Co je to geopotenciál?

Geopotenciál můžete znát z výstupových map numerických modelů. Tam se také můžete setkat s názvy geopotenciální hladina či též výška. Také lze používat název potenciál zemské tíže. V tomto článku se pokusíme možná často vídané hodnoty tohoto prvku na mapách numerických předpovědních modelů objasnit. A tedy přiblížit, o co přesně jde a s čím si tento parametr spojovat. Nejprve nutno objasnit některé související pojmy s touto problematikou. Poté objasníme také související parametry, které jsou s tímto spojovány. Úkol článku je tedy jasný, objasnit účel obecně méně známé veličiny v prognózách počasí. Takže co je to geopotenciál a jak si ho v předpovědi vykládat?

Geopotenciál jako síla působící proti síle zemské tíže

Geopotenciál je potenciálem, který se pojí s tíhovým polem Země. Jedná se o ekvivalentní potenciální energie částice vzduchu o dané hmotnosti vůči nulové geopotenciální hladině. Ta odpovídá střední hladině moře. Geopotenciální hladina je synonymum pro plochu. Jde o plochu geopotenciálu s neměnnými hodnotami. Geopotenciální výškou poté rozumíme výšku, která je vyjádřena geopotenciálních metrech. Tato se rovná geometrické výšce v oblastech s hodnotou tíhového zrychlení 9.8m/s^-2. V tomto výkladu se objevily opět dva pojmy, které je třeba objasnit. Jednak je to geopotenciální metr, což je jednotka geopotenciální výšky. Vztah mezi ním a geometrickým metrem je takový, že 1 geopotenciální metr je roven 9.8 na gram geopotenciálních metrů. Tento metr se využívá jako jednotka výšky v oblasti meteorologie.

Dále existuje pojem tíhové zrychlení, které značíme “g” a jde o zrychlení, které se tělesu dává silou zemské tíže. Pokračujme v objasňování dalšího pojmu. Tíha zemské tíže je výslednice působení dvou sil. V meteorologii a fyzice velmi známých a to síly gravitační a odstředivé. Odvíjí se od nadmořské výšky a zeměpisné šířky. V oblasti rovníku se rovná 9.780m/s^-2. Věříme, že jste se ve výkladu neztratili. Proto se vrátíme k definici samotného geopotenciálu. Tento se vyjadřuje číselně jako vztah síly konající práci proti působení zmíněné síly zemské tíže a to při zdvižení hmotnosti z nulové hladiny do hladiny moře, ke které se geopotenciál vztahuje. Například a velmi často je vztahován k hladině 500hPa, což je asi 5 500m n.m. Pro tuto hladinu jsou také numerickými modely předpovídány jeho hodnoty.

Předpověď geopotenciálu

Předpověď geopotenciálu obsahují mapy všech základních numerických modelů. Mapy, na nichž se tento parametr předpovídá udávají též především rozložení tlaku vzduchu nad danou oblastí vymezeného izobarami. V nabídce na stránkách, které prezentuje mapy numerických modelů najdeme tyto mapy pod názvem “500hPa Geopotential Höhe”. To v případě map zpracovaných na německých serverech. Na anglických pak jde o uvedení “Height”. Německé mapy společně s geopotenciální výškou uvádějí již zmíněné rozložení tlaku vzduchu a také teplotní pole, tedy teplotu vzduchu. Geopotenciální výška se vztahu vždy ke konkrétní tlakové hladině. Jde tedy o výšku v jedné hladině, v případě prognóz numerických modelů je standardně předpovídána pro hladinu 500hPa = asi 5.5km nad povrch. Geopotenciální výška se uvádí v jednotkách gpdm (zkr. geopotenciální výšky) pro danou hladinu. Hodnoty geopotenciálu se pohybují v určitých rozmezích. To lze sledovat i na prognóze. Příklad vynášíme na obrázku 1.

Interpretace předpovědi geopotenciálu a využití v praxi

Obr. 1 Příklad předpovědi geopotenciálu (na mapě též tlak vzduchu – izobary a teplota vzduchu – číselné hodnoty) pro ČR a okolí na 20.12.2020 1 SEČ podle modelu GFS, zdroj: wetterzentrale.de

Příklad obrázku předpovídané situace se hodí pro pochopení vztahu mezi geopotenciální výškou a děním v atmosféře. Změny povětrnostní situace a rozložení tlaku se totiž promítají do změn hodnot tohoto parametru. V hladině 500hPa vidíme pro uvedený termín snižování hodnot geopotenciální výšky směrem k západu až severozápadu. A to znamená právě přicházející změnu v charakteru počasí. Vyšší tlaku vzduchu, ve kterém je tato výška vždy též vyšší, ustupuje více na východ. A naopak nízký tlak vzduchu se přibližuje do centrální Evropy od západu. Klesají hodnoty tlaku vzduchu a klesají též hodnoty geopotenciální výšky. Na území ČR se nachází jedno rozhraní, další významné rozhraní vidíme na západě Německa. Za to se považuje přechod z hodnot obecně vyšších do nižších a to pod cca 550-552gpdm.

Pokud budeme chtít převést hodnoty geopotenciálu na metry nadmořské výšky, tak postačí přidat k hodnotám geopotenciálu (v jednotkách gpdm) jednu nulu. Jinými slovy tyto vynásobit deseti. Budeme-li se držet výše uvedené mapy a našeho území, tak jsou pro uvedený termín předpovídány hodnoty geopotenciálu 560-568. To je po převedení tedy 5 600 až 5 680 m n.m. Ty hodnoty se z pohledu daného území obecně příliš nemění. O poznání vyšší hodnoty se vyskytují v mohutných tlakových nížích a naopak o poznání nižších jsou pak naopak v hlubokých tlakových nížích. Ale i tak se hodnoty neliší v dané hladině nijak zásadně. Takže nižší hodnoty geopotenciálu představované světle zelenou barvou v uvedeném příkladu, se budou vyskytovat stále kolem středu dané cyklony. Úplně vpravo nahoře na uvedené mapce (dle území tedy na severozápadě) jde o velmi snížené hodnoty, prezentované světle modrou barvou.

Závěr

Podle této geopotenciální výšky můžeme usuzovat změny počasí. Ty lze také odhalit podle rozložení tlaku vzduchu, z něhož vyčteme další projevy počasí. Proto se tyto prvky často předpovídají na jedné mapě společně a v tomto případě i s teplotou vzduchu, podle níž odhalíme větší teplotní rozhraní. Zopakujme pro úplnost, že zlepšování počasí bude prezentovat vyšší hodnota geopotenciálu a tedy v případě této mapky oranžové až rudě červené hodnoty. Takových dosahují v mohutný anticyklonách. A naopak, zhoršování počasí představují snížené hodnoty. Hluboké až velmi hluboké cyklony ukazují hodnoty geopotenciálu dle mapky s až fialovou barvou.

Pokud máte i po přečtení tohoto článku pochybnosti a napadnou vás otázky, neváhejte se ptát. Piště do komentářů nebo nás kontaktujte jinak (O projektu).