The main purpose of the course is to provide the fundaments of atmospheric thermodynamics and dynamic principles of the atmosphere. The course enables students to understand the physics applied on the atmosphere, especially in termodynamice, statics of the atmosphere and dynamical behavior of atmospheric flow. In the seminars, the application of theoretical fundaments in simplified problems is shown and tested.

Cílem předmětu je seznámit studenty s teoretickými základy termodynamiky atmosféry a atmosférické dynamiky. Absolvováním předmětu si student prohloubí fyzikální znalosti v aplikaci na problematiku atmosféry, zvláště pak termodynamiky, statiky a dynamiky atmosféry. Cvičením pak získá student praktické znalosti aplikace teoretických závěrů na jednoduchých nebo idealizovaných případech, které jsou ale často velmi názornou aproximací reálných situací v atmosféře.

Učivo v rozsahu přednášené látky plus eventuálních stanovených částí doporučené literatury, ústní formou. Zápočet student získá za aktivní účast na přednáškách a aktivní práci na cvičeních s vypracováním zadaných problémů či příkladů v rámci domácí přípravy.

Holton J.R.: An Introduction to Dynamic Meteorology, Elsevier, Academic Press, 2004, 4 vyd., 535 pp.

Dutton J.A.: Dynamics of Atmospheric Motion, Dover Publications, 1986, 617 pp.

Zdunkowski W., Bott A.: Dynamics of the Atmosphere, A Course in Theoretical Meteorology, Cambridge University Press, 2003, 719 ppr.

Bohren C.F., Albrecht B.A.: Atmospheric Thermodynamics, Oxford University Press, 1998, 402 pp.

Martin J. E. (2006): Mid-Latitude Atmospheric Dynamics - A First Course, Wiley, 324 str.

Haltiner G. J., Martin F. L. (1957): Dynamical and Physical Meteorology, McGraw-Hill, 470 str.

Cushman-Roisin B. (1994): Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall, 320 str.

Ambaum M. H. P. (2010): Thermal Physics of the Atmosphere, Wiley-Blackwell, 239 str.

Curry, Webster: Thermodynamics of Atmospheres & Oceans (Academic Press, London, 1999)

Bluestein, H.: Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes, I. a II., , Oxford University Press (1992)

Brandejs S., Zikmunda O. (1978): Úvod do termodynamiky atmosféry, SNTL, Praha, 297 str.

Pechala F., Bednář J. (1991): Příručka dynamické meteorologie, Academia, Praha, 370 str.

Holton J. R. (2004): An Introduction to Dynamic Meteorology, Elsevier, 4. vyd., 535 str.

Martin J. E. (2006): Mid-Latitude Atmospheric Dynamics - A First Course, Wiley, 324 str.

Haltiner G. J., Martin F. L. (1957): Dynamical and Physical Meteorology, McGraw-Hill, 470 str.

Cushman-Roisin B. (1994): Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall, 320 str.

Ambaum M. H. P. (2010): Thermal Physics of the Atmosphere, Wiley-Blackwell, 239 str.

Curry, Webster: Thermodynamics of Atmospheres & Oceans (Academic Press, London, 1999)

Brdička M., Samek L., Sopko B. (2005): Mechanika kontinua, Academia, 799 str.

Bluestein, H.: Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes, I. a II., , Oxford University Press (1992)

Lectures and seminars, live attendance.

Přednášky a cvičení, prezenčně

Exam: Knowledge according to syllabus.

Type of exam: oral

Credit requirements: active participation on lectures and active involvement in seminars with successful completing of prescribed tasks

Credit attempt can be repeated.

Zkouška: znalosti podle sylabu předmětu.

Forma zkoušky: ústní.

Podmínky udělení zápočtu: aktivní účast studenta na přednáškách a aktivní práce na cvičeních.

Zápočet lze opakovat.

1. Thermodynamic system in atmosphere and ocean: composition and structure of atmosphere and ocean, dry and moist air; equation of state and state variables, ideal gas, kinetic theory of the ideal gas; equation of state for the atmosphere, gas-constant, virtual temperature; equation of state for ocean; vertical structure of the atmosphere and ocean, vertical gradient of state variables

2. Main laws of thermodynamics: 0th, Ist and IInd law of thermodynamics, aplication in the atmosphere; equilibrium state in thermodynamics; dry-adiabatic processes in the atmosphere; further consequences and application in atmospheric processes

3. Thermodynamics of moist air and cloud systems: moist characteristics of the air; saturation, phase transitions; Clausius-Clapeyron equation; pseudo-adiabatic process; saturation water vapor pressure above ice, above curved surface, above solution (Raoult law); further consequences and applications in atmospheric processes (water cloud, ice cloud, …)

4. Hydrostatic equilibrium, approximation of the Earth atmosphere: gravitational force, force of Earth's gravity, geopotential; force of pressure gradient, equation of hydrostatic balance, p-system; integration of the hydrostatic equation, barometric formula, hypsometric formula; Earth's atmosphere approximation, standard atmosphere

5. Static stability of the atmosphere and ocean: potential temperature, vertical temperature gradient (lapse rate) and vertical gradient of potential temperature; stratification and vertical stability of the atmosphere, parcel method, gravity (buoyancy) waves in the atmosphere, Brunt-Vaisala frequency; convection, convective available potential energy (CAPE); thermodynamic diagrams; height of convective clouds layer method, entrainment method; stratification and vertical stability of the ocean

6. Atmosphere motion description at rotating Earth: reference frames (rectangular Cartesian and curvilinear coordinates, absolute and relative reference frame, natural coordinates, vertical coordinates); force of horizontal pressure gradient, Coriolis force; divergence, vorticity, continuity equation; streamline, trajectory, Blaton's equation; Helmholtz theorem, streamfunction, velocity potential

7. The momentum equation in the atmosphere: in Cartesian coordinates; in geographic coordinates; in natural coordinates; scale analysis of individual contributions; generalized vertical coordinate, p-system, sigma-system, theta-system; equation of motion, continuity equation and hydrostatic balance equation in the individual systems of vertical coordinate

8. Types of flow: basic classification (cyclonic vs. anticyclonic, baric vs. antibaric, Rossby number); geostrophic flow; gradient flow; cyclostrofic flow; inercial flow; Eulerian flow; ageostrophic wind components; Lamb-Gromeka form of the momentum equation, pseudo-geostrophic wind

9. Vertical structure of flow and thermobaric field: boundary layer flow; wind shear, thermal wind; pressure systems of mid-latitudes, ridge of high pressure, trough of low pressure, anticyclone, cyclone; slant of pressure systems, slope of isothermic and isobaric surfaces; barotropic, baroclinic instability; cyclogenesis, anticyclogenesis; equation of pressure tendency; equation of relative topography tendency

10. Atmospheric fronts: concept and characteristics of atmospheric front; frontal vector, kinematic and dynamic condition of frontal zone; frontogenesis, frontolysis; pressure, thermal and flow field close to the frontal zone; selected types of fronts, Margules formula for slope of the front

11. Divergence, vorticity and circulation: integral definition of divergence; nondivergent flow, divergence of selected flow types; integral definition of vorticity, absolute and relative vorticity; vorticity of selected flow types; cirkulation of flow velocity vector; cirkulation theorems of absolute and relative circulation; potential vorticity

12. Temporal changes in the atmosphere: time-tendency of meteorological parameters; vorticity equation and its approximations; vorticity equation solution, Rossby waves; divergence theorem

13. Flow and thermobaric field of synoptic scale in the atmosphere: balance equation; quasi-geostrophic concept, flow description in the beta-plane; vertical velocity in the atmosphere, (kinematic, adiabatic methods, Richardson's equation); omega-equation; Q-vector

14. Full description of atmospheric dynamics and thermodynamics: closed system of equations for description of the atmosphere; application in numerical weather prediction and climate modelling; implications for general circulation of the atmosphere; tropical cirkulation, meso-synoptic cirkulation, tropical cyclone; circulation in stratosphere

1. Termodynamický systém v atmosféře a oceánu: složení a struktura atmosféry a oceánu, suchý a vlhký vzduch; stavová rovnice a stavové veličiny, ideální plyn, kinetická teorie ideálního plynu; stavová rovnice pro atmosféru, plynová konstanta, virtuální teplota; stavová rovnice pro oceán; vertikální struktura atmosféry a oceánu, vertikální gradienty stavových veličin

2. Hlavní věty termodynamiky: 0., I. a II. věta termodynamiky, aplikace v atmosféře; rovnovážný stav v termodynamice; suchoadiabatické procesy v atmosféře; další důsledky a aplikace v atmosférických procesech

3. Termodynamika vlhkého vzduchu a oblačné systémy: charakteristiky vlhkosti vzduchu; stav nasycení, fázové přechody; Clausius-Clapeyronova rovnice; pseudoadiabatický děj; tlak nasycené vodní páry nad ledem, nad zakřiveným povrchem, nad roztoky (Raoultův zákon); další důsledky a aplikace v atmosférických procesech (vodní a ledový oblak, …)

4. Hydrostatická rovnováha, aproximace zemské atmosféry: gravitace, tíže a geopotenciál; síla tlakového gradientu, rovnice hydrostatické rovnováhy, p-systém; integrace rovnice hydrostatické rovnováhy, barometrická formule, hypsometrická formule; aproximace zemské atmosféry, standardní atmosféra

5. Statická stabilita atmosféry a oceánu: potenciální teplota, vertikální gradient teploty a potenciální teploty; zvrstvení a vertikální stabilita atmosféry, metoda částice, „gravitační“ (buoyancy) vlny v atmosféře, Brunt-Vaisala frekvence; konvekce, dostupná konvektivní potenciální energie (CAPE); termodynamické diagramy; výška konvektivních oblaků, metoda vrstvy, metoda vtahování; zvrstvení a vertikální stabilita oceánu

6. Popis pohybu atmosféry na rotující Zemi: souřadné systémy (pravoúhlé a křivočaré souřadnice, absolutní a relativní souřadný systém, přirozené souřadnice, vertikální souřadnice); síla horizontálního tlakového gradientu, Coriolisova síla; divergence, vorticita, rovnice kontinuity; proudnice, trajektorie, Blatonova rovnice; Helmholtzův teorém, proudová funkce, rychlostní potenciál

7. Základní pohybové rovnice atmosféry: v kartézských souřadnicích; v geografických souřadnicích; v přirozených souřadnicích; měřítková analýza jednotlivých členů; obecná vertikální souřadnice, p-systém,sigma-systém, theta-systém; pohybové rovnice, rovnice kontinuity a hydrostatické rovnováhy v jednotlivých systémech vertikální souřadnice

8. Typy proudění: základní formy (cyklonální vs. anticyklonální, barické vs. antibarické, Rossbyho číslo); geostrofické; gradientové; cyklostrofické; inerční; eulerovské; ageostrofické složky větru; Lamb-Gromekův tvar pohybových rovnic, pseudo-geostrofický vítr

9. Vertikální struktura pohybového a termobarického pole: proudění v mezní vrstvě; střih větru, termální vítr; tlakové útvary mírných šířek, hřeben, brázda, výše, níže; sklon tlakových útvarů, sklon izotermických a izobarických ploch; barotropní, baroklinní instabilita; cyklogeneze, anticyklogeneze; rovnice tlakové tendence; rovnice tendence relativní topografie

10. Atmosférické fronty: pojem a charakteristiky atmosférické fronty; frontální vektor, kinematická a dynamická podmínka frontálního rozhraní; frontogeneze, frontolýza; tlakové, teplotní pole a pole proudění v blízkosti frontálního rozhraní; vybrané typy rozhraní, Margulesova formule pro sklon frontálního rozhraní

11. Divergence, vorticita a cirkulace: integrální vyjádření divergence; nedivergentní proudění, divergence vybraných typu proudění; integrální vyjádření vorticity, absolutní a relativní vorticita; vorticita vybraných typu proudění; cirkulace vektoru rychlosti proudění; cirkulační teorémy absolutní a relativní cirkulace; potenciální vorticita

12. Časové změny v atmosféře: časové tendence meteorologických parametrů; rovnice vorticity a její aproximace; řešení rovnice vorticity, Rossbyho vlny; rovnice divergence

13. Proudění a termobarické pole synoptického měřítka v atmosféře: balanční rovnice; kvazi-geostrofický koncept, popis proudění v beta-rovině; vertikální rychlosti v atmosféře, (kinematická, adiabatická metoda, Richardsonova rovnice); omega-rovnice; Q-vektor

14. Kompletní popis atmosférické dynamiky a termodynamiky: uzavřený systém rovnic popisu atmosféry; využití v předpovědi počasí a modelování klimatu; důsledky pro všeobecnou cirkulaci atmosféry; tropická cirkulace, mezo-synoptická cirkulace, tropická cyklóna; cirkulace ve stratosféře

Course of the Hydrodynamics is recommended.