Klimatické klasifikace ve světle distančních pozorování – Klasifikace klimatu typicky představují jednoduchý konceptuální model dělící klimatický systém do pásů s podobnými charakteristikami. Tyto klasifikace byly často odvozeny v době, kdy existovala pouze přízemní pozorování. V posledních dekádách je k dispozici velké množství satelitních dat, která zahrnují jak pozorování fyzikálních prvků, tak parametrů povrchu jako je vegetační pokrytí. Úkolem projektu bude prozkoumat možnosti srovnání rozdělení a časového vývoje klimatických pásů odvozených z Köppenovy-Trewarthovy klasifikace se satelitními pozorováními vegetačního pokrytí. 

Geoinženýrink – řízené ovlivňování klimatu – Náplní projektu bude pomocí výstupu klimatických modelů prozkoumat metody geoinženýrinku, zejména stratosférickou injekci aerosolů (SAI), a zhodnotit, jaký dopad mají takové řízené zásahy na charakter velkoprostorového proudění v atmosféře. Změřit se bude možné na odezvu subtropického a polárního tryskového proudění, intertropické zóny konvergence (ITCZ) a monzunových systémů anebo změny klimatických oscilací jako je NAO nebo ENSO. 

Dopady geoinženýrinku na obnovitelné zdroje energie v měnícím se klimatu. – Náplní projektu bude analýza budoucího vývoje faktorů ovlivňující větrnou a solární energetiku v případě řízeného ovlivňování klimatu. Základním zadáním bude se seznámit s charakteristikami vybraného obnovitelného zdroje energie a analyzovat simulaci budoucího vývoje proměnných, na kterých tento zdroj závisí. Analýza bude provedena pro standardní klimatický scénář a pro případ řízeného ovlivňování klimatu injektáží stratosférických aerosolů (SAI) a výsledky budou porovnány. 

Vliv interakce atmosféry s oceánem na přesnost předpovědi – Práce studuje vliv nepřesnosti předpovědi počasí vzniklé z nepřesného popsání interakce atmosféry s oceánem. Téma bude studováno pomocí jednoduchých atmosférických a oceánských systémů. Řešení obsahuje seznámení se s teorií dynamických systémů, teorií chaosu a prostředím Wolfram Mathematica.

Růst chyby počátečních podmínek v propojených systémech atmosféra–oceán – Interakce atmosféry s oceánem přináší pomalu se měnící jevy do atmosféry a rychle se měnící jevy do oceánu. Práce studuje, jak tato interakce ovlivní časový vývoj chyby počátečních podmínek atmosféry a oceánu. Téma bude studováno pomocí jednoduchých atmosférických a oceánských systémů. Řešení obsahuje seznámení se s teorií dynamických systémů, teorií chaosu a prostředím Wolfram Mathematica.

„Prší méně nebo pouze na menší oblasti?“ – analýza prostorového rozložení srážek v 20 a 21.století – Náplní projektu bude na základě dat z reanalýzy ERA5 se pokusit zjistit, zda se za posledních 70 let (1950–2025) měnila plocha s nezanedbatelnými srážkami, tj. jak se vyvíjelo prostorové rozložení srážek a zda se celková plocha zmenšila nebo zvětšila. Výsledky projektu mohou podpořit hypotézu, že se srážky v rámci klimatické změny stávají extrémnější, tj. ne jenom že jsou intenzivnější, ale dané množství vody vypadává na menší ploše. Projekt má potenciál k rozvinutí i v rámci bakalářské práce, dokonce v případě úspěšného zpracování a statisticky významných výsledků bude možné studii publikovat i ve vědeckém článku.

Jak dokážeme ohodnotit, jestli teplotní extrémy vybočují z rámce vnitřní/přirozené proměnlivosti klimatu – Klimatický systém představuje jeden z nejsložitějších systémů studovaných současnou fyzikou. Jedním z fascinujících jevů je jeho neustávající proměnlivost, která vychází z nelineární povahy procesů uvnitř systému. Tato proměnlivost má vliv i na výskyt extrémů – např. velmi horkých nebo velmi studených dnů. Jedním ze zdrojů dat o této vnitřní variabilitě jsou simulace klimatických modelů. Časové řady meteorologických prvků dlouhé několik století až několik tisíciletí nabízejí možnost studovat proměnlivost na různých prostorových a časových škálách. V rámci projektu je možné se zaměřit na území střední Evropy nebo jakoukoli jinou geografickou oblast, a studovat vnitřní variabilitu vybraných meteorologických veličin. Výsledku budou použité pro probíhající výzkumné projekty na naší katedře, a pomohou nám ukázat jak moc pozorované extrémy souvisí se změnou klimatu.

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.

Není fronta jako fronta – Pojem atmosférická fronta v meteorologii zdomácněl před více než 100 lety, nicméně obvyklá představa, resp. model teplých, studených a okluzních front ne vždy odpovídá pozorované realitě. V rámci SFG se student/ka zaměří na zkoumání vybraných případů front, které buď naplňují klasickou představu o daném typu front nebo se od ní výrazně liší. Výsledky pak můžou být použity ve výuce na KFA.

Netradiční zkoumání Země pohledem družic – Obrázky oblačnosti z meteorologických družic zná asi každý. Současné družice ale nabízejí mnohem pestřejší škálu dat a možnosti jejich využití. V rámci tohoto SFG se student/ka zaměří na zkoumání vybraných dat především pro účely zkoumání klimatu nejen Česka nebo střední Evropy.

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:

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)
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.