位能

勢場又稱保守力場這些力都稱為保守力，保守力的特點是它對物體或電荷做功的大小，只和物體或電荷的始點和終點的位置有關，而和所循的途徑無關。即當始、終點固定時，循直線或循很複雜的曲線，保守力所作的功相同；循任意曲線迴旋一週，保守力作功為零，物體或電荷恢復原來的能量狀態，因此機械能守恆，並因此可用勢能的變化來描述保守力作功的大小。非保守力也稱耗散力，如摩擦力和粘性力等，其作功大小不僅和起、終點有關，也和所循途徑有關，循曲線迴旋一週，不能恢復原來的能量狀態，即機械能有所損失或有所增加，存在機械能和其他能量的轉換。分析質點在勢場中的運動時，經常用到勢能、動能的轉換，因此勢能是動力學中的一個重要概念。重力勢能是物體因為重力作用而擁有的能量,公式為EP=mg△h)

運用統計相關和奇異值分解方法，系統地考察了非絕熱加熱對大氣局地擾動位能的響特徵和機理問題。分析結果表明，熱帶地區海表温度異常和擾動位能的耦合相關特徵與厄爾尼諾和南方濤動變率的關係密切，擾動位能在熱帶外地區的耦合模態空間型呈現出與北太平洋—北美大氣遙相關型極為相似的分佈特徵。 ^[1] 

海表温度異常對於大氣系統熱力動力過程的影響是知道的，同樣作為下墊面邊界條件，陸面温度的異常變化也必然會對大氣局部能量有效性造成影響。因此，在對SST場異常以及特徵指數與大氣擾動位能相關關係進行分析基礎上，這裏簡要考察表面温度（SurfaceAirTemperature，SAT）與擾動位能的局地單點相關關係。

擾動位能和表面温度的點對點局地相關係數分佈情況。可以看出，全球各個格點在四個季節PPE和SAT的相關係數均大於0，呈現正相關特徵，相關不顯著區域主要集中於夏半球，1月份分佈在澳洲和南大洋以及熱帶地區，而月份則分佈在北太平洋和北大西洋海區以及熱帶和南極附近；春秋過渡季節陰影區顯著減小，主要集中於熱帶，但春季4月份南極大陸幾乎都未通過嚴格的顯著性檢驗。總體來看，陸面温度和擾動位能的相關要好於海面。

擾動位能反映的是局地能量的有效性，它與局地温度相對於全球平均的偏差有關，因而，表面温度與局地擾動位能的顯著相關是容易理解的，這也反映出兩者變化具有一致性。當然，在不同季節也會出現相關相對較弱的個別區域，這些情況可能與其它未知因素有關。 ^[1] 

在單點相關分析基礎上，進一步以Q₁為左場，以大氣擾動位能為右場進行了SVD場相關分析，並按照熱帶地區Q₁和擾動位能之間，以及北半球熱帶外Q₁和擾動位能之間兩種情況來分別開展研究。

首先，以冬季熱帶地區的視熱源Q₁為左場，以該地區整層積分的擾動位能為右場進行SVD分析，其目的是考察低緯以潛熱為主的非絕熱加熱率與局地能量有效性的相關關係。第一模態解釋兩個場之間的總協方差平方和的62.18%，能夠代表兩個場耦合變化型的主要特徵，解釋Q₁方差的27.02%，解釋整層擾動位能方差的7.03%，兩個場的耦合變化型顯然在Q₁場中佔較大的方差比例。第二耦合模態的方差貢獻則遠不及第一模態，其仍在Q₁場中的貢獻很大。大部分耦合模態左右場展開時間係數之間的相關可達0.7以上，通過了99.9%的信度檢驗。 ^[1] 

針對局地環流能量轉換問題，該工作系列討論擾動位能理論及其應用。提出了擾動位能的新概念，將其分解為大氣擾動位能(簡稱擾動位能)和表面擾動位能兩個部分，給出了擾動位能各階矩項的數學表達形式，結合資料指出二階以上的擾動位能高階矩項相對於其一階矩項和二階矩項來説是小量，並指出擾動位能二階矩項的全球平均恰好等於傳統的有效位能，但兩者在物理意義上明顯不同。 ^[2] 

擾動位能有明顯的季節變化。從冬季和夏季帶面積加權的整層大氣擾動位能一階矩項、二階矩項及它們總和的垂直平均的全球分佈。可知無論是擾動位能的一階矩項、二階矩項還是它們的總和都是冬半球的分佈與年平均的情形相似。

與年平均情況一樣，擾動位能的冬夏分佈形勢和變化與擾動位能一階矩項的相似。從冬夏擾動位能的差可以較好地反映其年變化。在熱帶地區，由於太陽輻射變化不大而整層大氣擾動位能的一階矩項、二階矩項以及擾動位能本身的年變化較小，這些量的年變化在陸地上比在海洋上要大。擾動位能的一階矩項和擾動位能由冬到夏在北半球基本上是增大(除了北半球熱帶地區)，而在南半球則相反，增大和減弱最顯著的地區分別位於大陸的上空。

南、北半球和全球平均的整層大氣擾動位能的季節變化，可見半球平均的整層大氣擾動位能的季節變化是顯著的，但全球平均的季節變化很小，基本穩定。對於一階矩項，北半球平均值夏季最大，冬季最小，南半球平均值正好相反，它們季節變化的幅度約為70×10⁶J。對於二階矩項，南、北半球平均值的變化與一階矩項的相反，其季節變化的幅度約為3.5×10⁶J，約是一階矩項的二十分之一。為了維持平衡，存在着平均一階矩項從冬半球向夏半球、平均二階矩項從夏半球向冬半球的越赤道輸送。 ^[2] 

南、北半球和全球平均的整層大氣總動能的季節變化與擾動位能二階矩項的變化情況極為相似，似乎呈一固定的比例。這一點可以通過提供的南半球、北半球和全球平均的整層大氣總動能和擾動位能二階矩項的比值得到反映，對於全球平均而言，它們的比值較半球尺度情況更穩定，平均而言約為20%,説明從全球尺度上大氣總動能的季節變化與擾動位能二階矩項的關係密切。但從區域尺度或局地上看，兩者之間的關係不明確，年平均整層大氣總動能與擾動位能的二階矩項之比的分佈，可以看出一些急流區和季風區內的情況，同時，可見有些地區大氣動能比擾動位能二階矩項的數值還大不少，特別是在南北兩半球副熱帶急流區，而且在這些地區在不同的季節大氣動能比擾動位能二階矩項甚至大80～100倍以上，表明在區域或局地的尺度，擾動位能二階矩項並不能代表全位能中可以釋放的那一部分(即全位能變為動能的部分)。然而，大氣動能卻與擾動位能一階矩項的關係密切，兩者呈現非常清楚的反向變化關係，其實對於任何局地上的情況都是如此，這種結果是符合能量學觀點的，説明擾動位能對於局地環流動能維持的重要性。 ^[2]