Studentské projekty

Co čekat od studentských projektů?

Pokud vás zajímá, jak vypadá reálný vědecký výzkum, hledáte odbornou brigádu anebo byste se chtěli dozvědět více o oboru Fyzika atmosféry, meteorologie a klimatologie, můžete se zapojit do studentských projektů.

Prakticky to vypadá tak, že se domluvíte s někým z katedry a spolupracujete na nějaké části běžícího výzkumu. K tomu nabízíme dohody o provedení práce (DPP), které se standardně pohybují v rozmezí 10 000,- až 30 000 Kč. Vybraná témata lze řešit také v rámci tzv. Studentských fakultních grantů. Návrhy těchto grantů se podávají na studijní oddělení a v případě úspěšného řešení je s tím spojeno stipendium až 10 000,- Kč za semestr (více ve směrnici děkana zde). Řešení projektu nabízí i perspektivu zapojení do mezinárodního výzkumu, možných stáží v zahraničí anebo rozvinutí zkoumaného tématu v absolventské práci.

Zadání a konkrétní řešení studentských projektů obecně předpokládá základní znalosti programování a zpracování dat. V případě potřeby naučíme základům práce v prostředí Linux, tvorby skriptů a programů (R, Python…) a rovněž představíme odborné základy řešeného tématu.

Projekty jsou vhodné pro studenty a studentky bakalářské fyziky na MFF UK. V případě zájmu nás kontaktujte na kfa@mff.cuni.cz. 

Témata studentských projektů KFA MFF UK

V rámci studentských projektů nabízíme zapojení do výzkumu v oblasti fyzika atmosféry pro témata jako jsou modelování atmosféry, změny klimatu a klimatické modely, kvalita ovzduší a chemismus atmosféry, simulace proudění, nelineární procesy, atmosférické vlny… Nabízíme také zapojení do aplikovaného výzkumu ve spolupráci s firmami jako například ČEZ a.s. Seznam.cz, Meteopress.cz, InMeteo s.r.o., MEANDAIR a další.

Konkrétní témata, která pro studentské projekty aktuálně nabízíme, naleznete níže. V případě, že vás zajímá nějaký výzkumný směr, ale měli byste zájem o jiné téma, než je vypsáno, dejte nám vědět na kfa@mff.cuni.cz.

• Efekt motýlích křídel – Název se vztahuje k myšlence, že i něco tak malého, jako je zatřepetání motýlích křídel (počáteční chyba), může v konečném důsledku vyvolat tajfun třeba i někde na druhé polovině světa (růst počáteční chyby). Tento projekt studuje růst počáteční chyby v jednoduchých atmosférických modelech s různým počtem časoprostorových měřítek (modelování, teoretický popis, metody výpočtu). Zájemce se seznámí s teorií dynamických systémů, teorií chaosu a s prostředím Wolfram Mathematica.

• Limity úspěšnosti předpovědi počasí – Téma nabízí možnost srozumitelného seznámení se s vlivy ovlivňijící přesnost předpovědi počasí (kvalitativně a kvantitativně). Použijeme jednoduché atmosférické modely Lorenzova typu, pro jejichž tvorbu a řešení stačí základy programování a numerické matematiky, popřípadě lze využít moduly například ve Wolfram Mathematice. Výstupy analyzujeme pomocí teorie dynamických systémů a teorie chaosu, se kterými se zájemce seznámí.

• Nelineární a chaotické chování v klimatickém systému – Navzdory nelineární povaze klimatického systému, v rámci analýzy jeho variability stále výrazně převažují lineární postupy. Náplní navrhované práce je ověření (či vyvrácení) oprávněnosti lineárního přístupu a identifikace případných nelinearit a projevů nízkodimenzionálního chaosu, zejména v rámci komplexních regionálních a globálních vazeb definujících klimatickou variabilitu Evropy. Metodologická podstata práce předpokládá (primárně statistickou) analýzu klimatických dat v časovém horizontu desítek až stovek let a její vyhodnocení v návaznosti na existující rozbory měřených a paleoklimatických časových řad.

• Vliv města na oblačnost a srážky – Města jsou známa svým vlivem na teplotu vzduchu (městký tepelný ostrov), vedle toho však svojí přítomností ovlivňují i další meteorologické prvky, včetně oblačnosti a srážek, což již ukazuje několik studií. Cílem práce je prověřit možné ovlivnění srážek pomocí staničních dat pro oblast Prahy a jejího okolí.

• Urban Chemical Island (UChI) – pokus o definici nového termínu a vyhodnocení v chemicko-transportním modelu – Města představují výrazný zdroj znečištění. Kromě toho jsou charakterizovány vyššími teploty ve formě městského tepelného ostrova (Urban Heat island – UHI) ale také dalšími „meteorologickými ostrovy“ pro vítr, oblačnost, nebo turbulenci obecně vytvářející tzv, UMI – Urban Meteorological Island. Tato práce se snaží rozšířit tento pojem na chemismus atmosféry a na základě počítačových simulací chemicko-transportním modelem kvalifikovat a kvantifikovat ostrovní chování znečištění různými látkami, jako oxidy dusíku, ozon, oxidy síry, prašný aerosol apod.

• Dopady změny klimatu na počasí v České republice – Změna klimatu výrazně ovlivňuje podobu počasí v Česku, ať už jde o teploty, srážkový režim ale i další klimatologické parametry. Navrhovaná témata si všímají tří různých prvků a jevů, u kterých se změna klimatu více či méně zásadně projevuje.
  • Extrémní sněžení v oteplujícím se klimatu – V souvislosti se zvyšujícími se teplotami a teplejšími zimami obecně klesá trvání sněhové pokrývky a průměrné množství sněhu. Nicméně i během teplejších let nejsou vyloučeny sněhové kalamity. Úkolem tohoto SFG bude zjistit především, jak se mění jejich výskyt a intenzita s pokračující změnou klimatu.
    
    
  • Přibývá či ubývá horkých a chladných vln v Česku? – Změna klimatu bývá často spojována s výskytem extrémních teplot, především pak těch vysokých. Nicméně i přes stoupající průměrnou teplotu nejsou vyloučeny občasné vpády studeného vzduchu. Úkolem tohoto SFG bude zejména zjistit, jestli a jak se mění čestnost výskytu horkých a chladných vln v různých sezónách )
    
    
  • Fouká víc nebo míň? (studium trendů vývoje převažujících směrů proudění v ČR – Měnící se klima znamená taky změnu převažující atmosférické cirkulace. To se může projevit změnou průměrné rychlosti větru, ale i rozložením převažujících směrů. Pro vybrané lokality bude v rámci SFG studován vývoj rychlostí i směrů, aby bylo možné odpovědět na otázku, jak se tento parametr konkrétně mění

• Optimalizace mapové projekce v regionálních klimatických modelech – Numerické modely počasí a klimatu používají mapové projek ce pro umístění zemského povrchu do 2D struktur. Nastavení parametrů těchto projekcí má vliv na výsledky modelových simulací. Zároveň můžeme vhodným nastavením těchto parametrů ovlivnit výpočetní náročnost modelů. Úkolem tohoto projektu bude prozkoumat možnosti nastavení těchto parametrů s ohledem na optimalizaci modelových chyb a výpočetní náročnosti u regionálních klimatických modelů RegCM a WRF v simulacích klimatu pro Evropu.

• Vícerozměrné ukazatele změn klimatu ve Střední Evropě – Probíhající klimatické změny, ke kterým přispívají i lidské aktivity, mají více či méně viditelné dopady prakticky na všechny sektory lidské činnosti i na přirozené ekosystémy. Dosud se velmi často analyzovaly jednotlivé proměnné a jejich změny odděleně. Praktické aplikace ale ukazují, že potřebujeme poznat změny nejen jednotlivých prvků, ale klimatických podmínek jako celku. Cílem projektu bude analýza probíhajících změn klimatu právě z pohledu agregovaných ukazatelů – konkrétní metodika bude upřesněna na základě konzultace s vedoucí projektu (indexy sucha, typy klimatu, vícerozměrná statistická rozdělení atd.). Řešení projektu nabízí možnost seznámit se se statistickými metodami analýzy klimatických časových řad, naučit se práci s nástroji na zpracování dat a v neposlední řadě také nahlédnout do fyzikálních procesů utvářejících klimatické podmínky ve střední Evropě. Výsledky projektu přispějí k řešení výzkumného projektu PERUN (https://www.perun-klima.cz/).

• Validace reanalyzovaných dat – ve fyzice atmosféry a klimatu hrají důležitou roli tzv. reanalýzy – komplexní reprezentace historického vývoje klimatického systému, získané kombinací přímých pozorování a numerických modelů dynamiky atmosféry, předmětem navrhované práce je statistická validace nejnovějších souborů globálních reanalýz jako je ERA5 a 20CRv3 zejména s ohledem na vyhodnocení jejich schopnosti realisticky postihnout střednědobé a dlouhodobé trendy teploty a srážek v oblasti Evropy.

• Modelování turbulentního proudění metodou simulace velkých vírů – Simulace velkých vírů umožňuje simulovat časový vývoj turbulentního proudění v tekutině, včetně detailního sledování pohybu jednotlivých vírů a dalších struktur. Projekt může být zaměřen na fyzikální i matematické nebo numerické aspekty dle zájmu řešitele. Možná konkrétní zaměření zahrnují šíření exhalací v městské zástavbě, šíření nebezpečných látek, konvektivní oblačnost v atmosféře, ale i případné problémy z oblasti technické aerodynamiky. V projektech je možné se podílet na vývoji našeho vlastního numerického modelu nebo používat například model OpenFOAM oblíbený v technických aplikacích.

  

  • Konkrétní příklad: provést a analyzovat simulace stabilně zvrstveného proudění okolo izolovaného ostrova se vznikem Kármánovy cesty vírů a vnitřních gravitačních vln. Student se seznámí s numerickou simulací metodou simulace velkých vírů (LES), včetně základní konfigurace modelu ELMM, a zpracování výsledků v programu Paraview. Hlavním cílem je studie proveditelnosti simulace oblačnosti, která často zmíněné vlastnosti proudění zviditelňuje na satelitních snímcích, jako například https://earthsky.org/upl/2015/06/von-karman-vortice-canary-islands-e1433983422405.jpg(zdroj NASA MODIS)

• Nestabilita vnitřních gravitačních vln a turbulentní promíchávání vzduchu – Složení atmosféry a chemické a fyzikální procesy, které ho ovlivňují jsou ústředními body dvou environmentálních témat s nejvyšší celospolečenskou důležitostí – změny klimatu a kvality ovzduší. Složení atmosféry se mění, kromě emisí znečišťujících látek lze velkou část této změny přičíst změnám v atmosférickém transportu. Transport v atmosféře je nelineárně určován radiačními efekty závislými právě na složení vzduchu, ale také dynamickými hnacími mechanismy napříč prostorovými a časovými měřítky. Jedním z těchto mechanismů je proces disipace vnitřních gravitačních vln, který je svázán s turbulentním promícháváním vzduchu v atmosféře. Studium tohoto procesu z pozorování je však téměř nemožné a jeho reprezentace buď naprosto chybí, nebo je jen hrubě parametrizována v současných klimatických modelech. V rámci tohoto SFG bude provedena rešerše současného teoretického poznání a výzkumu založeného na přímých numerických simulacích, laboratorních experimentech a pozorování. Pozornost bude věnována zejména efektivitě promíchávání okolní atmosféry při různých typech nestabilit. Bude vytvořen minimalistický teoretický model, který bude spojovat parametry vlny a okolí a typ nestability s intenzitou promíchávání.
• Trendy ve stratosféře – analýza dlouhodobého vývoje stratosféry, studium modelových simulací různých dynamických a chemických charakteristik se zaměřením na působení vlnových anebo radiačních procesů, změny velkoprostorové cirkulace anebo vliv klimatických oscilací. Téma nabízí možnost zapojení do běžícího výzkumného projektu.

• Zhroucení polárního víru – detekce a důsledky – Zimní polární cirkulace ve stratosféře je charakterizována velmi silnými západními větry, tzv. polárním vírem. Téměř každý rok ale dochází k destabilizaci a zhroucení tohoto proudění. Jedná se o tzv. náhlé stratosférické oteplení, které má zásadní dopady na střední atmosféru, počasí v troposféře i podmínky vyšších atmosférických vrstev. Náplní projektu bude seznámení se s daným tématem a analýza pozorovaných i modelových dat, testování nových metod a detekce zhroucení víru.

Témata specificky zaměřená na modelování atmosféry

Computational fluid dynamics (CFD)

• Konvergence řešení proudění kolem pevného objektu s metodou vnořené hranice. Studium vlivu rozlišení sítě a orientace stěn pevné překážky vůči ortogonální síti. Vliv volby interpolačního schématu.
• Konvergence numerických schémat v modelu ELMM. Test konvergence numerckých schémat v modelu ELMMv závislosti na rozlišení sítě a časového kroku pomocí exaktních řešení (manufactured solutions).
• LES simulace bóry. Simulace stabilně stratifikovaného proudění přetékající přes horský hřeben s nekonstantní výškou.

Chemical-climate modeling

• Vliv volby numerického „solver“-u chemického mechanismu na koncentrace ozonu v chemicko-transportním modelu. Numericky jsou chemické reakce definované chemickým mechanismem integrovány pomocí ODE „solver“-u. Úkolem bude na krátké ozonové epizodě (období se zvýšenou koncentrací přízemního ozonu) otestovat dva klasické „solver“-y v rámci chemicko-transportního modelu CAMx (LSODE a EBI) implementovaného pro oblast střední Evropy a ověřit jejich přesnost porovnáním modelových výstupů se staničními měřeními ozonu

Regional climate modeling

• Hodnocení klimatických simulací ve vysokém rozlišení s regionálním klimatickým modelem RegCM a jeho implementací na KFA, modifikace parametrizací a běh regionálního modelu v rámci iniciativy EURO-CORDEX

Weather Research and Forecasting Model (WRF) + air chemistry-transport model

• Zprovoznění spojeného numerického předpovědního modelu WRF s chemickým transportním modelem CMAQ, tak aby vznikl použitelný model popisující atmosférickou fyziku i chemii, včetně vzájemných interakcí. Součastí by byly také nutné úpravy emisního modelu FUME, používaného již na katedře pro tvorbu modelových vstupů popisujících antropogenní emise.

Upper atmosphere and gravity waves

• Práce s nově instalovaným modelem ICAR, který umožňuje simulovat proudění a tvorbu gravitačních vln od orografie na základě lineárně vlnové teorie
• Využití modelu WRF v konfiguraci s horní hranicí až kolem 80-ti km, simulace tvrotby GW ve vybraných regionech (Alpy)

Aplikovaný výzkum a spolupráce s firmami

Ve spolupráci s Meteopress.cz nabízíme zapojení do řešení řady témat zahrnující využití meteorologických radarů, predikce vývoje počasí s využitím umělé inteligence, vyhodnocení a statistika modelových předpovědí, nebezpečné projevy počasí apod. Na konkrétním zadání se lze domluvit dle zaměření zájemců. 

Studujete fyziku a zajímáte se o letectví, atmosféru anebo meteorologii? Chtěli byste se podílet na vývoji nových aplikací pro letecký provoz? Chtěli byste spolupracovat se zahraničním startupem? Naše katedra spolupracuje s česko-holandskou společností Meandair zaměřující na vývoj meteorologických aplikací pro plánování letů. V rámci této spolupráce nabízíme různá témata studentských projektů, bakalářských a diplomových prací jako npříklad 1) vývoj a benchmarking extrapolačních metod pro potřeby
letectví, 2) 3D výstražný systém pro námrazu, clear-air turbulenci (CAT), konvektivně indukovanou turbulenci (CIT) nebo kroupy, 3) analytické určení nízké oblačnosti a spodní základny oblačnosti anebo 4) pravděpodobnostní popis vývoje bouřek na základě volně dostupných modelových dat.

Ve spolupráci společností InMeteo a její aplikací Ventusky.com nabízíme zapojení do meteorologického výzkumu témat jako například a) jak levně měřit blesky – technologický návrh na sestavení levného detektoru použitelného pro běžnou veřejnost anebo b) pravděpodobnost výskytu krup určená na základě výstupů numerických předpovědních modelů.

Na meteorologických tématech, do kterých je možné se zapojit, spolupracujeme také se společností ČEZ a.s, Seznam.cz a Windy.com.

Spolupráce s AV ČR a ČHMÚ

V rámci výzkumu turbulentního proudění a ve spolupráci s Ústavem termomechaniky AV ČR nabízíme zapojení do studentských projektů na téma 1) algoritmy pro detekci organizovaných struktur v turbulentním proudění (zpracování experimentálních laboratorních dat naměřených metodou Particle Image Velocimetry (PIV). Tato metoda poskytuje 2D mapy rychlostních polí, ve kterých bude řešitel hledat organizované struktury), 2) testování platnosti Taylorovy hypotézy o zmrazené turbulenci (cílem práce je zpracování experimentálních laboratorních dat naměřených metodou Particle Image Velocimetry (PIV). Tato metoda poskytuje 2D mapy rychlostních polí s dobrým časovým a prostorovým rozlišením, ve kterých bude řešitel zkoumat vztah časových a prostorových korelací v turbulentním proudění) a 3) integrální délka turbulence – srovnání různých definic a jejich interpretace (integrální délka turbulence je důležitý parametr definující vlastnosti turbulentního proudění, řešitel projektu najde v literatuře popsané definice a na laboratorních experimentálních datech je otestuje a bude diskutovat jejich výhody a nevýhody).

Studentské projekty lze pod naším vedením zpracovávat také ve spolupráci s Českým hydrometeorologickým ústavem. Studovaná témata zahrnují problematiku numerických simulací a prognózy počasí, meteorologických radarů a satelitního pozorování anebo kvality ovzduší.

Zpracování pozorování v Troji

V minulém roce jsme v areálu MFF UK Troja postupně instalovali profesionální monitoring meteorologických prvků včetně kontinuálního měření koncentrací aerosolů s rozlišením velikostních frakcí od 380 nm až do 17 μm. Měříme na střeše katedrálního objektu, objektu poslucháren a na pozemku vedle těžkých laboratoří. Pro studenty a studentky obecné fyziky nabízíme možnost zapojení do realizace měření a zpracování výsledků. Řešená tématika bude zahrnovat problematiku kvality ovzduší a koncentrací pevných částic a dále měření meteorologických prvků, vlivu zástavby, závětrných efektů, nárazů větrů atd.  Konkrétní téma bude upřesněno individuálně.  V případě zájmu nás prosím kontaktujte na kfa@mff.cuni.cz.

Kromě meteorologických prvků a parametrů kvality ovzduší máme na střeše instalovaný detektor blesků, který je zapojený německé sítě sledování blesků Linet a nabízíme možnost se zapojit do zpracování měřených dat.

Výzkum na KFA MFF UK

Výzkum atmosféry na MFF UK tvoří široké spektrum témat. Zabýváme se ději přímo u zemského povrchu, turbulencí, prouděním ve městech anebo šířením znečištění. K tomu využíváme numerické metody modelování anebo experimenty v aerodynamických tunelech Ústavu termomechaniky AV ČR. Fyzikální modelování se prolíná celou řadou dalších témat. Na numerických postupech jsou postaveny klimatické modely, díky kterým lze studovat vzájemné interakce klimatického systému i jeho možný vývoj. Podobné je to s předpovědí počasí, která zahrnuje další aspekty jako je implementace informací z radarů anebo družic. Družicová pozorování se pak promítají i do takových oblastí jako je výzkum chemismu atmosféry, kde se aktuálně otvírá spolupráce s francouzskými výzkumnými centry.  Kromě nejnižší vrstvy atmosféry se zabýváme také vyššími hladinami. Tam se vliv povrchu projevuje méně, o to více je v těchto oblastech nutné počítat s působením gravitačních a planetárních vln. V této oblasti aktivně spolupracujeme s kolegy na univerzitách v Rakousku a Německu. Ve studiu atmosféry se soustředíme také na ryze teoretická témata jako je problematika deterministicky-chaotického charakteru vývoje atmosféry. S využitím znalostí výzkumu zemské atmosféry se začínáme soustředit rovněž na otázky modelování atmosfér jiných planet. Zabýváme se také velmi specifickými tématy jako je atmosférická elektřina (na střeše MFF UK v Tróji je umístěn detektor blesků) anebo studium atmosférických aerosolů (ve spolupráci s Ústavem chemických procesů AV ČR).

Na výzkumu i studiu spolupracujeme s řadou dalších výzkumných institucí jako je Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Ústav termomechaniky AV ČR, Ústav informatiky AV ČR, Ústav chemických procesů AV ČR, Centrum výzkumu globální změny AV ČR, České vysoké učení technické v Praze a Český hydrometeorologický ústav.