能量循環

地球大氣系統吸收太陽輻射和地表放出的長波輻射而使氣候系統具有能量循環和變化，同時輻射能量的形式會發生轉換而形成非輻射形式的能量，又由於大氣層的質量、地球重力作用、温度和密度的差異而形成大氣的運動，因此大氣層就具有了與大氣物理狀況和運動有關的各種能量形式，各種能量形式在大氣運動過程中發生轉換而形成各種天氣氣候現象和過程，叫做能量循環。因此，大氣能量循環在氣候研究中具有重要意義。 ^[1] 

根據物理學基本概念，大氣中的能量可以分為內能、位能、潛熱能和動能等，其中內能與位能之和又稱為總位能。

表徵大氣熱狀況。

大氣質量單元在某一海拔高度所具有的位勢能。

水的相變所引起的可能能量變化。

內能與位能之和。

大氣微元（單位大氣質量）因運動所具有的能量。

不同於全球大氣的能量循環研究，在半球大氣中，有必要考慮赤道邊界的能量流動過程。Peixotoand Oort（1974）、Oort and Peixoto（1974）指出，對於大氣能量的年循環而言，在忽略水汽輸送的情況下，北半球可以看作是一個孤立的閉合系統，即赤道邊界的能量流動過程可以忽略; 但對於季節以及逐月的能量循環過程，尤其是在冬夏月份，北半球是一個開放的系統，其邊界上緯向平均有效位能的交換相較於整個半球的能量收支非常重要。 ^[2] 

（1）大氣能量循環具有明顯的年變化特徵。大氣能量及其轉換過程的年變化幾乎同位相，均是冬季高、夏季低，全年呈一次很明顯的波動。緯向平均有效位能的振幅明顯大於其他三種形式能量的振幅。能量轉化過程中C （P_M，P_{E ）}具有最大的年變化值。能量的越赤道交換過程主要表現為緯向平均有效位能在南北半球間的交換，其振幅與 （P_{M ，}P_E ）相當。P_M 、K_M和K_E越赤道交換過程的年變化大致相同，冬季時能量由南半球向北半球輸送，夏季則反之; 而P_E越赤道交換過程的年變化特徵與此相反。緯向平均有效位能的製造率在秋季時最大，這可能是由於在該季節降水與温度之間的緯度相關性較高； 渦動有效位能的製造率在夏季最大，説明夏季的潛熱釋放過程最為強烈; 緯向平均動能和渦動動能的耗散過程年變化特徵相同，也是冬季高，夏季低，春秋季節處於過渡階段，這與大氣環流的強弱程度有關。

（2）月平均大氣能量循環的年平均結果表明，與能量間的轉化率相比，能量越赤道交換過程非常微弱。能量轉換過程一般是從緯向平均有效位能開始，通過渦動，有效位能轉換成渦動動能，最後轉換為緯向平均動能。

（3）年平均情況下，P_E 主要分佈於高緯地區，在35°N附近具有最小值，接近於零;P_E在中高緯地區具有較大貯存，在赤道地區貯存最小；K_M隨緯度的分佈型與P_M 正好相反，即在35°N附近具有最大值，而在赤道和高緯地區具有最小值；K_E隨緯度的分佈與PE類似，在中緯和高緯地區的貯存較大。轉化項C（P_M ，P_E ）在中緯度地區最為活躍，轉化率達最 大，在 低 緯 地 區 這 一 轉 化 過 程 非 常 微 弱；C（ P_E，K_E）在整個北半球都很活躍，只有在極地附近減弱明顯， （K_E，K_M）主要發生在中低緯地區，高緯地區幾乎無轉化； （P_M ，K_M)）反映的是三圈環流的貢獻，主要取決於低緯直接環流和中緯間接環流的相對強度，至於高緯的直接環流非常微弱，貢獻很小。冬季和夏季的情況與此類似，主要在數值上有所差異。

要説明的是，由能量循環年變化的研究結果表明，大氣環流的能量循環過程是非常複雜的。在半球際的能量交換過程中，是何種原因導致了B（P_M ）較大，目前除了平均經圈環流( 主要是Hadley環流)的作用外，其他尚不清楚; 另外，能量循環的年際、年代際變化如何，以及與全球增暖的關係如何，仍需作進一步研究。 ^[2] 

（1）由於太陽輻射的緯度差異，低緯輻射加熱和高緯輻射冷卻，形成了基本氣流的有效勢能；

（2）通過中緯度的斜壓經向擾動（温度槽落後與流場槽）對感熱的輸送，使得基本氣流的有效勢能轉換為擾動有效勢能；

（3）通過中緯度斜壓經向擾動形成的暖空氣上升和冷空氣下沉，使得擾動有效勢能轉換為擾動動能；

（4）通過中緯度羅斯貝波的螺旋結構對西風動量的輸送，使得擾動動能轉換為基本氣流的動能；

（5）平均經圈環流（哈得萊環流和費雷爾環流）的淨作用使得基本氣流的動能轉換為基本氣流的有效勢能；

（6）基本氣流的動能和擾動動能都由於摩擦而消耗；

（7）年平均而言，北半球有少量能量注入南半球。 ^[3]