Nabízené studentské projekty

Obecné informace k studentským projektům na Katedře fyziky atmosféry zde.

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 (zdroj NASA MODIS).

Turbulence v bezoblačném prostoru – obtížný jev pro detekci, numerické simulace a hodnocení dlouhodobých trendů. – V nedávné době byly publikovány studie, které na základě analýzy projekcí klimatických modelů tvrdí, že se frekvence i prostorové rozložení clear-air turbulence (CAT) bude s klimatickou změnou měnit, a to nepříznivě pro nejvytíženější trasy komerčního létání. Ačkoliv i autoři těchto studií přiznávají, že se jejich výsledky značně mění s použitou metodou pro nepřímou detekci CAT, existuje důvodné podezření, že použití klimatických modelů pro studium takto výrazně podměřítkového procesu z hlediska klimatického modelování je již výrazně za hranou použitelnosti těchto modelů. V rámci navrhovaného projektu bude provedena rešerše možností jak CAT diagnostikovat z pozorování, z numerických simulací s velkým rozlišením a také na základě nepřímých ukazatelů z klimatických modelů. Dále budou vybrány nejslibnější metody detekce, které budou aplikovány na data z pozorování, ze simulací s vysokým rozlišením a na data z běhů klimatických modelů a bude provedeno porovnání výsledků napříč těmito rozdílnými datovými množinami. Cílem práce je detekovat limity jednotlivých metod pro detekci CAT a jednotlivých zdrojů dat pro její studium. Práci je také možnost skloubit s teoretickou prací na vývoji nové metody pro detekci CAT a nestabilit vnitřních gravitačních vln, případně v této práci pokračovat při magisterském a doktorském studiu.

Turbulence spojená s oblastmi nestability vnitřních gravitačních vln ilustrovaná pomocí perturbace vorticity

Vliv zpřesnění modelování atmosféry na předpověditelnost počasí – Práce studuje vliv zpřesnění chyby počátečních podmínek a vliv zpřesnění atmosférických měřítek na zlepšení předpovědi počasí. Téma bude studováno v jednoduchých atmosférických modelech a řešitel se seznámí s teorií dynamických systémů, teorií chaosu a s prostředím Wolfram Mathematica.

Vliv chyby počátečních podmínek na přesnost předpovědi Klimatu – Přestože se ukazuje, že lze teoreticky předpovědět počasí maximální na dva týdny dopředu, tak děláme klimatické předpovědi na desítky let dopředu. Důvod leží v definici obou pojmů. Počasí je aktuální stav atmosféry v konkrétním místě, zatímco klima je syntéza počasí přes období dostatečně dlouhé pro určení statistických vlastností. Práce studuje vliv chyby počátečních podmínek na předpověď klimatu. Téma bude studováno v jednoduchých atmosférických modelech a řešitel se seznámí s teorií dynamických systémů, teorií chaosu a s prostředím Wolfram Mathematica.

Vliv parametrizace konvekce na simulaci extrémních srážek – Ačkoli současné modely umožňují přímou simulaci vertikálních pohybů vzduchu vedoucích k tvorbě konvektivní oblačnosti a srážek, dlouhé klimatické simulace se musí kvůli výpočetní náročností stále spoléhat na techniky parametrizace konvekce, kdy jsou konvektivní pohyby vč. jejich vlivu na velkoprostorové proudění opsány jednoduchými rovnicemi (někdy až empirickými). Popis konvekce je také jedním z hlavních zdrojů chyb v numerických modelech. Proto je zásadní neustále vylepšovat parametrizaci konvekce revizí stávajících předpokladů a hodnot empirických parametrů. Tento projekt se pokouší vyhodnotit dopad, který mají variace nejdůležitějších parametrů v parametrizacácích konvekce používaných v současným modelování na simulaci srážek během katastrofálních povodní v Německu v roce 2021.

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.

Optimalizace mapové projekce v regionálních klimatických modelech – Numerické modely počasí a klimatu používají mapové projektce 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.

Výrazně teplé zimní měsíce – extrém nebo častý jev? – Únor 2024 byl na území ČR výrazně teplotně nadnormální. Do určité míry byl tento výkyv spojen s antropogenní změnou klimatu, do značné míry ale hrála roli i přirozená proměnlivost klimatu. Cílem projektu bude vyhodnotit, jak se podle projekcí budoucího klimatu bude pravděpodobně vyvíjet proměnlivost zimních teplot. Použity budou dostupné vybrané simulace globálních a regionálních klimatických modelů. Téma zapadá do výzkumu prováděného na KFA v rámci projektů PERUN a OP JAK.

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.
Vítr v Česku a změna klimatu – V souvislosti se změnou klimatu se často diskutuje otázka srážek a teplot, méně už bývá v centru pozornosti vítr. Často je možné slýchat názory od široké veřejnosti, že vítr se v jejich regionu mění – ať už jde o směr nebo i rychlost. Pro vybrané oblasti budou studovány dlouhodobé změny charakteristik větru, které umožní lépe odpovědět na otázku vlivu změny klimatu na tento meteorologický prvek.
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.)

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 pollution island – 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.

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.

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.

OASIS coupler – spojení modelů RegCM a WRF s modelem CAMx

Ověřit možnost využití „coupler“ modelu OASIS3-MCT (https://oasis.cerfacs.fr/en/home/) pro online propojení regionálních klimatických modelů RegCM a WRF s chemicko-transportním modelem CAMx (https://www.camx.com/). Takové propojení (couple) by umožňovalo v každém časovém kroku intergace modelu RegCM a WRF počítat transport a reakce chemických sloučenin v rámci CAMxu a zároveň zahrnout jejich interakce s radiací v rámci radiačního modulu v meteorologickém modelu.

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.

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:

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.
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)
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.