Кіріспе

Айналатын жүйедегі сұйықтық қозғалысын түсінудің қарапайым тәсілі Сұйықтық механикасында потенциалдық шұңқырлық (ПВ) - шұңқырлық пен қабатталудың нүктелік көбейтіндісіне пропорционалды шама. Бұл мөлшерде ауа немесе су бөліктері тек диабетикалық немесе фрикциялық процестер арқылы өзгертілуі мүмкін. Бұл циклогенездегі (циклонның пайда болуы мен дамуы) айналымның пайда болуын түсіну үшін, әсіресе полярлық фронт бойымен және мұхиттағы ағынды талдау үшін пайдалы тұжырымдама. Потенциалдық шұңқырлық (ПВ) қазіргі заманғы метеорологияның маңызды теориялық жетістіктерінің бірі ретінде қарастырылады. Бұл Жер атмосферасы мен мұхиты сияқты айналатын жүйедегі сұйықтық қозғалысын түсінудің оңайлатылған тәсілі. Оның дамуы Кельвиннің айналым теоремасының арнайы түрі болып табылатын 1898 жылы Бьеркнес жасаған айналым теоремасына барып такалады. 1985 жылы Hoskins және басқалардан бастап, PV көбінесе ауа-райының диагностикасында, мысалы, ауа бөліктерінің динамикасын іздеу және толық ағынды өрісте инверттеуде қолданылады. Тіпті, есептеу қуаттарының артуы нәтижесінде, толығырақ масштабтағы сандық ауа райы болжамын жасау мүмкін болғаннан кейін де, PV көрінісі әлі күнге дейін академиялық және әдеттегі ауа райы болжамында қолданылады, бұл синоптиктер мен зерттеушілер үшін синоптикалық масштабтың ерекшеліктерін ашады. Бароклиндік тұрақсыздық циклогенез кезінде толқындар күшейтеді деген ықтимал айналу градиенті болуын талап етеді.

Интерпретация

(3) теңдеу - бұрыштық импульске атмосфералық балама. Мысалы, аяғын екі жаққа жайып, айналып жүрген конькимен сырғанаушы аяғын тартыстыра отырып, айналу жылдамдығын арттыра алады. Сол сияқты, ауаның айналып жатқан тұйығы кеңірек болса, ол да баяу айналады. Ауа көлденеңнен жиналғанда, ауа жылдамдығы потенциалдық айналуды сақтау үшін өседі, ал вертикальдық көлем массаны сақтау үшін өседі. Екінші жағынан, дивергенция айналу жылдамдығын баяулата отырып, айналуды кеңейтеді.

Интерпретация

Ертелдің PV-ның сақталу теоремасы, теңдеу (12), құрғақ атмосферада, егер ауа бөліктері өзінің ықтимал температурасын сақтаса, оның ықтимал шұңқырлығы да толық үш өлшемді қозғалыстарынан кейін сақталады. Басқаша айтқанда, адиабатикалық қозғалыста ауа бөлшектері Ертел PV-ді изоэнтроптық бетке сақтап қалады. Бір қызығы, бұл шама жел мен температура өрістерін байланыстыратын Лагранж трассирі ретінде қызмет ете алады. Ертелдің PV-ның сақталу теоремасын қолдану жалпы айналымды түсінуде әртүрлі жетістіктерге әкелді. Олардың бірі - Рид және басқалар (1950) жазған "тропопаузалық бүктеу" процесі. Жоғарғы тропосфера мен стратосферада ауа бөліктері синоптикалық уақыт аралығында адиабатикалық қозғалыстарды қадағалайды. Экстратропикалық аймақта стратосферадағы изентропиялық беттер тропопаузаға енуі мүмкін, сондықтан ауа бөліктері стратосфера мен тропосфера арасында қозғала алады, бірақ тропопаузаға жақын жердегі PV-нің күшті градиенті әдетте бұл қозғалысқа жол бермейді. Алайда, жел жылдамдықтары ең күшті болатын реактивті ағымның ішіндегі шоғырланған аймақ болып табылатын реактивті жолақтар маңындағы алдыңғы аймақта, PV контур тропосфераға қарай төмен қарай созылуы мүмкін, бұл изентропиялық беттерге ұқсас. Сондықтан, стратосфералық ауа тұрақты PV және изоэнтропиялық беттерден тропосфераға терең түсіп, төмен қарай ығыстыра алады. ФВ карталарын қолдану тіпті субсиноптикалық масштабтағы бұзылыстар кезінде де жақында стратосфералық шығу тегінің ауа бөліктерін ажыратуда дәл екендігі дәлелденді. (Бұл туралы Holton, 2004-те көрсетілген, 6.4-сурет) Ertel PV те теңіздегі ағындыларды анықтаушы ретінде әрекет етеді және Анд таулары сияқты таулар жотасының жоғарғы батыс желдерін экваторға және кері қарай қалай бұратынын түсіндіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Ертелдің ПВ бейнелейтін карталары әдетте метеорологиялық талдауда қолданылады , онда потенциалдық бұрқасындық бірлігі (ПВБ) ретінде анықталады .

Геострофиялық шамамен PV

Ең қарапайым, бірақ айқын теңгерімдеу жағдайларының бірі квазигеострофтық теңдеулер түрінде. Бұл шамалау негізінен гидростатикалық және геострофтық болып табылатын үш өлшемді атмосфералық қозғалыстар үшін олардың геострофтық бөлігі шамамен қысым өрісімен анықталуы мүмкін, ал эгострофтық бөлігі геострофтық ағымның эволюциясын басқарады. Квази геострофтық шектегі потенциалдық шұңқырлық (QGPV) алғаш рет 1960 жылы Чарни мен Стерн жасаған. 2004 жылғы Холтонның 6.3-тарауына ұқсас, Ертелдің ықтимал айналушылығының теориялық көркемдігіне қарамастан, Ертел PV-нің алғашқы қолданбалары арнайы изоэнтропиялық карталарды пайдаланатын трассирлік зерттеулермен шектеледі. Жалпы, басқа да айнымалыларды тек Ertel PV өрістерін білуден шығарып салу жеткіліксіз, өйткені ол жел және температура өрістерінің (және) туындысы болып табылады. Алайда, кең ауқымды атмосфералық қозғалыстар өзінен-өзі квази статикалық болып табылады; жел мен массалық өрістер бір-біріне сәйкес келеді және теңдеседі (мысалы, градиент тепе-теңдігі, геострофтық тепе-теңдік). Сондықтан, басқа болжамдар жасалып, тұйықтау жасалуы және аталған ағымның толық құрылымы анықталуы мүмкін: 1) белгілі бір формадағы теңгерімдеу шарттарын енгізу. Бұл жағдайлар физикалық тұрғыдан жүзеге асырылуы мүмкін және тұрақты болуы тиіс, мысалы, статикалық тұрақсыздық сияқты тұрақсыздықтар болмауы тиіс. Сонымен қатар, қозғалыс кеңістігі мен уақыт шкалалары болжамды тепе-теңдікпен үйлесімді болуы керек; 2) температураның, потенциалдық температураның немесе геопотенциалдық биіктіктің таралуы сияқты белгілі бір эталондық жағдайды көрсету; 3) дұрыс шекаралық жағдайларды бекіту және жалпы PV өрісін кері айналдыру. Бірінші және екінші болжамдар квазигеострофтық ПВ-ның шығарылымында нақты көрсетілген. Баланс шарты ретінде жетекші реттік геострофиялық тепе-теңдік қолданылады. Екінші реттік терминдер, мысалы, эгеострофтық желдер, ықтимал температураның бұзылуы және геострофтық биіктіктің бұзылуы, дәйекті шамаға, яғни Россби санының ретіне ие болуы керек. Бағалау жағдайы аймақтық орташаланған потенциалдық температура мен геопотенциалдық биіктік. Үшінші болжам тіпті 2 өлшемді вихрелік инверсия үшін де айқын, өйткені екінші реттік эллиптік оператор болып табылатын (21) теңдеудегі Лапластың операторын инверттеу шекаралық жағдайларды білуді талап етеді. Мысалы, (20) теңдеуде инвертибильділік дегеніміз , Лапласқа ұқсас операторды геопотенциалдық биіктікті алу үшін инверттеуге болады, бұл квази геострофтық болжам бойынша QG ағыс функциясымен де пропорционалды. Геострофтық жел өрісін одан оңай шығаруға болады. Соңында температуралық өрісі гидростатикалық теңдеуге ауыстырып беріледі (17).