Výroční zpráva ÚFA AV ČR za rok 2006 Tato výroční zpráva byla projednána Ústavní radou ÚFA AV ČR, v.v.i. na jejím zasedání dne 17. ledna 2007. 1. Vědecká činnost pracoviště a uplatnění jejích výsledků 1a. Charakteristika vědecké činnosti Ústav fyziky atmosféry (ÚFA) se zabývá badatelským i cíleným výzkumem atmosféry v celém jejím vertikálním rozsahu. Vědecká činnost je rozvíjena především v těchto směrech: fyzika mezní vrstvy atmosféry, mezosynoptická a aplikovaná meteorologie, klimatologie, aeronomie, fyzika horní atmosféry a fyzika ionosféry a magnetosféry. V rámci AV ČR je ÚFA jediným pracovištěm, které se touto problematikou zabývá. Součástí činnosti ústavu je provoz pěti observatoří (tří meteorologických, ionosférické a družicové) a odborná posudková činnost. 1b. Nejdůležitější výsledky vědecké činnosti 1. Dlouhodobé globální změny horní atmosféry a ionosféry. Byl vytvořen první celkový obraz dlouhodobých globálních změn horní atmosféry a ionosféry. Jejich hlavní příčinou je zesilující skleníkový efekt, jistou roli hrají i zeslabení ozónové vrstvy a růst geomagnetické aktivity ve 20. století. Horní atmosféra (výšky nad 50 km) se ochlazuje a smršťuje, s dopadem na orbitální dobu života družic, zatímco změny v ionosféře jsou vyvolány teplotně způsobenými změnami v chemii a fotochemii atmosféry a ionosféry, s možným dopadem na šíření radiových vln a tím i práci systému GPS. (B) 2. Vliv sluneční aktivity na atmosférickou cirkulaci. Módy nízkofrekvenční proměnlivosti atmosférické cirkulace na severní polokouli v zimě se významně liší mezi obdobími s nízkou, střední a vysokou sluneční aktivitou v rámci 11-letého slunečního cyklu, a to prostorovým rozsahem, polohou akčních center i intenzitou. Severoatlantská oscilace (NAO) se za vysoké sluneční aktivity štěpí na dva módy. Obecná tendence je, že za vysoké sluneční aktivity jsou módy více zonální a plošně rozsáhlejší. (B) 3. Teplotní anizotropie protonů ve slunečním větru. Na statisticky velkém datovém souboru z družice WIND jsme ukázali, že teplotní anizotropie protonů ve slunečním větru je větší než předpovídá lineární teorie. Pozorovaná teplotní anizotropie není omezena prahy teoreticky dominantních nestabilit (protonová cyklotronní a paralelní hadicová nestabilita). Na druhou stranu analýza dat naznačuje existenci omezení, která jsou slučitelná s dalšími nestabilitami (zrcadlová a šikmá hadicová nestabilita). (B) 4. Asimilace radarové odrazivosti do numerické předpovědi srážek. Byla vyvinuta metoda asimilace radarové odrazivosti do numerického modelu předpovědi počasí s vysokým horizontálním rozlišením, která modifikuje modelový vertikální profil směšovacího poměru vodní páry. Metoda byla testována s modelem LM COSMO na předpovědi několika konvektivních událostí z území ČR. Výsledky ukazují, že touto asimilací dochází k významnému zpřesnění předpovědi ve srovnání s integrací bez asimilace. Metoda dává přinejmenším srovnatelné výsledky jako standardní metoda asimilace v LM modelu a je výpočetně efektivnější. (B) 5. Přiřazení magnetosférických hvizdů a bleskových výbojů. Na základě statistického zpracování rozdílů časů hvizdů pozorovaných na družicích a časů bleskových výbojů detekovaných pozemní sítí EUCLID se podařilo přiřadit pozorovaným hvizdům jejich příčinné bleskové výboje. Ze znalosti vzájemné polohy družice a místa bleskového výboje jsme ukázali, že oblast v ionosféře, kterou energie vln proniká do magnetosféry, může být až několik tisíc kilometrů široká. (B) 6. Definování referenčního větrného potenciálu pro území ČR. Pomocí vertikálních profilů rychlosti větru ve vrstvě do 100 m u zemského povrchu byl definován referenční větrný potenciál pro větrné klima ČR. Jeho hodnota slouží pro stanovení pevné výkupní ceny elektřiny vyrobené z energie větru Energetickým regulačním úřadem, dále je používána pro porovnávání jednotlivých lokalit jako hodnotící kritérium. (C) 7. Předpovědi parametrů dolní části ionosférické F vrstvy. Ve spolupráci se španělskými kolegy byla vypracována metodika zlepšení předpovědí parametrů dolní části ionosférické F vrstvy, což je v modelu IRI-2001 (Mezinárodní Referenční Ionosféra) jedna z nejproblematičtějších oblastí. Verifikace metodiky ukázala, že výsledná predikce základních parametrů dolní části F vrstvy byla přesnější v průměru o 30% až 40%. Navržená metodika byla schválena mezinárodní komunitou na IRI workshopu v Buenos Aires (Argentina) a doporučena k začlenění do nové verze modelu IRI. (B) 8. Odhad extremity srážek nezávisle na jejich kvantitativní předpovědi. Odhad je prováděn na základě kombinované extremity různých prediktorů (toků vlhkosti, potenciální vorticity apod.). Byl navržen systém objektivního výběru prediktorů pomocí průměrné extremity veličiny v rámci souboru historických událostí. Studium
1
meteorologických podmínek silných srážek v dalších zemích střední Evropy prokázalo možnost aplikace metody v rámci tohoto regionu. (B) 9. Vliv sluneční aktivity na elektronovou teplotu ve vnější ionosféře a plazmasféře Země. Pomocí databáze zahrnující všechna dostupná a dosud naměřená data elektronové teploty z družic a radarů s nekoherentním rozptylem a teoretických simulací matematickým modelem FLIP jsme popsali chování elektronové teploty v závislosti na sluneční aktivitě jako funkci místního času, šířky, výšky a sezony. V prostoru těchto parametrů byly vymezeny typické oblasti, kde dochází se vzrůstem sluneční aktivity k poklesu nebo k růstu elektronové teploty. (B) 10. Fázová synchronizace mezi cirkulací a teplotami. Ve spolupráci s ÚI AV ČR byly nalezeny vztahy mezi indexy atmosférické cirkulace a vývojem teplot. Byly identifikovány oscilační módy v indexu Severoatlantské oscilace (NAO) a v dlouhodobých řadách pozorovaných přízemních teplot ve střední Evropě a byla prokázána jejich fázová synchronizace. (B) 11. Globální model interakce magnetosféry a slunečního větru. Vytvořili jsme globální numerický model interakce magnetosféry a slunečního větru, který umožňuje rekonstruovat a předpovídat měření umělých družic za daných podmínek ve slunečním větru. Model bude sloužit k navrhování oběžných drah pro projekty MESSENGER (NASA) a BepiColombo (ESA, JAXA) a interpretaci jejich měření. Vývoj tohoto systému byl možný díky počítačovému clusteru Amálka vyvíjenému v ÚFA. Tento cluster je největším výpočetním systémem v ČR a byl v roce 2006 částečně rekonstruován a vybaven novými procesory. (B) 12. Statistický nowcasting srážek. Byla vyvinuta dvoukroková regresní metoda pro vyjádření závislosti mezi prediktory a prediktandy, která spočívá v tom, že vícerozměrný lineární regresní model je doplněn iterační korekční procedurou. Metoda byla aplikována na předpověď 6hodinových plošných srážek pro 15 vybraných povodí a kvantitativní 1hodinovou předpověď srážek. Výsledky ukazují, že iterační korekční procedura zlepšuje přesnost předpovědi pro zadaný interval srážek a současně nezpůsobuje systematickou chybu. (B) 1c. Nejvýznamnější popularizační aktivity Dny vědy, Světový meteorologický den: V rámci Dnů vědy 10.-12.11. navštívilo pracoviště ÚFA v Praze a observatoře na Milešovce a v Panské Vsi dohromady cca 180 zájemců. Observatoř a družicová telemetrická stanice Panská Ves byla veřejnosti zpřístupněna vůbec poprvé. Při příležitosti Světového meteorologického dne navštívilo observatoř Milešovka 25.-26.3. 52 lidí. Další exkurze na pracovišti: Návštěvy pracoviště spojené s prezentací o výzkumu ionosféry a magnetosféry a o družicích Magion: návštěva 15 účastníků akce Fyzikální týden (středoškolští studenti), 2x návštěva studentů MFF UK (celkem 24 účastníků), návštěva účastníků Univerzity třetího věku (16 účastníků), návštěva rakouských studentů průmyslové školy ve Štýrském Hradci (23 účastníků), exkurze učitelů gymnázia Doksy na observatoři Panská Ves (12 účastníků). Zahraniční média: cca 15 rozhovorů na téma globální změny v horní atmosféře, s novináři pracujícími pro tištěná, audiovizuální i internetová média v USA, Anglii, Německu, Brazílii a Indii (v souvislosti s publikací článku J.Laštovičky a kol. v Science). TV: ČT1 – Česká hlava – pravděpodobná maximální srážka; rozhovor na téma ozónová díra v Antarktidě a prognóza dlouhodobého vývoje. ČT2 – účast na tvorbě populárně-naučného seriálu „Skoro jasno“, díl 3 – Vítr, díl 5 – Oblačnost. TV Nova – spolupráce na přípravě pořadu o hurikánech. Rozhlas: ČRo1 – rozhovor na téma ozónová díra v Antarktidě a prognóza dlouhodobého vývoje; účast v diskusním pořadu Radiofórum na téma klimatická změna a extrémy počasí; prezentace projektu Amálka v pořadu Meteor. ČRo Leonardo – příspěvek na téma „Kosmický prostor“, opakovaně účast v pořadech na téma historie a změny klimatu a povodně, účast v pořadu „Cesty kosmických dat“, rozhovory na téma globální změny v horní atmosféře a ozónová díra v Antarktidě. Radio Impuls – rozhovor na téma změny klimatu. Tisk: Rozhovory pro Hospodářské noviny, Lidové noviny, National Geographic na téma extrémní počasí a povodně. Spolupráce na článcích pro deníky Bohemia a Aha!, spolupráce na článku pro časopis Týden – klimatická změna a extrémy počasí. Řada dalších prezentací v tisku a rozhlase zejména na téma globálních změn v horní atmosféře a rekonstrukce výpočetního systému Amálka (mj. Lidové noviny, ČTK). Tisková zpráva: rozšíření výpočetního systému Amálka. Internetová média: diskuse na portálu ihned.cz na téma klimatická změna a extrémy počasí; cca 10 příspěvků v různých internetových médiích po vydání tiskové zprávy o projektu výpočetního systému Amálka. Přednášky: přednáška pro společnost přátel Tadeáše Haenkeho: Jak se dělá předpověď počasí (D.Řezáčová); přednáška pro střední školy na KAV přenášená ČRo Leonardo – Klimatická změna a skleníkový efekt (I.Nemešová). Další aktivity: ÚFA je zapojen do projektu Otevřená věda, pravidelně docházeli 4 středoškolští studenti, byly připraveny podklady pro popularizující webovou prezentaci. Spoluúčast na organizaci oslavy výročí 100 let trvání observatoře Milešovka – mj. přednáškový večer a následně den otevřených dveří na observatoři Milešovka, celková účast více než 1000 návštěvníků. Prezentace práce ÚFA na akci „Trh příležitostí pro absolventy PřF UK“.
2
1d. Domácí a zahraniční ocenění zaměstnanců ÚFA Jan Kyselý: EMS Young Scientist Award – cena za významný článek, udělována jednou ročně Evropskou meteorologickou společností vědci do 32 let Miloslav Müller a Marek Kašpar: cena za nejlepší poster pro mladé autory na 7th Int. Workshop on Precipitation in Urban Areas, St. Moritz Jan Šmilauer: Cena předsedy GA ČR za zvlášť úspěšné řešení grantového projektu; udělena kolektivu řešitelů prof. Němeček (MFF UK), ing. Šmilauer (ÚFA) a Dr. Vandas (AsÚ) František Němec: Cena ministryně školství, mládeže a tělovýchovy ČR pro vynikající studenty a absolventy Jan Kyselý: Prémie Otto Wichterleho pro vynikající mladé pracovníky AV ČR 1e. Další specifické informace o ÚFA, změny v jeho struktuře a vědecké orientaci Ve vědecké orientaci ÚFA nedošlo v loňském roce k žádným významným změnám. K 30.12. 2006 došlo k rozdělení Oddělení klimatologie a aeronomie na Oddělení klimatologie a Oddělení aeronomie. ÚFA je sídlem Regional Warning Centre (RWC Praha) celosvětové datové a předpovědní sítě ISES (vedoucí centra – ing. Burešová, ÚFA), do níž denně přispívá svými ionosférickými daty z observatoře Průhonice. Do RWC přispívají též AsÚ AV ČR a GFÚ AV ČR. Specifickým rysem ÚFA je provoz pěti observatoří: tří meteorologických (Milešovka, Kopisty, Dlouhá Louka), jedné družicové (Panská Ves) a jedné ionosférické (Průhonice). V rámci mezinárodní výměny meteorologických dat předává ÚFA klimatická a synoptická data ze svých observatoří v operativním režimu Českému hydrometeorologickému ústavu (ČHMÚ). Observatoř Milešovka je zařazena mezi referenční stanice Global Climate Observing System (GCOS) při WMO. Při ÚFA pracují Národní komitéty URSI (International Union of Radio Sciences) a COSPAR (Committee for Space Research). Pracovníci ústavu zaujímají některé významné funkce v mezinárodních vědeckých organizacích a poradních sborech: předseda Národního komitétu a člen Councilu URSI (dr. Fiala), člen výkonného výboru IAGA a předseda pracovní skupiny II.F IAGA/IAMAS (dr. Laštovička), předseda Národního komitétu COSPAR a člen COSPAR council (dr. Laštovička), člen Mezinárodní astronautické akademie (ing. Tříska), expert pro hodnocení návrhů projektů FP6-2004-Global-3 (doc. Řezáčová), člen komise pro vyhodnocování návrhů projektů EU programu LAPBIAT-2 (dr. Laštovička), člen panelu „Earth System Science“ ERC programu „ERC Starting Independent Investigator Grants“ (dr. Laštovička). Dr. Laštovička je členem vědecké rady GFÚ AV ČR a Matematicko-fyzikální fakulty UK Praha. Doc. Řezáčová je členem vědecké rady Geografické sekce Přírodovědecké fakulty UK Praha. Dr. Štekl byl v první polovině roku 2006 členem vědecké rady Přírodovědecké fakulty MU Brno. Členství v edičních radách: Studia Geophysica et Geodaetica (dr. Huth, dr. Laštovička), International Journal of Climatology (dr. Huth), Meteorologische Zeitschrift (dr. Huth), Meteorologické zprávy (doc. Řezáčová). Dr. Laštovička se stal co-editorem Advances in Space Research. 2. Spolupráce s vysokými školami 2a. Nejvýznamnější vědecké výsledky vzniklé ve spolupráci s VŠ 1. Regionální frekvenční analýza extrémních srážkových úhrnů. Byla provedena regionalizace území ČR podle statistických vlastností rozdělení extrémně vysokých jednodenních a vícedenních úhrnů atmosférických srážek. Frekvenční rozdělení ročních maxim má nápadně odlišné vlastnosti v oblasti SV Moravy a Slezska, zejména pro vícedenní úhrny; na rozdíl od zbytku území je zde vhodnější zobecněné logistické rozdělení (GLO) než zobecněné rozdělení extrémních hodnot (GEV), chvosty rozdělení jsou výrazně těžší. (ve spolupráci s TU Liberec) 2. Šíření choru. Ukázali jsme, že se chorus může šířit ze zdrojové oblasti poblíž magnetického rovníku do vyšších šířek a směrem k Zemi. Tam může být pozorován ve formě vlnových emisí tradičně známých pod označením ELF sykot. Z měření družic DEMETER a Freja se nám dále podařilo ukázat, že tyto emise se vyznačují výraznou vnitřní strukturou. Simulace zpětných drah paprsků těchto vln od místa pozorování v nízkých výškách nad Zemí ukazuje, že jejich zdrojovou oblastí může být právě okolí magnetického rovníku, kde jsou družicemi Cluster pozorovány na stejných frekvencích emise typu chorus. (ve spolupráci s MFF UK Praha) 3. Vlny ve vnější ionosféře. Analýza vlnových měření družice DEMETER ukázala, že vlny pozorované ve vnější ionosféře lze zpětně sledovat jak k jejich zdrojům v magnetosféře Země (harmonické emise v pásmu ELF pozorované během magnetických bouří), tak k jejich zdrojům v blízkosti povrchu Země (hvizdy generované bouřkovou aktivitou nebo hypotetické vlnové emise modulované seismickou aktivitou). Zjistili jsme dále, že zdrojová oblast elektromagnetického harmonického záření z přenosových sítí dobře odpovídá zemi jejich původu,
3
vezmou-li se v úvahu rozdílné síťové frekvence v různých oblastech, a že toto záření lze nalézt jak na přesných vyšších harmonických frekvencích dané síťové frekvence, tak i namodulováno na frekvence mírně odlišné. (ve spolupráci s MFF UK Praha) 4. Porovnání metod interpolace parametrů stochastického generátoru. Porovnali jsme tři metody interpolace parametrů generátoru počasí: (i) co-kriging, (ii) neuronové sítě, (iii) metodu založenou na váženém průměru z okolních stanic s lineární korekcí zohledňující závislost na nadmořské výšce a zeměpisných souřadnicích. Metoda (iii) se ukázala jako nejúspěšnější. Vliv chyby interpolace na některé klimatické charakteristiky odvozené ze syntetických řad je menší než chyba způsobená nedokonalostí modelu generátoru v reprodukci dané charakteristiky. (ve spolupráci s MZLU Brno) 5. Zpřesnění dat z měření magnetického pole. Věnovali jsme se zpřesnění dat z měření magnetického pole na družici Magion 4, což nám umožnilo zabývat se rychlými (krátkodobými) změnami vlastností plazmatu na rozhraní magnetosféry i nízkorozměrnými strukturami (např. vortexy). (ve spolupráci s MFF UK Praha) 6. Šíření UWB signálu v atmosféře. Podrobně byl analyzován průchod UWB (Ultra širokého – Ultra wide band) signálu zdí s uvažováním efektů mnohocestného šíření, kdy je přijímán současně přímý i jeden nebo více odražených paprsků od Země nebo okolních objektů. Výsledky byly simulovány na počítači a ověřeny měřením. Dospělo se k názoru, že mnohonásobné odrazy a efekty mnohocestného šíření jsou v případě UWB signálu mnohem menší, než pro signál úzkopásmový. (ve spolupráci s Univerzitou Pardubice) 2b. Výzkumná centra a společná pracoviště s VŠ ÚFA není zapojen do výzkumných center a nemá společná pracoviště s VŠ. 2c. Spolupráce s VŠ na uskutečňování doktorských studijních programů a magisterského a bakalářského studia Stav doktorských studijních programů je oproti minulému roku nezměněn: MŠMT ČR udělilo rozšíření akreditace DSP Fyzika v oborech Fyzika plazmatu a ionizovaných prostředí a Meteorologie a klimatologie, uskutečňovaných na MFF UK, na ÚFA AV ČR na dobu, po kterou jsou obory akreditovány na MFF UK. Pracovníci ÚFA přednáší v rámci magisterského a inženýrského studia na Univerzitě Karlově (Praha), ČVUT (Praha) a Univerzitě Pardubice; postgraduální výuka probíhá na MFF UK (viz přehled přednášek níže) a PřF UK. Pracovníci ÚFA jsou rovněž vedoucími diplomových prací a školiteli studentů DSP, členy oborových rad a zkušebních komisí. Výuka pro magisterské/inženýrské studium: Ionospheric physics (P.Šauli; Universite de Rennes 1, Francie); Matematické modelování oblačných a srážkových procesů (D.Řezáčová; MFF UK, Praha); Analýza povětrnostní mapy II (Z.Sokol; MFF UK, Praha [část přednášky]); Všeobecná klimatologie (J.Kyselý; MFF UK, Praha [část přednášky]); Fyzikální procesy v atmosféře (D.Řezáčová; PřF UK, Praha); Vybrané hydrometeorologické problémy (V.Kakos; PřF UK, Praha); GIS v meteorologii a klimatologii (J.Hošek; PřF UK, Praha); Cvičení z elektromagnetismu (P.Trávníček; Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT, Praha); Numerické simulace bezsrážkového plazmatu (P.Trávníček; Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT, Praha); Elektrotechnika a měření (O.Fišer; Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice). Výuka pro doktorské studium na MFF UK, Praha: Expertní systémy v meteorologii (D.Řezáčová); Prediktabilita atmosférických procesů (J.Horák [část přednášky]); Stratosféra a mezosféra (J.Laštovička); Využití vícerozměrných statistických metod v meteorologii a klimatologii (R.Huth); Aplikovaná fyzika oblaků a srážek (D.Řezáčová). 3. Spolupráce s dalšími institucemi a podnikatelskou sférou 3a. Společné projekty výzkumu a vývoje ÚFA se podílí na 6 projektech společných s mimoakademickými a mimo–VŠ institucemi. Partnerské organizace jsou Český hydrometeorologický ústav a TESTCOM. Poskytovateli jsou: GA ČR, GA AV ČR a MŠMT ČR. Nejvýznamnější dosažené výsledky: viz výsledky v bodě 1b, č. 4 (ve spolupráci s ČHMÚ, v rámci grantu GA ČR), 12 (s ČHMÚ, v rámci grantu MŠMT ČR); výsledek v bodě 2a, č. 4 (ve spolupráci s ČHMÚ, v rámci projektu „Kalibrace generátoru meteorologických dat pro místa s žádnými či neúplnými pozorováními“, poskytovatel GA ČR). Další výsledek: Model pro objektivní analýzu rozhraní výtoků studeného vzduchu ze sestupných proudů konvekčních bouří. Model je aplikovatelný na výstupy z nehydrostatických numerických předpovědních modelů s horizontálním
4
rozlišením řádu 1 km. Určuje polohu termicky výrazných rozhraní, odhaduje rychlost postupu a výšku čela výtoků. Na základě analýzy vertikálního střihu větru, stabilitních a vlhkostních podmínek kvantifikuje schopnost výtoků zesílit konvekční buňky na přední straně rozhraní. Testovací experimenty ukázaly, že model lze využít jako součást postupů pro velmi krátkodobou předpověď konvekce na území ČR. (ve spolupráci s ČHMÚ, v rámci grantu GA ČR) 3b. Výsledky výzkumu a vývoje pro ekonomickou sféru ÚFA má hospodářské smlouvy v sedmi oblastech, mj. na speciální ionosférická měření pro Armádu ČR, řešení částí projektů Českého hydrometeorologického ústavu, stožárová měření větru pro možnost stavby větrné elektrárny, montáž části družice a příjem signálu aj. K nejvýznamnějším výsledkům výzkumu pro ekonomickou sféru náleží: 1. Posudková činnost zaměřená na vyhodnocování lokalit zvažovaných pro výstavbu větrných elektráren. Bylo zpracováno 42 posudků větrných poměrů na základě numerických modelů, 8 posudků větrných poměrů na základě vyhodnocení stožárového měření větru v lokalitě a řada dílčích analýz (například vyhodnocení stroboskopického efektu či vzájemného stínění větrných elektráren). 2. Měření větru na meteorologických stožárech. Pro potřebu výstavby větrných elektráren bylo ukončeno a zpracováno roční měření ve 3 lokalitách, započato měření ve 2 nových lokalitách. 3. Studie současného stavu silniční meteorologie v Evropě a ve světě (zadavatel ČHMÚ). Analýza stavu se zaměřila na používané typy modelů pro předpověď stavu silničních komunikací a na služby poskytované v rámci silničních informačním systémů (SIS) v jednotlivých především evropských zemích. Výsledkem studie byl návrh projektu (výzkumu), který by zlepšil současný stav SIS v ČR. 4. Další studie podložené hospodářskou smlouvou: rozšíření kapacity JETE (zadavatel ÚJV AV ČR), účinek atmosférické elektřiny na rozvodná zařízení (zadavatel firma LUNA PLAST a.s.). 3c. Nové firmy V oblasti aplikovaného výzkumu nevznikly žádné nové firmy na základě výsledků činnosti ÚFA. 3d. Odborné expertizy Smlouva s Ministerstvem obrany ČR „Poskytování informací a služeb spojených se sledováním stavu ionosféry” – vydávání předpovědi šíření radiových vln odrazem od ionosféry, informace o stavu ionosféry, real-time předávání ionosférických měření. Dále zpracování posudků pro GA ČR, GA AV ČR a MŽP ČR. 4. Mezinárodní spolupráce 4a. Projekty řešené v rámci mezinárodních vědeckých programů Celkem: 20 Evropská unie – 5. rámcový program: 1 Evropská unie – 6. rámcový program: 2 Evropská unie – Galileo: 1 Projekty COST: 5 European Space Agency – ESA/PECS/Prodex: 5 INTAS: 2 KONTAKT: 1 Program dvoustranné spolupráce USA-ČR: 2 Program dvoustranné spolupráce Francie-ČR – PICS: 1 Nejvýznamnější mezinárodní projekty: # ENSEMBLE-based predictions of climate change and its impacts (ENSEMBLES); 6.RP EU, integrated project, koordinátor Meteorological Office, Exeter, UK, celkem 74 institucí z 20 zemí COST 296 – Mitigation of ionospheric effects on radio systems; koordinátor Prof. A. Bourdillon, University of Rennes 1, Francie; účastní se celkem 17 COST států + USA, Rusko, Čína, Kanada, Malajsie (= 22 zemí), celkem přes 40 institucí GEO-6; poskytovatel EU – Galileo Joint Undertaking, 6.RP, koordinátor firma AtosOrigin, Barcelona, Španělsko; účastní se celkem 7 institucí ze 6 zemí
5
Program dvoustranné spolupráce USA-ČR: Vývoj systémů pro velmi krátkodobou předpověď srážek zaměřených na hydrologické aplikace; spolupracující instituce: NOAA National Weather Service, Silver Spring, MD, USA, ÚFA AV ČR, ČHMÚ; dvoustranná spolupráce USA-ČR (AMVIS), MŠMT 1P05ME748 COST 731 – Propagation of uncertainty in advanced meteo-hydrological forecast systems; celkem 24 institucí z 20 zemí Central and Eastern Europe Climate Change Impact and Vulnerability Assessment (CECILIA); 6.RP EU, STREP, koordinátor MFF UK, Praha, celkem 16 institucí z 12 zemí COST 724 – Developing the scientific basis for monitoring, modelling and predicting space weather; koordinátor Dr. J. Lillensten, Universita Grenoble, Francie; účastní se celkem 51 institucí z 28 zemí 4b. Nejvýznamnější výsledky dosažené v mezinárodní spolupráci Viz seznam významných výsledků v bodě 1b, č. 1, 3, 7, 11; seznam významných výsledků v bodě 2a, č. 2, 3. Další výsledky: 1. Parametry šíření akusticko-gravitačních vln v ionosférickém plazmatu. Ve spolupráci s francouzskými kolegy byl vytvořen program pro detekci a stanovení parametrů šíření akusticko-gravitačních vln v ionosférickém plazmatu. Program využívá měření profilů elektronové koncentrace z jedné stanice a modeluje zbývající parametry při obecném šíření vlny plazmatem. 2. Statistický nowcasting. Byly vyvinuty a otestovány regionální modely pro pravděpodobnostní předpověď maximálních 3hodinových srážek ve čtvercích 40x40 km pro území USA. Výsledky prokázaly, že regionalizací lze výrazně zlepšit systematickou chybu předpovědi v jednotlivých regionech. Dále byl vyvinut první model pro předpověď 3hodinových srážkových úhrnů ve čtvercích 9x9 km pro území ČR. 3. Analýza dat z dopplerovských radarů. S Dr. D. Klugmannem (LISTAR Lipsko a Ústav fyziky troposféry v Lipsku) se spolupracovalo na formulaci algoritmu pro analýzu dat (retrieval algorithm) dopplerovských radarů. Přesné výpočty rozptylových funkcí jsou pro “on–line” provoz příliš časově náročné a společně byla nalezena dostatečně přesná, avšak z hlediska výpočetního času mnohem rychlejší aproximace výpočtu rozptylových funkcí pro pásmo 94 GHz. 4c. Akce s mezinárodní účastí pořádané ústavem NATO ELF/VLF Workshop, Praha, leden 2006; pravidelné setkání k tématice výzkumu vlnových jevů v plazmatu v okolí Země, ÚFA jediný organizátor; 18 účastníků, z toho 12 zahraničních. COST 733 Management Committee and Working Group Meeting, Praha, březen 2006; ÚFA jediný organizátor; 35 účastníků, z toho 31 zahraničních ze 17 zemí. COST 727 core group meeting, Praha, listopad 2006; ÚFA jediný organizátor; 8 účastníků, z toho 7 zahraničních. 4d. Nejvýznamnější zahraniční vědci, kteří navštívili ÚFA Kromě účastníků výše uvedených akcí V.V. Afonin (Rusko), I. Galkin (USA), D. Kitzmiller (USA), D. Klugmann (Německo), S. Landi (Itálie), J. Lui (Francie), M. Maksimovic (Francie), D. Nunn (UK), F. Pantellini (Francie), M. Parrot (Francie), J. M. Prospero (USA), F. Purstel (Rakousko), J. Rauch (Francie), M. Rycroft (UK), D. Shklyar (Rusko), V. Stojanova (Bulharsko), D.K. Teodosiev (Bulharsko), V. Thrakhtengerts (Rusko), E. Titova (Rusko), T. Turunen (Finsko), M. Velli (Itálie). 4e. Meziústavní dvoustranné dohody ÚFA má celkem 8 meziústavních dohod: – dohoda s International Centre for Theoretical Physics (ICTP) v Terstu, zaměřená hlavně na doškolování odborníků z rozvojových zemí v ÚFA – dohoda s Ústavem fyziky atmosféry CAS, Peking, Čína, o spolupráci ve výzkumu ozónu – smlouva mezi ÚFA a Ústavem kosmických výzkumů Bulharské akademie věd zaměřená na zpracování ULF dat z družic MAGION – smlouva mezi ÚFA a Ústavem kosmických výzkumů Ruské akademie věd (IKI RAN) o spolupráci na vývoji kosmických přístrojů a telemetrických systémů – dvě smlouvy s Německou meteorologickou službou (DWD) o výzkumném využití produktů: (i) LM DWD (Lokal Modell) a (ii) RSM (Radar Simulation Model)
6
– smlouva s Ústavem geotechniky SAV o spolupráci na výzkumu atmosférických polutantů. – smlouva mezi ÚFA a Ústavem aplikované fyziky Ruské akademie věd (IPF RAN), Nižnij Novgorod
7
Příloha 1: Anotace nejvýznamnějších vědeckých výsledků 1. Celkový obraz dlouhodobých globálních změn horní atmosféry Řešitel: J. Laštovička Mezinárodní kolektiv vedený J. Laštovičkou vytvořil prvý celkový obraz dlouhodobých globálních změn horní atmosféry a ionosféry, schematicky ukázaný na obrázku. Jejich hlavní příčinou je zesilující skleníkový efekt, vyvolaný hlavně růstem koncentrace CO2, jistou roli ve výškách pod 200 km hraje i zeslabení ozónové vrstvy a ve výškách nad 200 km růst geomagnetické aktivity v průběhu 20. století. Horní atmosféra (výšky nad 50 km) se ochlazuje a následně smršťuje s dopadem na orbitální dobu života družic. Změny v ionosféře jsou vyvolány teplotně způsobenými změnami v chemismu a fotochemii atmosféry a ionosféry s možným dopadem na šíření radiových vln, a tím i práci systému GPS. Trendy v teplotě mezosféry, elektronové koncentraci v dolní ionosféře, elektronové koncentraci a výšce jejího maxima v E vrstvě ionosféry, elektronové koncentraci v maximu F1 vrstvy ionosféry i v neutrální hustotě a iontové teplotě v termosféře, vytvářející celkový obraz globálních změn horní atmosféry, spolu navzájem souhlasí a kvalitativně odpovídají změnám, které předpovídají modely pro zesilující skleníkový efekt. -3
Ionospheric electron density (log10 cm )
Změny v atmosféře. Atmosférické vrstvy jsou definovány profilem teploty (hnědě). Ionosférické vrstvy jsou definovány profilem elektronové koncentrace (fialově). Šipky ukazují směr změn. Červeně – ohřev; modře – ochlazování; zeleně – teplota se nemění; černě – změny elektronové koncentrace (horizontálně) a výšky vrstev ionosféry (vertikálně). Převzato z Laštovička et al., Science, 2006. Publikováno v: Laštovička J., Akmaev R.A., Beig G., Bremer J., Emmert J.T.: Global change in the upper atmosphere. – Science 314 (5803): 1253-1254 (2006). Laštovička J., Mikhailov A.V., Ulich T., Bremer J., Elias A.G., Ortiz de Adler N., Jara V, Abarca del Rio R., Foppiano A.J., Ovalle E., Danilov A.D.: Long-term trends in foF2: A comparison of various methods. – J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 68 (17), 1854-1870 (2006). Laštovička J., Akmaev R.A., Beig G., Bremer J., Emmert J.T., Jacobi C., Jarvis M., Nedoluha G., Portnyagin Yu.I., Ulich Th.: Emerging pattern of global change in the upper atmosphere and ionosphere. – Ann. Geophysicae (v recenzním řízení).
8
1. Overall pattern of long-term global change in the upper atmosphere Investigator: J. Laštovička International team led by J. Laštovička constructed for the first time a pattern of the observed long-term global change in the upper atmosphere. Its primary driver is the increasing concentrations of greenhouse gases, particularly CO2, at below 200 km a role is played also by depletion of the ozone layer, and above 200 km by increasing geomagnetic activity throughout the 20th century. The upper atmosphere (heights above 50 km) is cooling and consequently contracting with impact on orbital lifetime of satellites. Changes in the ionosphere are produced by temperature-induced changes in atmospheric and ionospheric chemistry with potential impact on radio wave propagation and, thus, on the performance of the GPS navigational and positioning system. Trends in the mesospheric temperature, electron concentration in the lower ionosphere, electron concentration and height of its maximum in the E region, electron concentration in the F1-region maximum, the thermospheric neutral density and ion temperature – all these trends are mutually consistent and qualitatively agree with model simulations of consequences of the enhanced greenhouse effect. -3
Ionospheric electron density (log10 cm )
Changes in Earth’s atmosphere. The atmospheric layers are defined by the temperature profile (in brown). The ionospheric layers are defined by the electron density profile (midnight at equator; in violet). Arrows indicate the direction of change. Red – warming; blue – cooling; green – no change of temperature; black – changes in electron density (horizontal) and heights of ionospheric layers (vertical). From Laštovička et al., Science, 2006. Published in: Laštovička J., Akmaev R.A., Beig G., Bremer J., Emmert J.T.: Global change in the upper atmosphere. – Science 314 (5803): 1253-1254 (2006). Laštovička J., Mikhailov A.V., Ulich T., Bremer J., Elias A.G., Ortiz de Adler N., Jara V, Abarca del Rio R., Foppiano A.J., Ovalle E., Danilov A.D.: Long-term trends in foF2: A comparison of various methods. – J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 68 (17), 1854-1870 (2006). Laštovička J., Akmaev R.A., Beig G., Bremer J., Emmert J.T., Jacobi C., Jarvis M., Nedoluha G., Portnyagin Yu.I., Ulich Th.: Emerging pattern of global change in the upper atmosphere and ionosphere. – Ann. Geophysicae (submitted).
9
2. Vliv sluneční aktivity na atmosférickou cirkulaci Řešitelský kolektiv: R.Huth, L.Pokorná, ÚFA AV ČR; J.Bochníček, P.Hejda, GFÚ AV ČR Vliv proměnlivého vstupu slunečního záření na vyšší vrstvy atmosféry je nyní vědeckou komunitou všeobecně přijímán; důkazů, že dlouhodobé změny sluneční aktivity ovlivňují i troposféru, přibývá, nicméně jsou stále považovány za problematické. Naše práce přispívá k tomuto důkazu tím, že ukazujeme, že módy nízkofrekvenční proměnlivosti ve střední troposféře (v hladině 500 hPa, tj. okolo 5,5 km výšky) severní polokoule v zimě jsou citlivé na změny sluneční aktivity. Zmiňované módy sestávají z velkých, často vzájemně vzdálených oblastí, s podobným vývojem v čase v dlouhých časových měřítkách (1 měsíc a déle). Jedním z těchto módů je např. Severoatlantská oscilace (NAO), jež má značný vliv na podmínky počasí ve velké části Evropy. Módy byly určeny pomocí statistických metod zvlášť pro nízkou, střední a vysokou sluneční aktivitu. Prokázali jsme, že poloha módů, jejich plošný rozsah a intenzita závisí na sluneční aktivitě. Při maximech 11-letého slunečního cyklu mají módy tendenci být orientovány více zonálně, zasahovat přes větší vzdálenosti a jejich akční centra zabírají větší plochu. Dále pozorujeme, že za slunečního maxima jsou zonálně orientované módy silnější a meridionálně orientované módy slabší než za slunečního minima. Při vysoké sluneční aktivitě se NAO štěpí na dva módy, z nichž jeden je posunut západně od průměrné polohy NAO a druhý je tvořen vlnovou řadou se středem nad Středomořím, jež zasahuje až do střední Asie. Tyto závěry souhlasí s předchozími výsledky, že cirkulace nad Severním Atlantikem je více zonální při maximech sluneční aktivity; naše studie však jde dále a hlouběji než předchozí analýzy.
Severoatlantská oscilace (NAO) za (zleva) nízké, střední a vysoké sluneční aktivity. Zobrazeny jsou korelace mezi intenzitou NAO a výškami hladiny 500 hPa; interval mezi izočarami je 0,2, záporné izočáry jsou čárkované, nulová izočára je vynechána. Vpravo jsou šedě vyznačeny oblasti, kde je rozdíl korelací mezi vysokou a nízkou aktivitou statisticky významně odlišný od nuly. Publikováno v: Huth, R., Pokorná, L., Bochníček, J., Hejda, P.: Solar cycle effects on modes of low-frequency circulation variability. – J. Geophys. Res., 111, D22107, doi: 10.1029/ 2005JD006813 (2006).
10
2. Solar activity effects on atmospheric circulation Contribution by: R.Huth, L.Pokorná, Institute of Atmospheric Physics; J.Bochníček, P.Hejda, Geophysical Institute. The effects of varying solar input on higher atmospheric levels are now generally accepted by the scientific community; the evidence of effects of long-term solar variability on the troposphere is growing, but still considered questionable. We contribute to this evidence by showing that the modes of low-frequency variability in the mid troposphere (at the 500 hPa level, i.e., at about 5.5 km of altitude) in the Northern Hemisphere in winter are sensitive to the solar activity. The modes consist of large-scale, frequently remote areas, whose temporal development on long (monthly and longer) time scales is similar. One of the modes is the North Atlantic Oscillation (NAO), which determines to a large extent weather conditions in large parts of Europe. The modes were determined by statistical methods separately for a low, moderate, and high solar activity. We demonstrate that the position of the modes, their spatial extent, and intensity depend on the solar activity. Under solar maxima, the modes tend to be oriented more zonally, span longer distances, and their action centres occupy larger areas. The zonal modes are stronger under solar maxima whereas the meridional modes are weaker. The NAO splits under high solar activity into two modes, one shifted westward from the NAO’s mean position, the other forming a wave train centred over the Mediterranean, reaching far into central Asia. Our conclusions are in agreement with previous results, which claimed more zonal character of circulation over the North Atlantic under solar maxima; they go, nevertheless, deeper than and beyond previous analyses.
North Atlantic Oscillation (NAO) under (from left) low, moderate, and high solar activity. Shown are correlations between the NAO intensity and 500 hPa heights; contour interval is 0.2, negative isolines are dashed, and zero isoline is omitted. Areas where the difference in correlations between the high and low activity is statistically significantly different from zero are shown in grey in the right panel. Published in: Huth, R., Pokorná, L., Bochníček, J., Hejda, P.: Solar cycle effects on modes of low-frequency circulation variability. – J. Geophys. Res., 111, D22107, doi: 10.1029/ 2005JD006813 (2006).
11
3. Protonová teplotní anisotropie ve slunečním větru Řešitelé: Petr Hellinger, Pavel Trávníček Sluneční vítr je proud řídkého (~5 částic na cm3), ale rychlého (~500 km/s) a horkého (~100 000 K) plazmatu, tj. protonů a elektronů a malé populace těžkých iontů ze sluneční korony. Sluneční vítr formuje a silně ovlivňuje zemskou magnetosféru. Některé vlastnosti slunečního větru jsou docela záhadné, ještě jsme sluneční vítr zcela nepochopili. Sluneční vítr je značně proměnlivý a často je teplejší a rychlejší, než se očekává z teoretických modelů. Ve spolupráci s kolegy z Kavliho institutu (Massachusetts Institute of Technology, USA) jsme detailně analyzovali rozsáhlý datový soubor ze satelitu WIND a odhalili další hádankovou vlastnost protonů ve slunečním větru. Tyto protony mají obvykle dvě teploty: jednu teplotu podél směru lokálního magnetického pole, T||p, a druhou teplotu kolmo na tento směr, T⊥p. Tyto teploty jsou obvykle různé – protonová teplota je anizotropní. Rozdíl mezi těmito dvěma teplotami ale nemůže nabývat libovolných hodnot – protony s extrémní teplotní anizotropií jsou nestabilní a generují vlny, které přibližují obě teploty k sobě; tyto nestability tak představují hranice, které omezují možné teplotní anizotropie. Dříve se předpokládalo, že teoreticky dominantní nestability (protonová cyklotronní a paralelní hadicová nestabilita) omezují pozorovatelné protonové teplotní anizotropie. Naše analýza však ukazuje, že pozorovaná omezení souhlasí spíše s teoreticky slabšími nestabilitami (zrcadlová a šikmá hadicová nestabilita). Práce dále zahrnuje teoretické a simulační výsledky, které mohou vysvětlit rozpory mezi teoretickou předpovědí a pozorováními družice WIND – nelineární jevy spojené s nestacionárností slunečního větru a s přítomností minoritních těžkých iontů.
Pozorovaní satelitu WIND (1995-2001), odstíny modré ukazují pozorovanou četnost měření β||p (β||p je podíl mezi paralelním protonovým tlakem a tlakem magnetickým) a protonovou teplotní anizotropií T⊥p/ T||p (škála je na kraji napravo). Červeně šrafované oblasti jsou zakázané, tj. jsou silně nestabilní vůči protonové cyklotronní a paralelní hadicové nestabilitě (nalevo) a vůči zrcadlové a šikmé hadicové nestabilitě (napravo). Publikováno v: Hellinger, P., Trávníček, P.: Parallel and oblique proton fire hose instabilities in the presence of alpha/proton drift: Hybrid simulations. – J. Geophys. Res. 111: A01107, doi: 10.1029/2005JA011318 (2006). Hellinger, P., Trávníček, P., Kasper, J. C., Lazarus, A. J.: Solar wind proton temperature anisotropy: Linear theory and WIND/SWE observations. – Geophys. Res. Lett. 33: L09101, doi: 10.1029/2006GL025925 (2006). Matteini, L., Landi, S., Hellinger, P., Velli, M.: Parallel proton fire hose instability in the expanding solar wind: Hybrid simulations. – J. Geophys. Res. 111: A10101, doi: 10.1029/2006JA011667 (2006).
12
3. Proton temperature anisotropy in the solar wind Investigators: Petr Hellinger, Pavel Trávníček Solar wind is a flow of tenuous (~5 particles/cm3) but fast (~500 km/s) and hot (~100 000 K) plasma, i.e., protons and electrons and a small abundance of heavy ions from the solar corona. The solar wind shapes and strongly influence the Earth's magnetosphere. Properties of the solar wind are quite enigmatic and are far from being understood. The solar wind is very variable and is often much hotter and faster than expected from theoretical models. In collaboration with our colleagues from Kavli Institute (Massachusetts Institute of Technology, USA) we analyzed a large dataset of the WIND spacecraft and obtained a new puzzling feature of the solar wind protons. The solar wind protons have usually two different temperatures: one along the direction of the magnetic field, T||p, and one in direction perpendicular to the magnetic field, T⊥p. The two temperatures are usually different from each other – the proton temperature is anisotropic. The difference between the parallel and perpendicular temperatures cannot be arbitrary – protons with extreme temperature anisotropies become unstable and generate waves that bring the temperatures closer to each other; these instabilities constitute constraints on the anisotropy. Prior to our work it was expected that the theoretically dominant instabilities (proton cyclotron a parallel fire hose instabilities) constrain the observations. Our analysis shows that it is rather the theoretically weaker instabilities (mirror and oblique fire hose instabilities) that constrain the observed proton anisotropies. We also presented some theoretical and simulation results that may explain the discrepancy between the theoretical predictions and the WIND observations – nonlinear effect due to nonstationarity of the solar wind and a role of minor heavy ions.
WIND spacecraft dataset (1995-2001) is shown as the blue contours denoting the frequency of measurements of β||p (ratio between the parallel proton pressure and the magnetic pressure) and the proton anisotropy T⊥p/ T||p (the color scale is at the right border). The red hatched regions are forbidden, i.e., they are strongly unstable with respect to the proton cyclotron and parallel fire hose instabilities (left panel) and the mirror and oblique fire hose instabilities (right panel). Published in: Hellinger, P., Trávníček, P.: Parallel and oblique proton fire hose instabilities in the presence of alpha/proton drift: Hybrid simulations. – J. Geophys. Res. 111: A01107, doi: 10.1029/2005JA011318 (2006). Hellinger, P., Trávníček, P., Kasper, J. C., Lazarus, A. J.: Solar wind proton temperature anisotropy: Linear theory and WIND/SWE observations. – Geophys. Res. Lett. 33: L09101, doi: 10.1029/2006GL025925 (2006). Matteini, L., Landi, S., Hellinger, P., Velli, M.: Parallel proton fire hose instability in the expanding solar wind: Hybrid simulations. – J. Geophys. Res. 111: A10101, doi: 10.1029/2006JA011667 (2006).
13
Příloha 2: Seznam knižních publikací Burešová, D., J. Laštovička, G. De Franceschi: Manifestation of strong geomagnetic storms in the ionosphere above Europe, 2nd ESSW Book, Chapter 3: Ionosphere/Positioning and Telecommunications, in Astrophysics and Space Science Library (ASSL) series, 185-202, 2006 Horák J.: Matematické modelování v problémech klimatu. Academia, Praha 2006, 248 stran. ISBN 80-200-1372-5 Němec J., Hladný J., editoři: Voda v České republice. Ministerstvo zemědělství ČR, Praha 2006, 256 stran. V.Kakos autorem části 3.1 Povodně, spoluautorem částí 1.3 Voda v atmosféře, 3.2 Sucho. Zvelebil J., Paluš M., Novotná D.: Nonlinear Science issues in the dynamics of unstable rock slopes: new tools for rock fall risk assessment and early warnings. In: Fractal Analysis for Natural Hazards, pp 79-95, edited by G.Cello and B.D.Malamud, Geological Society SP261, published by The Geological Society London, 2006.
14
