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    Institut für Geophysik und Meteorologie

    Universität zu Köln

    Modulhandbuch

    Masterstudiengang „Physik der Erde und Atmosphäre“

    Köln, 19.09.2008

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    Studienverlaufsplan

    Schwerpunkt Geophysik: Module Methodik 1: Prognostische Modellierung Methodik 2: Inverse Modellierung GeoMet 1: Geophysik des Sonnensystems

    GeoMet 2: Elektrische und Elektromagnetische Verfahren der Geo- physik

    GeoMet 3: Seismologie GeoMet 4: Geophysikalisches Fortgeschrittenen-Praktikum GeoMet 5: Weltraumgeophysik/Space Physics

    Wahl: Aus Meteorologie, aus Geophysik-Angebot des Master- studiengangs in Bonn oder anderes Wahlfach aus dem Modulkatalog in der Prüfungsordnung

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    Schwerpunkt Meteorologie: Module

    Methodik 1: Prognostische Modellierung Methodik 2: Inverse Modellierung GeoMet 1: Physik der Atmosphäre GeoMet 2: Physikalische Klimatologie GeoMet 3: Strahlung, Wolken und Niederschlag

    GeoMet 4: Meteorologisches Fortgeschrittenen- Praktikum

    GeoMet 5: Dynamik der Atmosphäre

    Wahl:

    Aus Geophysik, aus Meteorologie- Angebot des Masterstudiengangs in Bonn oder anderes Wahlfach aus dem Modulkatalog in der Prüfungsordnung

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    Modulbeschreibungen:

    Vorbemerkungen:

    1. An Stelle der in diesen Modulbeschreibungen aufgeführten Wahlpflichtmodule sind auch folgende Module aus dem Masterstudiengang „Physik der Erde und Atmosphäre“ der Universität Bonn als Wahlpflichtmodule zugelassen:

    Schwerpunkt Modul

    Meteorologie Dynamik der Atmosphäre

    Meteorologie Klimadynamik und Statistik I

    Meteorologie Wolkenphysik

    Meteorologie Fernerkundung und mesoskalige Meteorologie I

    Meteorologie Allgemeine Hydrodynamik

    Meteorologie Klimadynamik und Statistik II

    Meteorologie Spezielle Themen aus der Theoretischen Meteorologie

    Meteorologie Fernerkundung und mesoskalige Meteorologie II

    Geophysik Hydrogeophysik

    Geophysik Earthquake Physics

    Geophysik Tectonophysics

    Geophysik Praktische Hydrogeophysik

    2. Weitere gleichwertige Module können durch Beschluss des Prüfungsausschus-

    ses zugelassen werden und werden auf geeignete Weise bekanntgegeben. 3. Die Literaturempfehlungen beziehen sich auf den Stand von August 2007. Die-

    se können entsprechend der Ankündigung des Modulverantwortlichen zu Be- ginn des jeweiligen Semesters ergänzt oder verändert werden.

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    Pflichtmodule:

    Modultitel

    Prognostische Modellierung ID: MN-GM-PM

    Zuordnung: Masterstudiengang Struktur Lehrveranstaltung Leistungspunkte Dauer

    (SWS) Studienaufwand (h)

    Vorlesung 2 2 60 Übung 4 2 120

    Gesamt 6 4 180 Beschreibung / Inhalt • Grundlagen meteorologischer und geophysikalischer

    prognostischer Modellierung. • Aktuell übliche numerische Verfahren und Parametrisie-

    rungen physikalischer Prozesse in geophysikalischen und meteorologischen Prognosemodellen.

    • Numerische Modellierung von Weltraumplasmen. Pflichtliteratur Press, W.H., Flannery, B. P., Teukolsky, S. A., Vetterling, W.

    T., actual edition, Numerical recipies, Fortran edition Weiterführende Litera- tur

    Fletcher, C. A. J., 1991: Computational Techniques for Fluid Dynamics. Springer-Verlag, 2nd Edition Krishnamurti, T. N., H. S. Bedi, V. M. hardiker and L. Ramas- wamy, 2006: An Introduction to Global Spectral Modeling Mote, P. and A. O´Neill (ed), 2005: Numerical Modeling of the Global Atmosphere in the Climate System McGuffie, K. and A. Henderson-Sellers, 2005: A Climate Mod- elling Primer Hoffmann, J. D., 2001: Numerical Methods for Engineers and Scientists Haltiner, J. and R. T. Williams, 1980: Numerical Prediction and Dynamic Meteorology Richardson, L. F, 1992: Weather Prediction by Numerical Process Büchner et al., 2003: Space Plasma Simulation (Lecture Notes in Physics)

    Organisation und Lehrformen

    Vorlesung, Übung

    Leistungsnachweise, Bewertungsmodus

    Das Modul ist bestanden, wenn die Modulprüfung (Klausur) bestanden wurde. Bei nicht bestandener Modulprüfung wird die Gelegenheit einer zeitnahen Wiederholungsprüfung (Klausur oder mündliche Prüfung) gegeben. Bei nicht bestandener Wie- derholungsprüfung wird die Wiederholung der Lehrveranstal- tungen des Moduls mit anschließender zweiter Wiederho- lungsprüfung empfohlen. Bei deren Nichtbestehen ist das Mo- dul endgültig nicht bestanden. Die Modulnote ist die Note der Abschlussklausur (bzw. deren Wiederholungsprüfung).

    Anmeldung zur Prü- fung und Wiederho- lungsprüfung

    Der Prüfungszeitpunkt ist zum Ende des Moduls vorgesehen. Voraussetzung zur Zulassung zur Modulprüfung ist die regel- mäßige und erfolgreiche Teilnahme an den Vorlesungen und Übungen. Es müssen mindestens 50% der in den Übungen zu

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    erreichenden Punkte erworben worden sein. Die Anmeldung zur Modulprüfung gilt gleichzeitig als Anmel- dung zum Modul. Der Prüfungsausschuss gibt die Frist zur Anmeldung zum Vorlesungsbeginn bekannt. Der Termin der Wiederholungsprüfung ist frühestens 3 Wochen nach der Erst- prüfung und wird dem Studierenden in geeigneter Weise be- kannt gegeben. Die zweite Wiederholungsprüfung kann, wenn sie nicht nach Wiederholung der Lehrveranstaltungen des Mo- duls als Klausur stattfindet, nach Absprache mit dem Prü- fungsausschuss auch als mündliche Prüfung abgenommen werden.

    Lern/ Qualifikations- ziele

    • Verständnis der Grundlagen für atmosphärische Model- lierung

    • Kenntnis der Bestandteile von numerischen Atmosphä- ren Modellen

    • Verständnis der Grundlangen von Plasmasimulationen • Kenntnis der wichtigsten numerischen Verfahren für at-

    mosphärische Modellierung • Kenntnis der Parameterisierungen • Verständnis der Stärken und Schwächen der verschie-

    denen numerischen Methoden • Fähigkeit zur Programmierung und Anwendung atmos-

    phärischer numerischer Modelle Teilnahme- voraussetzungen

    Empfohlen: Grundlagen der geophysikalischen Fluiddynamik, Kenntnisse der Programmiersprache FORTRAN

    Häufigkeit des Ange- bots

    Jedes Wintersemester

    Vermittelte fachüber- greifende Kompeten- zen und Soft Skills

    Einblick in die Struktur physikalisch numerischer Modellierung. Fähigkeit zur kritischen Bewertung von Modellergebnissen, Präsentationsfähigkeit

    Verwendbarkeit in an- deren Studiengängen

    Entfällt

    Anrechnung in Endno- te

    Gewicht: 5%

    Koordinator Prof. Dr. M. Kerschgens Überarbeitungsstand 17.09.2008

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    Modultitel

    Inverse Modellierung ID: MN-GM-IM

    Zuordnung: Masterstudiengang Struktur Lehrveranstaltung Leistungspunkte Dauer

    (SWS) Studienaufwand (h)

    Vorlesung 2 2 60 Übung 4 2 120

    Gesamt 6 4 180 Beschreibung / Inhalt 1. Grundlagen und Motivation

    Inversionsprobleme in der Geophysik/Meteorologie, Überblick über Inversionsmethoden und Begriffe

    2. Deterministische Ansätze Lineare Probleme

    Allgemeine Formulierung, Begriffe Methode der kleinsten Quadrate Normalgleichungen Generalisierte Matrixinversion (SVD-Zerlegung) Daten-/Modellauflösungsmatrix Daten-/Modellkovarianzmatrix

    Nichtlineare Probleme Linearisierung Iterative Gradienten- u. Gauss-Newton Methode Regularisierung (Marquardt-Levenberg, Occam)

    3. Stochastische Ansätze

    Allgemeine Formulierung, Begriffe Regressionsmethoden Bayes'sches Theorem Datenassimilation Optimale Interpolation 3D-var Kalman-Filter 4D-var Adjungierte und tangential-lineare Modellierung

    4. Anwendungsbeispiele

    Seismische/Georadar-Tomographie, Geoelektrik Fernerkundung von Temperatur- und Feuchteprofilen der Atmosphäre Biogeochemische Kreisläufe, Paläoklimaanwendungen

    Pflichtliteratur Kalnay, E., Atmospheric Modeling, data assimllation and pre- dictability, Cambridge Univ. Press, 2003, pp 342 Menke, W.1989, Geophysical data analysis: Discrete inverse theory, Academic Press

    Weiterführende Litera- tur

    Aster,R.C., B. Borchers, C. H. Thurber, 2005, Parameter esti- mation and inverse problems Bennet, A.F., Inverse Modellingof the Ocean and the Atmos- phere, Cambridge Univ. Press, 2002, pp 234. Daley R., 1991: Atmospheric data analysis. Cambridge Univer-

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    sity Press, 457S, ISBN 0-521-45825-0, pp 457 . Rodgers, C. D., 2000: Inverse methods for atmospheric sound- ing: Theory and practice. World Scientific, 238 pp. Gubbins, D. , 2004, Time series analysis and inverse theory for geophysicists, Cambridge Univ. Press Meju, M. A. ,1994, Geophysical data analysis: Understanding inverse problem theory and practice, Course Notes Series, Volume 6, Soc. Exploration Geophysicists (SEG) A. Tarantola, A., 2005, Inverse problem theory and methods for model parameter estimation, Soc. Industrial and Appl. Math. (SIAM) Zhdanov, M.S. 2002, Geophysical inverse theory and regulari- zation problems, Elsevier

    Organisation und Lehrformen

    Vorlesung und Übungen mit Aufgaben zur Inversion von geo- physikalischen und meteorologischen Daten

    Leistungsnachweise, Bewertungsmodus

    Das Modul ist bestanden, wenn die Modulprüfung (Klausur) bestanden wurde. Bei nicht bestandener Modulprüfung wird die Gelegenheit einer z

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