Рабочая учебная программа

Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Российский государственный гидрометеорологический университет»

в г. Туапсе

УТВЕРЖДАЮ: Заместитель директора по учебной работе (руководитель структурного подразделения) (в состав которого входит кафедра-составитель) __________________ «__»______________20__г.

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

дисциплины «Динамическая метеорология»

по направлению (специальности) 020602 «Метеорология»

Форма обучения очная Блок дисциплин СД. Ф.9

Всего учебных занятий, (в академических часах) в том числе: аудиторных, из них: лекций лабораторных самостоятельных (КСР)	80 64 32 32 15(1)
Отчетность Курсовой проект (работа) Экзамен	- 6 семестр

Туапсе

2012

Рабочая программа составлена на основании ГОС ВПО и учебного плана Филиала РГГМУ в г. Туапсе специальности (направления) 020602 «Метеорология»

на кафедре «Метеорологии и природопользования».

Составители рабочей программы

доцент, к. т.н. _________________

(должность, ученое звание, степень) (подпись) (Ф. И. О.)

Рабочая программа утверждена на заседании кафедры «Метеорологии и природопользования»

Протокол заседания № ___от «__»___ 20_ г.

Заведующий кафедрой

«___»________20__г. _________________

(подпись) (Ф. И. О.)

Согласовано с научно-методической комиссией

Председатель научно-методической комиссии

«___»________200__г. _________________ ___________________

(подпись) (Ф. И. О.)

1. Цели и задачи учебной дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Целью преподавания динамической метеорологии является формирование у студентов глубокого понимания причин развития и особенностей динамики процессов в атмосфере.

Задачей изучения дисциплины является формирование знаний и навыков, которые впоследствии могли бы служить фундаментальной основой для изучения синоптической метеорологии, гидродинамических прогнозов, климатологии, физических основ воздействия на атмосферные процессы, экологии и охраны атмосферы и других дисциплин.

1.2. Краткая характеристика дисциплины, ее место в учебном процессе

Курс «Динамическая метеорология» является одним из базовых курсов в системе образования специалистов в области метеорологии. Включая основные вопросы, связанные с гидродинамическими расчетами, он служит основой для ряда дисциплин прикладного характера.

1.3. Связь с предшествующими дисциплинами

Изучение курса «Динамическая метеорология» базируется на зна­ниях полученных студентами при прохождении курсов физики, математи­ки, механики жидкости и газа, физики атмосферы и др.

1.4. Связь с последующими дисциплинами

Знания, полу­ченные при изучении курса «Динамическая метеорология» применя­ются при изучении курсов синоптической метеорологии, гидродинамических прогнозов, климатологии, физических основ воздействия на атмосферные процессы, экологии и охраны атмосферы и других дисциплин.

2. Требования к уровню освоения дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен

иметь представление:

о математическом моделировании атмосферных движений и процессов;

знать:

временную динамику и пространственную структуру характерных движений в атмосфере;

уметь:

- творчески осмысливать физические механизмы формирования широкого спектра атмосферных процессов;

- решать задачи, связанные с количественными оценками атмосферных движений как в рамках аналитических моделей, так и с использованием современной вычислительной техники.

3. Распределение учебных занятий по семестрам и тематический план дисциплины

Таблица 1

Распределение видов и часов занятий по семестрам

Вид занятий	Количество часов в семестр	Всего
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Лекции Лабораторные работы Практические (семинарские) занятия Самостоятельная работа, в т. ч. - курсовой проект (работа) - контрольная работа - экзамен (сем.) - зачет (сем.) Итого						32 32 15 6				32 32 15 6 80

Таблица 2

Тематический план изучения дисциплины

№	Наименование разделов	Количество часов	Всего часов
Аудиторных	Самостоятельных (в том числе контроль СРС*
Лекции	Практ. (сем.) занятия	Лабораторные работы
1	Введение	1				1
2	Основные уравнения динамики турбулентной атмосферы	1		2		3
3	Замыкание системы уравнений турбулентной атмосферы, упрощение уравнений	2		2		4
4	Лучистые притоки тепла	2		4	2	8
5	Динамика свободной атмосферы	8		10	4	22
6	ППС и приземный слой атмосферы при стационарных и горизонтально-однородных условиях	6		6	2	14
7	Нестационарные процессы в ППС	4		4	2	10
8	Процессы над горизонтально-неоднородной поверхностью	2		2	1	5
9	Физические принципы численного прогноза	2			2	4
10	Некоторые вопросы энергетики атмосферы	2		2		4
11	Основы общей циркуляции атмосферы	2			2(1)	4(1)
Итого часов	32		32	15(1)	80

4. Содержание дисциплины

4.1. Теоретический курс

Таблица 3

Теоретический курс

Раздел, тема учебной дисциплины, содержание темы	Номер лекции	Количество часов
лекции	СРС
1	2	3	4
Введение	1	1
Содержание и структура курса «Динамическая метеорология», ее связь с другими общеобразовательными дисциплинами.		1
Раздел 1. Основные уравнения динамики турбулентной атмосферы	1	1
Тема 1.1. Силы, действующие в атмосфере. Спектр скорости ветра в приземном слое. Осреднение физических полей и уравнений. Выбор периода осреднения. Уравнения движения, неразрывности, переноса тепла, влаги и другой примеси в атмосфере для мгновенных и средних величин.		1
Раздел 2. Замыкание системы уравнений турбулентной атмосферы, упрощение уравнений	2	2
Тема 2.1. Связь турбулентных потоков с полями средних величин. Гипотезы замыкания полуэмпирической теории турбулентности. Уравнения баланса кинетической энергии среднего движения и энергии турбулентности. Замыкание системы уравнениями для статистических моментов более высокого порядка.		1
2.2. Классификация атмосферных движений, их характерные масштабы. Упрощение уравнений.		1
Раздел 3. Лучистые притоки тепла	3	2	1
Тема 3.1. Применимость законов теплового излучения к реальной атмосфере. Методы интегрирования уравнений переноса радиации в коротковолновой и длинноволновой областях спектра.		1
3.2. Интегральная функция пропускания. Методы расчета лучистых потоков и притоков тепла. Вертикальное распределение температуры при лучистом и радиационно-конвективном равновесии.		1
Раздел 4. Динамика свободной атмосферы	4,5,6,7	8	2
Тема 4.1. Движение без ускорения.		1
4.2. Эффекты горизонтальной температурной неоднородности. Термический ветер.		1
4.3. Геострофическая адвекция температуры, ее связь с изменением направления ветра по высоте.		1
4.4. Агеострофические отклонения. Формирование вертикальных движений в свободной атмосфере.		1
4.5.Поверхности раздела в атмосфере, примеры их формирования. Связь наклона поверхности раздела с полями ветра и температуры. Особенности полей ветра и давления в области фронта. Кинематика фронтогенеза.		2
4.6.Волны Россби в зональном потоке. Стационарные центры действия атмосферы. Неустойчивость волн Россби в зональном потоке.		2
Раздел 5. ППС и приземный слой атмосферы при стационарных и горизонтально-однородных условиях.	8,9,10	6	1
Тема 5.1. Модели замыкания системы уравнений ППС. Приземный слой (теория подобия и нелинейная модель).		2
5.2. Малопараметрические модели ППС с априорным профилем коэффициента турбулентности. Численные модели ППС		2
5.3. Взаимодействие ППС со свободной атмосферой. Вертикальные скорости на верхней границе ППС.		2
Раздел 6. Нестационарные процессы в ППС.	11	4
Тема 6.1. Общая постановка задачи, суточные колебания метеорологических величин, модель суточного хода температуры		2
6.2. Ночное понижение температуры поверхности почвы		2
Раздел 7. Процессы над горизонтально-неоднородной поверхностью		2
Тема 7.1. Внутренние пограничные слои в атмосфере. Трансформация метеорологических характеристик под влиянием изменения свойств подстилающей поверхности.		1
Тема 7.2. Практические приложения теории трансформации (применение в синоптическом прогнозе, расчет адвективных заморозков и туманов, расчет норм орошения)		1
Раздел 8. Физические принципы численного прогноза	12	2
Тема 8.1. Изобарическая система координат. Преобразование уравнений в изобарическую систему координат. Уравнения переноса вихря скорости и дивергенции.		1
8.2. Баротропный потенциальный вихрь, условие его сохранения. Бароклинный вихрь Эртеля. Непериодические изменения давления во времени. Адаптация полей скорости ветра и давления		1
Раздел 9. Некоторые вопросы энергетики атмосферы		2
Тема 9.1. Основные формы энергии и их взаимные преобразования в атмосфере. Баланс различных видов энергии для единичной массы воздуха и для вертикального столба атмосферы. Соотношение между внутренней и потенциальной энергией в столбе воздуха бесконечной высоты.		1
9.2. Доступная потенциальная энергия. Энергетический баланс глобальной атмосферы, скорость генерации и диссипации различных видов энергии		1
Раздел 10. Основы общей циркуляции атмосферы	13	2
Тема 10.1 Крупномасштабная турбулентность. Зонально осредненные уравнения движения и переноса тепла. Баротропная неустойчивость зонального переноса.		1
10.2. Особенности переноса воздушных масс в экваториальной зоне.		1
Итого		32	4

4.2. Практические (семинарские) занятия

Практические (семинарские) занятия учебным планом не предусмотрены

4.3. Лабораторные занятия

Таблица 4

Лабораторные работы

Номер занятия	Наименование лабораторной работы	Номер раздела, тема дисциплины	Формы контроля выполнения работы*	Объем в часах
Ауди-торных	СРС
1	Анализ размерностей в задачах метеорологии	Раздел 2. Тема 2.1.	Отчет и защита лабораторной работы	2
2	Геопотенциал изобарических поверхностей	Раздел 4. Тема 4.1.	Отчет и защита лабораторной работы	2
3	Расчет лучистых потоков и притоков тепла	Раздел 3. Тема 3.2.	Отчет и защита лабораторной работы	4
4	Геострофическая адвекция температуры	Раздел 4. Тема 4.3.	Отчет и защита лабораторной работы	2
5	Термический ветер	Раздел 4. Тема 4.2.	Отчет и защита лабораторной работы	2
6	Вертикальные движения в свободной атмосфере	Раздел 4. Тема 4.4.	Отчет и защита лабораторной работы	2
7	Фронтальные поверхности	Раздел 4. Тема 4.5.	Отчет и защита лабораторной работы	2
8	Спираль Экмана и определение характеристик турбулентности в ППС	Раздел 5. Тема 5.2.	Отчет и защита лабораторной работы	4
9	Вертикальные профили метеовеличин; турбулентные потоки количества движения, тепла и влаги в приземном слое	Раздел 5. Тема 5.1.	Отчет и защита лабораторной работы	4
10	Расчет фрикционных вертикальных скоростей	Раздел 5. Тема 5.3.	Отчет и защита лабораторной работы	2
11	Суточные колебания температуры воздуха и ночное понижение температуры поверхности почвы	Раздел 6. Тема 6.1. Тема 6.2.	Отчет и защита лабораторной работы	4	1
12	Трансформация метеорологических полей в приземном слое. Применение теории трансформации при решении практических задач	Раздел 7. Тема 7.2.	Отчет и защита лабораторной работы	2	1
13	Оценки составляющих энергетического баланса атмосферы	Раздел 8. Тема 8.1.	Отчет и защита лабораторной работы	2	1
	ИТОГО			32	3

4.4. Курсовой проект (работа)

Курсовой проект учебным планом не предусмотрен.

4.5. Самостоятельная работа студентов

Таблица 6

Программа самостоятельной работы студентов

Номера разделов и тем дисциплины	Виды СРС	Сроки выполнения	Формы конт-роля СРС	Объём, часов
Раздел 3. Тема 3.3.	Решение задач и упражнений	В течение недели после тематической лекции	Контрольное задание	1
Раздел 4. Тема 4.2.	Решение задач и упражнений	В течение недели после тематической лекции	Контрольное задание	2
Раздел 5. Тема 5.2.	Решение задач и упражнений	В течение недели после тематической лекции	Контрольное задание	1
Раздел 6. Тема 6.1.	Решение задач и упражнений	В течение недели после тематической лекции	Контрольное задание	1
Раздел 8. Тема 8.2.	Решение задач и упражнений	В течение недели после тематической лекции	Контрольное задание	1
Раздел 10. Тема 10.1.	Решение задач и упражнений	В течение недели после тематической лекции	Контрольное задание	2(1)
	Итого			8(1)

5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

5.1. Перечень рекомендуемой литературы

Основная литература:

1.  Динамическая метеорология. Под ред. . – Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

2.  Задачник по динамической метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

3.  Подольская жидкости и газа. Раздел «Геофизическая гидродинамика». Учебное пособие. – СПб.: изд. РГГМУ, 2007. – 154 с.

Дополнительная литература:

4.  Монин основы геофизической гидродинамики. - Л., Гидрометеоиздат, 1988.

5.  Основы динамической метеорологии. Под ред. и . - Л.: Гидрометеоиздат, 1955.

6.  Радикевич метеорология для океанологов, Л. ЛГМИ, 1985.

5.2. Методические рекомендации (материалы) преподавателю

По дисциплине «Динамическая метеорология» учебным планом предусмотрены следующие виды учебных занятий: лекции и лабораторные работы.

Лекции являются одним из основных методов обучения и должны решать следующие задачи:

·  изложение важнейшего материала программы курса, освещающего основные моменты;

·  формирование у студентов потребности к самостоятельной работе над учебной и научной литературой.

Методика чтения лекций зависит от этапа изучения предмета и уровня общей подготовки обучающихся, форма ее проведения - от характера темы и содержания материала.

Главной задачей каждой лекции является раскрытие сущности темы и анализ ее главных положений. Рекомендуется на первой лекции довести до внимания студентов структуру курса и его разделы, а в дальнейшем указывать начало каждого раздела, суть и его задачи, а, закончив изложение, подводить итог по этому разделу, чтобы связать его со следующим.

Содержание лекций определяется рабочей программой курса. Каждая лекция должна охватывать и исчерпывать определенную тему курса и представлять собой логически законченную работу.

Целями проведения лабораторных работ являются:

·  установление связей теории с практикой в форме экспериментального подтверждения положений теории;

·  обучение студентов умению анализировать полученные результаты;

·  контроль самостоятельной работы студентов по освоению курса;

·  обучение навыкам профессиональной деятельности.

Цели лабораторного практикума достигаются наилучшим образом в том случае, если выполнению эксперимента предшествует определенная подготовительная внеаудиторная работа. Поэтому преподаватель должен стимулировать целенаправленную домашнюю подготовку.

Перед началом очередного занятия преподаватель должен удостовериться в готовности студентов к выполнению лабораторной работы путем короткого собеседования и проверки наличия у студентов заготовленных протоколов проведения работы.

5.3. Методические рекомендации студентам

При изучении дисциплины «Динамическая метеорология» студент может использовать материалы, находящиеся в электронной библиотеке филиала (папка «Динамическая метеорология»), в студенческой библиотеке филиала, а также в городской библиотеке. Кроме того, в сети интернет можно найти соответствующую информацию по многим темам курса.

Главной целью лабораторных работ является установление тесных взаимосвязей теоретического курса с практикой. При подготовке к выполнению лабораторных работ студент должен изучить теоретический материал по теме лабораторной работы и подготовить отчет по лабораторной работе.

Предварительная подготовка студента к лабораторному занятию проводится на лекциях, в процессе самостоятельной работы с обязательной и дополнительной литературой.

Значительная часть программного материала учебных дисциплин изучается студентами самостоятельно. Самостоятельная работа преследует две цели:

·  научить студентов работать самостоятельно, что необходимо для развития у будущих специалистов навыков творческого мышления;

·  научить студентов получать знания путем самообразования, например, в виде индивидуальной работы под руководством преподавателя.

Ниже предлагаются некоторые формы организации самообразования.

1.  Изучение разделов или тем дисциплины по учебникам или учебным пособиям. Результаты этой работы проверяются по выполненным индивидуальным заданиям

2.  Усвоение части лекции по раздаточному материалу, что позволяет преподавателю уделить больше внимания изложению основного материала. Результаты данной работы проверяются на соответствующих этапах рейтинг-контроля.

3.  Работы с автоматизированными обучающими и контролирующими системами как в рамках лекционных занятий, так и в рамках подготовки к лабораторным работам или практическим занятиям.

4.  Работа над разделами или темами дисциплины по специальной или научной литературе. Ее результаты проверяются на соответствующих этапах рейтинг-контроля.

6. Формы и методика текущего, промежуточного и итогового контроля

В соответствие с положением филиала РГГМУ в г. Туапсе «О модульной системе обучения», утвержденной ученым советом филиала 3 июля 2007 г., протокол № 15.

7.  Экзаменационные вопросы по дисциплине «Динамическая метеорология»

1.  Силы, действующие в атмосфере, их физическая природа и математическая запись.

2.  Модель суточного хода температуры воздуха в пограничном слое атмосферы. Решение задачи.

3.  Мгновенные значения метеорологичес­ких величин, их средние значения и турбулентные флуктуации. Спектр скорости ветра в приземном слое. Осреднение физических полей и уравне­ний. Выбор периода осреднения.

4.  Анализ решения задачи о суточном ходе температуры воздуха в пограничном слое атмосферы.

5.  Уравнения движения, неразрывности, переноса тепла, влаги и другой примеси в атмосфере для мгновенных и средних величин. Эффекты осреднения.

6.  Непериодические изменения температуры воздуха в приземном слое, ночное понижение температуры поверхности почвы.

7.  Термические эффекты сжатия и расширения в турбулентных вихрях при их вертикальных перемещениях. Критерии ста­тической устойчивости.

8.  Метеорологические процессы над горизонтально-неоднородной поверхностью. Постановка задачи о трансформации метеорологи­ческих характеристик под влиянием изменения свойств подстилающей по­верхности.

9.  Турбулентные потоки и притоки количества движения, тепла, водяного пара и примеси в атмосфере. Критерии ста­тической устойчивости в турбулентном пограничном слое.

10.  Модельная задача о трансформации метеорологи­ческих характеристик в приземном слое под влиянием изменения свойств подстилающей по­верхности ( степенные законы для вертикальных профилей коэффициента турбулентности и скорости ветра).

11.  Различные формы записи уравнения притока тепла для атмосферы.

12.  Определение турбулентных потоков тепла и влаги с поверхности в условиях трансформации потока. Высота внутреннего пограничного слоя.

13.  Связь турбулентных потоков с полями средних величин. Гипотезы замыкания полуэмпирической теории турбулентности.

14.  Обобщённая изобарическая система координат. Общий принцип преобразования уравнений из геометрической системы координат в систему, связанную с давлением.

15.  Уравнения ба­ланса кинетической энергии среднего движения и энергии турбулентности.

16.  Преобразование уравнений движения и притока тепла в изобарическую систему координат.

17.  Классификация атмосферных движений, их характерные масштабы. Упро­щение уравнений.

18.  Параметризация планетарного пограничного слоя.

19.  Применимость законов теплового излучения к реальной атмосфере.

20.  Граничные условия в задаче краткосрочного прогноза по примитивным уравнениям.

21.  Вывод уравнений переноса радиации.

22.  Процедура численного решения уравнений гидротермодинамики применительно к задачам краткосрочного прогноза ( по примитивным уравнениям).

23.  Методы интегрирования уравнений переноса радиации в коротко­волновой и длинноволновой областях спектра.

24.  Вывод уравнения переноса вихря в изобарической системе координат; его упрощение.

25.  Интегральная функция про­пускания. Методы расчета лучистых потоков и притоков тепла.

26.  Вывод уравнения для дивергенции, его упрощённая форма.

27.  Вертикальное распределение температуры при лучистом и радиационно - конвективном равновесии.

28.  Квазигеострофическая модель краткосрочного прогноза.

29.  Градиентный ветер по прямолинейным и криволинейным изобарам. Точные и приближённые формулы при больших радиусах кривизны траектории. Особенности антициклонических систем.

30.  Бароклинный потенциальный вихрь Эртеля и баротропный потенциальный вихрь; условия их сохранения.

31.  Эффекты горизонтальной температурной неодно­родности. Термический ветер.

32.  Непериодические из­менения давления во времени. Адаптация полей скорости и давления.

33.  Геострофическая адвекция температуры, ее связь с изменением направления ветра по высоте.

34.  Основные формы энергии и уравнения для их изменений.

35.  Агеострофические отклонения. Формирова­ние вертикальных движений в свободной атмосфере.

36.  Ба­ланс различных видов энергии для единичной массы воздуха и для верти­кального столба атмосферы. Соотношение между внутренней и потенциаль­ной энергией в столбе воздуха бесконечной высоты. Доступная потенци­альная энергия.

37.  Агеострофические отклонения. Формирова­ние вертикальных движений в свободной атмосфере.

38.  Взаимные преобразования различных видов энергии в столбе воздуха бесконечной высоты.

39.  Волны Россби в зональном потоке. Стационарные центры действия атмосферы.

40.  Энергетический баланс глобальной атмосферы, скорость генерации и диссипации различных видов энергии.

41.  Неустойчивость волн Россби в зональном потоке.

42.  Влияние бароклинности на изменение циркуляции по замкнутому контуру.

43.  Модели замыкания системы уравнений для ППС.

44.  Влияние вращения Земли на изменение циркуляции по замкнутому контуру.

45.  Упрощение уравнений для приземного слоя.

46.  Влияние трения на изменение циркуляции по замкнутому контуру

47.  Общий вид зависимости коэффициента турбулентности в приземном слое атмосферы (элементы теории подобия и анализа размерностей).

48.  Крупномасштабная турбулентность. Зонольно осредненные уравнения движения и переноса тепла.

49.  Распределение по высоте коэффициента турбулентности и метеопараметров (скорости ветра, температуры, влажности и других примесей) при близких к нейтральной и нейтральной стратификациях.

50.  Элементы общей циркуляции атмосферы.

51.  Распределение по высоте коэффициента турбулентности и метеопараметров (скорости ветра, температуры, влажности и других примесей) при сильной устойчивости ( инверсия) и при свободной конвекции.

52.  Основной характер общего переноса в атмосфере.

53.  Малопараметрические модели ППС с априорным профилем коэффициента турбулентности.

54.  Баротропная неустойчивость зонального переноса.

55.  Нелинейные модели по­граничного слоя атмосферы.

56.  Особенности переноса воздушных масс в экваториальной зоне.

57.  Взаимодействие ППС со свободной атмосферой. Вертикальные скорости на верхней границе ППС.

58.  Преобразование уравнения неразрывности в изобарическую систему координат.

59.  Нестационарные процессы в пограничном слое атмосферы. Общая постановка задачи

60.  Условия бароклинной неустойчивости. Простейшие критерии бароклинной неустойчивости.