Программа учебной дисциплины

«Утверждено»

«_____»_________ 20__г.

Наименование дисциплины: «Аэрология»

– ознакомить с методами зондирования атмосферы, с существующими аэрологическими датчиками и радиолокаторами, с основными положениями радиометеорологии и с общим устройством приборов дистанционного зондирования атмосферы; дать представление о степени надёжности и точности аэрологических данных.

– выработать навыки и знания, связанные с осуществлением отдельных видов аэрологических измерений, с некоторыми простейшими способами обработки их результатов, с чтением стандартной аэрологической телеграммы, с распознаванием данных на мониторах импульсных метеорологических радиолокаторов и пр.
2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Аэрология» входит в Модуль «Синоптическая метеорология» профессионального цикла вариативной части ООП. Она изучается на 4-м курсе в 7-м и 8-м семестрах. Изучение дисциплины предполагает знание основ физической метеорологии, общей физики, общей химии, математического анализа, владение основными методами исследования атмосферных процессов.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

Понимание особенностей метеорологических измерений на высотах; понимание в общих чертах вопросов техники и методов аэрологических измерений – прежде всего, радиозондирования и метеорологической радиолокации; понимание основ радиолокации, радиотелеметрии, радиометеорологии.

В результате освоения дисциплины студент должен:

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц (180 часов). В 7-м семестре аудиторная нагрузка составляет 72 часа, из них лекции – 36 часов, семинары – 36 часов, самостоятельная работа студентов – 36 часов. В 8-м семестре аудиторная нагрузка составляет 36 часов, из них лекции – 24 часа, семинары -12 часов, самостоятельная работа студентов – 36 часов.

Подъёмные газы и их использование в аэрологи. Оболочки для шаров-пилотов и радиозондов, их размеры. Способы добывания водорода и техника безопасности на аэрологических станциях при работе с водородом.

Виды приёмных устройств радиометров. Применение радиометров в метеорологии, основные технические характеристики российского микроволнового профилемера МТП-5.

Дисциплина призвана дать представление о методах и сущности аэрологических измерений – как классических традиционных, так и новых. Первая часть программы предполагает изучение существующих методов прямых (контактных) метеорологических измерений в воздухе на различных высотах в атмосфере. Она включает в себя историю и методологию аэрологии; шаропилотное зондирование; виды датчиков различных метеорологических величин в аэрологии; основы радиолокации и некоторые общие вопросы телеметрии; радиозондирование как основной метод современных контактных измерений; самолётное и планёрное зондирование, включая современную международную систему «AMDAR»; змейковое зондирование; аэростатное зондирование; особенности микроаэрологических измерений на высотных сооружениях; ракетное зондирование; общие сведения о средней и верхней атмосфере, включающие оценку современных многолетних изменений температуры воздуха на разных высотах.

Вторая часть программы посвящена изучению основ радиометеорологии и методов дистанционного зондирования атмосферы. В неё входят общие сведения о дистанционных методах, теоретические основы распространения электромагнитных и звуковых волн в атмосфере, а также подробное рассмотрение отдельных дистанционных методов – использования импульсных недоплеровских и доплеровских радиолокаторов; микроволновых радиометров; акустических локаторов (содаров); лидаров и грозопеленгаторов.

Особое внимание в программе уделено изучению радиозондирования и радиолокации как двух методов, в наибольшей степени используемых в оперативных прогнозах погоды. Вместе с тем программа предусматривает также ознакомление со всеми методами измерений на высотах, поскольку даже методы, вышедшие ныне из практики регулярных сетевых наблюдений, могут использоваться в экспедиционных экспериментальных исследованиях, а любые ряды полученных в прошлом данных важны для задач аэроклиматологии. Приобретение кругозора в вопросах аэрологии является необходимым элементом профессиональной подготовки современного специалиста метеоролога-климатолога.

В процессе преподавания дисциплины «Аэрология» применяются следующие виды образовательных технологий: развивающее обучение, элементы развития критического мышления с предложениями к студентам оценить правильность предложенных ответов на вопросы, предложить собственное объяснение некоторым фактам на основе ранее изученного материала и пр. При чтении курса применяются в основном классические информационные лекции. В то же время, используется богатый демонстрационный материал (образцы радиозондов, метеорографов и датчиков разных поколений). Кроме того, используется множество наглядных иллюстраций (фотографий, графиков и пр.) в виде прозрачных плёнок, слайдов и пр.

1. 
   Какие из методов контактных аэрологических измерений были в прошлом повторно востребованы для массовой практики наблюдений и почему?
   
2. 
   При каких допущениях подъёмную силу шара-пилота можно считать постоянной?
   
3. 
   Почему аэрологические теодолиты на кораблях оснащены двумя объективными трубами?
   
4. 
   Почему на аэрологических станциях в Антарктиде используют газогенераторы низкого давления?
   
5. 
   Зачем в жидкостных термометрах для измерений на больших высотах в качестве термометрической жидкости использовали смесь ртути и таллия?
   
6. 
   Как изменение длины базы влияет на точность измерений с помощью акустических термометров?
   
7. 
   В чём состоит отличие явления гистерезиса от явления упругого последействия в материале деформационных датчиков?
   
8. 
   Зачем производилось вальцевание волосных датчиков влажности, и почему эти датчики были впоследствии заменены в радиозондировании плёночными сорбентами?
   
9. 
   Почему длительность импульса в радиолокаторах обычно не превышает 1 мкс? Какими соображениями ограничивается период повтора в излучении импульсов?
   
10. 
    В чём состоит преимущество использования активного ответа по сравнению с уголковыми отражателями?
    
11. 
    В чём состоит отличие датчиков модели радиозонда МРЗ-3А от предыдущей модели МАРЗ?
    
12. 
    В чём состоит отличие датчиков новой отечественной модели радиозонда МРЗ-3АМ от МРЗ-3А?
    
13. 
    Почему частота зондирования в радиозондировании исторически сместилась из метрового диапазона в дециметровый?
    
14. 
    Какие уровни относят к особым точкам при составлении аэрологической телеграммы?
    
15. 
    Почему для пеленгации радиозонда в навигационных системах требуется, по меньшей мере, три станции?
    
16. 
    На каких высотах продолжительность полётов свободных аэростатов в среднем наибольшая и почему?
    
17. 
    Какое значение числа Циолковского характерно для метеорологических ракет? Как можно увеличить высотный диапазон ракетного зондирования, не изменяя числа Циолковского?
    
18. 
    В каком промежутке высот в ракетном зондировании используются тепловые манометры Пирани и почему?
    
19. 
    В чём состоит отличие в направлении многолетних изменений термического режима во второй половине двадцатого столетия на высотах 70, 100 и 110 км и почему?
    
20. 
    Прозрачной или непрозрачной средой для электромагнитных волн являются ли облака и осадки?
    
21. 
    Как меняется диэлектрическая проницаемость с увеличением атмосферного давления и почему?
    
22. 
    Какие виды облаков наименее успешно прослеживаются с помощью импульсных радиолокаторов и почему?
    
23. 
    Какие облачные образования можно проследить на удалении 500 км от радиолокатора?
    
24. 
    Можно ли измерить вертикальный профиль вектора скорости ветра в атмосфере с помощью только одной антенны доплеровского радиолокатора?
    
25. 
    Можно ли измерить мощность и интенсивность приподнятой инверсии с помощью содара?
    
26. 
    С помощью каких видов лидаров можно измерить температуру воздуха и его газовый состав?
    

1.Предмет аэрологии и методические вопросы. Основные этапы истории аэрологических наблюдений. Сравнительная характеристика разных методов измерений метеорологических величин на высотах.

2.Шаропилотное зондирование атмосферы. Подъёмная сила шара-пилота и её изменения с высотой. Уравнение вертикальной скорости шара-пилота и причины её возможных изменений.

3.Одноточечные и базисные шаропилотные наблюдения. Графический метод определения показателей ветра на примере использования аэрологического планшета А-30 («круга Молчанова»). Особенности аэрологических теодолитов.

4.Оболочки для шаров-пилотов и радиозондов. Способы добывания водорода и техника безопасности на аэрологических станциях.

5.Особенности метеорологических измерений на высотах, понятие о коэффициенте инерции.

Основные виды датчиков температуры воздуха, их ограничения и погрешности измерений.

6.Основные виды датчиков атмосферного давления в тропосфере.

7.Основные виды датчиков влажности.

8.Виды радиолокации, амплитудные и фазовые методы измерения угловых координат и дальности цели.

9.Устройство импульсной радиолокационной станции, её технические и тактические характеристики.

10.Радиолокция с активным ответом. Уравнения дальности наблюдений пассивной радиолокационной цели и активного ответчика.

11.Метод радиозондирования и его теоретические основы. Существующие способы передачи данных на расстоянии.

12.Общие сведения о первых советских радиозондах – РЗ-049, «Волна» и о системе радиозондирования «Малахит» – А-22.

13.Системы радиозондирования «Метеорит» – РКЗ и «Метеорит-2» – РКЗ-5.

14.Системы радиозондирования «Титан» – МАРЗ и АВК – МРЗ-3А. Современные российские радиозонды РФ-95 и МРЗ-3А* (АК2), новые радиолокаторы слежения МАРЛ и «Вектор-М» («Бриз»).

15.Основы аэрологического кода КН-04, навигационные системы радиозондирования.

16.Актинометрические и озонометрические радиозонды.

17.Самолётное зондирование атмосферы. Особенности самолётных измерений метеорологических величин и наблюдений за погодными явлениями. Планёрное зондирование атмосферы.

18.Змейковое зондирование атмосферы. Основные виды метеорологических змеев.

19.Аэростатное зондирование атмосферы. Условия полётов свободных аэростатов, особенности привязных (змейковых) аэростатов.

20.Ракетное зондирование атмосферы. Теоретические основы метода. Мировая сеть ракетного зондирования, основные виды советских метеорологических ракет.

21. Методы ракетных измерений атмосферного давления, температуры, плотности воздуха, ветра и газового состава атмосферы.

22. Общее строение атмосферы, понятие о стандартной и справочной атмосферах. Стратосферные и мезосферные облака. Современные изменения температуры средней и верхней атмосферы.

23..Виды дистанционного зондирования атмосферы. Спектр электромагнитных волн. Система уравнений Максвелла в её общем виде.

24.Система уравнений Максвелла для случаев однородного диэлектрика и полупроводящей среды.

25.Основные радиофизические характеристики атмосферы и их связь с метеорологическими величинами.

26.Преломляющие свойства атмосферы. Виды радиорефракции и её учёт с помощью методов приведённого коэффициента преломления и эквивалентного радиуса Земли.

27.Ослабляющие свойства атмосферы. Ослабление волн в сухом воздухе и гидрометеорами. Формула эффективной площади рассеяния множественной метеорологической цели.

28Уравнение дальности радиолокационного наблюдения облаков и осадков. Понятия о когерентном и некогерентном рассеянии. Потенциал метеорологических радиолокаторов и его контроль.

29.Радиолокационная отражаемость облаков и осадков, импульсные радиолокаторы. Советский радиолокатор МРЛ-5 и его характеристики. Определение форм облаков и опасных явлений погоды на индикаторах радиолокаторов.

30.Понятия когерентности и доплеровского эффекта применительно к радиолокации. Доплеровские радиолокаторы с непрерывным излучением.

31.Когерентно-импульсные доплеровские радиолокаторы и ограничения их измерений. Понятие о частоте Найквиста. Применения доплеровских радиолокаторов в метеорологии.

32.Основные законы излучения применительно к микроволновому диапазону электромагнитных волн.

33.Понятия яркостной, эффективной яркостной и антенной температуры.

34.Чувствительность микроволновых радиометров и существующие виды их приёмных устройств. Основные характеристики российского радиометра – профилемера температуры воздуха МТП-5.

35.Общие положения теории рассеяния звуковых волн в атмосфере, формула Монина для эффективного сечения рассеяния звука.

36.Уравнение акустической локации. Акустические локаторы (содары) и основные направления их использования в метеорологии.

37.Виды рассеяния волн оптического диапазона в атмосфере и их использование в лазерном зондировании. Общие принципы устройства лазеров и лидаров.

38.Уравнение лазерной локации. Применение лидаров в метеорологии.

39.Общая характеристика гроз, электрическая структура грозового облака. Определение местоположения гроз с помощью грозопеленгаторов.


Примерные темы рефератов для самостоятельной работы студентов

1. 
   Сравнительный анализ инерционных погрешностей различных датчиков температуры воздуха (относительно влажности, атмосферного давления и пр.).
   
2. 
   Обзор современного состояния радиозондирования за рубежом.
   
3. 
   Современные изменения климата в средней и верхней атмосфере.
   
4. 
   Мониторинг атмосферного озона с помощью дистанционных измерений.
   
5. 
   Использование метеорологических радиолокаторов в краткосрочных прогнозах погоды.
   
6. 
   Мониторинг ветрового режима и температурной стратификации с помощью содаров.
   
7. 
   Использование лидаров в России и за рубежом.
   
8. 
   
   

Зайцева Н.А. Аэрология. Л., Гидрометеоиздат, 1990.

Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Радиозондирование атмосферы. Екатеринбург, 2004.

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

Белинский В.А., Побияхо В.А. Аэрология. Л., Гидрометеоиздат, 1962.

Калиновский А.Б., Пинус Н.З. Аэрология. Л., Гидрометеоиздат. 1961.

Брылёв Г.Б., Гашина С.Б., Низдойминога Г.Л. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. Л., Гидрометеоиздат, 1986.

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

Метеорология верхней атмосферы Земли. Под редакцией Г.А.Кокина и С.С.Гайгерова. Л., Гидрометеоиздат, 1981.

Альтер-Залик Ю.Ж. Зондирование атмосферы с помощью аэростатов. Л., 1981.

Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. Томск, ИОМ СО РАН, 2001.

Захаров В.М., Костко О.К., Хмелевцов С.С. Лидары и исследование климата. Л., Гидрометеоиздат, 1990.

Баттан Дж. Л. Радиолокационная метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 1962.

Радиолокационная метеорология и активные воздействия. Под ред. А.А.Синькевича, Ю.А.Довгалюк, Е.Л.Махоткиной. СПб., Главная геофизическая обсерватория, 2012. 200 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

http://www.cao-rhms.ru/ - официальный сайт Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета;

http://www.zondr.ru/ - официальный сайт ФГУП «Гидрометпоставка»;

http://www.wmo.int/pages/index_ru.html - русскоязычный сайт Всемирной метеорологической организации.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Учебная аудитория на 25 мест, оснащённая проектором, доской и др. видами демонстраций наглядных пособий, а также демонстрационный материал (желательно, по возможности, иметь в наличии для учебного процесса несколько разных моделей радиозондов, аэрологические планшеты А-30, компактные приборы ракетного зондирования – например, ионизационный и тепловой манометры и пр.).

Целесообразно рекомендовать в рамках курса проведение экскурсии на ближайшую аэрологическую станцию или в ближайший пункт метеорологической радиолокации в системе Росгидромета или гражданской авиации.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология».
Программа одобрена на заседании кафедры метеорологии и климатологии

Протокол №___ от ______20__г.

Заведующий кафедрой профессор Кислов А.В. ____________________________

подпись
Разработчик: