پارامترهای دینامیکی و فیزیکی متعددی در مطالعه سامانه های جوی به کار برده می شود. یکی از این پارامترهای دینامیکی، تاوایی پتانسیلی است که در غیاب اصطکاک و فرایندهای دررو، پایستار است. با توجه به پایستاری این کمیت، می توان از آن در حکم یک ردیاب دینامیکی در تشکیل و تحول سامانه های سطح زمین استفاده کرد. در این مقاله، سامانه های جوی واقع در کشور ایران در آذرماه 1382 از دیدگاه تاوایی پتانسیلی بررسی خواهد شد. برای این کار، ابتدا به استفاده از داده های اداره ملی اقیانوس و جوی (NOAA)، تاوایی پتانسیلی ارتل در بیست تراز مختلف هم فشاری محاسبه شده است. سپس با محاسبه دمای پتانسیلی روی همه سطوح هم فشاری، تاوایی پتانسیلی برای نمونه هایی از سطوح هم دمای پتانسیلی به منظور بررسی نقش هر یک از عوامل سطح زمین، سطوح میانی و زبرین در مراحل مختلف چرخندزایی، درون یابی شده است. با تحلیل توزیع افقی و قائم تاوایی پتانسیلی، می توان ساختار افقی و قائم سامانه های چرخندی و تحول آن ها را از دیدگاه دینامیکی مطالعه کرد.ویژگی های مهم نتایج پژوهش صورت گرفته این است که مرحله تکوین چرخند سطحی فقط با حضور بی هنجاری تاوایی پتانسیلی سطوح زیرین آغاز شده است. در مرحله بلوغ سامانه بر هم کنش سه عامل شامل تاوایی پتانسیلی سطوح زبرین، تاوایی پتانسیلی ناشی از فرایندهای دررو و تاوایی پتانسیلی ناشی از فرارفت های گرم سطوح زیرین منجر به چرخندزایی شده است و مرحله میرایی چرخندزایی، مصادف با تضعیف و قطع رابطه بین سه بی هنجاری تاوایی پتانسیلی سطوح زبرین، میانی و سطح زمین است.

شبیه سازی درست ساختار لایه مرزی جو به ویژه در شرایط پایدار از موضوعات چالش انگیز در مدل های عملیاتی جوی است. آزمایش های مقایسه متقابل مدل ها همچنان اختلاف های شایان توجهی را در پیش بینی متغیرهای لایه مرزی جو در مدل های عملیاتی و تحقیقاتی نشان می دهند. در این مطالعه، یک طرح واره لایه مرزی مرتبه 5/1 برای ارزیابی عملکرد پیوند آن با هسته دینامیکی مدل جهانی دانشگاه تهران (UTGAM) با کاربست نسخه تک ستونی مدل یادشده و استفاده از آزمایش های استاندارد مقایسه متقابل GABLS1 بررسی شده است. همچنین، عملکرد مختصات قائم سیگما-تتا و سیگما-پی در دو حالت با تفکیک پذیری قائم مختلف 14 و 33 تراز تا زیر ارتفاع 3 کیلومتر ارزیابی شد. در مجموع اختلافی جزئی بین مختصات سیگما-تتا و سیگما-پی در حالت های تفکیک پایین با هم و همچنین حالت های تفکیک بالا با هم مشاهده شد که این اختلاف در تفکیک پذیری پایین بیشتر نمایان است. در هر دو مجموعه از آزمایش ها، بهبود نتایج شبیه سازی ها با افزایش تفکیک پذیری هویدا است. علاوه بر اینها به نظر می رسد که نزدیک تر کردن موقعیت قرارگیری پایین ترین تراز صحیح از سطح در حالت با تفکیک پذیری بالا بر بهبود نتایج در این حالت مؤثر بوده است. مقایسه نیم رُخ قائم باد با سایر مدل های عملیاتی شرکت کننده در آزمایش GABLS1 عملکرد بهتر طرح واره لایه مرزی استفاده شده در این پژوهش را نشان می دهد اما برای نیم رُخ قائم دمای پتانسیلی در ارتفاعات پایین، اُریبی محسوس منفی شبیه سازی شده است. برطبق نتایج، طرح واره لایه مرزی استفاده شده همچون سایر مدل های عملیاتی پیش بینی وضع هوا، برای شرایط پایدار پخش تکانه و گرما را بیش برآورد می کند.

رویدادهای بارش سنگین اغلب باعث به وجود آمدن خسارات جانی و مالی جبران ناپذیر می شوند. از این رو توانایی و امکان پیش بینی صحیح وقوع این رویدادها برای سازمان های هشدار سریع کشورهای مختلف بسیار مهم است. کاربست روش جداسازی عامل ها در مطالعه رویدادهای بارش سنگین ضمن اینکه امکان تفکیک و بررسی دینامیکی عوامل وردسپهر زبرین و زیرین را در یک نمونه واقعی می دهد، تخمینی کمی نیز از سهم تعاملی و خالص هریک از عوامل فراهم می سازد. یکی از این عوامل، نفوذ زبانه ای از هوا با مقادیر بزرگ تاوایی پتانسیلی (PV) مثبت، موسوم به کشانه PV، از عرض های بالا در پوشن سپهر به عرض های پایین تر در وردسپهر است که موجب کاهش پایداری ایستایی در وردسپهر و شکل گیری همرفت می شود. بررسی تاثیر این عامل مهم بر میدان های هواشناختی با کاربست فن وارون سازی تاوایی پتانسیلی صورت می گیرد. از دیگر عوامل مهم، اثر کوهستان است که چگونگی این اثر بستگی به آن دارد که جریان هوا به وسیله مانع، سد شود یا از آن عبور کند. در این پژوهش، با استفاده از داده های بازتحلیل ERA-Interim و مدل پیش بینی عددی میان مقیاس WRF، تاثیر چهار عامل شامل بی هنجاری PV ترازهای زبرین (کشانه PV) و میانی وردسپهر و دو رشته کوه البرز و زاگرس در رویداد بارش سنگین برف منطقه تهران در روز ششم ژانویه 2008 مطالعه و ارزیابی شده است. نتایج نشان می دهد که در بارش این روز کشانه PV با 76.5 درصد دارای بیشترین تاثیر بوده و پس از آن سهم مشارکت رشته کوه البرز قرار دارد و اثر رشته کوه زاگرس و بی هنجاری PV تراز میانی وردسپهر ناچیز است.

عرض های میانی و تقویت آنها انجام شده است. بنابر نتایج این مطالعات، عوامل متعددی از قبیل آزاد شدن گرمای نهان، شارش های سطحی گرما و اثرات پستی و بلندی می تواند در ساختار و تشدید چرخش های یک سیستم چرخندی موثر باشند. همچنین نتایج حاکی از آن است که آزاد شدن گرمای نهان مهم ترین فرایند "دررو" میان فرایند های فیزیکی موثر در چرخندهای عرض میانی است. آزاد شدن گرمای نهان نه تنها میتواند اثر قابل توجه در شدت و ساختار اساسی یک چرخنده داشته باشد بلکه در برخی موارد از قبیل "کم فشارهای قطبی" می تواند تعیین کننده وجود با نبود چرخندزایی باشد. لذا در این مقاله، مطالعه اثرات این فرایند مد نظر است.درمدل کلاسیک ناپایداری کژفشارکه دینامیک حاکم بر چرخنده های عرض میانی است، اثرات فرایندهای "دررو" کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. از اساسی ترین رهیافت های در بررسی اثر آزاد شدن گرمای نهان، استفاده از مفهوم تاوایی پتانسیلی و به طور کلی بررسی این مسیله در چارچوب تاوایی پتانسیلی است. این کمیت دینامیکی دارای دو خاصیت مهم است: یکی از پایستاری آن در غیاب نیروی مالش و گرمای "دررو" و دیگری وارون پذیری آن. پژوهش های بی شماری با به کاربردن این رهیافت، نقش این فرایند فیزیکی در چرخندهای مشاهده شده را مورد آزمایش قرار داده اند و نقطه نظرات درباره اهمیت آن متفاوت است. علت این تفاوت وجود گسترده وسیعی از چرخندها با خواص گوناگون از قبیل ساختار، حرکت و شدت، آنها است.مطالعات موردی بسیاری با استفاده از خاصیت وارون پذیری تاوایی پتانسیلی سعی در بررسی کمی و کیفی نقش بی هنجاری های تاوایی پتانسیلی سطوح فوقانی، سطوح میانی (ناشی از آزاد شدن گرمای نهان) و سطح زمین (ناشی از گرادیان دما) و برهمکنش بین آنها در چرخندهای عرض میانی داشته اند. نتایج این مطالعات را بر حسب ضعیف یا قوی بودن اثر آزاد شدن گرمای نهان می توان به دو دسته تقسیم نمود. در موارد ضعیف، دینامیک کژ فشار ساز و کار اصلی چرخندزدایی بوده و گرمای نهان دارای نقش ثانویه است. اثر عمده آزاد شدن گرمای نهان ایجاد یک بی هنجاری مثبت تاوایی پتانسیلی در مجاورت مرکز چرخند در وردسپهر زیرین است که منجر به تقویت سیستم می شود. گردش چرخندی همراه با این بی هنجاری موجب تشدید بی هنجاری دمای سطح زمین و بی هنجاری تاوایی پتانسیلی سطوح فوقانی از طریق فرارفت آن به عرض های پایین تر می شود. آزاد شدن گرمای نهان با گرمای بی هنجار ی منفی تاوایی پتانسیلی در سطوح فوقانی نیز همراه است که می تواند پشته سطوح فوقانی واقع در پایین دست مرکز چرخند را تقویت کند.در موارد قوی، آزاد شدن گرمای نهان می تواند، به ویژه وقتی گرادیان دمایی سطح زمین ضعیف است، سهم عمده و به سزایی در شدت چرخند سطح زمین داشته باشد. به بیان دیگر، بی هنجاری تاوایی پتانسیلی ناشی از آزاد شدن گرمای نهان جایگزین بی هنجاری دمایی سطح زمین در مدل کلاسیک ناپایداری گژ فشار می شود و می تواند سهمی در حد بی هنجاری تاوایی پتانسیلی سطوح فوقانی را هم با کاهش ابعاد افقی و هم با محدود کردن گسترش عمودی آن تضعیف نماید. نشان داده شده است که در غیاب آزاد شدن گرمای نهان (حذف آن)، اثرات تاوایی پتانسیلی سطوح فوقانی در چرخند سطح زمین به مقدار زیادی افزایش می یابد.

در این مقاله، ضمن معرفی اساس فیزیکی - ریاضی جواب های مودونی برای معادله تاوایی پتانسیلی زمین گردوار در شاره های ژئوفیزیکی، ارتباط آنها با بلاکینگ بررسی می شود. برای این کار، ابتدا یک رویداد بلاکینگ که در بازه زمانی هشتم تا دوازدهم آذر ماه 1383 اتفاق افتاده است و ساختاری دو قطبی شبیه به مودون فشار هم ارز دارد، انتخاب شد. سپس، نقشه های هم دیدی مربوطه در سطوح فشاری متفاوت بررسی و تاوایی پتانسلی زمین گردوار (q) و تابع جریان (y) در سطح 300 هکتوپاسکال محاسبه شده است.مشاهده می شود که این بلاکینگ با ظهور یک مرکز بریده از مقادیر کم q در نقشه های تاوایی پتانسیلی زمین گردوار در سطح 300 هکتوپاسکال همراه است. این مرکز بریده درست در منطقه پرارتفاع بلاکینگ قرار دارد. به علاوه، نمودار q بر حسب y برای نواحی بلاک شده و بلاک نشده، ساختار دینامیکی متفاوت و مجزای ناحیه بلاکینگ از محیط اطرافش را نشان می دهد. مقایسه این نمودار مشاهداتی با نمودار نظری آن، حاکی از شباهت ساختار این بلاکینگ با یک مودون فشارورد هم ارز در یک جریان غربی است.

برای شناسایی دینامیک پوشن سپهر، آشکارسازی اثرات چرخه 11 ساله خورشیدی بر آن و نحوه وابستگی این اثرات به نوسان شبه دوسالانه (QBO) حائز اهمیت است. برای آشکارسازی اثرات، از داده های بازتحلیل JRA-55 با تفکیک ˚25/1 در دو راستای مداری و نصف النهاری در بازه زمانی 1958 تا 2017 استفاده شده است. با کمک داده های شار خورشیدی طول موج 7/10 سانتی متر (F10.7) وبگاه دانشگاه کلرادو (LISIRD)، فازهای متناظر با بی هنجاری های مثبت و منفی F10.7، با نام های به ترتیب HS و LS، محاسبه شد. همچنین برای QBO، فازهای غربی (WQBO) و شرقی (EQBO) با استفاده از داده های هواشناسی دانشگاه برلین (FUB) در ماه ژوئیه، اوایل زمستان (نوامبر و دسامبر) و اواخر زمستان (ژانویه، فوریه و مارس) تعیین شد. سپس، برمبنای میانگین ماهانه دما، ارتفاع ژئوپتانسیلی و تاوایی پتانسیلی (PV) در تراز hPa 30، همبستگی آنها با F10.7 برای فازهای QBO محاسبه و همراه با اختلاف دما و ارتفاع ژئوپتانسیلی بین فازهای HS و LS تحلیل شد. نتایج نشان داد بیشینه همبستگی دما و ارتفاع ژئوپتانسیلی با F10.7 برای ماه ژوئیه در منطقه جنب حاره منطبق بر بیشینه دریافت شار خورشیدی است. این همبستگی ها در مجموعه سال های EQBO، بزرگ تر و گسترده تر از مجموعه تمام سال ها و مجموعه WQBO هستند. درعین کوچکی مقادیر همبستگی PV با F10.7 برای ماه ژوئیه، الگوی مشخصی برای تغییرات آنها طی فازهایQBO  مشاهده نشد. برای اوایل و اواخر زمستان، همبستگی دما و ارتفاع ژئوپتانسیلی با F10.7 در تمام سال ها و WQBO کوچک است اما برای EQBO همبستگی مقدار به نسبت بزرگی دارد و بیشینه آن در مناطق حاره هر دو نیمکره دیده می شود. این همبستگی برای PV در مناطق زیادی از دو نیمکره گسترده شده و مقادیر آن در EQBO از WQBO قوی تر است. همچنین اختلاف دما و ارتفاع ژئوپتانسیلی بین HS و LS برای WQBO در نیمکره جنوبی بیشینه است اما در EQBO الگوی همبستگی گسترده تری در مناطق جنب حاره دو نیمکره وجود دارد.

برای بررسی کمی و کیفی جواب های الگوریتم های حل عددی معادلات بسیط فشارورد، مقایسه با رفتار جو واقعی نمی تواند ملاک اصلی یا حداقل تنها ملاک در تعیین دقت الگوریتم ها قرار گیرد. این حکم به ویژه در کاربست به منطقه محدود که شرایط مرزی بر پیچیدگی تعیین جواب مطلوب می افزایند صادق است. این پیچیدگی حاصل درآمیختگی خطای مدل بسیط فشارورد، خطای خود الگوریتم و خطای وارد در چگونگی خوراند داده ها است. بر این مبنا لازم است دانش دینامیکی از رفتار جواب های معادلات بسیط فشارورد یا معادلات آب کم عمق در تعیین دقت الگوریتم های عددی هر چه بیشتر به خدمت گرفته شود. یکی از رهیافت های مفید، مطالعه بخش های متوازن (تاواری) و نامتوازن (امواج گرانی) و برهم کنش های آنهاست. برغم محدودیت هایی که کار روی جو واقعی ایجاد می کند، اطلاعات مفیدی را می توان از چنین مطالعه ای به دست آورد. با توجه به این هدف، این مقاله به مطالعه رفتار زمانی – مکانی بخش های متوازن و نامتوازن سه الگوریتم عددی برای معادلات بسیط فشارورد منطقه ای اختصاص دارد. این سه الگوریتم عبارت اند از الگوریتم اویلری دارای پایستاری آنزوتروفی پتانسیل سادورنی (1975) و دو الگوریتم مشتق از آن به برمبنای تغییر متغیرهای پیشیافتی از مؤلفه های تکانه – ارتفاع ژئوپتانسیلی به (1) تاوایی پتانسیلی راسبی، واگرایی و ارتفاع ژئوپتانسیلی و (2) تاوایی پتانسیلی راسبی، واگرایی و تاوایی غیرزمین گرد. در دو الگوریتم اخیر حل تاوایی پتانسیلی با یک روش استاندارد نیمه لاگرانژی با استفاده از درون یابی دو مکعبی قطعه ای انجام می شود و حل دو معادله پیشیافتی دیگر بر مبنای الگوریتم سادورنی برای مؤلفه های تکانه – ارتفاع ژئوپتانسیلی به دست می آید. نسبت به الگوریتم اویلری، الگوریتم های بر مبنای تاوایی پتانسیلی مهارت بیشتری را در نمایش درست هر دو بخش متوازن و نامتوازن نشان می دهند.