Примерная программа учебной дисциплины



Скачать 195.9 Kb.
Дата23.06.2019
Размер195.9 Kb.
ТипПрограмма

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Географический факультет

«Утверждено»

______________________

ФИО


_______________________

Подпись



ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Наименование дисциплины «Дистанционные методы измерений в гидрометеорологии»


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

1. Цели и задачи освоения дисциплины

Основными целями освоения дисциплины «Дистанционные методы в гидрометеорологии» являются:



  • формирование представления о задачах, возможностях и проблемах современных дистанционных методов измерений в гидрометеорологии, об их точности и надёжности;

  • получение знаний о физических основах основных методов дистанционных наблюдений в метеорологии, океанологии и гидрологии суши;

  • формирование представления об алгоритмах обработки данных дистанционных измерений;

  • получение навыков простейшей обработки данных дистанционных наблюдений с помощью различных программных средств;

Для достижения данной цели необходима реализация следующих задач:

  • ознакомление с основными понятиями и законами теории излучения и теории переноса электромагнитных волн в атмосфере и океане;

  • ознакомление с основными особенностями измерений радиационных потоков в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах;

  • ознакомление с особенностями активных и пассивных радиолокационных измерений в микроволновом диапазоне, анализ уравнения радиолокации;

  • изучение методов акустического зондирования атмосферы и океана;

  • ознакомление с алгоритмами обработки данных дистанционных наблюдений и восстановления гидрометеорологических характеристик по данным дистанционных измерений


2. Место дисциплины в структуре ООП

Данная дисциплина входит в модуль «Методы получения и анализа гидрометеорологической информации» общепрофессионального цикла базовой части ООП по направлению «Гидрометеорология». Изучение курса базируется на предварительном усвоении студентами материала следующих дисциплин: высшей математики с основами математического анализа, общей физики, общей химии, общего землеведения, картографии, аэрокосмических методов, метеорологии и климатологии, физической метеорологии, гидрологии. На основе знаний, полученных в рамках данной дисциплины, базируются следующие дисциплины, входящие в ООП «Гидрометеорология»: спутниковая метеорология, синоптическая метеорология, мезометеорология, климатология, теория климата.

Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь дисциплины «Дистанционные методы в гидрометеорологии» с другими частями ООП определяется следующей совокупностью компетенций, необходимых для освоения данной дисциплины:

Студент должен:



знать: общие эколого-географические дисциплины, основы гидрометеорологии (общие представления об атмосфере, океане и водах суши), общую физику, высшую математику с основами математического анализа, основы геодезии и картографии, аэрокосмические методы исследований;

уметь: использовать основные аэрокосмические методы исследования с целью дешифрирования космических снимков, полученных с ресурсных спутников, выполнять эколого-географическое описание регионов, решать простейшие задачи математического анализа;

владеть: навыками программирования на любом из основных языков (FORTRAN, С++, PYTHON); навыками работы в одном из основных программных пакетов, позволяющих выполнять обработку рядов данных (EXCEL, STATISTICA, MATLAB); первичными навыками дешифрирования космических снимков.
3.Требования к результатам освоения дисциплины:

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

готовность использовать современные методы обработки и интерпретации гидрометеорологической информации в профессиональной деятельности (ПК-5)

В результате освоения дисциплины, студент должен:



знать: теоретические основы и методические принципы получения информации о значениях гидрометеорологических величин дистанционными методами измерений с искусственных спутников Земли, с самолетов-лабораторий, наземных радиолокационных станций, лазерных и других оптических установок; посредством акустического зондирования атмосферы, океана и гидросферы; возможности дистанционных методов обнаружения загрязняющих веществ на морских акваториях и водных объектах суши, а также в атмосфере (в случае лесных пожаров, извержений вулканов, промышленных выбросов и аварий);

уметь: определять методами дистанционных измерений физические и морфологические характеристики водных объектов (скорость и направление течения, содержание взвешенных веществ их характер, температуру и соленость воды, фронтальные зоны, характер фитопланктона в пресных и соленых водоёмах, диагностировать пространственные особенности паводков и половодий, ледовую обстановку); определять методами дистанционных измерений физические характеристики атмосферы (температуру и влажность, водность, геометрию и морфологию облачного покрова, скорость ветра);

владеть навыками получения данных дистанционного зондирования, методами их статистической обработки (в том числе, автоматизированной) с применением современных программных средств (GRADS, FORTRAN, IDL, FERET и др.); методами их анализа и навыками использования результатов данного анализа в научных, прикладных и производственных целях.

4. Структура и содержание дисциплины

4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72 академических часов, дисциплина преподается в 5 семестре 2 часа в неделю. Аудиторная нагрузка составляет 36 часов, из них лекционных – 18 часов, семинарских – 18 часов. Самостоятельная работа студентов составляет 36 часов. Форма отчётности - зачёт


Распределение часов по разделам дисциплины и видам учебной работы



п/п




Раздел, тема


Семестр

Всего

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)

Форма промежуточной аттестации













Лекции

Семинары

Самостоятельная работа.




1.

Введение

5




1




2

Тестирование

2.

Излучение, поглощение и рассеяние электромагнитных волн в мутной среде

5




2

2

4

Зачет по семинару

3.

Дистанционные измерения в видимом и в ультрафиолетовом диапазонах.

5




2

2

4

Зачет по семинару

4.

Измерения в микроволновом диапазоне средствами пассивной локации.

5




2

2

4

Зачет по семинару

5.

Измерения в микроволновом диапазоне средствами активной локации

5




2

2

4

Зачет по семинару

6.

Доплеровские системы наблюдений

5




2

2

4

Зачет по семинару

7.

Поляризационные измерения

5




2

2

4

Зачет по семинару

8.

Определение скорости ветра по смещению в атмосфере оптических неоднородностей

5




2

2

4

Зачет по семинару

9.

Акустические методы зондирования в океане и атмосфере.

5




2

2

4

Зачет по семинару

10.

Дистанционные методы измерений и современные проблемы мониторинга

5




1

2

2

Зачет по семинару




ИТОГО:




72

18

18

36

Зачёт



4.2. Содержание дисциплины.

Введение.

Принципы деления методов измерений на контактные, телеметрические и дистанционные. Дистанционные методы пассивной и активной локации. Гидрометеорологические величины, измеряемые дистанционно. Типы используемых для измерений искусственных спутников Земли, требования, предъявляемые к их орбитам для решения конкретных задач. Частоты электромагнитного излучения. Роль дистанционных наблюдений в современной гидрометеорологии, их место в Глобальной системе наблюдений. Точность дистанционных наблюдений



Раздел 1. Излучение, поглощение и рассеяние электромагнитных волн в мутной среде

Законы излучения Планка, Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Понятия об излучательной и поглощательной способности различных тел и сред, радиояркостной и радиационной температуре. Смысл абсолютно чёрного тела. Серые и селективные поверхности и среды. Локализация и свойства линий и полос поглощения в газах, их изменчивость. Основные газы, поглощающие и излучающие электромагнитные волны, проблемы учёта влияния на измерения «промежуточного слоя атмосферы».


Раздел 2. Дистанционные измерения в видимом и в ультрафиолетовом диапазонах.

Солнечная радиация как средство пассивной локации. Оптико-фотографические и телевизионные исследования облачности, пылевых скоплений, лесных пожаров, наводнений, промышленных выбросов в атмосферу и в водоемы, водной растительности, взвесей, донных отложений.


Раздел 3. Дистанционные измерения в инфракрасном участке спектра.

Уходящая от Земли радиация. Измерение температуры верхней границы облаков, поверхности суши, океана и поверхности водных объектов суши, содержания в воздухе водяного пара, концентрации парниковых газов.


Раздел 4. Измерения в микроволновом диапазоне средствами пассивной локации.

Микроволновой диапазон измерений. Определение солености морской воды, влагосодержания почвы, водности облаков. Индикация плавучего льда, образования пены, и морского волнения. Определение скорости приводного ветра на основе данных о морском волнении.


Раздел 5. Измерения в микроволновом диапазоне средствами активной локации.

Активная локация. Радиолокаторы на спутниках и самолетах. Всепогодные измерения степени морского волнения, идентификация морских льдов, индикация изменений ледниковых покровов в горах, в Гренландии и Антарктиде.


Раздел 6. Доплеровские системы наблюдений.

Эффект Доплера. Доплеровские радиолокаторы и лидары. Измерение с помощью доплеровских локаторов высоты облаков и интенсивности осадков, сравнение с наземными наблюдениями. Восстановление на основе лидарных данных профилей температуры и влажности воздуха, и их сравнение с данными радиозондирования. Восстановление профилей аэрозолей и загрязняющих веществ.


Раздел 7. Поляризационные измерения.

Поляризация. Отраженное поляризованное излучение. Получение информации о микрофизической структуре облаков, фазе продуктов конденсации, их форме и характеристиках аэрозольных частиц.


Раздел 8. Определение скорости ветра по смещению в атмосфере оптических неоднородностей.

Использование системы геостационарных спутников для определения скорости ветра по смещению облаков, неоднородностей в полях влажности и т.п. Сравнение полученных величин с результатами радиозондирования и с другими данными метеорологических измерений.


Раздел 9. Акустические методы зондирования океана и атмосферы.

Акустическая томография океана, анализ получаемых данных. Акустическое зондирование атмосферы. Использование акустического зондирования для изучения пограничного слоя атмосферы, построения вертикальных профилей температуры, влагосодержания и компонент скорости ветра и их сравнение с результатами радиозондирования.


Раздел 10. Дистанционные методы измерений и современные проблемы мониторинга.

Роль дистанционных методов при мониторинге опасных явлений (лесные и степные пожары, наводнения и др.). Экологический мониторинг. Использование космической информации для мониторинга дрейфа айсбергов, динамики морских льдов, описания покровного оледенения. Актуальные проблемы дистанционного зондирования, пути их решения. Использование результатов дистанционных данных в задаче гидродинамического прогноза погоды. Усвоение данных дистанционных измерений в современной системе глобального анализа гидрометеорологических данных.


4.3. Аннотация

Основной целью дисциплины «Дистанционные методы измерений в гидрометеорологии» является формирование четкого представления об основных методах дистанционных наблюдений в метеорологии, океанологии и гидрологии; о их точности и об алгоритмах обработки; получение навыков простейшей обработки данных дистанционных наблюдений с помощью различных программных средств. Курс состоит из вводной части (Введение) и 10 разделов («излучение, поглощение и рассеяние электромагнитных волн в непрозрачной среде», «дистанционные измерения в видимом и в ультрафиолетовом диапазонах», «дистанционные измерения в инфракрасном участке спектра», «измерения в микроволновом диапазоне средствами пассивной локации», «измерения в микроволновом диапазоне средствами активной локации», «доплеровские системы наблюдений», «поляризационные измерения», «определение скорости ветра по смещению в атмосфере оптических неоднородностей», «акустические методы зондирования океана и атмосферы», «дистанционные методы измерений и современные проблемы»). Изучение курса базируется на предварительном усвоении студентами материала следующих дисциплин: высшей математики с основами математического анализа, общей физики, общей химии, общего землеведения, картографии, аэрокосмических методов, метеорологии и климатологии, физической метеорологии, гидрологии. На основе знаний, полученных в рамках данной дисциплины, базируются следующие дисциплины, входящие в ООП «Гидрометеорология»: спутниковая метеорология, синоптическая метеорология, мезометеорология, климатология, теория климата. Дисциплина преподаётся в 5 семестре, ее общая трудоёмкость составляет 72 часа (2 зачётные единицы).



5. Рекомендуемые образовательные технологии

В процессе преподавания дисциплины «Дистанционные методы измерений в гидрометеорологии» применяется лекционно-семинарско-зачётная система обучения. В рамках лекционной составляющей данной дисциплины применяются такие виды лекций, как вводная, обзорная и проблемная. В рамках семинарских занятий каждый обучающийся делает доклад по определенной теме, остальные обучающиеся и преподаватель в обязательном порядке задают вопросы докладчику, обсуждают его доклад. Также по каждому из десяти разделов курса обучающиеся выполняют по одной практической работе по чтению и обработке данных дистанционных наблюдений в электронном виде, визуальной оценке изображений облачности, морской поверхности, водных объектов суши, речных долин и состояния деятельной поверхности по спутниковым снимкам. Итоговый зачет суммируется из результатам посещаемости лекций и семинаров, из оценки качества сделанных докладов и активности обучающихся на семинарских занятиях, а также из результатов практических работ, промежуточных контрольных работ и коллоквиумов.


6.Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Рекомендуется проводить промежуточную аттестацию по результатам семинарских занятий и итогам самостоятельной работы. Самостоятельная работа студентов направлена на подготовку докладов, а также на выполнение практических заданий. По каждому из десяти разделов преподаватель оценивает результаты работы студентов по зачётной системе («зачёт», «незачёт»). Итоговый зачёт проставляется только в том случае, если обучающийся получил «зачёт» по всем 10 разделам.



Примерные темы докладов к семинару.

  • Прогноз по спутниковым телевизионным снимкам перемещения и эволюции тропических циклонов и полярных мезоциклонов.

  • Нефанализ в тропической и умеренной зонах Земного шара и его использование в задачах синоптической метеорологии.

  • Изучение пограничного слоя атмосферы с помощью акустического зондирования.

  • Аэрозольно-оптическая толщина атмосферы по результатам лазерного зондирования.

  • Методы дистанционного обнаружения линей, гроз, града и шквалов.

  • Точность восстановления характеристик облачности (балла, водности, морфологической структуры) по спутниковым данным.

  • Восстановление компонентов радиационного баланса Земли по спутниковыми данным и сравнение с наземными наблюдениями.

  • Изучение озонового слоя Земли с помощью дистанционных методов измерения.

  • Проблемы восстановления поля осадков по спутниковым данным.

  • Восстановление вертикальных профилей ветра дистанционными методами.

  • Анализ скорости приводного ветра и морского волнения на основе спутниковых данных.

  • Восстановление температуры поверхности океана по спутниковым данным и сравнение с результатами контактных наблюдений

  • Концентрация и пространственное распределение фитопланктона в Мировом океане по спутниковым данным.

  • Исследование морских течений на основе спутниковых данных.

  • Изучение структуры морских льдов и их динамики на основе дистанционных измерений

  • Изучение синоптической изменчивости различных частей Мирового океана на основе спутниковых данных.

  • Применение дистанционных методов для оценки экологического состояния морей и гидрологических объектов суши

  • Проблемы изучения формирования речных пойм и динамики речных долин по данным аэрокосмических съемок и спутниковых снимков.

  • Измерение влажности почвы дистанционными методами.

  • Изучение снежного покрова по спутниковым данным и прогноз слоя стока половодья.

  • Мониторинг половодий по спутниковым данным.

  • Применение дистанционных методов для изучения колебаний уровня воды в водохранилищах.

  • Анализ катастрофических паводков и наводнения по спутниковым данным.

  • Картографирование динамики речных дельт на основе космических снимков.

  • Мониторинг горных ледников по спутниковым данным

  • Использование спутниковых данных для задач мониторинга селеопасных районов.

  • Мониторинг покровного оледенения Гренландии и Антарктиды по спутниковым данным.


Перечень контрольных вопросов и заданий.

  • Чем принципиально отличаются контактные, телеметрические и дистанционные методы?

  • Перечислить носители, которые являются платформами для установки аппаратуры, предназначенной для дистанционных измерений в гидрометеорологии.

  • Каковы требования к аппаратуре, предназначенной для пассивной локации в видимом диапазоне атмосферы, наземных и ресурсных объектов?

  • В каком участке спектра находятся «окна прозрачности»?

  • Что называется «радиояркостной температурой»? Привести формулы.

  • В каких пределах меняется излучательная способность суши и морской поверхности в микроволновом диапазоне, от чего она зависит?

  • Перечислите основные алгоритмы восстановления осадков по пассивным микроволновым измерениям, поясните их основу и укажите на недостатки.

  • Найдите на предлагаемых телевизионных снимках из Космоса облачные образования, отражающие основные виды циркуляции атмосферы на уровне верхней границы облаков.

  • Что представляют собой радиолокационные системы бокового обзора? Перечислите их достоинства и недостатки.

  • От чего зависит распространение электромагнитных волн в атмосфере содержащей продукты конденсации? Как найти необходимый для измерений на земной поверхности частотный диапазон?

  • Напишите и поясните уравнение радиолокации.

  • Какие характеристики атмосферных взвесей определяются поляризационными измерениями?

  • В чём сущность акустического зондирования атмосферы?

  • Изложить суть метода лазерного зондирования атмосферы.

  • Изложить суть метода акустического зондирования океана

  • На предлагаемых космических снимках найти мощные очаги кучево-дождевой облачности.

  • Используя космические снимки, найти и описать фронтальную облачность

  • Прочитать и визуализировать любые глобальные спутниковые данные, записанные в электронном виде в формате NetCDF

  • Прочитать и визуализировать любые глобальные спутниковые данные, записанные в электронном виде в формате GRIB или GRIB2

  • На основе спутниковых данных о влагозапасе снежного покрова посчитать слоя стока половодья в пределах конкретного речного бассейна

  • Проанализировав предлагаемый космический снимок или аэрофотоснимок, оценить основные параметры речной долины

  • Дана суточная сумма осадков, полученная по спутниковым данным, и осадки, полученные по станционным измерениям. Данные записаны в электронном виде. Используя любой программный пакет (MATLAB, SERFER, GRADS) оценить точность спутниковых данных (отклонения от станционных значений по тестовой области и в точках станций, ошибку пространственной дисперсии).

  • Дана температура поверхности океана, полученная по спутниковым данным, и по измерениям на сети ARGO. Данные записаны в электронном виде. Используя любой программный пакет (MATLAB, SERFER, GRADS) оценить точность спутниковых данных (отклонения от станционных значений по тестовой области и в точках станций, ошибку пространственной дисперсии).

  • Используя любую ГИС-технологию, оценить площадь, занятую морскими льдами на предлагаемом снимке.


7.Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.

Литература

а) основная.

Вельтищев Н.Ф., Семенченко Б.А. Дистанционные методы измерений в гидрометеорологии. М.изд. МГУ, 2005г. 129с.
б) дополнительная.

Герман М.А. «Спутниковая метеорология» Л. ГИМИЗ, 1975 г., 367 с.

Довиак Р., Зорнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Л., Гидрометеоиздат, 1988.

Калинин Г.П., Курилова Ю.В., Колосов П.А. «Космические методы в гидрологии». Л. ГИМИЗ, 1977г. 184 с.

Кондратьев К.Я. «Спутниковая климатология» Л.ГИМИЗ,1973г. 261с.

Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В. «Оптические свойства природных вод и дистанционное зондирование фитопланктона.» Л.Наука,1988, 178с.

Лаврова О. Ю., Костяной А. Г., Лебедев С. А. и др. Комплексный спутниковый мониторинг морей России /— М.: ИКИ РАН, 2011.— 480 с.

Лаппо С.С., Арманд Н.А., Волков А.М. и др. «О концепции развития космической океанологии в России на 1996- 2015 гг» «Исследование Земли из Космоса» № 2, 1997г. с. 70 -80.

Павлов Н.Ф. Аэрология, радиометеорология и техника безопасности. Л., Гидрометеоиздат, 1980.

Радиолокационная метеорология и активные воздействия. Санкт-Петербург, 2012.

Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды. Л., Гидрометеоиздат, 1982.

Тимофеев Ю.М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и поверхности. Санкт-Петербург, 2010.


Информационное обеспечение

Фотокопии телевизионных снимков с орбитальных ИСЗ, атлас снимков с геостационарного спутника в период АТЭП.

Ресурсы системы ГИС-метео: оперативные карты, снимки из Космоса, нефанализ.

Итернет-ресурсы:



http://www.aviso.oceanobs.com/en/data/products.html (содержатся данные об аномалии уровня морской поверхности, абсолютной динамической топографии, волнения ветра, течения. http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/   (содержатся океанографические данные)

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)

http://sst.jpl.nasa.gov/SST/ (данные о температуре поверхности океана)

Статьи по анализу гидрологических явлений:



http://istina.imec.msu.ru/accounts/profile/Kravtsova/

http://istina.imec.msu.ru/accounts/profile/labutinaia/

http://istina.imec.msu.ru/accounts/profile/olgatut/

http://scanex.ru/ (информация об исследованиях динамичных процессов в гидрологии – русловые процессы, русловые деформации, устьевые процессы, изменение морского края дельты, динамики гидрографической сети; cтатьи, посвященные анализу затопления пойм при паводках, половодьях и катастрофических наводнениях; мониторинг ледовых явлений на реках; мониторинг ледников)

http://d33.infospace.ru/d33_conf/sb2012t1/258-268.pdf/ (снег, запасы воды в снеге, температура снега)



8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Учебная аудитория на 30 мест с мультимедийным проектором для проведения лекционных занятий; компьютерный класс с доступом в Интернет.



Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки 021600 «Гидрометеорология».
Программа одобрена на заседании кафедры метеорологии и климатологии

Протокол №___ от ______20__г.

Заведующий кафедрой профессор Кислов А.В. ____________________________

подпись
Разработчики:

Вельтищев Н.Ф., профессор географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Торопов П.А., доцент географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Семенченко Б.А., доцент географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Эксперты:

Вильфанд Р.М., директор ФГБУ Гидрометеоцентр РФ



Угрюмов А.И., профессор ГОУ ВПО Российский государственный гидрометеорологический

Университет.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница