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Es muss hervorgehoben werden, dass dieser andere Weg zur Veranschaulichung der Dynamik in der Atmosphäre nicht notwendigerweise zu neuen Ergebnissen führen wird. Jedoch kann es neue Dimensionen in Gebieten ermöglichen, die eigentlich schon bekannt waren.
Die beiden Hauptvorteile der potentiellen Vorticity (mit bestimmten Annahmen) sind:
Konservierung
Mit folgenden Annahmen ist die PV ein konservierter Parameter
Aufgrund der PV-Konservierung besteht eine enge Verwandtschaft zwischen absoluter Vorticity und statischer Stabilität. Das Diagramm unten zeigt einen Zylinder, bei dem die Ober- und Grundseite als zwei isentrope Flächen definiert werden. Der Unterschied in den potentiellen Temperaturen zwischen Grund- und Oberseite ist für beide Zylinder der Gleiche. Falls PV konserviert wird und der Zylinder wird wie in b) gezeigt gestreckt, dann nimmt die statische Stabilität ab und die absolute Vorticity muss zunehmen. Andernfalls, wenn man von b) zu a) geht, dann nimmt die statische Stabilität zu und die absolute Vorticity muss abnehmen.
Aufgrund der PV-Konservierung können bedeutende Merkmale, welche mit synoptischskaligen Wettersystemen zusammenhängen, erkannt und sowohl räumlich als auch zeitlich verfolgt werden. Dies ist eine sehr gewichtige Eigenschaft dieser Größe. Besonders der Fall einer Erniedrigung der dynamischen Tropopause, der oberen PV-Anomalie, kann zeitlich und räumlich recht einfach nachvollzogen werden. PV-Anomalien stehen stark in Zusammenhang mit einer Reihe dynamischer Vorgänge in der Troposphäre. Ein markantes Beispiel dafür sind Fälle von rasanten Zyklogenesen, wo PV-Anomalien eine wichtige Rolle spielen.
Die plötzliche Bildung oder Vernichtung von PV bedeutet, dass diabatische Vorgänge einbezogen sind (Freisetzung latenter Wärme, Reibung, Strahlung). Diese Tatsache kann als Mittel zur Identifizierung oder sogar Quantifzierung des Einflusses dieser Vorgänge verwendet werden.
Umkehrbarkeit
Der zweite Vorteil der PV, Umkehrbarkeit, ist ein sehr wichtiges Mittel, da es einem erlaubt, bekannte meteorologische Felder wie das Geopotential, Wind, Temperatur und die statische Stabilität zu erhalten, wenn die Verteilung der PV und die Grenzbedingungen , potentielle Temperatur am Boden, bekannt sind. Des Weiteren ist es mit Hilfe der Umkehrbarkeit möglich, die Wichtigkeit der PV-Anomalien und die Intensität der mit ihr verbundenen Zirkulation und/oder Temperaturmuster zu quantifizieren.
vergrößerbar
Situation a) ist das Erscheinungsbild in den WV im Fall einer zirkulären , zyklonalen oberen PV-Anomalie. In dem Wasserdampfbild wird diese Anomalie durch eine schwarz schattierte Fläche dargestellt, welche an den Kanten langsam grau wird. Typische Beispiele sind Wasserdampfaugen (vgl. Wasserdampfwirbel)
Situation b) ist das Erscheinungsbild in den WV im Fall einer Frontalzone. Am Hervorstechendsten ist hier die Form der PV-Anomalie: Die Tropopause wurde hier gefaltet. Dies kann als eine Diskontinuität in den Pixelwerten des WV betrachtet werden. Daher kann ein plötzlicher Wechsel von niedrigen zu hohen Pixelwerten erwartet werden. Typische Beispiele sind dunkle Streifen (vgl. Dunkle Streifen). In der gezeigten Lage unten kann ein Beispiel einer plötzlichen Änderung des Pixelwertes im roten Rechteck gesehen werden:
20 February 1997/00.00 UTC - Meteosat WV
PV-Felder können auch dafür verwendet werden, Diskrepanzen zwischen numerischen Modellen und Beobachtungen aufgrund der engen Beziehung zwischen PV und WV aufzudecken.
Mehr Struktur als isobarische Analysen.
PV-Analysen scheinen mehr Struktur als Höhenanalysen einer isobaren Fläche zu besitzen. Die Begründung dafür liegt in der mathematischen Folgerung aus den dynamischen Gesetzmäßigkeiten. Der horizontale PV-Gradient hängt mit den zweiten Ableitungen des Windfelds bezüglich sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Koordinatenvariablen zusammen. Das Windfeld ist folglich der umgekehrte Laplace-Operator der Ableitung des PV-Feldes. Da der Laplace-Operator als ein Glätter fungiert, muss das Windfeld glatter als das PV-Gradientfeld sein. Bei der Untersuchung der Gradientwindformel kann man feststellen, dass der Wind in Verbindung zum Geopotentialgradienten steht. Daher ist das PV-Feld mit den zweiten Ableitungen der geopotentiellen Höhe verbunden, und muss viel mehr Strukturen als das geopotentielle Höhenfeld aufweisen. Die praktische Konsequenz ist , dass man durch die Verwendung der PV z.B. Kurzwellentröge im geopotentiellen Höhenfeld leichter erkennen kann. Da rasch ziehende Tröge das Wetter dramatisch beeinflussen können, ist die PV ein nützliches Werkzeug, um diese Art der kleinskaligen Strukturen zu bemerken.
23. Januar 2002, 12.00 UTC, NOAA IR (Kanal 4) ; blau : geopotentielle Höhe 500hPa; rot : potentielle Vorticity Θ = 318K
Das linke Bild zeigt einen kleinen Trog über dem Baltikum im Geopotentialfeld in 500hPa. Es ist ersichtlich, dass der Trog mit einem ausgedehnten Wolkenfeld genau vorderseitig der Trogachse zusammenfällt. Das PV-Feld im rechten Bild zeigt, dass dieser kleine Trog von einem sehr ausgeprägtem PV-Maximum davor begleitet wird.
Unter der Annahme einer dreidimensionalen Balance zwischen den Feldern von Masse, Druck und Wind, sind positive PV-Anomalien mit zyklonaler Vorticity und negative PV-Anomalien mit antizyklonaler Vorticity verbunden.
Aus den obigen Diagrammen ist ersichtlich, dass eine obere PV-Anomalie die Wind- und Druckfelder durch die gesamte Troposphärenschicht hindurch stört. Die Auswirkung dieser Störung ist proportation zur horizontalen Größenordnung der Anomalie und umgekehrt proportional zur statischen Stabilität (siehe PV-Gleichung).
Untersuchungen haben außerdem die Existenz von unteren PV-Anomalien gezeigt. Diese Anomalien besitzen keinen stratosphärischen Ursprung, aber werden in stark baroklinen Zonen gebildet, wo die hohe Freisetzung an latenter Wärme stattfindet. Jedoch sind diese PV-Anomalien im Satellitenbild häufig unsichtbar. Jedoch haben kürzliche Studien ihre Existenz sowohl durch Beobachtungen als auch Modellfelder bewiesen. Für einen näheren Blick auf die Eigenschaften einer unteren PV-Anomalie wird ein idealisierter , zyklonaler Wirbel untersucht :
Daher ist die statische Stabilität nahe der Erdoberfläche verhältnismäßig hoch. Aufgrund der thermischen Gradienten auf beiden Seiten der Anomalie muss ein Windmaximum auf der Höhe vorhanden sein, wo die Anomalie ihr Maximum besitzt. Dies ist eine Folge aus dem thermischen Wind , welcher den Zusammenhang vertikaler Windgradienten und horizontaler Temperaturgradienten impliziert. Das Windfeld durch die gesamte Troposphärenschicht hindurch kann durch eine untere PV-Anomalie induziert werden. Dieser Gedanke ist eigentlich analog zum Konzept der oberen PV-Anomalien.
Die Konservierung des Materials kombiniert mit dem Vorteil der Umkehrbarkeit ist zur Beschreibung komplexer dynamischer Vorgänge sehr hilfreich. Beispielsweise können die rasante Zyklogenese und weitere konzeptionelle Modelle durch die Verwendung der PV beschrieben werden. Forschungen deuten daraufhin, dass die rasante Zyklogenese durch eine Wechselwirkung von unterer und oberer PV-Anomalie erklärt werden kann. Wenn die Phasendifferenz zwischen zwei PV-Anomalien einen optimalen Wert besitzt, findet eine Wechselwirkung aus der gegenseitigen Verstärkung folgend statt. Natürlich kann auch das Gegenteil auftreten, im Fall von sich abschwächenden Zyklonen.
Falls sich eine obere PV-Anomalie entwickelt, dann wird als Folge der PV-Gleichung positive Vorticity freigesetzt und hohe PV-Werte aus der Stratosphäre beeinflussen die labilere Umgebung der Troposphäre.
Die Annahme für die obigen Abbildungen ist, dass eine obere, positive PV-Anomalie über eine Zone eines kräftigen, niedertroposphärisch äquatorwärts gerichteten Temperaturgradient advehiert eine Lage beschreibt , wo ein ursprünglich kleinskaliger Höhentrog über eine zonal orientierte Bodenkaltfront zieht. Die linke Abbildung (a) zeigt eine derartige Lage mit dem fetten Pluszeichen, welches die obere PV-Anomalie kennzeichnet.
Der dicke durchgezogene Pfeil um das PV-Maximum deutet die zyklonale Rotation an. Die Rotation wird in niederen Höhen der baroklinen Zone induziert, wie durch den dünne, durchgezogenen Zirkulationspfeil angezeigt ist. Die niedertroposphärische Zirkulation verursacht vorderseitig Warmluftadvektion, die zu einer unteren , positiven Temperaturanomalie führt, die durch das offene Pluszeichen in der rechten Abbildung (b) angedeutet ist. Diese Temperaturanomalie ist mit einem zyklonalen Wirbel verbunden, welcher durch den offenen Pfeil in niedrigen Höhen markiert ist. Wiederum besitzt diese Zirkulation eine positive Rückkopplung zur oberen Troposphäre, durch einen offenen Zirkulationspfeil in höheren Niveaus angezeigt.
Gleichzeitig findet ein zweiter Vorgang statt : Der induzierte untere Wirbel führt zu einer starken äquatorwärts gerichteten Windkomponente unterhalb der oberen PV-Amomalie. Diese Nordkomponente beeinflusst auch die höheren Schichten und führt zu einer äquatorwärts gerichteten Advektion der oberen PV-Anomalie, welche wiederum die obere Welle intensiviert.
Innerhalb dieser zunehmenden Strömung werden höhere PV-Werte westlich der PV-Anomalie südwärts und niedrigere PV-Werte östlich der PV-Anomalie nordwärts advehiert. Als Folge des letztgenannten Vorgangs nimmt die Ostwärtsbewegung der PV-Anomalie ab. Folglich wird sich die Wechselwirkung zwischen den unteren und oberen Zirkulationen und die bereits fortschreitende Zyklogenese verstärken.
19. Februar 1997 ,12 UTC (links) und 20. Februar 1997, 00 UTC (rechts) , Meteosat WV , türkis : potentielle Vorticity bei Θ = 306K ; rot : Isobaren
Das linke Bild zeigt das Wolkenband einer Kaltfront, die sich vom Atlantik bis nach Schottland erstreckt. Die zugehörige Warmfrontbewölkung befindet sich über der Nordsee, den Niederlanden, Belgien und Ostfrankreich. Die Bewölkung östlich von Schottland ist der Wolkenkopf einer rasanten Zyklogenese. Der Wolkenkopf kann in zwei Teile getrennt werden: einem südöstlichen über Schottland und den Farör Inseln, und einem nordwestlichen, der sich vom Atlantik von ungefähr 58N/18W bis Island erstreckt.
Die PV-Werte sind , wie oben beschrieben, durch zunehmende Werte von Süden nach Norden gekennzeichnet. Die PV-Anomalie, das Gebiet, wo die Vorticity zwei Einheiten (dynamische Tropopause oder Trennung zwischen troposphärischer und stratosphärischer Luft) besitzt, kann innerhalb dem nordwestlichen Bereich des Wolkenkopfs gefunden werden. Im Gegensatz dazu wird der südöstliche Teil des Wolkenkopfes durch isentrope potentielle Vorticity unter 1 Einheit (troposphärische Luft) gekennzeichnet. Die Folge dieser Verteilung ist eine zyklonale Entwicklung des nordwestlichen Wolkenkopfs, jedoch keine weitere Entwicklung des südöstlichen Teils. Zur Verifikation zeigt das rechte Bild die meteorologische Lage 12h später. Der nordwestliche Teil des Wolkenkopfs ist während der letzten zwölf Stunden zu einem Ort östlich Islands gezogen. Der Rest des südöstlichen Teils kann innerhalb des Gebiets der Norwegischen See weslich von Norwegen in ungefähr 64N/08W gefunden werden. Da es eine starke, ausgeprägte zyklonale Entwicklung des nordwestlichen Teils (Wolkenkopf mit der PV-Anomalie von 4 Einheiten um 12.00 UTC) gegeben hat, entwickelte sich der südöstliche Teil des Wolkenkopfs nicht weiter.