有效位能

在閉合系統中，經過幹絕熱過程，從初始狀態調整到水平穩定層結狀態時，系統所能釋放的最大全位能，稱為有效位能。大氣處於某一狀態時，可用於轉換為動能的能量只是全位能的一小部分，這部分能量稱為有效位能，餘下的稱為非有效位能。

大氣經過絕熱調整後產生的穩定層結有：低壓面、等温面和等熵面，這些等值面是相互重合的，這時位能不能再轉換動能了，所以此時是最小的全位能。

有效位能有如下性質：

（1） 大氣做絕熱運動時，全球大氣的有效位能與動能之和不會改變；

（2） 有效位能完全決定於初始狀態的質量分佈；

（3） 等壓面、等温面呈水平分佈狀態且層結穩定時，有效位能等於零；

（4） 大氣為斜壓狀態時，有效位能總是正值。

有效位能是動能唯一的“源”，但不是唯一的“匯”。因為摩擦消耗動能轉換為內能時，最小全位能和全位能都增加，所以消耗的動能值超過了有效位能的增加值。此外，通常是達不到參考狀態的，故有效位能僅是全位能能夠轉換為動能的上限值。 ^[1] 

對大氣而言，能量的基本形式有內能(Internal energy)、位能(Gravitational potential energy)、動能(Kinetic energy)，如果考慮水汽，還有潛熱能(Latent heat energy)。

在大氣動力學中，根據各種基本能量形式的特點及其有關過程的性質，常採用幾種主要的基本能量的組合形式。

全位能是空氣位能與內能之和。一般，位能（機械能）與內能（熱力學能）是無關的；而大氣有其特殊性，大氣的內能與位能之間是同向變化。在靜力平衡條件下，從海平面向上伸展到大氣頂部的單位截面積的垂直氣柱（無限氣柱）所包含的位能和內能都是與温度有關，相互是有聯繫的。當整個氣柱增温以後，內能必然增加，而當温度增加，氣柱就會垂直膨脹，這樣，重力位能就增加。

位能與內能具有同時增加或者較少的性質，且它們之間有確定比例，平均而言位能是內能的40%；在全位能中，內能大約佔70%，位能30%；平均而言，潛熱能相當於全位能的20%，這説明大氣中潛熱能應占有一定的地位，特別對強烈發展的系統（例如颱風）。

在諸種能量形式中，動能在數量上一般較其它形式的能量小，特別比全位能小2至3個量級。雖然從數量上看，動能與全位能相比微不足道，但是這個小量對大氣運動至關重要。這也説明，大氣中全位能轉變為動能的只是其中很小部分。因此，一般都説大氣是一部效率很低的熱機。 ^[2] 

圖1 各種大氣能量的相對大小

動能與全位能間的轉換，使動能變化，即天氣系統變化的重要機理。但大氣中的全位能不能被全部釋放，在考慮天氣系統變化時，有意義的是能夠轉換成動能的那部分全位能。因此，有效位能可以理解為能夠被釋放出來的那部分全位能。

有效位能與大氣的斜壓性相對應，正壓大氣沒有有效位能；斜壓性越強，力管項大，有效位能越大。也稱有效位能為斜壓能。 ^[3]