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扰动位能的理论研究和诊断分析

高丽  
【摘要】: 大气能量学一直是大气科学研究中的重要组成部分。特别地,可以将大气能量变化作为桥梁和纽带,从而衔接大气中的热源(汇)变化与大气环流异常。为了将能量有效性的研究从全球大气整体向局地或区域尺度拓展,本文提出了扰动位能的新概念,以期考察局地意义上大气位能与动能之间的相互转换。在此基础上,探讨了大气参考状态的一些性质,利用再分析资料进行了局地或区域能量学相关问题的诊断分析,并且将有关表面扰动位能的研究从理论论证推向了实际估算,取得了有价值的结果。主要结果和结论有: 1)证明了绝热大气过程的若干性质,包括大气熵范围的不变性和表面位温的局地不变性等。并指出大气参考状态应当是实际大气经过绝热过程后可以达到的状态,不同时刻的实际大气对应的参考状态应是不同的。 2)提出了扰动位能的新概念,推导出包括一阶矩项、二阶矩项和表面扰动位能在内的数学表达形式。扰动位能二阶矩的全球平均恰好与传统的有效位能相一致,后者是扰动位能在全球平均意义下的特殊情形。扰动位能的全球平均以二阶矩为主,而区域和局地尺度中一阶矩项占主要部分。 3)推导出局地动能和扰动位能一阶矩的能量收支方程,在局地情况下,若考虑绝热和无摩擦,动能和扰动位能一阶矩项的总和守恒,动能的增加(或减少)必然通过一阶矩扰动位能的转换来完成。 4)考察了扰动位能的全球分布、垂直结构和季节变化等气候特征。一阶矩项大约以南北纬30°为界,热带为正,热带外为负;二阶矩项恒正;表面扰动位能的分布与大尺度地形密切相关。扰动位能的最大值出现在对流层下层,并随高度增加其数值迅速减少。扰动位能各部分都有明显季节变化。并且在局地或区域尺度上,大气动能与扰动位能一阶矩之间成反向季节变化关系;在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩的比率似与季节无关。 5)扰动位能一阶矩存在明显的年际和年代际气候变率特征,低纬地区的显著正异常对应着ENSO循环中的暖事件,而二阶矩的这种对应关系偏弱;表面扰动位能的显著变率特征更多体现在青藏高原地区。夏季扰动位能一阶矩在典型季风区和青藏高原区存在2~4年显著周期;冬季南北半球热带与热带外


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