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.
In fluid mechanics, potential vorticity (PV) is a quantity which is proportional to the dot product of vorticity and stratification. This quantity, following a parcel of air or water, can only be changed by diabatic or frictional processes. It is a useful concept for understanding the generation of vorticity in cyclogenesis (the birth and development of a cyclone), especially along the polar front, and in analyzing flow in the ocean. Potential vorticity (PV) is seen as one of the important theoretical successes of modern meteorology. It is a simplified approach for understanding fluid motions in a rotating system such as the Earth's atmosphere and ocean. Its development traces back to the circulation theorem by Bjerknes in 1898, which is a specialized form of Kelvin's circulation theorem. Starting from Hoskins et al., 1985, PV has been more commonly used in operational weather diagnosis such as tracing dynamics of air parcels and inverting for the full flow field. Even after detailed numerical weather forecasts on finer scales were made possible by increases in computational power, the PV view is still used in academia and routine weather forecasts, shedding light on the synoptic scale features for forecasters and researchers. Baroclinic instability requires the presence of a potential vorticity gradient along which waves amplify during cyclogenesis.
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 .
The Ertel PV also acts as a flow tracer in the ocean, and can be used to explain how a range of mountains, such as the Andes, can make the upper westerly winds swerve towards the equator and back. Maps depicting Ertel PV are usually used In meteorological analysis in which the potential vorticity unit (PVU) defined as .
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).
Despite theoretical elegance of Ertel's potential vorticity, early applications of Ertel PV are limited to tracer studies using special isentropic maps. It is generally insufficient to deduce other variables from the knowledge of Ertel PV fields only, since it is a product of wind and temperature fields ( and ). However, large scale atmospheric motions are inherently quasi static; wind and mass fields are adjusted and balanced against each other (e. g., gradient balance, geostrophic balance). Therefore, other assumptions can be made to form a closure and deduce the complete structure of the flow in question:(1) introduce balancing conditions of certain form. These conditions must be physically realizable and stable without instabilities such as static instability. Also, the space and time scales of the motion must be compatible with the assumed balance;(2) specify a certain reference state, such as distribution of temperature, potential temperature, or geopotential height;(3) assert proper boundary conditions and invert the PV field globally. The first and second assumptions are expressed explicitly in the derivation of quasi geostrophic PV. Leading order geostrophic balance is used as the balancing condition. The second order terms such as ageostrophic winds, perturbations of potential temperature and perturbations of geostrophic height should have consistent magnitude, i. e., of the order of Rossby number. The reference state is zonally averaged potential temperature and geopotential height. The third assumption is apparent even for 2 dimensional vorticity inversion because inverting the Laplace operator in equation (21), which is a second order elliptic operator, requires knowledge of the boundary conditions. For example, in equation (20), invertibility implies that given the knowledge of , the Laplace like operator can be inverted to yield geopotential height is also proportional to the QG streamfunction under the quasi geostrophic assumption. The geostrophic wind field can then be readily deduced from Lastly, the temperature field is given by substituting into the hydrostatic equation (17).