student projects

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, meteorology and climatology, 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,- until 30 000 CZK. 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 8 000,- CZK per semester(více informací na fakultních stránkách here). Řešení projektu nabízí i perspektivu zapojení do mezinárodního výzkumu, possible training abroad or to develop investigated topic in graduate work.

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. If interested, please contact us atkfa@matfyz.cuni.cz. 

Témata studentských projektů KFA MFF UK

V rámci studentských projektů nabízíme zapojení do výzkumu v oblasti fyzika atmosféry pro témata jako jsoumodeling atmosphere, změny klimatu a klimatické modely, kvalita ovzduší a chemismus atmosféry, flow simulation, nonlinear processes, 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 v letním semestru 2023/24, naleznete níže. In the case of, that you are interested in a research direction, ale měli byste zájem o jiné téma, než je vypsáno, dejte nám vědět nakfa@matfyz.cuni.cz.

• Horizont předpověditelnosti počasí – Seznámení se s hlavním faktorem limitujícím přesnost předpovědi počasí. Porozumění, kdy má předpověď ještě smysl. Studium horizontu pomocí nástrojů teorie dynamických systémů a teorie chaosu. Demonstrace pomocí jednoduchých atmosférických systémů. Demonstrace obsahuje seznámení se s prostředím Wolfram Mathematica (popřípadě s jiným prostředím dle zájmu).

• Možnosti prodloužení předpověditelnosti počasí – Zkoumání možností teoretického prodloužení předpověditelnosti počasí přidáním pomaleji se měnících atmosférických jevů. Téma bude modelováno pomocí jednoduchého Lorenzova atmosférického systému s pomalu a rychle se měnícím časoprostorovým měřítkem. Projekt obsahuje seznámení se s tématem dynamických systémů, teorie chaosu a se základy numerických metod.

• 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.

• Reprezentativnost reanalýzy CAMS v podmínkách ČR či střední Evropy – Reanalýza CAMS obsahuje plošnou informaci ohledně přízemních koncentrací základních znečišťujících látek v atmosféře. Otázka zní, zda je dostatečně přesná a reprezentativní při srovnání se staničními hodnotami. Cílem práce je ověřit přesnost reanalýzy CAMS vůči staničním hodnotám v ČR či střední Evropě.

• 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.

• AI a předpověď počasí – Metody umělé inteligence se stále častěji uplatňují i v meteorologii. Mimo jiné se využívají k předpovědím počasí. Jak přesně ale dokážou předpovědět jednotlivé parametry atmosféry, kde jsou jejich slabiny a kde silné stránky? Řešitel/ka tohoto SFG se zaměří na možnosti současných nástrojů AI při předpovídání počasí.

• 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.
  • Výkyvy teplot v Česku a změna klimatu – Vlny nadprůměrně teplého počasí se v posledních dekádách vyskytují v Česku stále častěji. Přesto se občas objeví vpád studeného vzduchu. Trvání těchto epizod se v souvislosti se změnou klimatu může měnit. Úkolem tohoto SFG bude zejména zjistit, jak se mění délka trvání těchto epizod a jestli se zvyšuje frekvence výskytů výrazných změn teploty v rámci jednoho či několika málo dnů.
  • Medardova kápě – 40 dnů kape, aneb platí ještě pranostiky? Měnící se klima znamená taky změnu převažující atmosférické cirkulace. Vzorce typického průběhu počasí v různých částech roku (tzv. singularity) už nemusí přicházet tak často jako dříve. Známé pranostiky se tak můžou ocitnout v propadlišti času. V rámci tohoto SFG bude pro vybrané singularity (například Medard, babí léto, ledoví muži apod.)
  • 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.

• Rozpad polárního víru v mezosféře – Během zimy v polární stratosféře a mezosféře vzniká masivní západně rotující vzduchový vír, který může zasahovat až do výšek kolem 80 km s maximálními rychlostmi přes 300 km/h. Někdy však dojde k jeho destabilizaci a polární vír se zhroutí. Tento proces, známý jako náhlé stratosférické oteplení, je dobře popsán do výšky asi 50 km. Ve vyšších hladinách jsou naše znalosti o dopadu zhroucení polárního víru mnohem méně podrobné. Úkolem studentského projektu bude analýza modelových simulací sahajících do výšek přes 100 km a popis dopadu náhlých stratosférických oteplení v těchto hladinách.

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.

Studying physics and are interested in aviation, 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 focusing on the development of meteorological applications for flight planning. V rámci této spolupráce nabízíme různá témata studentských projektů, bakalářských a diplomových prací jako npříklad 1) Development and extrapolation methods for benchmarking needs
aviation, 2) 3D warning system for ice, clear-air turbulenci (CAT), convection induced turbulence (CIT) or hail, 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 professional monitoring including meteorological elements continuous measurement of the concentration of aerosols resolution size fractions from 380 nm and the 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. Addressed topics will include issues of air quality and concentration of solids, as well as measurements of meteorological parameters, the impact of development, leeward effects, nárazů větrů atd. Konkrétní téma bude upřesněno individuálně. If interested, please contact us atkfa@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

Atmospheric Research at MFF UK consists of a wide range of topics. We are going directly at the Earth's surface, turbulence, flow in cities or spread of pollution. We use numerical modeling or experiments in wind tunnels Institute of Thermomechanics. Physical modeling blends a variety of other topics. The numerical procedures are based climate models, made it possible to study the interactions of the climate system and its possible development. Similar is the case with forecast, which includes other aspects such as the implementation of information from radars or satellites. Satellite observations are projected in such areas as research on the chemistry of the atmosphere, which is currently open collaboration with French research centers.  In addition to the lowest layer of the atmosphere we also higher levels of. There is the influence of the surface is less pronounced, it is more in these areas must reckon with the effects of gravity and planetary waves. In this area, we actively cooperate with colleagues at universities in Austria and Germany. The studio atmosphere is also focusing on purely theoretical topics such as the issue-deterministically chaotic nature of the atmosphere evolution. With the use of research knowledge of Earth's atmosphere is also starting to focus on issues of modeling the atmospheres of other planets. We are also very specific themes such as atmospheric electricity (MFF UK on the roof is located in Troy lightning detector), or the study of atmospheric aerosols (in collaboration with the Institute of Chemical Process ASCR).

The research study also cooperate with many other research institutions 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.