Glossar

Quasigeostrophische Theorie

Grundproblematik:

Aus den fundamentalen Erhaltungssätzen der Physik für die Masse (Kontinuitätsgleichung), die Energie (1. Hauptsatz der Thermodynamik) und den Impuls (Bewegungsgleichung) lässt sich das primitive (ursprüngliche) Gleichungssystem für die freie (adiabatisch, trocken und reibungsfrei) Atmosphäre einfach herleiten. Durch Hinzunahme der kalorischen Zustandsgleichung sowie der idealen Gasgleichung ergibt sich ein geschlossenes, nichtlineares, gekoppeltes, partielles Differentialgleichungssystem für die meteorologisch interessanten Größen Windgeschwindigkeit (alle drei Komponenten), Dichte, Temperatur und Druck. Dieses ist leider analytisch nicht lösbar.
Der Ausweg aus diesem Dilemma für die Vorhersagbarkeit synoptischer Prozesse bildet die Quasigeostrophische Theorie.

Grundidee:

Die quasigeostrophische (QG) Theorie (bzw. eigentlich Approximation, denn es ist eine Annäherung) liefert zwei fundamentale Gleichungen zur Beschreibung der Vorgänge in der freien Atmosphäre für die synoptische Skala. Dieses nichtlineare partielle Differentialgleichungssystem ist geschlossen und entkoppelt, so dass es numerisch lösbar ist. Die einzigen Variablen dieses Gleichungssystems sind das Geopotential und die Vertikalgeschwindigkeit Omega (im p-System).
Dies ist zum einen die diagnostische Omegagleichung mit deren Hilfe allein aus der Kenntnis des Geopotentialfeldes Aussagen über Omega, also über die so wichtigen Vertikalbewegungen, getroffen werden können.
Die zweite fundamentale Gleichung ist die prognostische Geopotentialtendenzgleichung mit deren Hilfe (wie der Name schon sagt) Aussagen über die Veränderungen im Geopotialfeld getroffen werden können.
Geostrophisch heißt das Ganze, weil sämtliche Advektionen geostrophisch approximiert werden (dadurch ist der Wind keine zusätzliche Variable mehr, sondern kann ebenfalls aus dem Geopotentialfeld berechnet werden). Der geostrophische Wind weicht im synoptischen Scale im Durchschnitt nur um 10% vom Realwind ab, so dass diese Approximation als sehr gut angesehen werden kann.
Ebenso lässt sich die relative Vorticity direkt aus dem Laplace des Geopotenialfelds bestimmen, wenn man den Coriolisparameter f als konstant annimmt (was im synoptischen Scale in den mittleren Breiten sinnvoll ist, da zonale Strömungen im Mittel dominieren).
Nun noch zur Vorsilbe Quasi: Diese kommt ins Spiel, weil nicht an jeder Stelle die geostrophische Approximation in der Herleitung angewendet werden darf. Da die individuelle Änderung der relativen Vorticity und die Divergenz eng miteinander wechselwirken, darf in diesem Fall natürlich nicht geostrophisch approximiert werden, denn sonst würde ja die Divergenz entfallen, da der geostrophische Wind divergenzfrei ist. Daher ist das Gleichungssystem quasigeostrophisch.
Und das ist auch gut so, denn lediglich die Abweichungen von der Geostrophie (also die Ageostrophie) sorgen letztlich für Änderungen im Geopotentialfeld und somit auch für Veränderungen im Druckfeld. Dies lässt sich relativ einfach mit Hilfe der MARGULES´schen Drucktendenzgleichung zeigen.
Im übrigen ist der geostrophische Wind auch nur quasidivergenzfrei. Berücksichtigt man die Breitenabhängigkeit des Coriolisparamters, so bleibt ein rein kugelgeometrischer Term als geostrophische Divergenz übrig. Dieser Term beschreibt die Richtungskonvergenz der Meridiane nach Norden.

Erweiterung der QG-Approximation:

Eine sinnvolle Verbesserung der QG-Approximation ergibt sich bei Hinzunahme diabatischer Prozesse sowie der Reibung.

© Marcus Boljahn

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