Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Географический факультет

                                                                                                     «Утверждено»

Академик РАН         Н.С.Касимов

                                                                                                   «_____»_________     20__г.                                                                                                      

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Наименование  дисциплины  «Микроклиматология» 

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

1. Цели  и задачи освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины являются

Целью настоящего курса является освоение студентами закономерностей формирования различных микроклиматов под влиянием неоднородностей подстилающей поверхности, а также основ строения и динамики приземного слоя атмосферы (включая необходимые элементы теории турбулентности).

Задачами освоения дисциплины

Настоящий курс посвящен изучению вертикальной структуры и горизонтальных вариаций метеорологических условий в приземном слое воздуха, возникающих в т.ч. под влиянием неоднородностей в строении подстилающей поверхности. Курс предполагает знакомство с основными физическими процессами, принимающими участие в формировании приземного слоя и микроклимата, и закономерностями его проявления в различных формах рельефа, под влиянием растительности, водоемов, городской застройки и др.

2. Место дисциплины в структуре ООП:

Данная дисциплина входит в модуль «Климатология» профессионального цикла вариативной части ООП.

Курс преподается на 4-м курсе, в 7-м семестре.

Курсу предшествуют дисциплины «Физическая метеорология», «Динамическая метеорология», курсы математического и естественнонаучного блоков, а также географические предметы (биогеография, геоморфология, почвоведение) которые содержат необходимые теоретические основы. Знания, полученные в курсе «Микроклиматология», будут затем использоваться в курсах «Теория климата», «Синоптическая метеорология», «Теория общей циркуляции атмосферы», «Экологическая климатология», «Агрометеорология» (последующие дисциплины).

Перед началом освоения дисциплины «Микроклиматология» студент должен владеть инструментарием дифференциального и интегрального исчисления, обладать базовыми знаниями по физике атмосферы и динамической метеорологии, владеть основами метеорологических измерений, иметь полевой опыт наблюдения микроклиматических различий стандартными методами, предусмотренный программами полевых практик после 1-го и 2-го курсов.

По окончании освоения дисциплины студент должен иметь базовые представления о строении и динамики приземного слоя атмосферы (включая необходимые элементы теории турбулентности), а также о закономерностях формирования естественных и антропогенных микроклиматов под влиянием неоднородностей подстилающей поверхности.

3. Требования к результатам освоения дисциплины:

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать: основы строения и динамики приземного слоя атмосферы (включая необходимые элементы теории турбулентности), закономерности формирования естественных и антропогенных микроклиматов под влиянием неоднородностей подстилающей поверхности;

Уметь: проводить расчет параметров приземного слоя атмосферы по данным градиентных и пульсационных микрометеорологических измерений, анализировать микроклиматические различия на основе данных специализированных натурных экспериментов;

Владеть: теоретическими основами решения научных и практических задач в области микроклиматологии, в т.ч. с использованием результатов расчетов глобальных и мезомасштабных атмосферных моделей.

4. Структура и содержание дисциплины

4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы[1], 72 академических часа.

В таблице должны быть перечислены разделы дисциплины (темы) с указанием времени, отводимого на изучение каждого, а также форм текущего и промежуточного контроля (зачета или экзамена).

Виды учебной работы: лекции, семинары, практические занятия, лабораторные работы.

Формы текущего контроля успеваемости (для последней колонки таблицы): устный или письменный опрос, защита и презентация домашних заданий, контрольная работа, тест, коллоквиум, решение типовых задач, творческая работа, эссе, реферат, составление опорных конспектов по темам  и др.

4.2. Содержание дисциплины

Введение

• Климат и микроклимат, их взаимодействие, связь с географией. Микроклимат как совокупность различий в метеорологическом режиме, возникающих в приземном слое воздуха и на самой земной поверхности. Масштабы процессов. Микроклиматический показатель.
• Физико-математическое моделирование в микроклиматологии. Микроклиматические аспекты мелиоративных мероприятий. Практическое значение изучения микроклимата для сельского хозяйства и охраны окружающей среды.

1. Физические основы формирования микроклимата

1.1. Физические процессы в деятельном слое

• Деятельная поверхность и деятельный слой. Виды естественных и искусственных поверхностей, их теплофизические, радиационные и термодинамические свойства.
• Система «почва - поверхность – воздух», взаимодействие процессов, протекающих в них. Структура радиационного и теплового баланса простых (без растительности) поверхностей: песок, чернозем, вода, снег, лед. Особенности формирования температуры и влажности воздуха над ними (суточный ход и вертикальный профиль).
• Тепловой режим почвы. Теплофизические характеристики почвы и их зависимость от условий увлажнения. Схемы расчета тепловых потоков в суточном деятельном слое почвы. Суточный теплооборот. Уравнения притока тепла в почве. Законы Фурье и их микроклиматическая зависимость. Влага в почве, доступная влага, потенциал влаги. Испарение, испаряемость и их микроклиматическая изменчивость. Расчетные схемы определения количества продуктивной влаги в почве в период вегетации. Расчет норм орошения и осушения. Мелиорация почв.
• Тепловой режим водных объектов. Механизмы переноса тепла: коротковолновая радиация, турбулентный теплообмен. Роль мутности воды и обмена теплом с донными отложениями. Шероховатость водной поверхности.

1.2. Турбулентность и приземный слой атмосферы

• Основы теории атмосферной турбулентности. Теория однородной и изотропной турбулентности. Турбулентные потоки импульса, тепла, влаги и примесей, уравнения баланса для потоков, проблема замыкания. Кинетическая энергия турбулентности (КЭТ), уравнение баланса КЭТ. Число Ричардсона, критическое число Ричардсона. Схемы турбулентного замыкания: k-гипотеза, противоградиентный перенос. Параметризации коэффициента турбулентности: формула Смагоринского, формула Колмогорова, E-ε замыкание.
• Пограничный слой атмосферы, приземный слой, приповерхностный слой. Внутренние пограничные слои. Понятие «следа» (области влияния) в приземном слое (footprint). Концепция высоты смешения (blending height). Обтекание воздушным потоком препятствий.
• Связь метеорологических параметров с характеристиками турбулентности. Суточный ход температуры воздуха. Вертикальное распределение метеорологических параметров и стратификация атмосферы. Обмен явным и скрытым теплом. Расчетные схемы определения составляющих радиационного баланса деятельной поверхности. Теория приземного (приводного) слоя Монина-Обухова, аэродинамические формулы.
• Особенности формирования микроклиматических различий в различных климатических условиях. Влияние погоды на микроклимат и структуру радиационно-теплового баланса поверхности.

1.3. Методы измерений в микроклиматологии

• Основные методы микроклиматических наблюдений. Виды микроклиматических съемок. Аппаратура для микроклиматических наблюдений. Программа и организация микроклиматических наблюдений, ее этапы. Оценка краевых эффектов и их учет. Оценка достоверности микроклиматических различий. Статистическая обработка наблюдений.
• Пульсационные измерения турбулентных потоков тепла и импульса. Акустические анемометры. Методология расчета турбулентных потоков.

2. Типы микроклиматов

2.1.Микроклимат различных форм рельефа
Влияние формы, экспозиции и крутизны на радиационный режим в условиях пересеченной местности. Закономерности и различия в притоке коротковолновой радиации к склону. Учет закрытости горизонта. Тепловой баланс и микроклимат склонов в различных условиях увлажнения. Влияние рельефа на ветровой режим, температуру и амплитуду температуры воздуха, поверхности и почвы ("правило Воейкова"), влажность воздуха и почвы, неоднородность залегания снежного покрова. Снежная и ветровая мелиорация.

2.2.Микроклимат водоемов и побережий
Влияние размеров и глубины водоема на турбулентную теплопроводность и температурный режим водоема. Особенности суточного хода температуры, влажности, ветра, атмосферного давления над водоемом и побережьем. Бризы и их микроклиматический эффект.

2.3.Система почва-растение-воздух.
Деятельный слой, генетические уровни. Фотосинтез, углекислый газообмен. Уравнение теплового баланса растительного покрова.

o    Радиационный режим растительного покрова. Функция ослабления потов коротковолновой радиации в слое растительности, закон Бэра, листовой индекс. Структура радиационного баланса лесного и лугового фитоценозов.

o    Тепловой баланс леса и луга. Роль света, тепла и влаги в накоплении фитомассы. Режим турбулентности в растительном покрове. Вертикальное распределение и суточный ход составляющих теплового баланса, характеристики турбулентности и метеорологических параметров внутри растительного покрова.

o    Подходы к моделированию взаимодействия растительного покрова с окружающей средой. Исходная информация, система дифференциальных уравнений, граничные и начальные условия. Модели переноса в системе «почва-расительность-атмосфера» (SVAT, Soil Vegetation Atmosphere Transfer) для прогнозирования продуктивности.

2.4.Микроклимат застроенной территории

o    Городской деятельный слой, его генетические уровни и слои. Уравнение радиационного и теплового баланса поверхности застроенной территории. Антропогенное тепло, его оценки. Состав воздуха в городе.

o    Особенности радиационного режима поверхности атмосферы в городе. Режим коротковолновой радиации, прозрачности атмосферы. Баланс длинноволновой радиации, накопление тепла зданиями.

o    Структура деятельной поверхности в городе, теплофизические характеристики. Наблюдательная сеть в городских условиях. Требования ВМО к сети городских метеорологических станций.

o    Особенности приземного слоя воздуха над городом. Турбулентный режим и его особенности внутри и над городской застройкой. Ветер в условиях города. Остров тепла, его вертикальная и горизонтальная структура. Городской бриз.

o    Вертикальное распределение температуры в городе. Инверсии температуры. Особенности режима осадков в городе, влажности воздуха. Водный баланс города. Смоги.

o    Мелиорация городского микроклимата. Роль озеленения, планировки и застройки. Меры борьбы с загрязнением воздушного бассейна. Влияние городов на глобальный климат.

3. Математическое моделирование микроклимата

3.1. Моделирование микроклимата в микромасштабных моделях. Модели статические (теплового баланса), физико-статистические, гидродинамические вихреразрешающие (LES, Large Eddy Simulation), гидродинамические осредненные по Рейнольдсу (RANS, Reynolds-averaged Navier-Stokes).

3.2. Моделирование климата города. Моделирование атмосферных циркуляций различных масштабов, вызванных городской застройкой. Различные подходы и типы моделей, применяющиеся для оперативного прогноза погоды и климатического прогноза. Теплобалансовые модели городского каньона.

3.3. Параметризация микроклиматических процессов в региональных и глобальных атмосферных моделях. Схемы деятельного слоя суши в системах численного прогноза погоды и моделях климата. Схемы представления подсеточного распределения типов подстилающей поверхности. Методы агрегирования параметров и агрегирования потоков. Включение данных о растительности в глобальные и региональные модели атмосферы. Базы данных характеристик подстилающей поверхности.

4.3. Аннотация программы

В курсе вводится определение понятия «микроклимат», дается представление о разделении процессов по масштабам. Предлагается обзор методов исследований в микроклиматологии, включая натурные эксперименты и математическое моделирование.

Приводится классическое решение Фурье уравнения теплопроводности, рассматриваются ограничения применимости этого решения к описанию реальных процессов. На основе понятия потенциала жидкой влаги в почве выводятся уравнения переноса жидкой влаги. Описывается постановка задачи сопряженного тепловлагопереноса в почве и снежном покрове. Рассмотрены основы теории турбулентности и приземного слоя атмосферы. Излагаются законы однородной и изотропной турбулентности Колмогорова. Вводится определение статистических моментов гидродинамических величин. Выписываются уравнения для потоков, формулируется проблема турбулентного замыкания. Перечисляются примеры наиболее распространенных турбулентных замыканий. Выводится уравнение баланса КЭТ, дается определение числа Ричардсона. Подробно рассматриваются уравнения теории подобия Монина-Обухова для приземного слоя, описываются предельные случаи по стратификации. Приводятся краткие сведения по теории внутренних пограничных слоев (ВПС). Вводятся понятия области влияния (footprint) и высоты смешения.

Описаны градиентный метод микроклиматических измерений, а также метода ковариации пульсаций. Рассмотрены закономерности формирования микроклиматов под влиянием неоднородностей подстилающей поверхности, по данным наблюдений. Отдельно изучаются микроклимат различных форм рельефа, микроклимат водоемов и побережий, система почва-растение-воздух, микроклимат застроенной территории.

Кратко даны основы математического моделирования микроклимата. Описаны методы прямого численного моделирования (DNS), моделирования крупных вихрей (LES), приводятся примеры простых интегральных моделей. Рассмотрено современное состояние развития схем деятельного слоя суши в глобальных и мезомасштабных моделях, а также методы агрегирования турбулентных потоков на поверхности.

5. Рекомендуемые образовательные технологии

При чтении курса применяются следующие виды лекции: вводная, лекция-информация, обзорная лекция, лекция-визуализация, лекция-консультация. Применяются следующие образовательные технологии: проблемное обучение, исследовательские методы в обучении.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины:

Примерный перечень вопросов к коллоквиуму по разделу «Физические основы формирования микроклимата»:

1) Система «почва - поверхность – воздух», взаимодействие процессов, протекающих в них

2) Тепловой режим почвы

3) Тепловой режим водных объектов

4) Теория однородной и изотропной турбулентности

5) Схемы турбулентного замыкания

6) Теория приземного (приводного) слоя Монина-Обухова, аэродинамические формулы

7) Пограничный слой атмосферы, приземный слой, приповерхностный слой. Внутренние пограничные слои

8) Основные методы микроклиматических наблюдений

9) Пульсационные измерения турбулентных потоков тепла и импульса

Примерный перечень вопросов к коллоквиуму по разделу «Типы микроклиматов»:

10) Микроклимат различных форм рельефа

11) Микроклимат водоемов и прибрежных зон

12) Система почва-растение-воздух. Микроклимат залесенных территорий 

13) Принципы моделирования микроклимата растительных сообществ

14) Микроклимат города. Городской остров тепла

15) Принципы моделирования климатического режима городских ландшафтов. Уравнение теплового баланса городского каньона

16) Связь микроклимата города с глобальным климатом.

Форма итоговой аттестации – зачет.

Примерный перечень вопросов к зачету:

1) Система «почва - поверхность – воздух», взаимодействие процессов, протекающих в них

2) Тепловой режим почвы

3) Тепловой режим водных объектов

4) Теория однородной и изотропной турбулентности

5) Схемы турбулентного замыкания

6) Теория приземного (приводного) слоя Монина-Обухова, аэродинамические формулы

7) Пограничный слой атмосферы, приземный слой, приповерхностный слой. Внутренние пограничные слои

8) Основные методы микроклиматических наблюдений

9) Пульсационные измерения турбулентных потоков тепла и импульса

10) Моделирование микроклимата в микромасштабных моделях. Примеры микромасштабных моделей

11) Параметризация микроклиматических процессов в крупномасштабных атмосферных моделях

12) Микроклимат различных форм рельефа

13) Микроклимат водоемов и прибрежных зон

14) Система почва-растение-воздух. Микроклимат залесенных территорий 

15) Принципы моделирования микроклимата растительных сообществ

16) Микроклимат города. Городской остров тепла

17) Принципы моделирования климатического режима городских ландшафтов. Уравнение теплового баланса городского каньона

18) Связь микроклимата города с глобальным климатом.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение

Литература

а) основная

·         Несмелова Е.И., Филиппова М.Г. Микроклиматология. МГУ, 1995, Ч.1

·         Несмелова Е.И., Филиппова М.Г. Микроклиматология. МГУ, 1995, Ч.П

·         Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л., ГИМИЗ, 1982.

• Foken, T. Micrometeorology. Springer, 2008, 306 pp.

б) дополнительная

·         Братсерт У.Х. Испарение в атмосферу Л., 1985

·         Ландсберг Г.Е. Климат города, Л., ГИМИЗ, 1982.

·         Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Берсенева И.А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства, Л., ГИМИЗ, 1983.

• Oke T.R. Boundary layer climates.—2nd ed.ition, 1988
• Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Ч.1. М.: «Наука», 1965, 640 с.
• Aubinet, M, Vesala, T., Papale, D. Eddy covariance. A practical guide to measurement and data analysis. Springer, 2012, 438 pp.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы

- курс микрометеорологии Университета г.Вагенинген (Нидерланды) http://www.met.wau.nl/Courses/Micrometcourse/index.html

- программное обеспечение для обработки данных пульсационных измерений Университета г.Байройт (Германия) http://www.bayceer.uni-bayreuth.de/mm/en/software/software/software_dl.php?id_obj=96786

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Учебная аудитория на 30 мест с мультимедийным проектором для проведения лекционных и семинарских занятий.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки (указывается номер и название направления)

Программа одобрена на заседании кафедры ___________________________________

Протокол №___ от ______20__г.

Зав. кафедрой   профессор А.В.Кислов    ____________________________

                                                                                                   подпись

Разработчики:

Степаненко Виктор Михайлович, с.н.с., к.ф.-м.н., географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова,

Константинов Павел Игоревич, ст.преп., к.г.н., МГУ имени М.В.Ломоносова, географический факультет

Эксперт:

Репина Ирина Анатольевна, в.н.с., д.ф.-м.н., Институт физики атмосферы имени А.М.Обухова РАН    

[1] Зачетная единица – унифицированная единица измерения трудоемкости ООП; одна зачетная единица соответствует примерно 36 академическим часам.