Программа учебной дисциплины



Скачать 168.06 Kb.
Дата01.05.2016
Размер168.06 Kb.
ТипПрограмма
Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Географический факультет

«Утверждено»

Академик РАН Н.С.Касимов

«_____»_________ 20__г.



ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Наименование дисциплины «Теория климата»


по направлению подготовки 021600.68 «Гидрометеорология» уровня высшего профессионального образования магистратура с присвоением степени «магистр»

  1. Цели и задачи освоения дисциплины

Основной целью освоения дисциплины является развитие представлений о причинах изменений климата и способах прогнозирования климата.

Цели освоения данной дисциплины определяют ее задачи:

-дать представление о истории климата и колебаниях климата различного масштаба

-дать представление о математическом моделировании климата

-познакомить с физическими механизмами изменений климата

-сопоставить изменения климата на планетах солнечной системы и экзопланетах

- дать представление об международном сотрудничестве в области прогнозов климата

-ознакомить с современными методами прогноза климата

-ознакомить с основами методов прогноза климатически обусловленных изменений состояния окружающей среды


  1. Место дисциплины в ООП

Дисциплина «Теория климата» входит в профессиональный цикл вариативной части ООП по направлению «Гидрометеорология».

Изучение курса базируется на предварительном усвоении студентами материала базовых метеорологических дисциплин: физической метеорологии, химии атмосферы, динамической метеорологии, климатологии, синоптической метеорологии, блока эколого-географических дисциплин; а также базовых физико-математических дисциплин: физики, гидромеханики, высшей математички, численных методов прогноза погоды.

Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь дисциплины «Синоптическая метеорология» с другими частями ООП определяется следующей совокупностью входных компетенций, необходимых для освоения данной дисциплины:

Студент должен

Знать:


  • эколого-географические основы;

  • систему гидродинамических и термодинамических уравнений, описывающих процессы в атмосфере и океане;

  • закономерности формирования климатов Земли

Уметь:

  • работать с архивами климатических данных;

  • работать с аналитическими пакетами обработки и визуализации гидрометеорологической информации

Владеть:

  • методами математического анализа, дифференциального исчисления и аппаратом статистических исследований



  1. Требования к результатам освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины обучающийся должен



Знать:

  • основы теории климата;

  • принципы прогноза изменений климата.


Уметь:

Выполнять диагноз и прогноз состояния климата с использованием результатов численного моделирования и анализа эмпирической информации


Владеть:




  1. Структура и содержание курса


4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 144 академических часа (4 з.е.) и изучается в 1 семестре. Аудиторная нагрузка составляет 56 часов, из них 56 часов – лекции и 88 часов – самостоятельная работа студентов.

Распределение разделов дисциплины по видам учебной работы

Номер раздела

Наименование разделов

Семестр

неделя

Лекции

Час.


Семинары и практические занятия, час

Самостоятельная работа, час.

Общая трудоемкость

Час.


Формы текущего контроля и промежуточной аттестации

1

Введение. Общие свойства климатической системы.

1

1

2







2







Раздел 1. История и современное состояние климатологии

1

1-2

2







2







Раздел 2. Общие закономерности формирования климатического режима

1

3

4




7

11







Раздел 3. Сравнительный анализ климата на планетах и экзопланетах


1

4

4




7

11







Раздел 4. Математические модели и моделирование климата

1

4-5

8




14

22







Раздел 5. История изменений климата в фанерозое (в целом) и в кайнозойской эре

1

6

4




7

11

Промежуточный зачет




Раздел 6. Генезис колебаний климата в плиоцене - плейстоцене - голоцене

1

7-8

8




10

18







Раздел 7. Генезис изменений климата за последние 2 тыс. лет

1

9

4




7

11







Раздел 8. Генезис изменений климата в современную эпоху

1

10-11

8




10

18







Раздел 9. Крупные международные проекты, направленные на исследование изменений климата (IPCC, CMIP и др.).


1

12

4




7

11







Раздел 10. Декадные прогнозы климатической изменчивости и прогнозы изменений климата на сто и более лет.

1

13

4




12

16







Раздел 11. Предотвращение изменений климата.



1

14

4




7

11







всего







56




88

144

экзамен

4.2.Содержание курса.
Введение. Общие свойства климатической системы.

Определение понятия «климатическая система», внешние факторы и внутренние элементы. Обратные связи. Климатически значимые свойства атмосферы, океана, суши, криосферы, биоты. Климатические переменные, «среднее», изменчивость, изменения. Определение понятия «климат». Определение понятия «современный климат». Моделирование климата. Динамика климата и изменения окружающей среды. Цивилизации, конфликты и изменения климата.


Раздел 1. История и современное состояние климатологии

Климатология как раздел страноведения. Представления о изменениях климата в прошлом. Четвертичная геология и палеогеография, представления о ледниковых периодах. Понимание изменений климата как процессов планетарного масштаба. Теория Миланковича, ее успехи, мистификации и ренесанс. Антропогенное воздействие на климат. Математические модели климата и компьютерные (численные) эксперименты. Прогноз изменений климата. Международное сотрудничество в области изучения изменений климата.



Раздел 2. Общие закономерности формирования климатического режима

Радиационный бюджет на внешней границе атмосферы как граничное условие для климатической системы. Планетарное альбедо. Парниковый эффект. Неустойчивая стратификация и конвективное перемешивание.

Общая циркуляция атмосферы и океана. Изменчивость климата и циркуляционные режимы атмосферы и океана. Арктическая осцилляция. Южное колебание. Ритмы декадной периодичности, индексы АМО и PDO.

Основные законы сохранения для планетарной системы. Цикл углерода и азота. Бюджет энергии в климатической системе. Источники и стоки. Перераспределение энергии за счет циркуляции атмосферы и океана. Кинетическая энергия и доступная потенциальная энергия. Бюджет углового момента. Источники и стоки углового момента атмосферы. Перераспределение углового момента за счет движений воздуха в атмосфере. Гипотетические климатические эффекты неравномерности вращения Земли.



Раздел 3. Сравнительный анализ климата на планетах и экзопланетах

Эмпирические данных о климатическом режиме планет солнечной системы (Венера, Земля, Марс, Юпитер, Титан (спутник Сатурна) ). Дивергенция природно-климатических условий планет Венера, Земля, Марс: роль изменений светимости Солнца, роль разного по интенсивности парникового эффекта, роль магнитного поля планет. Уникальность Земли: Мировой океан, озоновый слой, роль биоты (концепция Геи, «мир маргариток»).

Некоторые сведения о климатическом режиме экзопланет.

Раздел 4. Математические модели и моделирование климата

Модель Будыко-Селлерса. Стохастическая модель. Модели промежуточной сложности (ПС). Модели общей циркуляции атмосферы и океана. Модели земной климатической системы (ЗКС). Усвоение данных. Проблемы параметризации. Подробный анализ структуры одной из современных моделей ПС и ЗКС.

Предсказуемость климата и практические подходы климатического прогноза. Источники погрешностей при моделировании климата. Вероятностный характер результатов моделирования климата. Попытки получения вероятностных показателей: уравнения Лиувилля и Фоккера-Планка. Ансамблевый подход в моделировании климата.

Раздел 5. История изменений климата в фанерозое (в целом) и в кайнозойской эре

Основные проблемы палеоклиматологии. Методы реконструкций: выбор индикаторов изменений климата и датирование: абсолютное, радиоуглеродное и др. Региональные и глобальные палеоклиматические шкалы, их связь.

Климат последних 0.5 млрд. лет. Движение материков, процессы глобальной тектоники и изменение СО2 в атмосфере.

Климат кайнозойской эры. Уменьшение концентрации СО2 в атмосфере и прогрессирующее похолодание. Формирование криосферы. Обратные связи в системе при наличии снега/льда. Образование ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии.



Раздел 6. Генезис колебаний климата в плиоцене - плейстоцене - голоцене

Флуктуации климата: переход в последний миллион от колебаний с преобладающим периодом 41 тыс. лет к 100 тыс. летней ритмичности. Морские изотопные стадии. Ледниковые и межледниковые эпохи. Данные ледниковых кернов. Позднеплейстоценовый криохрон (~ 21 тыс. лет назад). Красный шум в спектрах. Теория колебаний климата: механизмы Миланковича, переброса, запаздывания и стохастического резонанса в климатической системе. Совместное моделирование изменений климата, растительности и вариаций глобального цикла углерода.

События Хайнриха. Циклы Дансгора-Оешгера. Событие Молодой Дриас. Неустойчивость ледниковых щитов и прерывание переноса тепла в системе Гольфстрим - Северо-Атлантическое течение как механизм резких колебаний климата.

Климат голоцена: изменения муссонной активности и термического режима.

Колебания уровня Каспийского моря как отражение климатических вариаций.

Раздел 7. Генезис изменений климата за последние 2 тыс. лет

Проблема интерпретации палеоданных - разные взгляды на особенности колебаний климата в историческое время. Флуктуация Средневековое потепление - Малый ледниковый период.

Восстановление аномалий светимости Солнца по данным о колебаниях солнечной активности: современные спутниковые данные, астрофизические данные по другим звездам, изотопные данные ( 14С и 10Ве). Минимум Маундера.

Теория колебаний климата: роль изменений светимости Солнца и вулканического аэрозоля.



Раздел 8. Генезис изменений климата в современную эпоху

Данные мировой сети станций. Проблема однородности рядов. Нерегулярный характер глобального потепления в современную эпоху (с момента окончания Малого ледникового периода). Проявления климатического сигнала в динамике природной среды.

Сочетание антропогенно обусловленного нарастания интенсивности парникового эффекта и естественная ритмичность климата. Сопоставление потепления 40-х годов («потепления Арктики») и потепления 80-90-00-х годов.

Теория колебаний климата: роль изменений парникового эффекта, светимости Солнца, вулканического аэрозоля, свойств поверхности материков за счет с/х и урбанистического использования. Моделирование климата, направленное на воспроизведение наблюдавшихся на протяжении полутораста лет особенностей. Проблема детектирования проявление антропогенного сигнала на фоне климатической изменчивости.



Раздел 9. Крупные международные проекты, направленные на исследование изменений климата (IPCC, CMIP и др.).

Объединение климатических исследований в рамках комитета экспертов (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) под эгидой Всемирной метеорологической организации. Отчеты IPCC по проблеме изменений климата, смягчения последствий, приспособления к изменениям.

Объединение усилий в моделировании климата. Проект CMIP (Coupled Model intercomparison Project). Проекты CMIP3 и CMIP5.

Раздел 10. Декадные прогнозы климатической изменчивости и прогнозы изменений климата на сто и более лет.

Сценарии IPCC: А1, А2, В1, В2 и др.; семейство сценариев RCP. Моделирование климата для прогнозирования фоновых изменений в 21 веке. Ансамбль результатов моделирования. Климатически обусловленные изменения природных ресурсов, экологии и социально-экономические изменения.

Постановка задачи прогноза состояния климата на ближайшие несколько лет. 4-d усвоение данных о состоянии Мирового океана. Существование потенциала практической предсказуемости сроком до, приблизительно, двух лет.

Раздел 11. Предотвращение изменений климата.

Ограничения выбросов парниковых газов. Киотский протокол и другие международные договоры.

Геоинженерные решения: системы зеркал, регулирующих поступление солнечной энергии, и искусственное формирование облаков стратосферного аэрозоля.

4.3. Аннотация программы

Курс «Теория климата» читается для студентов метеорологов и студентов океанологов 5 года обучения. Основной целью курса является изучение причин изменений климата, основ прогнозирования изменений климата и вызываемых ими изменений в окружающей среде. Поскольку курс рассчитан на студентов разных кафедр, пришедших к нему с несколько различным багажом знаний, то изложение ряда специальных вопросов, требующих глубоких профессиональных знаний о атмосфере или океане, преподносится в облегченной форме.

Важнейшим средством анализа и прогнозирования выступают математические модели климата (в том числе наиболее современные модели земной климатической системы), поэтому вопросам моделирования отводится большое внимание. Кратко излагаются принципы палеоклиматических реконструкций. В курсе рассматривается история климата Земли, однако акцент делается на событиях, наиболее близких к современному этапу. Теория климата формулируется отдельно для каждого временного масштаба изменений, поскольку воздействующие факторы и обратные связи различны. Для более глубокого понимания планетарных закономерностей производится сравнительная характеристика климатических режимов разных планет. Подробно изучается современный климат, его изменение и изменчивость, факторы климатообразования и обратные связи. Внимание уделяется международному сотрудничеству в области исследования климата и его прогнозирования. Обсуждаются результаты прогнозирования климата, осуществленные в рамках компьютерных экспериментов, изучаются индуцированные ими изменения в состоянии природной среды, влияние на экологию и климатически зависимые отрасли экономики. Рассматриваются современные подходы к регулированию климата: от принятия международных соглашений до геоинженерных решений.


  1. Рекомендуемые образовательные технологии

В процессе преподавания дисциплины применяются следующие виды образовательных технологий: развивающее и проблемное обучение, коллективная система обучения, исследовательские методы в обучении, лекционно-семинарско-зачетная система обучения, информационно-коммуникационные технологии. При чтении курса применяются следующие виды лекций: вводная, лекции-информации, обзорные лекции, проблемные лекции, лекции-визуализации, лекции-консультации.

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

Примерные темы рефератов для самостоятельной работы студентов

Парниковый эффект и его изменения в 20 веке

Радиационный бюджет на внешней границе атмосферы

Уравнение Будыко-Селлерса

Структура модели промежуточной сложности CLIMBER2

Структура современной модели земной климатической системы

Ансамблевый метод в климатическом прогнозировании

Понятие о уравнении Лиувилля и возможности его использования в климатических прогнозах

Связь глобальных изменений климата и глобального углеродного цикла

События Дансгора – Оешгера и резкие колебания климата

События Хайнриха и аномалии климата

Механизм Миланковича и аномалии климата

Теория климата плейстоцена

Стохастическая модель климата Будыко-Селлерса и уравнение Ланжевена


Примерный перечень вопросов к экзамену.



    1. Aтмосфера и ее роль в климатической системе

    2. Климатические функции Мирового океана и суши

    3. Криосфера как продукт и фактор климатообразования

    4. Биота и биосфера, углеродный цикл, биологическая регуляция климата

    5. Общие закономерности формирования климата на планетах Солнечной системы

    6. История климата и механизмы крупных климатических изменений

    7. Модели климата типа Будыко-Селлерса. Стохастические модели климата.

    8. Глобальные климатические модели (модели атмосферы, океана, криосферы, растительности, глобального цикла углерода). Постановка и процедура численных экспериментов

    9. Глобальные климатические модели промежуточной сложности

    10. Изменчивость климата и циркуляционные режимы атмосферы и океана.

    11. Генезис колебаний климата плейстоцена и голоцена

    12. Природа резких климатических аномалий: события Хайнриха

    13. Природа резких климатических аномалий: события Дансгора – Оешгера

    14. Природа резких климатических аномалий: Молодой Дриас, событие «8,2 ка ВР» и др.).

    15. Наблюдаемые за последние 1000 лет изменения климата: флуктуация «средневековое потепление – Малый ледниковый период»

    16. Наблюдаемые за последние150 лет изменения климата

    17. Радиационные эффекты (светимость Солнца, изменения оптических свойств атмосферы) вызывающие короткопериодные колебания климата

    18. Моделирование современных изменений климата: успехи и проблемы

    19. Генезис современного потепления климата

    20. Вероятностный характер климатических прогнозов и возможность использования уравнения Лиувилля

    21. Предсказуемость климата и ансамблевый метод прогноза

    22. Проект IPCC и исследования современных изменений климата

    23. Проекты CMIP3, CMIP5 и исследования изменений климата

    24. Использование климатических моделей для прогноза будущего состояния климата

    25. Методика детализации данных климатических экспериментов

    26. Проблема интерпретации климатических изменений для прогноза состояния различных компонентов природной среды

    27. Обратные связи изменений климата и глобального углеродного цикла

    28. Прогноз термического режима и состояния увлажнения на ближайшие 100 лет

    29. Технология «декадного» климатического прогноза

    30. Прогноз уровня Мирового океана

    31. Прогнозирование изменений климатически обусловленных природных ресурсов

    32. Борьба с потеплением климата средствами геоинженеринга

    33. Климатическая доктрина Российской Федерации (http://kremlin.ru/acts/6365)



  1. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.


Литература

а) Основная

Кислов А.В. Климат в прошлом, настоящем и будущем. М, Наука-Интерпериодика, 2001, 352 с.

Кислов А.В. Климатология. М., Академия, 2011. 224 c.

Методы оценки последствий изменения климата для физических и биологических систем. Под ред. Семенова С.М. Москва, Росгидромет. 2012.


б) дополнительная

Кислов А.В., и др. Прогноз климатической ресурсообеспеченности Восточно-Европейской равнины в условиях потепления. М., МаксПресс, 2008. 292 с.

Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской федерации. М., Росгидромет, 2008

Переведенцев Ю.П. Теория климата. Казань, Изд. Казанского ун-та, 2004, 318 с.

Warner T.T. Numerical weather and climate prediction. Cambridge Univ. Press, 2011. 550 c.
Информационное обеспечение

1. Библиотека климатических данных (IRI-LDEO)


2. Всемирный центр метеоданных, Ashville (NOAA)
3. Гидрометеорологические данные по России (Ascii, по станциям)

4. Изменения климата в России (ГМЦ РФ) http://climate.mecom.ru/



6.Климатические данные NOAA (daily - global, regional, gif, Ascii,и др.)

7.Международный центр распространения данных (DDC-IPPC)





  1. Материально-техническое обеспечение

  1. Учебная аудитория на 20 мест с мультимедийным проектором для проведения лекционных и семинарских занятий


Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки 021600.68 «Гидрометеорология».
Программа одобрена на заседании кафедры ___________________________________
Протокол №___ от ______20__г.

Зав. кафедрой профессор А.В.Кислов ____________________________

подпись
Разработчик:

Кислов А.В., профессор, д.г.н., географический факультет Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова


Эксперты:

Вильфанд Р.М., проф., д.т.н., директор ФГБУ "ГИДРОМЕТЦЕНТР РОССИИ"

Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал