосферы с помощью
самолета-лаборатории.
1.2. Требования к уровню подготовки обучающегося, завершившего изучение данной
дисциплины
Обучающиеся, завершившие изучение данной дисциплины, должны:
 иметь представление о целях и задачах исследования и мониторинга атмосферы и
поверхности с помощью самолетов-лабораторий, практическом значении проводимых
исследований;
 знать методы контактных и дистанционных измерений параметров атмосферы и
поверхности с борта самолета-лаборатории;
 знать методы сбора, обработки, анализа и представления данных самолетных
наблюдений атмосферы и поверхности;
 уметь использовать возможности современных компьютеров применительно к задачам
сбора и обработки данных самолетных наблюдений атмосферы и поверхности;
 владеть навыками самостоятельной научно-педагогической деятельности в данной
области.
1.3. Связь с предшествующими дисциплинами
Для успешного усвоения рабочей программы необходимы твёрдые знания физики и
математики в рамках вузовской подготовки.
1.4. Связь с последующими дисциплинами
Знания и навыки, полученные обучающимися при изучении данного курса, необходимы при
подготовке и написании диссертации по специальности "Физика атмосферы и гидросферы".
2. Содержание дисциплины
2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах и зачетных единицах)
Форма обучения - 1 год аспирантуры, вид отчётности - кандидатский экзамен.
Вид учебной работы
Всего часов
Общий объем дисциплины по учебному плану
72
Аудиторные часы
36
Лекции
36
4
Вид учебной работы
Всего часов
Практические занятия
18
Семинары
Самостоятельная работа
18
Общая трудоемкость дисциплины
2 з.е.
2.2 Лекционный курс
1. Предмет и задачи исследований и мониторинга атмосферы и поверхности с помощью
самолетов-лабораторий.
Задачи исследования и мониторинга атмосферы и поверхности и используемые для этого
самолетные измерительные средства. Характеристики и возможности современных самолетовлабораторий для исследования атмосферы, особенности самолетного зондирования атмосферы.
Параметры атмосферы и поверхности, измеряемые с борта самолета-лаборатории.
Краткая история развития самолетного зондирования и исследования атмосферы в ЦАО.
2. Исследования термодинамической структуры атмосферы с помощью самолетовлабораторий.
2.1. Термодинамическая структура атмосферы
Высотное распределение температуры, давления плотности и влажности воздуха. Стандартная
атмосфера. Сухо- и влажно-адиабатические процессы, термодинамическая устойчивость.
Потенциальная и виртуальная температура. Геострофический ветер, сила Кориолиса, поворот
ветра с высотой.
2.2. Турбулентность и ее описание
Определение турбулентности. Представление Рейнольдса. Статистическое описание поля
турбулентности, осреднение, эргодическая гипотеза, моменты распределений. Стационарность
(однородность)
турбулентности.
Спектральные
характеристики
турбулентности,
автокорреляционная функция, одномерные спектры, взаимные спектры, коспектры. Механика
турбулентности, уравнения для средних и пульсационных величин. Проблема замыкания
системы уравнений для турбулентного движения, коэффициенты турбулентного обмена,
аналогия Рейнольдса, турбулентные числа Прандтля и Шмидта. Условия возникновения и
развития турбулентности в атмосфере, области возникновения турбулентности. Число
Ричардсона, масштаб Обухова, частота Брендта-Вяйселя. Спектры атмосферной
турбулентности, перенос энергии по спектру. Скорость диссипации турбулентной энергии.
Турбулентный перенос импульса, тепла, примесей. Коэффициент турбулентного
перемешивания и методы его определения.
2.3. Методы исследования термодинамических параметров атмосферы с борта самолеталаборатории
Методы измерения температуры воздуха. Методы измерения влажности воздуха. Число Маха,
истинная воздушная скорость, аэродинамические поправки. Методы измерения параметров
собственного движения самолета, аэродинамических углов. Метод определения скорости и
направления ветра, формулы для расчета. Измерения термодинамических параметров
атмосферы другими методами (радиозондовым, радиолокационным, привязными аэростатами).
Особенности расчета турбулентных пульсаций скорости ветра и температуры по данным
самолетных наблюдений.
3. Представление о современных самолетных системах для контроля газового и аэрозольного
состава атмосферы, исследования излучения в атмосфере и от поверхности, радиационного
баланса в атмосфере, микрофизического состава облаков и осадков, радиолокационной
отражаемости в атмосфере. Особенности обработки, анализа и представления результатов
самолетного зондирования атмосферы и поверхности. Современные бортовые системы сбора,
передачи и обработки данных самолетного геофизического мониторинга.
4. Самолет-лаборатория Як-42Д «Росгидромет» и его измерительно-регистрирующий комплекс.
2.4. Практические занятия – в лабораториях организации (ОФОАВ, ОИСА, ЛНИЦ), на
самолете-лаборатории Як-42Д «Росгидромет».
3. Организация контроля
5
3.1. Контрольные работы - не предусмотрены
Итоговый контроль – сдача кандидатского экзамена
4. Научно-технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ
Программные пакеты Microsoft Office, Open Office, Origin Microcalc, ZetLab и др.
5. Материальное обеспечение дисциплины
– конференц-зал для чтения лекций с
использованием компьютерной системы, а также проекторы, принтеры, сканеры.
6. Литература
Основная литература
1. Хргиан А.Х., 1978: Физика атмосферы, Л., Гидрометеоиздат, т. 1, 247 с., т. 2, 319 с.
2. Ламли Дж.Л., Пановский Г.А., 1966: Структура атмосферной турбулентности, М., “Мир”, 264
с.
3. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н., 1976: Турбулентность в свободной
атмосфере, Л., Гидрометеоиздат, изд. 2-е, 288 с.
4. Струнин М.А., 2010: «Научно-методические основы исследования термодинамического
состояния атмосферы с борта самолета-метеолаборатории», М., Физматкнига, 2010 г., 96 с.
5. Атмосфера, 1991: Справочник (справочные данные, модели). Л., Гидрометеоиздат, 509 с.
6. Справочник. Облака и облачная атмосфера,1989: Л., Гидрометеоиздат, 646 с.
7. Измерительная система самолета-лаборатории Як-42Д «Росгидромет» для исследований и
мониторинга атмосферы и подстилающей поверхности, Краткое техническое описание
Долгопрудный, 2013 г., 86 с.
Дополнительная литература
1. Атмосферная турбулентность и распространения примесей, 1985, под ред. Ф.Т.М. Ньистадта
и Х. Ван Допа, Л., Гидрометеоиздат, 351 с.
2. Богородский В.В., Козлов А.И., 1985: Микроволновая радиометрия земных покровов, Л.
Гидрометеоиздат, 272 с.
3. Израэль Ю.А., 1984: Экология и контроль состояния природной среды, М., Гидрометеоиздат,
559 с.
4. А.А. Иванов, И.П. Мазин, М.А. Струнин (Ред. Коллегия) «Вопросы физики облаков»
Сборник статей памяти С.М. Шметера, 2008, «ФОП» Обнинск.
5. Мазин И.П. и Шметер С.М., 1983: Облака, строение и физика образования, Л.,
Гидрометеоиздат, 279 с.
6. Алоян А.Е., 2008: Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в
атмосфере, М., Наука, 415 с.
7. Зуев В.Е. и др., 1978: Лазерное зондирование атмосферного аэрозоля, Наука.
8. Роджерс Р.Р. 1979: Краткий курс физики облаков, Гидрометеоиздат, 231 с.
9. Русин Н.П., 1979: Прикладная актинометрия, Л., Гидрометеоиздат.
10. H.R. Pruppacher, J. D. Klett. Microphysics of Clouds and Precipitation, 2010, Springer.
Информационные письма и нормативные документы Росгидромета.
Научная литература, приобретенная обучающимися на получаемые ежегодные пособия в
форме целевых субсидий.
Журналы
Изв. РАН «Физика атмосферы и океана»»
«Метеорология и гидрология»
«Оптика атмосферы и океана»
«Радиофизика»
6
«Исследования Земли из космоса»
«Приборы и техника эксперимента»
«Метеоспектр»
«Стандарты и качество»
«Мир измерений»
Интернет-ресурсы
http://elibrary.ru - научная электронная библиотека
http://www.lib.msu. su – Каталог Научной библиотеки МГУ
http://www.rsl.ru/r_resl.htm - Каталог Российской государственной библиотеки
и др. информация, размещенная в Интернете.
7. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
По мере освоения лекционного курса предусмотрена самостоятельная работа обучающегося,
что позволяет углубить и закрепить теоретические знания. В ходе изучения дисциплины
используются доступные достижения научно-технического прогресса в данной области.
Для изучения и освоения программного материала по дисциплине должны быть использованы
учебная, научная, справочная и другая литература, рекомендуемая настоящей программой.