Meteo Lab / M05 · Atmosphärische Dynamik & Wind / K09
M5K9 · Vorticity & Zirkulation

Windfelder können lokal rotieren — Vorticity misst diese Rotation, Zirkulation ihre integrierte Wirkung entlang einer geschlossenen Kurve.

Divergenz aus M5K8 ist die Spur des Geschwindigkeitsgradienten. Vorticity ist dagegen dessen antisymmetrischer Anteil. In der Horizontalebene genügt die vertikale Komponente ζ. Über das Stokes-Theorem verbindet sie lokale Rotation mit Zirkulation über endliche Flächen.

Relative Vorticity: ζ = ∂v/∂x − ∂u/∂y Zirkulation: Γ = ∮ v · dl Absolute Vorticity: η = f + ζ
01 · Geschwindigkeitsgradient

Divergenz und Vorticity sind zwei verschiedene Informationen derselben lokalen Ableitungsmatrix.

Für das horizontale Windfeld vh=(u,v) lautet der lokale Geschwindigkeitsgradient:

∇hvh = [[∂u/∂x, ∂u/∂y], [∂v/∂x, ∂v/∂y]].

M5K8 verwendete die Spur dieser Matrix:

Dh = ∂u/∂x + ∂v/∂y.

M5K9 betrachtet nun die antisymmetrische Kombination der Kreuzableitungen.

02 · Relative Vorticity

Die vertikale relative Vorticity misst die lokale Rotation des horizontalen Windfelds.

Mit x nach Osten und y nach Norden gilt:

ζ = (∇ × v)z = ∂v/∂x − ∂u/∂y.

Positive ζ bedeutet mathematisch positive, also gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Rotation in der x-y-Ebene, von oben betrachtet. Negative ζ entspricht dem Uhrzeigersinn.

Auf der Nordhalbkugel ist positive relative Vorticity zyklonisch; auf der Südhalbkugel ist zyklonische relative Vorticity negativ. Allgemein ist relative Vorticity zyklonisch, wenn ζ dasselbe Vorzeichen wie f besitzt.

03 · Rotation ≠ starre Drehung

Vorticity ist doppelt so groß wie die lokale Winkelgeschwindigkeit des antisymmetrischen Rotationsanteils.

Für reine starre Rotation mit Winkelgeschwindigkeit Ωr gilt:

u = −Ωry,    v = Ωrx
ζ = 2Ωr.

Ein allgemeines Windfeld kann jedoch gleichzeitig scheren oder deformieren. Daher darf ζ/2 nicht unkritisch als beobachtete Drehgeschwindigkeit jedes endlichen Materialsegments interpretiert werden.

Vergleich zwischen starrer Rotation und einfacher Scherung. Beide können Vorticity besitzen, aber nur die starre Rotation ist frei von Scherdeformation.
M5K9 · Nicht jede Vorticity entspricht starrer Körperrotation: Scherung kann ebenfalls einen Curl erzeugen.
04 · Zirkulation & Stokes

Zirkulation integriert den tangentialen Geschwindigkeitsanteil entlang einer geschlossenen Kurve.

Für eine positiv, also gegen den Uhrzeigersinn orientierte Kurve C:

Γ = ∮C v · dl.

Das Stokes-Theorem verbindet diese Linienintegration mit der Flächenintegration der Vorticity:

Γ = ∬A ζ dA.

Ist ζ über die Fläche konstant, vereinfacht sich die Beziehung zu:

Γ = ζA.
Geschlossene gegen den Uhrzeigersinn orientierte Integrationskurve um eine Fläche mit positiver Vorticity. Linienzirkulation und Flächenintegral der Vorticity werden als äquivalent dargestellt.
M5K9 · Stokes verbindet das lokale Feldmaß ζ mit der integrierten Zirkulation Γ über dieselbe Fläche.
05 · Vorticity & Circulation Lab

Kreuzableitungen, Zirkulation, Scherung und planetare Vorticity gemeinsam untersuchen.

Das Lab verwendet das lineare, diverganzfreie Lehrfeld

u = U0 + r y,    v = q x

mit q=∂v/∂x und r=∂u/∂y. Daraus folgen ζ=q−r und die Scherdeformationsrate Sxy=(q+r)/2. Eine gleichförmige Translation U0 verändert die lokalen Windvektoren, aber weder ζ noch Γ.

lineares horizontales Windfeld ζ = ∂v/∂x − ∂u/∂y u=U₀+ry · v=qx · x Ost · y Nord · Γ positiv gegen Uhrzeigersinn · Randpfeile auto-skaliert
Vorticity und Zirkulation in einem linearen Windfeld Eine quadratische Integrationsschleife zeigt Windvektoren an vier Randpunkten. Ein gekrümmter Pfeil im Zentrum zeigt das Vorzeichen der relativen Vorticity. VORTICITY · CIRCULATION · STOKES C · CCW positiv ζ > 0 Randpfeile: lokales v Mitte: Vorzeichen ζ —
ζ—
Sxy—
Γ—
Γ/A—
f—
η=f+ζ—
ζ/f—
Stokes-Rest/A—
Rotationsregime — —
Interpretation —
06 · Absolute Vorticity

Die Atmosphäre rotiert relativ zur bereits rotierenden Erde.

Zur relativen Vorticity ζ kommt die planetare Vorticity f:

η = f + ζ.

η ist die vertikale absolute Vorticity in der lokalen f-Ebenen-Näherung. Sie ist noch nicht die potentielle Vorticity; dafür wären zusätzliche thermodynamische beziehungsweise Schichtinformationen erforderlich.

07 · Zyklonisch & antizyklonisch

„Zyklonisch“ ist hemisphärenabhängig — das mathematische Vorzeichen von ζ allein reicht nicht.

Eine relative Vorticity ist zyklonisch, wenn ζ und f dasselbe Vorzeichen besitzen. Auf der Nordhalbkugel bedeutet das ζ>0, auf der Südhalbkugel ζ<0. Bei entgegengesetzten Vorzeichen ist die relative Vorticity antizyklonisch.

Am Äquator ist f≈0; dort ist diese lokale Zuordnung über das Vorzeichen von f nicht sinnvoll.

08 · Modellgrenzen

Das Lab diagnostiziert lokale Kinematik — es prognostiziert keine Wirbelentwicklung.

Das Lehrfeld u=U₀+ry, v=qx besitzt konstante Kreuzableitungen und ist horizontal diverganzfrei. Es enthält keine Druckrückkopplung, keine Reibung, keine räumliche Änderung von ζ, keine β-Ebene und keine vertikale Vorticity-Streckung.

Die quadratische Schleife dient nur zur exakten Demonstration von Stokes für konstante ζ. In realen atmosphärischen Feldern variiert ζ räumlich, und Γ entspricht dann dem Flächenintegral der lokalen Vorticity.

09 · Ergebnis

Vorticity ist das lokale Rotationsmaß; Zirkulation ist seine integrierte Flächenwirkung.

1 · Relative Vorticity

ζ=∂v/∂x−∂u/∂y ist der vertikale Curl des horizontalen Windfelds.

2 · Rotation & Scherung

ζ/2 ist der antisymmetrische Rotationsanteil; Scherdeformation kann gleichzeitig vorhanden sein.

3 · Zirkulation

Γ=∮v·dl und bei konstantem ζ gilt Γ=ζA.

4 · Translation

Ein gleichförmiges U₀ verändert Windvektoren, aber weder ζ noch Γ.

5 · Absolute Vorticity

η=f+ζ verbindet relative Rotation mit Erdrotation.

6 · Nächster Schritt

M5K10 koppelt Kräfte, Wind, Divergenz und Vorticity zu einem dynamischen Systemmodell.

Cross-References

Nächster Schritt · M5K10 Dynamisches Systemmodell

Wie lassen sich Druckgradient, Coriolis, Reibung, Divergenz und Vorticity zu einem konsistenten Zustands- und Kopplungsmodell der horizontalen Atmosphäre verbinden?