Программа дисциплины «Синоптическая метеорология»

Автор: Гущина Д.Ю., к.г.н., доц. Географический факультет, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Цели:

Овладение методом синоптического анализа и прогноза погоды общего пользования, а

также выработка навыков самостоятельного составления оперативных прогнозов погоды.

Задачи:

Формирование у студентов представлений:

- о синоптическом методе анализа

- о физических механизмах развития атмосферных процессов синоптических масштабов - о современных методах оперативного прогноза погоды - об использовании фронтологического анализа, как основного метода анализа и прогноза погоды - о составлении краткосрочных синоптических прогнозов.

- об отечественном и зарубежном опыте в области краткосрочных прогнозов погоды - о гидродинамических моделях, используемых в оперативной практике прогноза погоды в Гидрометцентре РФ Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина «Синоптическая метеорология» входит в модуль «Синоптическая метеорология» профессионального цикла вариативной части ООП. Дисциплина преподается на 4-м курсе в 7-м и 8-м семестрах.

Изучение курса базируется на предварительном усвоении студентами материала базовых метеорологических дисциплин: физической метеорологии, химии атмосферы, динамической метеорологии, климатологии; а также базовых физико-математических дисциплин: физики, гидромеханики, дифференциального исчисления, теории вероятности и математической статистики. Предполагается владение основами программирования и базовое владение компьютером.

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать:

основные системные концепции научного прогноза погоды;

пространственно-временные закономерности формирования полей основных метеорологических величин, а также функционирования и развития основных синоптических объектов: воздушных масс, циклонов, антициклонов и атмосферных фронтов;

принципы синоптического метода анализа погоды.

Уметь:

составлять анализ текущей погоды и прогноз погоды общего пользования с заблаговременностью от 1 до 5 суток с использованием результатов численных прогнозов погоды, спутниковой информации, информации о текущей погоде, данных радиолокаторов, данных аэрологического зондирования, данных расчетных методов прогноза метеорологических явлений.

Владеть:

методами фронтологического анализа;

методами прогноза и анализа текущей погоды с использованием информационной системы ГИС-метео;

расчетными методами оперативного прогноза основных метеорологических параметров и явлений погоды.

методами оперативного обслуживания потребителей и субъектов народного хозяйства Содержание дисциплины:

Введение Тема 1.Предмет и метод синоптической метеорологии.

Понятие погоды: периодические и непериодические изменения погоды и их причины.

Связь понятий погоды и климата.

Тема 2. Синоптический метод исследования и предсказания погоды.

Основные приемы и принципы синоптического анализа. Сущность методов научного прогноза погоды и пути их совершенствования.

Раздел 1. История и современное состояние синоптической метеорологии и службы погоды Тема 1. История синоптической метеорологии.

Возникновение синоптического метода и службы погоды. Основные этапы развития синоптической метеорологии и методов краткосрочных прогнозов погоды. Служба погоды в России и ее хозяйственное значение. Международное сотрудничество по вопросам организации и техники службы погоды. Всемирная служба погоды.

Тема 2. Метеорологическая информация.

Характеристика метеорологической информации, требования к первичной метеорологической информации. Системы получения метеорологической информации. Наземная сеть синоптических и аэрологических станций, требования к ней, сроки наблюдений.

Сбор и распространение метеорологической информации. Общая характеристика средств синоптического анализа; приземные и высотные карты, вертикальные разрезы, аэрологические диаграммы, данные авиационной разведки погоды, радиолокация и метеорологические спутники.

Раздел 2. Техника синоптического анализа Тема 1. Приземные карты погоды.

Задачи анализа карт погоды. Составление и анализ приземных карт погоды. Последовательность операций при обработке приземных карт погоды. Проведение линий фронтов. Выявление и исправление ошибок на приземных картах.

Тема 2. Карты барической топографии.

Составление и анализ карт барической топографии. Выявление и исправление ошибок на картах барической топографии, обработка вспомогательных карт Тема 3. Аэрологическая диаграмма.

Составление аэрологических диаграмм и вертикальных разрезов, их обработка и анализ. Использование спутниковых и радиолокационных данных.

Раздел 3 Синоптический анализ полей метеорологических элементов Тема 1. Основные уравнения для крупномасштабных движений.

Определение крупномасштабных движений. Квазигеострофическая система уравнений:

уравнения движения, уравнение притока тепла, квазигеострофические уравнения вихря и баланса.

Тема 2. Барическое поле и ветер.

Барический градиент и его изменения с высотой. Закономерности распределения и факторы, обуславливающие изменения во времени атмосферного давления. Уравнение тенденции давления. Поле ветра. Геострофический, градиентный и термический ветер.

Влияние силы терния на поле ветра.

Тема 3. Поле температуры и влажности.

Уравнения притока тепла и влаги. Связь температуры и влажности воздуха с полями давления, ветра и вертикальных движений.

Тема 4. Поле потенциального вихря.

Потенциальный вихрь Эртеля. Квазигеострофический потенциальный вихрь, доказательство его инвариантности. Модель тропосферы с постоянным потенциальным вихрем. Использование полей потенциального вихря в оперативном синоптическом анализе.

Тема 5. Поле вертикальных движений воздуха.

Классы вертикальных движений и их пространственно-временной масштаб. Крупномасштабные вертикальные движения, диагностическое уравнение для расчета вертикальной скорости в квазигеострофическом приближении. Циркуляции второго порядка малости (вертикальная скорость и агеострофический ветер), возникающие при взаимодействии крупномасштабной бароклинной зоны с бароклинными возмущениями умеренных широт. Поля облачности и осадков. Связь полей облачности и осадков с полями давления, ветра, вертикальных движений, температуры и влажности.

Раздел 4. Воздушные массы Тема 1. Теория и классификация воздушных масс.

Условия формирования, размеры и очаги воздушных масс. Консервативные свойства воздушных масс. Классификации воздушных масс.

Тема 2. Термодинамическая классификация воздушных масс.

Принципы термодинамической классификации. Условия конденсации и погоды в теплых, холодных и местных воздушных массах.

Тема 3. Географическая классификация воздушных масс.

Основы географической классификации воздушных масс. Происхождение, вертикальная мощность, влагосодержание, стратификация и условия погоды в арктических, умеренных и тропических воздушных массах.

Тема 4. Трансформация воздушных масс.

Общие условия трансформации воздушных масс. Трансформация абсолютная и относительная. Основные районы трансформации. Приемы изучения трансформации воздушных масс. Анализ уравнения локального изменения температуры воздуха. Факторы, определяющие трансформацию воздушных масс. Соотношение адвективных и трансформационных изменений температуры воздуха. Влияние орографии на воздушные массы Раздел 5. Тропосферные фронты Тема 1. Общие сведения о тропосферных фронтах.

Общие понятия о тропосферных фронтах. Классификация фронтов. Главные и вторичные фронты. Фронт как поверхность разрыва. Угол наклона фронтальной поверхности.

Фронт как бароклинная система. Условия существования стационарного фронта в барическом поле. Поворот ветра и изменение ветра с высотой при прохождении фронта.

Тема 2. Теплый фронт.

Ход метеоэлементов и погода, связанные с прохождением теплого фронта. Условия облакообразования на теплом фронте.

Тема 3. Холодный фронт.

Характеристика холодного фронта 1 рода. Условия погоды и облакообразования. Холодный фронт 2 рода и вторичный холодный фронт. Шквалы холодного фронта.

Тема 4. Фронт окклюзии.

Типы фронтов окклюзии. Характеристика и условия облакообразования на фронтах окклюзии. Загиб окклюзии. Отклонения от типичных схем.

Тема 5. Влияние орографии на фронты.

Влияние орографии на атмосферные фронты. Переваливание теплого и холодного фронта через хребты. Орографическая окклюзия. Явление боры.

Тема 6. Мнимые и маскированные фронты.

Тема 7.Фронтогенез и фронтолиз.

Индивидуальный и локальный фронтогенез и фронтолиз. Графический анализ условий фронтогенеза. Условия образования и разрушения фронтов. Основные процессы, приводящие к фронтогенезу и фронтолизу. Кинематический фронтогенез и фронтолиз. Условия фронтогенеза и фронтолиза в деформационном поле. Влияние бароклинной зоны на процессы фронтогенеза и фронтолиза. Фронтогенез в бароклинных возмущениях.

Влияние циркуляций второго порядка на процессы фронтогенеза. Цикл обратных связей в зоне фронта. Топографический фронтогенез.

Тема 8. Высотные фронтальные зоны и струйные течения.

Характеристика высотных фронтальных зон. Планетарные высотные фронтальные зоны. Классификация струйных течений. Фронтальные и бесфронтальные струйные течения. Субтропическое струйное течение. Стратосферные струйные течения. Струйные течения нижних уровней тропосферы. Струйные течения и тропопауза. Механизм формирования струйных течений, связь с планетарными волнами. Свойства струйных течений. Струйные течения и тропопауза. Особенности распределения вертикальных движений и облачности в струйных течениях.

Раздел 6 Циклоническая деятельность Тема 1. Общие сведения о циклонической деятельности.

Определение и терминология. Классификации циклонов и антициклонов. Общие сведения о циклонической деятельности. Географическая локализация основных очагов циклонической деятельности в Северном полушарии.

Тема 2. Циклоны умеренных широт.

Условия возникновения и развития термических и фронтальных циклонов внетропических широт. Теории фронтального циклогенеза: термическая, конвективная и волновая теории циклогенеза. Стадии развития циклона по волновой теории. Вихревая теория циклогенеза. Стадии развития фронтальных циклонов по вихревой теории. Структура термобарического поля и погодные условия в различных стадиях развития циклона.

Семейство циклонов. Центральный циклон. Регенерация циклонов. Циклогенез и эволюция высотных фронтальных зон и струйных течений.

Тема 3. Антициклоны умеренных широт.

Условия возникновения антициклонов. Стадии развития антициклонов. Структура термобарического поля и погодные условия в каждой стадии развития антициклона. Регенерация антициклонов. Блокирующие антициклоны.

Тема 4. Бароклинный циклогенез.

Длинные волны в бароклинной зоне умеренных широт и механизм их формирования.

Циклоны и антициклоны как бароклинные возмущения умеренных широт. Сценарий бароклинного циклогенеза.

Тема 5. Перемещение циклонов и антициклонов.

Тема 6. Влияние орографии на возникновение, эволюцию и перемещение циклонов и антициклонов.

Раздел 7. Технология составления краткосрочных прогнозов погоды Тема 1. Оперативный прогноз в Гидрометцентре РФ.

Задачи службы погоды на современном этапе, перспективы дальнейшего развития.

Общие сведения о прогностических математических моделях циркуляции атмосферы.

Глобальные модели и мезомодели в технологии оперативного прогноза Гидрометцентра РФ.

Тема 2. Основные требования к методам краткосрочного прогноза.

Предсказуемость синоптических процессов и погоды. Классификация прогнозов.

Оценка эффективности прогностических методов. Требования к технологии подготовки численных прогнозов погоды. Основные компоненты технологии численных прогнозов погоды: сбор и контроль первичной информации метеорологических наблюдений, усвоение гидрометеорологических данных, поле «первого приближения», гидродинамический прогноз метеорологических полей, физико-статистическая интерпретация гидродинамических прогнозов и формирование выходной продукции. Постановка задачи гидродинамического и физико-статистического прогноза. Функции специалиста-прогнозиста в технологии подготовки прогнозов общего назначения. Ограничения численных методов. Информационная база для составления оперативных прогнозов погоды. Содержание и форма представления прогнозов общего назначения.

Раздел 8. Общие приемы составления прогностических карт.

Тема 1. Классификация синоптических карт.

Виды синоптических карт. Типы бланков синоптических карт. Синоптический код КНПервичный анализ карт погоды. Задачи анализа карт погоды.

Тема 2. Обработка приземной карты.

Схема приземной наноски. Последовательность операций при обработке приземной карты. Обработка значений изотендеций. Проведение изобар, барический закон ветра, учет данных о ветре. Выявление центров циклонов и антициклонов, обозначение их траекторий. Выявление осадков, туманов и других характеристик погоды («подъм карты»). Проведение атмосферных фронтов на приземной карте. Основные признаки фронта на приземной карте. Операция согласования.

Тема 3. Техника составления и обработки карт барической топографии.

Схема аэрологической наноски. Назначение и обработка карт абсолютной топографии:

АТ850, АТ700, АТ500, АТ400, АТ300, АТ200, АТ100. Обработка и анализ карт относительной топографии. Карта ОТ1000.. Термобарические карты. Обработка и анализ вспомогательных карт. Карта опасных и особо опасных явлений погоды. Карты минимальных и максимальных температур, осадков. Снежного покрова и состояния почвы.Карта влажности. Карта вертикальных движений. Карта максимальных ветров. Карта тропопаузы.

Тема 4. Построение и обработка аэрологической диаграммы.

Операции на аэрологической диаграмме. Дополнительная обработка аэрологической диаграммы.

Раздел 9. Прогноз условий погоды. Современные оперативные методы прогноза.

Тема 1.Прогноз ветра Прогноз ветра и особых явлений погоды, связанных с ветром: метели, пыльной бури.

Тема 2. Прогноз температуры и влажности воздуха.

Прогноз температуры, влажности воздуха и заморозков: прогноз температуры и влажности воздуха в приземном слое и в свободной атмосфере, прогноз максимальной и минимальной температуры воздуха. Прогноз гололеда, изморози, метеорологических условий обледенения самолетов и морских судов.

Тема 3. Прогноз туманов.

Прогноз туманов: температуры туманообразования, радиационных и адвективных туманов, туманов испарения и смешения и антропогенных.

Тема 4.Прогноз видимости.

Прогноз неконвективной облачности, обложных и моросящих осадков. Прогноз конвективной облачности, ливневых осадков, гроз и града. Модели конвекции и их использование в прогностических целях.

Раздел 10. Прогноз синоптического положения. Диагноз и прогноз траекторий воздушных частиц Тема 1. Прогноз возникновения, эволюции и перемещения внетропических циклонов и антициклонов.

Тема 2.Прогноз перемещения и эволюции струйных течений (СТ).

Прогноз максимального ветра и высоты оси струйного течения. Использование данных ИСЗ и прогностических карт геопотенциала, полученных гидродинамическим методом, при прогнозе параметров СТ.

Тема 3. Прогноз перемещения и эволюции атмосферных фронтов (АФ).

Методы траекторий и ведущего потока. Физико-статистические методы. Использование данных ИСЗ для оценки ожидаемого перемещения и эволюции АФ.

Раздел 11. Географическая информационная система МЕТЕО (ГИС МЕТЕО) система обработки и представления аэросиноптической информации, прогноз погоды с использованием системы ГИС МЕТЕО.

Тема 1. Основные сведение о программном продукте MapMaker.

Программа MapMaker. Базы данных реального времени. Действия со слайдами. Работа с основными компонентами: построение приземных и высотных карт по стандартной схеме наноски, траекторий перемещения частиц, вертикальных разрезов по заданным маршрутам, аэрологических диаграмм. Расчет вертикальных скоростей, прогноза конвекции и гроз.

Тема 2. Анализ текущей погоды с использованием системы ГИС-Метео Построение и анализ полей основных метеоэлементов, анализ распределения воздушных масс по картам относительной топографии, анализ данных радиозондов, нанесение и анализ данных радиолокаторов, спутниковых снимков, проведение линий атмосферных фронтов.

Тема 3. Составление прогноза условий погоды с использованием системы ГИСМетео.

Построение и анализ прогностических полей метеоэлементов с различной заблаговременностью прогноза, проведение атмосферных фронтов на прогностических картах, уточнение и интерпретация результатов в терминах явлений и параметров приземной погоды, оценка возможности возникновения и интенсивности опасных и неблагоприятных явлений погоды, а также резких ее изменений. Составление текста анализа и прогноза синоптической ситуации над Европейской территорией России и прилегающими территориями. Распечатывание карт, диаграмм и разрезов на печатающем устройстве.

Рекомендуемая литература:

а) основная:

1) Гущина Д.Ю. Синоптическая метеорология. Атмосферные фронты. – Москва, Географический факультет МГУ, 2) Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Учеб. Пособие 3-е изд. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 3) Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. 2-е изд., перераб. и доп. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 4) Sylvie Malardel Fonadamentaux de meteorology, Тулуза, Cepadues-editions, 5) Волынцева О.И., Смирнова А.А. Анализ и прогноз погоды с помощью ГИС Метео под.ред. Акулиничевой А.А., Москва, НПО Мэп Мейкер, 6) Код для оперативной передачи данных приземных метеорологических наблюдений с сети станций Росгидромета. Под.ред. Фахрутдинова Н.П., Москва, Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 7) Гидрометеорологические прогнозы, под.ред. Ривина Г.С., Розинкиной И.А., Москва, Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, № 211, Труды ФГБУ Гидрометцентр РФ, Выпуск б) дополнительная:

1) Воробьев В.И. Синоптическая метеорология, Ленинград, Гидрометеоиздат, Методические указания по использованию радиолокационных данных в синоп-тическом анализе и краткосрочном прогнозе погоды, под.ред. Г.К. Веселовой, Ю.К.Федорова. – Москва,Гидрометео-издат 2) Наставление по службе прогнозов. Раздел 2. Части I и II., - Ленинград, Гидрометеоиздат, 3) Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. – Ленинград, Гидрометеоиздат, 4) Приходько М.Г. Справочник инженера-синоптика, - Ленинград, Гидрометеоиздат, 5) Hoskins B.J. and West N.V. Baroclinic waves and fronto-genesis, part II: Uniform potential vorticity jet flows, 1979 Quart.J.Roy.Met.Soc № Introduction to circulating atmospheres, Кэмбридж, Cambridge UniJames I.N.

versity Press., 7) McIlveen R. Fundamentlas of Weather and Climate Capman and Hall, А. Основная литература (с выделением подразделов) Волынцева О.И., Анализ и прогноз погоды с Акулиничева Москва НПО Мэп Б. Дополнительная литература (с выделением подразделов)

КэмJames I.N. Introduction to circulating Cambridge

В. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы – с выделением подразделов.

1. Географическая информационная система МЕТЕО (ГИС МЕТЕО) - система обработки и представления текущей и прогностической аэросиноптической информации (Раздел 2, 7-11).

2. Прямой доступ к оперативной базе данных прогноза погоды Гидрометцентра РФ (Раздел 7-11) 3. Доступ к результатам прогнозов 14 ведущих мировых центров прогноза погоды (Раздел 7-11) Разделы 1-11.

4. Архив карт погоды ECMWF по Европе 1996-1999 (приземное давление, 500 гПа, гПа) 5. Библиотека климатических данных (IRI-LDEO) 6. Всемирный центр метеоданных, Ashville (NOAA) 7. Гидрометеорологические данные по России (Ascii, по станциям) 8. Данные вертикального зондирования атмосферы (архив ун-та штата Wyoming) 9. Данные радиозондов по Европе (InfoNet) 10. Изменения климата в России (ГМЦ РФ и ИГКЭ) http://climate.mecom.ru/ 11. Карты погоды, Европа, AVN (приземное давление, на 500 гПа - геопотенциал и температура) – текущие и архив – Германия, Topkarten 12.Климатические данные по городам земного шара 13.Климатические данные NOAA (daily - global, regional, gif, Ascii,и др.) 14. Климатические данные по России и дальше (температура) 15. Климат океанов и прибрежных зон (по данным ICES) 16. Международный центр распространения данных (DDC-IPPC) 17. Метеоданные (архив ф-та метеорологии Флоридского ун-та) 18. Метеорологическая мачта в Обнинске 19. Статистическая структура глобальной атмосферы по данным радиозондирования http://www.meteo.ru/rihmi/oa/issl.htm 20. Данные лаборатории аэроклиматологии ВНИИГМИ-МЦД 21INFOMET, Испания (метеоданные – прогноз, анализ, архивы, вертикальное зондирование и др. ) XII. Материально-техническое обеспечение дисциплины. Разбить отдельно содержание бывшего п.8.

А. Помещения. Учебная аудитория на 25 мест с мультимедийным проектором для проведения лекционных и семинарских занятий Компьютерный класс на 10 мест для проведения практических занятий Б. Оборудование. Программа визуализации системы ГИС МЕТЕО “Map Maker”, установленная на сервере 10 автоматизированных рабочих мест оперативного синоптика Лазерная панель для демонстрации работы с программой “Map Maker” Разработчики-???